全 文 ：第 23卷 第 4期
2007年 4月
农 业 工 程 学 报
Transactions of the CSAE
Vol. 23　 No. 4
Apr.　 2007
收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究
廖宜涛 , 廖庆喜※ , 田波平 , 舒彩霞 , 王　静 , 马爱丽
(华中农业大学工程技术学院 ,武汉 430070)
摘　要: 试验研究芦竹底部茎秆的机械物理特性 ,以获得其最大破坏应力、弹性模量等机械物理特性参数 ,并分析芦竹切割
过程中应力、应变分布状态 ,能为芦竹切割刀具和切割方式的设计提供理论依据和基础技术参数 ,对低能耗、高效率的芦竹
切割器的设计具有重要的指导意义。该文利用微机控制电子万能材料试验机对收割期的芦竹底部的茎秆进行了顺纹拉伸、
压缩、弯曲试验 ,获得试验条件下顺纹拉伸、压缩、弯曲的应力 - 应变曲线 ,并进行了分析。试验测得芦竹底部茎秆顺纹拉伸
最大抗拉强度平均值为 123 M Pa ,弹性模量值为 1260 M Pa;顺纹压缩最大抗压强度平均值为 52 M Pa,弹性模量值为
595 M Pa;顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为 125 M Pa ,弹性模量值为 1715 M Pa。结果表明 ,芦竹破坏应力参数接近毛竹 ,远大
于玉米、小麦等茎秆的破坏应力参数 ,芦竹的机械化收割不宜采用传统的切割器。
关键词: 芦竹茎秆 ; 弹性模量 ; 破坏应力 ; 切割
中图分类号: S795. 8　　　　文献标识码: B　　　　文章编号: 1002-6819( 2007) 4-0124-06
廖宜涛 ,廖庆喜 ,田波平 ,等 .收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究 [ J].农业工程学报 , 2007, 23( 4): 124- 129.
Liao Yitao , Liao Qingxi, Tian Boping , et al. Expe rimental research on the mechanical physical par ameter s o f bo ttom stalk
of the Arundo donax L. in ha rvesting pe riod [ J]. T ransactions o f the CSAE, 2007, 23( 4): 124- 129. ( in Chinese with
Eng lish abstract)
收稿日期: 2006-04-21　修订日期: 2006-09-28
基金项目:湖北省重点科技攻关项目 ( 2005AA201B06)
作者简介:廖宜涛 (1982- ) ,男 ,湖北人。 武汉　华中农业大学工程
技术学院 , 430070。 Email: liaoetao@ yahoo. com. cn
※通讯作者: 廖庆喜 ( 1968- ) ,男 ,湖北人 ,博士 ,副教授 ,从事农业
机械化工程的教学与研究工作。 武汉　华中农业大学工程技术学
院 , 430070。 Email: liaoqx@ mail. hzau. ed u. cn
0　引　言
芦竹系多年生粗壮草本植物 ,属被子植物门 ,单子
叶植物纲 ,其外观似芦苇 ,性状似竹子 ,分布于热带和温
带 ,繁殖栽培十分容易 ,既耐旱涝 ,又耐热寒 ,在沼泽地、
河滩地、河岸、沙荒、甚至盐碱地都能生长 ,不用施肥和
防治病虫害 ,且可以改善地貌 ,降低废水污染 [ 1]。芦竹产
量高 ,收获期短 ,富含纤维 ,每公顷可收获制造 20 t浆的
绝干纤维原料 ;纤维长度约为 1 mm ,宽度约 0. 012 mm ,
长宽比为 86左右 ,滤水性好、碱回收率高 ,各种成纸指
标理想 [2 ] ,早为欧洲人用于纸浆造纸 ,英国采用较多 ,日
本也曾用于制造人造丝。自 20世纪 80年代起 ,由于中国
纸消费的大幅度增长和森林资源保护这一矛盾日益突
出 ,这种产量、出浆量均高于竹、木以及稻草、麦秸和芦
苇等的优质造纸原料 ,受到造纸业的重视。近年来 ,中国
已将芦竹代替木材造纸 ,在国内很多地方 ,特别是在黄
河三角洲一带 ,进行了大量的种植。
芦竹茎秆高约 3～ 6 m、茎秆直径 10～ 30 mm ,外形
特征明显高、粗 ,底部茎杆硬度和刚度大。 目前 ,芦竹的
收割基本上是采用手工收割 ,条件艰苦 ,收割难度大 ,劳
动强度高 ,效率低 ,往往造成芦竹无法及时全面收获 [3 ]。
实施芦竹机械化收割 ,对提高劳动生产率、降低生产成
本、保证造纸业的原料供应、提高资源的利用率具有直
接的推动作用。国内外对芦竹的研究主要集中在芦竹解
剖学特征 [4 ]、化学成分 [5 ]及纤维形态特性 [6 ]的研究上 ;
在芦竹机械物理特性方面 , O. Speck针对芦竹防风护
堤抗倒伏的生长特性研究了芦竹根茎的机械物理特
性 [7 ] ,对其茎秆特性的研究还未见相关报导。芦竹解剖
学结构特征与竹类材料类似 [ 8] ,力学性能上呈现各向异
性、非均质、非线性 [9 ] ,在切割过程中 ,芦竹茎秆在刀具
刃口附近会产生复杂的应力和应变 ,直接影响芦竹收割
机的切割质量、切割效率及切割能耗。开展芦竹茎秆的
机械物理特性参数试验研究 ,获得其最大破坏应力、弹
性模量等机械物理特性参数 ,为分析芦竹切割过程中应
力、应变分布状态 ,确定芦竹切割力和芦竹切割刀具、切
割方式等提供理论依据和基础技术参数 ,对低能耗高效
率的切割器设计具有重要的指导意义。本文测定了收获
期芦竹底部茎秆顺纹拉伸、压缩、弯曲的破坏应力和弹
性模量 ,并进行了相应的分析。
1　材料与方法
1. 1　试验材料采集
试验材料取山东省东营市金润农业发展有限责任
公司芦竹种植基地生长的芦竹 ,选取生长良好、直径 10
～ 30 mm范围内的芦竹。 试样直径按每间隔 5 mm分
组 ,每组选 5株。图 1为芦竹收割切割部位示意图 ,芦竹
124
收割后留茬高度约为 70～ 100 mm ,采集底部茎秆样品
是截取离地约 80 mm以上的一整节芦竹 (如图 2) ,试样
采回后去包叶、外部擦拭干净。试样要求通直 ,无明显缺
陷及表皮损伤。
图 1　芦竹切割部位示意图
Fig . 1　 Sketch of Arundo donax L. cutting area
图 2　芦竹试样
Fig. 2　 Arundo donax L. sample
1. 2　试验材料制作
锯掉采集试件的结隔并编号 ,测量芦竹茎秆内外直
径 ,参照木材 [10 ]和竹材物理力学性质试验方法 [ 11]制作
试验试样。拉伸试件如图 3所示 ,规格 160. 0× 10. 0× t
(长×宽×芦竹壁厚 ,单位 mm) ,试样中间试验有效部
分规格 60. 0× 2. 0× t ,与两端夹持部分圆弧平滑过
渡 ;压缩试件如图 4所示 ,规格 20. 0× d× t (高×芦竹
外径×芦竹壁厚 ) ;弯曲试件如图 5所示 ,规格 (长×宽
×芦竹壁厚 ) 160. 0× 10. 0× t。拉伸试样和弯曲试样
夹持部位均匀涂抹一层石蜡 ,防止试验过程中夹持试件
滑动 ,压缩试件两端用砂纸打磨水平。经测定 ,所选芦竹
试样的密度为 5. 5× 10- 4 g /mm3 ,含水率 11. 4% ～ 17.
8% ,试验环境温度 15℃、空气湿度 47% 。
1. 3　试验设备与方法
试验采用深圳瑞格尔仪器有限公司制造的电脑伺
服材料试验系统。 型号: RGT-10;规格: 10KN;准确度
等级: 0. 5级。
该系统由试验机主机、 RG控制器、计算机控制系
统三部分组成 ,在试验运行过程中能动态显示载荷值、
变形值、试台速度和应力- 应变曲线等试验状态和试验
结果。
试验方法参照 GB /T15780- 1995竹材物理力学性
质试验方法进行。
图 3　芦竹顺纹拉伸试样
Fig . 3　 Arundo donax L. along veins stre tched sample
图 4　芦竹顺纹压缩试样
Fig. 4　 Arundo donax L. a long veins
compressed sam ple
图 5　芦竹顺纹弯曲试样
Fig. 5　 Arundo donax L. along veins bended sam ple
2　结果与分析
2. 1　芦竹顺纹拉伸试验与分析
试验采用锯齿式拉伸夹头 ,将芦竹拉伸试件作板材
处理 ,选用材料拉伸弹性模量试验控制程序 ,定义相应
的芦竹试件截面积 ,预加载荷 10 N ,使夹头与试件充分
接触 ,拉力加载速度 3 mm /min。
图 6为计算机控制系统绘制的拉伸试验应力 - 应
变历程曲线。试验过程中会出现夹持部位打滑、夹裂等
现象使得计算机绘制拉伸过程的应力—应变历程曲线
失真 (试验过程中绘制的②⑤⑦⑧号试验曲线失真 ,图 6
中只列出②号曲线 ) ,从曲线上可看出失真曲线只在应
变方向滑移 ,其整体历程趋势及最大破坏应力值无明显
125　第 4期 廖宜涛等 :收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究
变异。在图 6中可以看到 ,试验过程中 ,拉伸应力达到芦
竹顺纹最大抗拉强度后 ,芦竹试件被拉断 ,应力瞬时急
剧下降。
图 6　芦竹顺纹拉伸应力 -应变曲线
Fig. 6　 Arundo donax L. a long veins str etch ed
stress-st rain curv es
表 1是试验测得芦竹顺纹最大抗拉强度 (拉伸破坏
应力 ) ,其中最大值为 135. 7 M Pa ,最小值为 104. 8 M Pa ,
平均值为 122. 9 M Pa ,标准差为 11. 17,差异系数为 0.
09,试验测得数据离散程度较低 ,取其平均值为芦竹的
顺纹抗拉强度即e拉 = 123 MPa。
表 1　芦竹顺纹最大抗拉强度
Table 1　 Arundo donax L. along veins maximum
pulling resistant intensity
试验
序号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
平均
值
最大抗拉
强度 /MPa 119. 2 131. 3 127. 9 130. 6 104. 8 135. 7 108. 6 125. 8 122. 9
　　选取试验中计算机绘制的无失真的曲线 (图 6中的
①③④⑥次试验曲线 ) ,对芦竹破坏过程的应力 -应变
历程曲线采用 6次多项式拟合的方法 ,以消除不确定因
素所导致的测量误差 ,拟合曲线形式为
S( x ) = T0x 6+ T1x5+ T2x 4+ T3x3+ T4x 2+ T5x1+
T6 ( 1)
式中　 S—— 应力 ; Ti—— 拟合多项式系数 ; x—— 各
数据点的应变。
图 7为芦竹顺纹拉伸应力 - 应变多项式拟合曲
线 ,拟合多项式系数如表 2所示。其弹性模量 E可表示
为
E ( x ) = dS /dx ( 2)
即曲线上每一点对应切线斜率为该点的弹性模量
值 ,在拟合曲线上采样取点 ,对各点切线的斜率取平均
值 ,即为芦竹顺纹抗拉弹性模量 E拉 = 1259. 92 M Pa,取
E拉= 1260 MPa。
图 7　芦竹顺纹拉伸应力 -应变多项式拟合曲线
Fig. 7　 Arundo donax L. a long veins st retched str ess-strain
m ultinomial dr afted curv e pulling intensity
表 2　芦竹顺纹拉伸应力 -应变多项式拟合曲线各项系数
Table 2　 Arundo donax L. along veins str etched str ess-st rain multinomial dr afted curv e coefficients
试验序号 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6
① - 2E+ 09 5E+ 08 - 5E+ 07 3E+ 06 - 65853 1007. 1 1. 1268
③ - 1E+ 09 4E+ 08 - 4E+ 07 2E+ 06 - 24818 552. 82 2. 0769
④ - 9E+ 09 2E+ 09 - 3E+ 08 1E+ 07 - 241091 2305 1. 9312
⑥ - 7E+ 08 2E+ 08 - 3E+ 07 1E+ 06 - 21126 517. 64 2. 1392
2. 2　芦竹顺纹压缩试验与分析
试验采用平面压头 ,试件置于球面滑动支座中心位
置 ,将压缩试件作空心管材处理 ,选用材料压缩弹性模
量试验控制程序 ,定义相应的芦竹试样内外直径 ,预加
载荷 10 N,保证试验初始阶段压头充分接触试样上下
端面 ,压力加载速度 3 mm /min。
图 8为计算机控制系统绘制的压缩试验应力 - 应
变曲线 ,在压缩应力加载至芦竹顺纹最大抗压强度后 ,
芦竹被压溃至压密阶段 ,纤维管束内细胞失去直线平衡
能力 ,因细胞壁厚度及细胞直径不等 ,细胞壁逐渐皱折
或向腔内塌陷 ,并逐渐压溃至压密阶段 ,直至芦竹壁破
裂。其中⑤⑦号试验曲线应变方向上变异较大 ,判断为
试验初始阶段试件滑移引起失真 ,但其最大破坏应力值
有效。
表 3是试验测得芦竹顺纹最大抗压强度 (压缩破坏
应 力 ) ,其中最大值为 67. 31 M Pa,最小值为 43. 85
M Pa,平均值为 51. 90 M Pa,标准差为 8. 56,差异系数为
0. 16,测得数据离散程度较低 ,试验测得的数据平均值
即为芦竹最大抗压强度 ,取e压 = 52 MPa。
126 农业工程学报 2007年　
图 8　芦竹顺纹压缩应力 -应变曲线
Fig . 8　 Arundo donax L. along veins compressed
stress-str ain curv e
表 3　芦竹顺纹最大抗压强度
Table 3　 Arundo donax L. along veins maximum
st ress intensity resisting
试验序号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 平均值
最大抗压
强度 /MPa 50. 26 58. 72 57. 97 67. 31 45. 00 43. 93 48. 17 43. 85 51. 90
　　同顺纹拉伸试验数据处理方法 ,对未失真的顺纹压
缩应力 -应变历程曲线采用多项式拟合 ,得到如图 9所
示芦竹顺纹压缩应力 -应变多项式拟合曲线图 ,拟合多
项式系数见表 4所示。通过求取平均值得芦竹顺纹抗压
弹性模量 E压 = 595. 61 M Pa ,取 E压= 595 M Pa。
图 9　芦竹顺纹压缩应力 -应变多项式拟合曲线
Fig. 9　 Arundo donax L. along veins compressed
stress-str ain multinomia l dra fted curv e
表 4　芦竹顺纹压缩应力 -应变多项式拟合曲线各项系数
Table 4　 Arundo donax L. along veins compressed st ress-strain multinomial drafted curv e coefficients
试验序号 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6
① - 2E+ 09 5E+ 08 - 4E+ 07 2E+ 06 - 17372 423. 46 0. 6251
② 1E+ 09 - 3E+ 08 3E+ 07 - 1E+ 06 29651 25. 094 0. 8171
③ 2E+ 07 - 6E+ 06 - 163125 107748 - 6253. 4 665. 37 - 1. 494
④ - 2E+ 07 1E+ 07 - 3E+ 06 246106 - 10067 588. 55 0. 8616
⑥ - 1E+ 09 3E+ 08 - 3E+ 07 1E+ 06 - 21440 997. 33 0. 6279
⑧ 3E+ 07 - 1E+ 07 2E+ 06 - 183364 10467 49. 711 0. 4929
2. 3　芦竹顺纹弯曲试验与分析
试验采用三支点弯曲法 [12 ] ,将弯曲试件作板材处
理 ,选用材料弯曲弹性模量试验控制程序 ,定义相应的
芦竹试样截面积 ,弯曲跨度为 80 mm,预加载荷 10 N(保
证 压头与试样密切接触 ) ,弯曲压力 加载速度
3 mm /min。
图 10　芦竹顺纹弯曲应力 -应变曲线
Fig. 10　 Arundo donax L. along veins bended
stress-str ain curv e
图 10为计算机绘制的弯曲应力 - 应变曲线 ,弯曲
应力超过最大抗弯强度后芦竹断裂 ,应力下降。试验过
程中 ,试件在弯曲夹具上滑移 ,其中④⑥⑧号试验中打
滑引起计算机控制程序绘制的曲线振荡幅度大 ,图中只
列出④号曲线 ,但其曲线总体历程趋势以及最大破坏应
力无显著变异。
试验测得芦竹顺纹最大抗弯强度 (弯曲破坏应力 )
如表 5所示 ,其最小值为 108. 1 M Pa,最大值为 135. 6
M Pa,平均值为 125. 4 M Pa,标准差为 9. 75,差异系数为
0. 08,取e弯= 125 M Pa为芦竹顺纹最大抗弯强度。
表 5　芦竹顺纹最大抗压强度
Table 5　 Arundo donax L. a long veins max imum
bending-resisting intensit y
试验
序号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
平均
值
最大抗拉
强度 /M Pa 123. 3 135. 6 131. 4 132. 7 113. 6 128. 3 108. 1 129. 9 125. 4
127　第 4期 廖宜涛等 :收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究
　　同 2. 1节试验数据处理方法 ,对图 10中①②③⑤⑦
号曲线对应力 -应变有效区间曲线采用多项式拟合 ,得
到如图 11所示芦竹顺纹弯曲应力 -应变多项式拟合曲
线图 ,拟合函数系数见表 6所示。通过求取平均值得芦
竹顺纹抗弯弹性模量 E弯 = 1714. 82 M Pa,取 E弯 = 1715
MPa。
图 11　芦竹顺纹弯曲应力 -应变多项式拟合曲线
Fig. 11　 Arundo donax L. along veins bend stress-st rain
multinomial drafted curv e
表 6　芦竹顺纹压缩应力 -应变多项式拟合曲线各项系数
Table 6　 Arundo donax L. a long veins bended stress-st rain
multinomia l dra fted curv e coefficients
试验
序号 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6
① - 8E+ 07 1E+ 08 2E+ 07 2E+ 06 39628 2595. 4 2. 7236
② - 6E+ 08 2E+ 08 2E+ 07 492717 4603. 9 2016. 6 4. 0696
③ 3E+ 08 1E+ 08 3E+ 07 2E+ 06 101042 243. 16 3. 2232
④ 3E+ 09 7E+ 08 5E+ 07 2E+ 06 54314 1325. 6 3. 8601
⑤ 3E+ 09 6E+ 08 5E+ 07 2E+ 06 55721 1159. 4 4. 6789
3　结　论
1) 试验测得芦竹物理机械特性参数:收割期芦竹
底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度为 123 M Pa,抗拉弹性
模量为 1260 MPa;顺纹压缩最大抗压强度为 52 M Pa,抗
拉弹性模量为 595 M Pa;顺纹弯曲最大抗弯强度为 125
MPa ,抗拉弹性模量为 1715 MPa。
2)试验的拉伸、压缩、弯曲应力 -应变曲线均显现
出一定的非线性特征。 拉伸和弯曲试验中 ,载荷超过芦
竹最大破坏应力时 ,芦竹瞬间被破坏 (拉断、弯曲折断 ) ,
呈现很明显的脆断性 ,压缩试验中 ,载荷超过芦竹最大
抗压应力后 ,芦竹试样进入紧密压缩阶段 ,应力趋于定
值 ,直至芦竹试样压裂。
3) 芦竹的物理机械特性与毛竹接近 (毛竹顺纹抗
拉强度为 153. 1 M Pa ,顺纹抗压强度为 66. 3 M Pa ,顺纹
抗弯强度 152 MPa[1 3] ) ;远大于玉米 (外皮纵向抗拉强
度 90 MPa[14 ] )、小麦 (顺纹拉伸强度为 21. 2～ 31. 2
M Pa
[ 15] )等茎秆的物理机械特性参数。因此芦竹的机械
化收割不宜采用传统的切割方式与切割刀具 ,需要开发
研制适合芦竹自身物料特性的切割器。
[参　考　文　献 ]
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128 农业工程学报 2007年　
Experimental research on the mechanical physical parameters
of bottom stalk of the Arundo donax L. in harvesting period
Liao Yitao , Liao Qingxi※ , Tian Boping , Shu Caixia , Wang Jing , Ma Aili
(College of Engineering and Technology , Huazhong Agricultural University , Wuhan 430070, China)
Abstract: Obtaining parameters of mechanica l physical characteristics o f the Arundo donax L. stalk such as the
maximum breaking st ress, modulus of elastici ty , etc. through the experimental study, and o ffering theoretical
foundation and basic technical parameters for the study of cut ting and cut ter fo r the Arundo donax L. , play a
signi ficant ro le in designing high-ef ficiency cutting device w ith low energ y consumption and realizing the Arundo
donax L. harv esting mechanization. Just like bamboo , timber, etc, the Arundo donax L. is aniso t ropic,
non-homogenized, non-linear biomaterial , but no quantitativ e study has been reported on the mechanical physical
cha racteristics of the Arundo donax L. stalk. Using the computer-controlled elect ronic univ ersal testing machine
to do st retching test, compressing test and bending test , along veins on the bo t tom stalk o f Arundo donax L. , the
st ress-st rain curv es under certain experimental condi tions w ere acquired and ana lyzed. The tests show that the
average maximum o f pulling resistance intensity along veins is 123 M Pa, the modulus of elastici ty is 1260 M Pa;
the average maximum of st ress resistance intensity along veins is 52 M Pa , modulus o f elastici ty is 595 M Pa; the
average max imum o f bend resistance intensi ty along veins is 125 M Pa, and modulus o f elasticity is 1715 M Pa.
And the resul ts indicated tha t the breaking st ress parameters o f the Arundo donax L. is simi lar to the
Phylbstachys pubescens, but is far g reater than the breaking stress parameters of stem stalks such as the maize,
w hea t , etc. So the t radi tional cutters a re unsui table to be adopted in the mechaniza tion harv est o f the Arundo
donax L. .
Key words: Arundo donax L. stalk; modulu o f elastici ty; breaking stress; cut ting
更 正 启 示
　　本刊 2007年第 3期发表的署名为“周中仁 ,王效
华 ,陈　群 ,陈淑峰 ,吴文良”、题名为“北方农村小康
家庭能源消费结构演变研究”的论文 , 因编辑工作疏
忽 ,误将题名中的“小康农村家庭”刊为“农村小康家
庭” ,特此更正 ,并向作者及读者致以深深的谦意。
(本刊 )
129　第 4期 廖宜涛等 :收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究