匍匐缠结牧草茎杆生物力学特性及其机械化收获机理研究

许多牧草如豌豆、毛苕子、小冠花及结荚苜蓿，由于枝条交错缠结，无法机械化刈割。本研究用波钦诺克方法和微机控制电子万能试验机，对牧草茎秆做生物力学性能试验；并采用常规切片法切取茎的横切面, 用显微镜观察内部结构及纤维素排列方式，揭示不同牧草茎秆生物力学性能指标（木质素和纤维素含量、纤维素结构、弹性模量、抗拉强度、应力应变及抗剪切强度）间的相关性；深入研究牧草生物力学特性与其机械化收获中切割力、功率间的内部规律，探索匍匐缠结牧草收获机理。如：利用动力学仿真分析软件ADAMS对圆盘齿刃割刀纵向动力分禾装置进行运动学仿真,定量研究影响分禾与切割的各因素作用机理；应用有限元 ANSYS软件计算梨体曲面形专用输送装置应力分布,得到使牧草有力侧移和减小牧草与输草板摩擦阻力的可行性方案，从而为牧草收获机优化设计、加工机具、设备、配套工艺的科学研究提供思路。为解决国内外草资源推广应用中基本难题提供方向性成果。

项目以西北典型多年生优质高产豆禾牧草紫花苜蓿、小冠花、无芒雀麦等为研究对象，测试了不同刈割期茎秆力学性能和不同状态下茎秆的纤维素、木质素、蛋白质、全硅等主要化学成分含量；观测了其微观组织结构,得到扫描电镜下的解剖构造图像；建立了茎秆横截面的力学模型；并利用VB6.0, Sql Server等编程语言，结合MATLAB统计分析软件，运用矩阵运算等数据库技术，对测试所得的生物力学数据进行整合处理，初步建立牧草茎秆生物力学通用信息数据库系统。研究结果表明：1）刈割期茎秆外径差异不大，豆科略大于禾本科牧草，但禾本科牧草抗拉强度是豆禾牧草的3～4 倍；茎秆抗剪切强度均随直径增大有减小的趋势；豆禾牧草的抗拉强度与其直径之间呈幂函数负相关关系；加载速度为100 mm/min 时，砍切的切割阻力最大，当滑切角为30°时，滑切阻力比砍切阻力降低50%～60%。2）刈割期牧草底部茎秆应力-应变曲线服从虎克定律，禾本科扁穗冰草茎杆抗拉强度高而弹性小；豆科小冠花茎杆抗拉强度最低，柔韧性强，纤维素质量分数也最低（13.87 %）。3）牧草茎秆是一种典型的各向异性复合材料，其强度和刚度不仅取决于纤维素、木质素的含量及其链接形式和排列方式；还取决于各自机械组织的厚度、维管束的数量以及各组织及其细胞之间的连接形式和连接强度；其拉伸强度和纤维素与茎秆外径负相关；但强度与纤维素正相关。4）新育品系低纤维苜蓿、直立型小冠花和对照甘农三号、匍匐型小冠花结荚期茎秆拉伸试验测得平均弹性模量；初花期具有高蛋白的低纤维苜蓿和甘农三号具有高的强度和很好的柔韧性，在滑切角30°条件下，低纤维苜蓿剪切需功耗小,更易机械化收获。5）以上述数据库系统软件为技术工具，通过田间试验，探索了牧草生物力学特性与其机械化收获中切割力、功率间的内部规律及其匍匐缠结牧草收获机理。如：对圆盘齿刃割刀纵向动力分禾装置进行运动学仿真,研究影响分禾与切割的各因素作用机理等。研究期间获得：牧草茎秆生物力学通用信息数据库系统软件登记1项；授权发明专利2项；实用新型专利3项；出版专著1本；在核心期刊发表相关论文28篇，其中EI收录14篇，培养研究生5名，2名青年教师成为学术骨干，且成果均已应用在教学、科研上.