毕业设计（论文）芒类生物质切割物理特性研究

全日制普通本科生毕业论文 芒类生物质切割物理特性研究 THE STUDY ON THE TALL GRASS BIOMASS CUTTING PHYSICAL PROPERTIES学生姓名: 学 号: 年级专业及班级：2008级 机械设计制造及其自动化(5)班指导老师及职称：学 部：理工学部提交日期：2012 年 6 月全日制普通本科生毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名： 年 月 日目 录摘要1关键词11 前言22 问题的提出及国内外现状分析3 2.1 芒草的经济价值3 2.2 研究目的3 2.3 国内外研究现状42.4 目前需解决的问题52.4.1 芒草实验植株选择问题52.4.2 测量数据的精确问题52.4.3 数据采集后的科学分析53 实验内容63.1 试验样本的采集以及材料的选取6 3.1.1 试验样本采集6 3.1.2 实验材料的选取6 3.1.3 实验需测量数据63.2 实验设备73.3 夹具设计73.4 试验原理与方法83.5 试验结果83.5.1 五种芒草的分阶实验数据方差分析83.5.2 切割速度的影响123.5.3 直径的影响133.5.4 节点的影响163.5.5 含水率的影响173.5.6 正交试验184 讨论与分析295 结论29参考文献30致谢31芒类生物质切割物理特性研究摘 要：大量的能源需求和减少对石化石油的依赖，是世界上共同面临的挑战。芒类生物质的利用是未来生物能源的主要利用方向之一，本试验采用湖南农业大学试验园种植的芒草为材料，以湘杂芒2号、湘杂芒3号、芒/南荻杂交种、2年生南荻无性繁殖苗和3年生南荻种子苗5个品种的芒草为试验对象。在切割试验中针对每类芒草茎秆分别采用不同切割位置，不同切割刀具，不同切割方式和不同切割速度，从切割力，应力，剪切强度三方面分析芒类生物质切割物理特性，得出切割不同芒草茎秆的最大切割力和最有效切割方式。从而为加工机具和加工工艺的设计、改进提供基础数据和理论依据，为设计芒草收割、切碎机械设备时提供有效的参考和理论支持。关键词：芒草生物质；芒草；茎秆；机械特性；显著The Study on the Tall Grass Biomass Cutting Physical Propertiesr Abstract：To cutting down the huge demand on energy and the rely on the fossil oil is the challenge which the world faced. To take advantage of the Miscanthus Biomass is part of bioenergy in the future. This experiment is to use the miscanthus sinensis nurtured by Hunan Agricultural Universitys test garden, Taking Xiangzamang NO.2, Miscanthus/Nandi cenospecies, biennial Nandi apogamic seedling and triennial Nandi seeding bud as experimental subjects. In the cutting experiment, for each type of Miscanthus straw use of different cutting positions, different cutting tools, cutting different ways, and different cutting speed, from cutting force，cutting stress，shear strength three aspect analysis the tall grass biomass cutting physical properties, and obtaining the largest cutting force and the most effective cutting method of each Miscanthus straw. So this experiment can provide basic data and theoretical basis on design of processing equipment and improve the technology，and provide effective reference resources and theory support on design of harvesting machinery and shredding machine.Key words: Miscanthus Biomass; Miscanthus; Stalk ; echanical properties ; otability1 前言生物能源被认为是21世纪最有希望在解决能源危机方面有所作为的能源。生物能源资源包括糖类（甘蔗、甜高粱、甜菜）、淀粉类（粮食、薯类）、纤维素类（农作物秸秆、草类、薪材等）、油料类（大豆、油果林木、油菜等）。在上述资源中，大部分与人类粮食有关，在制造生物能源的同时，可能会引起粮食危机。而芒属（Miscanthus）植物俗称芒草，属禾本科多年生高大草类。由于芒草不属于粮食作物，其主要生长在荒地上，所以作为能源植物的芒草就受到世界范围的广泛关注。各国纷纷出台相应的政策措施，以期在能源植物的开发和研究上走在前列1。芒属植物（Miscanthus）为禾本科的C4类多年生高大草本，主要分布于东亚、东南亚和太平洋群岛等地区。芒属植物为高度自交不亲和植物，具有生物质产量高，地下根状茎发达，抗逆性强，适应性广等特点，可应用于造纸、制药、水土保持和生态修复等。目前在欧洲和北美地区作为能源植物广泛栽培和研究的芒属植物品种主要是从日本引入的 “奇岗”（M. x giganteus），它被认为是芒与荻种间杂交产生的异源三倍体。M. x giganteus的地上部干生物质产量在不同地区一般可达到1040吨/公顷年，可用于火力发电或生产燃料乙醇。中国是世界芒属植物的分布中心，其大致分布范围为18N50N、98E135E，主要种类有芒（M. sinensis）、五节芒（M. floridulus）、荻（M. sacchariflorus）和南荻（M. lutarioriparius）等，其中芒为广布种，而南荻为中国的特有种。在中国长江中下游地区，南荻具有作为造纸原料利用的悠久历史，并有大面积人工栽培2。湖南农业大学自20世纪80年代起就开展了芒属植物的研究，采用植物细胞工程技术选育出了同源四倍体新品种“芙蓉南荻”，同时还培育出国际上第一例转基因芒属植物转外源Bt基因的抗虫南荻新种质。并建立了一个保存有超过1000份芒属野生种质的资源圃。目前，传统的芒草收割主要采用人工砍割方式，机械化是提高芒草收割效率，降低劳动强度的重要方式。明确芒草茎秆的力学特性是研制芒草收割机械的关键。目前，我国对于如小麦、水稻、甘蔗、油菜秆、棉秆、芦竹、玉米、苎麻、野生薇菜、牧草等农作物茎秆的力学特性取得了一定的研究成果3。而文献资料表明，关于芒草茎秆的力学特性研究，国内基本处于空白，因此进行芒草机械特性的相关实验显得尤为必要。本文为芒草的机械化收割选择切割方式和切割刀具提供理论依据和基础技术参数，测定了芒草茎秆被切割时的力学性能指标，并进行了相应的分析4。2 问题的提出及国内外现状分析2.1 芒草的经济价值芒草在我国广泛分布，一直以来人们都将其视作杂草，仅用作生火之用，但是随着研究的深入，人们发现芒是一类兼具生态效益和经济效益的植物资源。 芒类植物具有生长快、产量高、易繁殖的特点，播种后能迅速覆盖地面，是适合于荒坡、湖洲发展的先锋植物，能有效地起到固土保水、防止冲刷、改善周边生态环境的作用。周存宇等采用不同部位的繁殖体进行无性繁殖，定量研究不定根的长度和数量、根状茎新生芽数量和地下部分包裹土壤的体积，以预测其护坡效果。研究者发现，五节芒在重金属矿业废弃地恢复实践中具有较大的应用潜力，五节芒定居不仅促进了尾矿砂重金属朝着沉淀态和螯合态方面转化，而且还显著地改善了尾矿砂微生物群落的功能发挥。尽管五节芒不属于重金属超富集植物，但对污染土壤中的铅、锌等重金属均具有较强的吸收能力，这一现象说明五节芒将对降低污染土壤中的重金属含量及改善土壤环境具有重要作用5。研究发现，芒忍受铝离子、重金属和氧胁迫的环境，并认为这种对非生物逆境较强的忍耐力可能是因为芒具有其特殊的耐受机制所造成的。由于芒属植物茎秆纤维细胞含量高，可以作为一种优良造纸材料。据测定，南荻的纤维产量和质量都比芦苇、麻类、毛竹、杨树和柳树高，纤维细胞的含量达到50%左右，其平均长度约3 mm，最长纤维达6.8 mm。杨春生等研究了荻的2个变种胖节荻和突节荻的纤维品质及农艺性状，发现它们纤维含量高、品质好、抗逆性强、抗病虫性强、对土壤肥料的适应性强，属优良型造纸原料。何立珍等采用组培诱变的方法，获得了1个四倍体新资源“芙蓉南荻”，其产量大幅度提高，纤维质量更好，可以用来制造中、高档文化用纸。由于芒属植物株型美观，目前已经成为城市绿化造景的重要素材。例如，现在已经开发出花叶芒、彩色芒、斑叶芒、细叶芒等园林专用品种。武菊英等在盆栽条件下研究了分株和遮荫对观赏植物花叶芒（M.sinensisVariegatus）生长的影响，为种苗快速扩繁和应用配置提供技术依据。芒草类植物还可以用作饲草。例如，民间就用南荻的根茎饲喂芒鼠（又叫冬狸）。芒属类植物最受重视的一个用途，就是作为能源植物进行开发，将其直接作为燃料，不仅燃值高，而且放出的CO2低，且不含有害气体，残留的灰烬也少，同时也可通过纤维素降解生产燃料乙醇。由此可见，芒属植物不仅在生物能源领域拥有巨大的经济价值，同时在生态环保、农业、工业方面都具有很大的开发潜力和市场价值6。2.2 研究目的 芒草大部分品种外形特征为高、粗，底部茎杆硬度和刚度大。目前芒草的收割基本上是采用手工收割，条件艰苦，收割难度较大，而且劳动强度高，效率低，往往造成芦竹无法及时全面收获而减产。所以，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，同时它也是芒草收获方式的一个必然趋势。类似于稻谷收割机械,芒类收割机的工序可分为收割、切断、分离、传送等7。芒草解剖学结构特征与竹类材料类似，力学性能上呈现各向异性、非均质、非线性，在切割过程中，芒草茎秆在刀具刃口附近会产生复杂的应力和应变，直接影响芒草收割机的切割质量、切割效率及切割能耗。开展芒类生物质切割物理特性研究，获得不同切割方式下其最大切割力、破坏应力，剪切强度等机械物理特性参数，为分析芒草切割过程中应力、应变及剪切强度的变化及分布状态，确定芒草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。本文测定了收获期芒草茎秆最大切割力、破坏应力，剪切强度，并进行了相应的数据分析8。设计收割机相应工作部件，就必须知道不同芒类植物对刀片的要求，知道各种刀片在何种切割方式下能用最小的切割力切割茎秆，知道哪些外部因素对切割力的变化造成影响。因此此次研究以多种芒草为试验对象，进行了不同节间含水率、外径、原始截面面积的各种可逆的或不可逆参数和相应变化规律的研究，旨在探索研究不同的外部条件对芒草切割过程的影响9。2.3 国内外研究现状我国研究者最早开展的是芒属植物的农艺学研究。早在1980年，张友德等就研究了荻的种子萌发试验，探索了荻在生产上以种子繁殖的可行性。朱邦长等研究了五节芒的茎芽繁殖技术，有效降低了五节芒的栽培成本。而对于芒属植物作为能源植物的研究，我国研究者发表的相关报道较少。袁振宏等对芒草稀酸水解工艺的正交试验研究，为利用芒草作为生产燃料乙醇的原料提供技术支持。邹玲等以芒草为原料，采用新型机制木炭制棒机，就芒草的含水率、粉碎粒径和加热温度等因素对成型燃料松弛密度、抗水性、抗跌碎性的影响进行了研究。在生物学方面，关于芒属植物的研究全起步较晚，但是涉及的范围却比较广泛，包括了生态、植物学、生化、细胞、生理、发育和遗传等领域10。从国外的研究来看，英国是较早将芒草作为能源植物进行研究、开发的国家。早在20世纪90年代，他们就开始从现有的芒草品种中筛选、培育适宜作为火力发电厂燃料的理想品种11。现在，多个国家也已开始大规模种植芒草。德国已兴建了1座发电能力为12万kW的发电厂，其燃料就是芒属植物。在美国，科学家们正在考虑将农作物与煤以11的比例混合来发电，在农作物的选择上，科学家们也倾向于杂交后的芒草。英国的研究者发现，不同的施肥处理对芒在细胞壁成分的浓度和灰分以及液体燃料的成分和质量有较大影响12。通过对近年来发表的国内外有关芒类植物文献的关键词词频统计,以及对关键词形成的共词矩阵进行聚类分析,反映出近年来国内外在芒类植物研究领域的热点问题以及研究动向发现在国内对于芒类茎秆的物理机械特性研究还鲜见报道。湖南农业大学工学院对于芒类的研究自开展以来取得了一定的成绩，2010年湖南农业大学芒属能源植物课题组，将野生芒与南荻进行杂交，选育得到了湘杂芒1号、2号、3号。采取芒属植物人工杂交获得杂交新品种在世界上尚属首例13。其发表的关于芒类作物的一系列文章都为芒类的研究提供了重要的理论及实践依据。此外，还有其他一些对于农作物茎秆的物理机械特性的研究。例如：甘蔗茎秆在扭转、压缩、拉伸荷载下的破坏试验，收割期苎麻底部茎秆剪切的机械物理特性与参数试验，油菜裸苗物理机械特性试验研究等等12。综上所述，芒属植物具有很好的开发价值和利用前景。对于我国许多地区而言，具备发展生物能源的广阔空间，例如大量的荒山、荒地、荒滩、荒坡均可用于栽培芒草。同时，通过对芒草相关研究工作的总结来看，世界范围内对芒属植物的研究工作才刚刚起步，各领域的研究都很难跟上市场的需求，特别是与芒类机械收割相关的研究，这也为我国广大的科研工作者提供了很好的机遇和研究方向。及时迅速地针对我国特色能源植物芒草开展一系列全面系统的研究和应用开发工作，将使我国在全球的新能源领域的竞争中走在前列。2.4 目前需解决的问题2.4.1 芒草实验植株选择问题尽量采集高大,枝叶生长旺盛的芒草植株作为实验样本,采集底部茎秆样品是截取离生长地面约为70-100mm的一整节芒草，式样采集后，必须确定植株主干较为笔直，无明显虫害痕迹等缺陷，然后擦拭干净，去掉主干之外的枝叶。2.4.2 测量数据的精确问题在进行数据采集时，尽量选择比较新，精度较高的测量仪器，使用时严格按照使用说明一步一步进行，力求精准。否则得出来的会是不准确的数据，也就无任何研究意义。2.4.3 数据采集后的科学分析在确保数据的准确之后,必须使用专业的数据统计学方法对数据进行统计分析,确保分析得出一定的规律。3 实验内容3.1 实验样本的采集以及材料的选取3.1.1 实验样本采集采集芒草茎秆样品是截取离地约60mm-80mm以上的一整节芒草（如图1），试样取回后，去叶，去支、去毛根，用水将芒草外表洗净并擦拭，试样要求通直、无虫害。 图1 芒草切割部位示意图Fig.1 Sketch of miscanthus cutting area3.1.2 试验材料的选取实验材料采样于2011年2月湖南农业大学芒属植物种质资源圃生长的芒草，品种：湘杂芒2号，种植日期：2007年6月23日；芒/南荻杂交种（2011年申请品种登记的苗头组合），种植日期：2009年8月25日；2年生南荻无性繁殖苗(腋芽繁殖)，种植日期：2009年8月25日；3年生南荻种子苗，种植日期：2008年8月13 日。依次编号A、B、C、D、E。行距：7575。将芒草茎从基部，两节为一个试样用钢锯截取，依次编号试样1-试样13，试样长80mm。测量每节两端和靠近节部两个方向的4个外径值（2R)，在每节两端截面各取4个对称的位置测量壁厚(），以两节上的8个外径和8个壁厚的平均值作为试样的平均外径和平均壁厚。横截面积S=3.14R-(R-)3。3.1.3 实验需测量数据含水率、外径、原始截面面积、茎秆在不同刀具和不同切割方式下的最小切割力，应力，剪切强度的测定和相应变化规律的研究。A.湘杂芒2号 B.湘杂芒3号 C.芒/南荻杂交种 D.两年生南荻无性繁殖苗(腋芽繁殖)E.三年生南荻种子苗图2 芒草切割试样Fig.2 Cutting sample of Miscanthus3.2 试验设备1SAN试验机、该机加载最大值10kN、电子天平（精度为0.01g，慈溪市天东衡器厂）、游标卡尺、直尺、普通钢锯。（试验台如图3所示）54321.SAN试验机 2.上刀夹具 3.锯齿型割刀 4.茎秆夹具 5.虎钳支架图3 芒草切割试验台Fig.3 Cutting experiment experiment rig of Miscanthus3.3 夹具设计试验在微机控制电子万能材料试验机上进行，由于在切割的过程中芒草茎秆要伸出一段便于切割，所以在夹具上下部分分别垫上约10mm、长宽和夹具相似的泡沫垫，防止切割力加载时夹具对试样的刚性冲击损伤而影响实验效果。3.4 试验原理与方法如图3, 分别将锯齿型和光刃型的切割刀片安装在电子式万能材料试验机上（如图4），分别以200mm/s，300mm/s，400mm/s的速度切割试样直至试样断裂，这是切割件所受的载荷和变形以及横梁的位移可以通过相应的传感器（力传感器、引伸计）和光栅编码器转化成电信号，经放大器放大，再经A/D转换成数字信号后输入，到微机控制部分进行处理和显示。剪切夹具如图11所示。在做剪切试验时，通过安装于计算机内的配套专用软件实验试验测试方案的选择，试验配件及其参数的设置，实现对接受到的试验信号进行加工处理，并给出最终设置的位移与最大载荷的曲线变化规律。取5种芒草茎秆相同种类相同直径各5根，共300个试样进行切割断裂实验，每种刀片每种切割方式在每个茎秆位置重复5次，取平均值。分别绘制茎秆断裂过程的载荷-速度曲线，载荷-直径曲线，载荷-节点曲线，载荷-含水率曲线，观察茎秆的破坏形式，分析切割断裂时的力学性能。获得最大应力、最小切割力、剪切强度等物理特性参数。b.锯齿刀a.光刃刀图4 切割刀片图示Fig.4 Sketch of cutting blade3.5 试验结果3.5.1 五种芒草的分阶实验数据方差分析表1 方差分析Table.1 Variance analysis源 因变量 III 型平方和df均方FSig.切割方式切割力/N5814.77115814.7718.7680.005应力/MPa10.048110.0489.2050.004剪切强度/MPa2.60912.60910.0310.003切割位置/mm 切割力/N4864.87422432.4373.6680.035应力/MPa7.83723.9183.5900.038剪切强度/MPa2.41721.2084.6450.016切割刀具切割力/N695.2271695.2271.0480.313应力/MPa1.57711.5771.4440.237剪切强度/MPa0.42510.4251.6360.209误差切割力/N24536.35337663.145应力/MPa40.386371.092剪切强度/MPa9.624370.260总计切割力/N753840.80042应力/MPa1247.16542剪切强度/MPa311.83942注：湘杂芒2号 Note: Xiang zamang NO.2源因变量III 型平方和df均方FSig.切割方式切割力/N16461.965116461.9656.9050.012应力/MPa4.71314.7134.2450.046剪切强度/MPa1.18711.1874.2650.046切割位置/mm切割力/N846.9112423.4560.1780.838应力/MPa1.1092 0.555 0.5000.611 续表1源 因变量III 型平方和df均方FSig.剪切强度 /MPa0.27020.1350.4850.619切割力/N200.1491200.1490.0840.774切割刀具应力/MPa0.04210.0420.0380.846剪切强度 /MPa0.01010.0100.0350.853切割力/N88213.945372384.161误差应力/MPa41.083371.110剪切强度/MPa10.296370.278切割力/N1445020.17242误差应力/MPa745.21542剪切强度 /MPa186.48242注：湘杂芒3号 Note: Xiang zamang NO.3 源 因变量III 型平方和df均方FSig.切割方式 切割力/N12441.281 112441.281 14.611 P0.001 应力/MPa12.879 112.879 18.031 P0.001 剪切强度/MPa3.231 13.231 18.088 P0.001切割位置/mm 切割力/N3677.701 21838.851 2.160 0.126 应力/MPa2.947 21.474 2.063 0.138剪切强度/MPa0.733 20.366 2.052 0.139切割刀具切割力/N4711.911 14711.911 5.534 0.023应力/MPa11.342 111.342 15.879 P0.001剪切强度/MPa2.81512.81515.757P0.001误差切割力/N41723.609 49851.502 应力/MPa35.000 490.714 续表1 源 因变量III 型平方和df均方FSig.剪切强度/MPa8.752 490.179 总计切割力/N919656.032 54应力/MPa907.733 54剪切强度/MPa226.910 54注：芒南荻杂交种Note: Miscanthus/Nandi cenospecies源 因变量 III 型平方和 df均方FSig.切割方式切割力/N16112.315 116112.3155.7340.025应力/MPa0.229 10.2294.4010.047剪切强/MPa0.056 10.0564.1510.053切割位置/mm切割力/N19901.063 29950.5313.5410.046应力/MPa0.599 20.3005.7530.009剪切强度/MPa0.150 20.0755.6010.010 切割刀具切 割力/N52.350 152.3500.0190.893应力/MPa0.032 10.0320.6170.440剪切强度/MPa0.007 10.0070.5540.464误差切割力/N64634.382 232810.191应力/MPa1.198 230.052剪切强度/MPa0.309 230.013总计切割力/N1672472.939 28应力/MPa39.11628剪切强度/MPa9.79528注：两年生南荻无性繁殖苗 Note: biennial Nandi apogamic seedling33 试验结果表明：4种不同切割模式下，湘杂芒3号、芒/南荻杂交种和两年生南荻无性繁殖苗在茎秆切割位置150mm处的切割力、应力和剪切强度的变化幅度比100mm和200mm处较小，而湘杂芒2号在150mm处影响较小；湘杂芒2号、湘杂芒3号和芒/南荻杂交种的100mm处的切割力、应力和剪切强度最大，150mm处最小，切割150mm处的切割力、应力和剪切强度比100mm分别平均降低16.55%-18.1%、7.58%-15.82%和15.78%-18%，而两年生南荻无性繁殖苗200mm最小。在速度一定的情况下，无论采用锯齿形刀片还是光刀片，均以滑切的切割力最小，湘杂芒2号、湘杂芒3号、芒/南荻杂交种和两年生南荻无性繁殖苗滑切的切割阻力比正切分别降低15.21%、21.43%、27.95%和16.43%；在切割速度和切割方式一定的情况下，滑切过程中采用锯齿形刀片比用光刀片切割的切割力要小；而正切过程中除湘杂芒2号外采用锯齿形刀片切割力要小。 受限于实验器材，本实验的滑切仅采用切割方向与茎秆轴线成30的。试验还发现，光刀切易压陷空腔茎秆而没切断；而锯切易发生爆裂，另结束时锯齿有茎秆粘着。 通过对试验结果的方差分析，如表1所示,结果表明：切割方式对切割力、应力和剪切强度影响显著(P0.05)；对于湘杂芒2号和两年生南荻无性繁1殖苗，切割位置对切割力、应力和剪切强度影响显著(P0.05)；对于芒/南荻杂交种，切割刀具对切割力、应力和剪切强度影响显著(P两年生南荻无性繁殖苗226.06N湘杂芒3号178.48N芒/南荻杂交种126.52N湘杂芒2号120.57N(表2)，但同一芒草茎秆不同直径的最大切割力变幅很大，湘杂芒2号60.77-266.15N,湘杂芒3号55.86-373.56N,芒/南荻杂交种44.57-302.31N,两年生南荻无性繁殖苗108.51-372.16N,三年生南荻种子苗149.52-413.17N。在所测试样中，三年生南荻种子苗直径为18.9mm的单根切割力最大为413.17N。5种芒草茎秆切割力均随着直径的增大以Cubic函数递增（图6A、B、C、D)，但不同芒草茎秆递增的幅度不同。壁厚与切割力呈显著的正相关关系。应力、剪切强度随着直径的增大，有减小的趋势。直径越细，应力、剪切强度越大,湘杂芒2号、三年生南荻种子苗应力、剪切强度随着直径增大以Cubic函数递减（图6A、E)。5种芒草茎秆的平均剪切强度较大的为湘杂芒2号和芒/南荻杂交种，分别为2.75MPa、1.83MPa，其次为湘杂芒3号1.48MPa，两年生南荻无性繁殖苗0.84MPa，三年生南荻种子苗最低为0.60MPa。研究结果发现，湘杂芒3号、芒/南荻杂交种和两年生南荻无性繁殖苗的剪切强度与直径负相关关系不显著，可能与细胞壁纤维细胞有关。直径的影响是因为随着芒草的生长，芒草茎秆直径增大，芒草茎秆内部组织结构趋于成熟，纤维等组织强度增加和茎秆外表面硬度增加，导致消耗的功率增加。但是在实际收割中，芒草茎秆直径过小，影响芒草生物质纤维素转化生物酒精的效益；过大，又使功耗增加，造成动力机组的增大和机型重量增加，而芒草主要生长在主要生长在河海滩涂，不能承受较重的收割机械。在实现芒草收割要求和满足效益的前提下，尽可能选择较小的芒草茎秆；其次，实行农艺手段能使芒草茎秆的直径均匀地增加。在设计芒草收割、切碎机械设备时，应考虑这类机械对芒草茎秆施加的切割力应大于芒草茎秆的最大切割力（三年生南荻种子苗，413.17N）。表2 芒草茎秆切割试验结果Table.2 Cutting test results of miscanthus stalk 名称外径/mm壁厚/mm截面积/mm2切割力/N位移/mm应力/MPa剪切强度/MPa湘杂芒2号4.701.6015.57110.0626.9014.743.256.962.003.481.005.181.8119.15101.1310.7813.272.405.430.662.710.335.682.6025.15119.5227.4017.852.474.951.062.480.536.411.9026.91151.5650.4916.212.904.630.742.310.37湘杂芒3号6.891.0218.80109.7236.2117.973.272.940.891.460.468.381.5232.74157.5436.7116.144.112.880.781.440.399.711.9046.59196.6858.2814.065.402.680.781.340.3911.331.9256.73 254.2042.8213.115.182.520.341.260.17芒/南荻杂交种5.362.3022.1074.7514.9113.843.143.720.751.860.386.182.6429.3597.3219.8015.192.273.660.621.840.307.541.6931.04124.9137.9516.563.093.410.841.710.428.371.8237.43210.8148.2913.624.143.840.861.920.43两年生南荻无性繁殖苗13.621.8267.43190.0058.3420.715.711.520.450.840.4214.702.1283.74216.9556.6720.424.901.370.380.650.1716.662.1196.40219.7859.7019.035.651.150.320.530.1117.712.24108.81278.4557.7221.884.171.140.300.550.14续表2 名称外径/mm壁厚/mm截面积/mm2切割力/N位移/mm应力/MPa剪切强度/MPa三年生南荻种子苗13.962.67 94.69227.2158.7021.744.761.510.900.760.4816.512.68115.76269.1763.8424.304.661.270.360.620.1317.972.70129.16260.0371.0522.697.181.030.290.510.1420.103.03162.12326.5458.8221.156.151.050.270.530.14 A.湘杂芒2号 B.湘杂芒3号 C芒南荻杂交种 D.两年生南荻无性繁殖 E.三年生南荻种子苗 图6 直径对芒草茎秆切割的影响Fig.6 Effect of diameter on the cutting of miscanthus stalk3.5.4 节点的影响 为了研究节点对切割力的影响，当采用滑切锯齿，切割速度200mm/s时，选取在从切割端到距切割端200mm的湘杂芒2号、两年生南荻无性繁殖苗和三年生南荻种子苗进行节点切割试验。在图8中，可以发现湘杂芒2号、两年生南荻无性繁殖苗和三年生南荻种子苗茎节与节间相比，切割力分别增加了10.36%-34.43%、46.11%-50.57%、39.59%。由于特殊原因三年生南荻种子苗的第一个节点的切割力测定值没有暂时空缺，但是总体来说芒草试样的切割力测定值是第一个节点第二个节点节间。综上，因此在切割过程中，刀刃应尽量避开节点处。图7 节点对芒草茎秆切割力的影响Fig.7 Effect of epidermis on the cutting force of miscanthus stalk3.5.5 含水率的影响取样时间从 表3 各批次取样时间Fig.3 Sampling time of each batch批次采样时间备注12012-01-03阴、小雨22012-01-15小雨、小雨32012-01-29阴、阴42012-02-16小雨、阴52012-03-02小雨、雷阵雨62012-03-15 图8 芒草含水率随时间变化Fig.8 Changes of moisture contents miscanthus3.5.6 正交试验 表3 试验因素水平表 L18(37)Table.3 Levels of experimental factors序号 切割方式A 切割位置B切割刀片C切割速度D直 径E11（正切）1（100）1（锯齿）1（200）1（6）22（滑切）2（150）2（光刃）2（300）2（5）32（滑切）*3（200）1（锯齿）*3（400）3（4）注：湘杂芒2号 ；*表示虚拟水平，下表同。Note: Xiang zamang NO.2; *means virtual level, as same as the following table序号切割方式A切割位置B切割刀片C切割速度D直径E11（正切）1（100）1（锯齿）1（200）1（7）22（滑切）2（150）2（光刃）2（300）2（8）32（滑切）*3（200）1（锯齿）*3（400）3（11）注：湘杂芒3号Note: Xiang zamang NO.3序号切割方式A切割位置B切割刀片C切割速度D直径E11（正切）1（100）1（锯齿）1（200）1（8）22（滑切）2（150）2（光刃）2（300）2（6）32（滑切）*3（200）1（锯齿）*3（400）3（5）注：芒/南荻杂交种Note: Miscanthus/Nandi cenospecies序号切割方式A切割位置B切割刀片C切割速度D直径E11（正切）1（100）1（锯齿）1（200）1（18）22（滑切）2（150）2（光刃）2（300）2（15）32（滑切）*3（200）1（锯齿）*3（400）3（13）注：两年生南荻无性繁殖苗Note: biennial Nandi apogamic seedin表4 正交试验结果Table.4 Results of orthogonal test试验号因素试验结果A1 B 2 C3A*C4D5E6B*E7切割力/N应力/MPa剪切强度/MPa1 1（正切） 1（100）1（锯齿）11（200）1（6.74）1210.776.263.1321（正切）2（150）2（光刃）22（300）2（5.70） 2124.544.642.3231（正切）3（200）1（锯齿）*33（400）3（4.75）3109.316.193.142（滑切）1（100）1（锯齿）22（300）3（4.75）3123.348.524.2652（滑切）2（150）2（光刃）33（400）1（6.74）1202.456.243.1262（滑切）3（200）1（锯齿）*11（200）2（5.70）2112.624.522.2673（滑切）*1（100）2（光刃）13（400）2（5.70）3101.973.44451.72583（滑切）*2（150）1（锯齿）*21（200）3（4.75）188.514.422.21121（正切）3（200）2（光刃）21（200）1（6.74）3219.046.813.4132（滑切）1（100）2（光刃）31（200）3（4.75）277.4514.9582.48142（滑切）2（150）1（锯齿）*12（300）1（6.74）3216.154.352.18152（滑切）3（200）1（锯齿）23（400）2（5.70）1120.894.512.26163（滑切）*1（100）1（锯齿）*23（400）1（6.74）21684.22.32173（滑切）*2（150）1（锯齿）31（200）2（5.70）391.444.192.09183（滑切）*3（200）2（光刃）12（300）3（4.75）1115.484.8612.43续表4试验号因素试验结果A1 B 2 C3A*C4D5E6B*E7切割力/N应力/MPa剪切强度/MPaKj1949.2866.721647.77799.831137.61=2488.70 Kj21539.5823.44840.93885.9736.65Kj3 798.54802.97614.44kj1158.2144.45137.31133.31189.60主 次kj2128.29137.24140.16147.65122.78kj3 133.09133.83102.41E3A2D1B3C1Rj29.9111.362.8414.3487.19注：湘杂芒2号Note: Xiang zamang NO.2试验号因素试验结果A1B2C3A*C4D5E6B*E7切割力/N应力/MPa剪切强度/MPa11（正切）1（100）1（锯齿）11（200）1（7.56）11252.73 1.3721（正切）2（150）2（光刃）22（300）2（8.7） 2207.213.74 1.87