随着“粮改饲”政策的实施，畜牧业快速增长，越来越多的牧场选择青贮玉米饲料，以期提高牧场效益。目前，发展青贮玉米饲料为主饲料的新型畜牧业已成为畜牧业转型的重要途径之一[1]。近年来，随着玉米品种的选育和生产技术的提高，优质青贮玉米品种越来越多[2]。青贮玉米植株机械化收获过程中，切碎揉搓作业是其中的关键环节，此环节作业负荷大、作业质量直接影响青贮玉米饲料发酵品质[2-4]。很多学者研究玉米秸秆的力学特性[5]。张锋伟等[6]建立玉米秸秆离散元模型，并通过物理试验和仿真试验对模型进行参数校核。樊琦[7]以长期风干的欣晟18号玉米秸秆为对象对玉米秸秆的压缩、拉伸、弯曲、剪切和冲击破碎力学特性进行了试验研究。贾娟娟等[8]以甘肃武威地区青贮主导品种先玉335号玉米粒为试验对象，以不同含水率（40.9%~47.8%）的玉米粒在3种挤压形式下进行试验研究。青贮玉米植株收获时的含水率一般在65%~70%[2,9]，与普通玉米秸秆的差异较大，相关研究中对青贮玉米植株的力学特性研究较少。因此，试验以云南地区广泛种植的路单20号、曲辰9号和红单10号青贮玉米植株为研究对象，利用万能试验机测定青贮玉米秸秆及果穗的径向剪切力学特性参数，为青贮玉米植株切碎揉搓工作部件的改进及优化设计提供参考。1材料与方法1.1试验设备及材料1.1.1试验设备试验设备采用CMT6104微机控制电子万能试验机，最大工作压力为10 kN，功率0.4 kW，力传感器和位移传感器的精度都在±0.1%之内。其他试验设备包括自制试验刀具，101-2A型电热鼓风干燥箱、游标卡尺、卷尺、直尺等。1.1.2试验材料青贮玉米植株于2019年9月中旬采自云南省昆明市石林县和寻甸县，品种为路单20号、曲辰9号和红单10号，此时植株正处在收获期。试样挑选秸秆通直、生长良好、无病虫害、弯折以及破损的植株。采样时，从地面平齐处将植株切断，去除顶部、叶鞘和苞叶[6,10]，将处理好的秸秆和果穗密封保存，以备试验。按照GB/T 5262—2008关于含水率的测定方法[11]，测得路单20号玉米秸秆含水率为62.9%~78.6%、果穗含水率为42.5%~49.9%、曲辰9号玉米秸秆含水率为68.7%~79.7%、果穗含水率为41.2%~52.1%、红单10号玉米秸秆含水率为63.2%~79.1%、果穗含水率为43.6%~53.4%。青贮玉米植株机械化收获时，割茬高度一般为15 cm，故玉米秸秆自根部从下到上依次取第2、3、4、5节为试样；果穗去除两端，取其上、中、下段作为试样（因首段和末段形状不规则，直径变化较大，且占比较少，故只取上、中下段进行研究）。1.2试验方法径向剪切试验前，秸秆选取2、3、4、5节作为试样。在制作过程中，取秸秆试样的长度为（40±0.5）mm[12]。有节部位，以茎节为中点向两边各取20 mm；无节部位，取节间中间段40 mm。玉米果穗去除不规则的首末两段，从玉米果穗根部开始沿轴向依次截取上、中、下段试样，分别编号为2、3、4段，试验长度为（30±0.5）mm[13]。部分试验试样见图1。图1部分试验试样10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.F001（a）玉米果穗的划分（b）剪切试验秸秆试样10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.F002（c）玉米果穗试样试验前，测定试样受力点的外径，3次测量取平均值。径向剪切试验需确保受力点为试样中心（见图2）。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.F003图2试样径向剪切试验过程 （a）秸秆有节径向剪切试验 （b）秸秆无节径向剪切试验 （c）玉米果穗径向剪切试验 试验过程中，计算机SANS系统自动采集相关数据点，绘制载荷-位移曲线，并记录最大剪切破坏力和剪切模量。抗剪强度τ由公式（1）计算[12,14]：τ=FA (1)式中：τ为抗剪强度（MPa）；F为试样所受最大剪切力（N）；A为试样受力点的横截面积（mm）。2结果与分析2.1秸秆径向剪切试验2.1.110 mm/min加载速度下，青贮玉米秸秆不同部位径向剪切特性（见表1）由表1可知，在相同的加载速度下：秸秆的径向剪切破坏力、抗剪强度都随取样高度的增加而减小，原因是玉米秸秆的密度由底部向上逐渐减小[15-16]，秸秆不同部位径向剪切过程见图3。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.T001表110 mm/min加载速度下青贮玉米秸秆不同部位径向剪切特性品种试样直径/mm剪切破坏力/N抗剪强度/MPa无节有节无节有节无节有节路单20号第2节24.8832.091 127.321 600.692.321.98第3节23.4131.01955.421 123.082.221.50第4节23.8529.02901.74984.912.021.49第5节21.3626.75680.38820.201.901.46平均值23.3829.72916.221 132.222.121.61曲辰9号第2节26.4130.681 302.181 456.662.381.97第3节26.2529.141 059.951 300.311.961.95第4节25.3829.14979.711 200.241.931.80第5节24.8129.19833.961 074.421.731.61平均值25.6929.541 043.951 257.912.001.82红单10号第2节25.2930.231 343.371 502.772.682.09第3节25.1029.801 141.601 287.002.311.85第4节24.3829.201 036.941 166.072.221.74第5节23.4728.88904.501 058.002.091.62平均值24.5629.531 106.601 253.462.331.8310.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.F004图3相同加载速度下路单20号秸秆不同部位径向剪切载荷-位移图由图3可知，剪切部位相同时，秸秆有节部位的剪切破坏力明显大于无节部位，但剪切强度要小于无节部位，可能是由于有节部位的纤维质密度大，木质化程度高所导致的。从平均值来看，红单10号秸秆的无节剪切破坏力最大，为1 106.60 N，曲辰9号秸秆的有节剪切破坏力最大，为1 257.91 N；红单10号秸秆有节/无节抗剪强度最高，分别为1.83 MPa、2.33 MPa。从剪切破坏力最大值来看，具体表现为路单20号红单10号曲辰9号，最大值为1 600.69 N，最小值为680.38 N；从抗剪强度最大值来看，具体表现为红单10号曲辰9号路单20号，最大值为2.68 MPa，最小值为1.46 MPa。相同加载速度下，路单20号秸秆第2节径向剪切载荷-位移图见图4。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.F005图4相同加载速度下路单20号秸秆第2节径向剪切载荷-位移图由图4可知，路单20号秸秆径向剪切的基本过程：弹性形变阶段：有节（0~5.5 mm）和无节（0~3.7 mm）部位的载荷-位移曲线近似符合线性关系，其原因可能是玉米秸秆表皮纤维质密度均匀，存在一定的弹性形变能力。压缩阶段：有节（5.5~26 mm）和无节（3.7~18 mm）部位的载荷随着位移的不断增大而缓慢增长，此过程秸秆处于不断被压缩的状态。剪切阶段：有节（26 mm~切断）和无节（18 mm~切断）部位的载荷随着位移的不断增大而显著增长，最终秸秆被剪断，载荷呈现断崖式减小。同时，因为剪切力集中在试样的中间部分，导致试样的两端翘起，形成轴向开裂，试样有液体流出。其他两个品种的青贮玉米秸秆径向剪切也有类似规律。2.1.2相同部位、不同加载速度下青贮玉米秸秆径向剪切特性（见表2）由表2可知，在剪切部位相同时：秸秆的径向剪切破坏力、抗剪强度都随加载速度的增加而减小，秸秆在不同加载速度下径向剪切过程见图5。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.T002表2相同部位不同加载速度下青贮玉米秸秆径向剪切特性品种加载速度/(mm/min)直径/mm剪切破坏力/N抗剪强度/MPa无节有节无节有节无节有节路单20号1025.1632.221 163.431 613.752.341.982024.5632.32969.331 484.082.051.813024.6832.08832.64984.911.741.224025.2631.69703.88820.201.411.04平均值24.9232.08917.321 132.221.891.51曲辰9号1025.6929.921 386.871 554.792.682.212024.9229.581 199.001 346.332.461.963025.1829.621 030.491 216.612.071.774025.2929.80897.80963.711.791.38平均值25.2729.731 128.541 270.362.251.83红单10号1025.0730.091 373.061 558.512.782.192024.1929.241 219.121 363.082.652.033024.5428.581 039.511 109.352.201.734025.2029.49934.09961.051.871.41平均值24.7529.351 141.451 248.002.381.8410.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.F006图5相同部位路单20号秸秆在不同加载速度下径向剪切载荷-位移图从平均值看，曲辰9号秸秆直径最大，为25.27 mm；红单10号秸秆的无节剪切破坏力最大，为1 141.45 N，曲辰9号秸秆的有节剪切破坏力最大，为1 270.36 N。红单10号秸秆有节/无节抗剪强度最高，分别为1.84 MPa、2.38 MPa。剪切破坏力最大值出现在路单20号秸秆加载速度10 mm/min的有节部位，为1 613.75 N，最小值出现在路单20号秸秆加载速度40 mm/min的无节部位，为703.88 N；剪切强度最大值出现在红单10号秸秆加载速度10 mm/min的无节部位，为2.78 MPa，最小值出现在路单20号秸秆加载速度40 mm/min的无节部位，为1.04 MPa。2.2果穗径向剪切试验2.2.110 mm/min加载速度下青贮玉米果穗不同部位径向剪切特性（见表3）由表3可知，在相同的加载速度下：果穗的径向剪切破坏力、抗剪强度都随着果穗根部位置的增加而减少，果穗不同部位径向剪切过程见图6。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.T003表310 mm/min加载速度下青贮玉米果穗不同部位径向剪切特性品种试样直径/mm剪切破坏力/N抗剪强度/MPa路单20号第2段57.43912.360.35第3段55.48812.140.34第4段52.13625.270.29平均值55.01783.250.33曲辰9号第2段32.87931.921.10第3段30.94770.381.03第4段30.31676.030.94平均值31.37792.781.02红单10号第2段33.34914.071.05第3段31.14764.101.00第4段29.22585.910.87平均值31.23754.690.9710.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.F007图6相同加载速度下路单20号果穗不同部位径向剪切载荷-位移图从平均值看，路单20号果穗直径为55.01 mm，明显大于其他两个品种；曲辰9号果穗的剪切破坏力和抗剪强度都最大，分别为792.78 N、1.02 MPa。从剪切破坏力最大值来看，具体表现为曲辰9号红单10号路单20号，最大值为931.92 N，最小值为585.91 N；从抗剪强度最大值来看，具体表现为曲辰9号红单10号路单20号，最大值为1.10 MPa，最小值为0.29 MPa。2.2.2相同部位不同加载速度下青贮玉米果穗径向剪切特性（见表4）由表4可知，在剪切部位相同时：果穗的径向剪切破坏力、抗剪强度都随加载速度的增加而减小，果穗在不同加载速度下径向剪切过程见图7。从平均值看，路单20号果穗直径最大，为55.41 mm；路单20号果穗的剪切破坏力最大，为783.19 N；曲辰9号果穗的抗剪强度最大，为0.93 MPa。剪切破坏力最大值出现在路单20号果穗加载速度10 mm/min时，为938.47 N，最小值出现在曲辰9号果穗加载速度40 mm/min时，为690.03 N；剪切强度最大值出现在曲辰9号果穗加载速度10 mm/min时，为1.08 MPa，剪切强度最小值出现在路单20号果穗加载速度40 mm/min时，为0.29 MPa。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.T004表4相同部位不同加载速度下青贮玉米果穗径向剪切特性品种加载速度/(mm/min)直径/mm剪切破坏力/N抗剪强度/MPa路单20号1055.80938.470.382054.93852.330.363055.06796.310.334055.83700.940.29平均值55.41783.190.34曲辰9号1032.44888.611.082032.75803.320.953032.94722.780.854033.00690.030.82平均值32.78776.190.93红单10号1033.28819.360.942033.04746.060.873033.59724.560.824033.61705.650.80平均值33.38748.910.8610.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.022.F008图7相同部位路单20号果穗在不同加载速度下径向剪切载荷-位移图3结论青贮玉米植株剪切破坏力大小依次为：有节径向剪切无节径向剪切果穗径向剪切。