随着“粮转饲”政策的指引，粮饲兼用型玉米品种被广泛种植，青贮玉米是典型代表[1-2]。青贮玉米是反刍动物重要的饲料资源，青贮玉米品质对反刍动物的生产性能及畜产品质量有重要影响[3-7]。切碎、揉搓作为青贮玉米收获过程中的关键环节，是阻碍我国青贮玉米产业更好发展的一大难点[8]。本课题组前期研究玉米秸秆力学特性，以路单20号、曲辰9号和红单10号青贮玉米植株为研究对象，对3个品种的秸秆和果穗进行剪切试验，剪切相同部位时，秸秆和果穗的径向剪切破坏力及抗剪强度随着加载速度的增加而减小[9]。目前，对玉米秸秆力学特性的研究较多[10-12]，但多数是对含水率较低的普通玉米秸秆研究，且只是对玉米秸秆进行径向或轴向一个方向的剪切特性研究，但共同对玉米秸秆茎节部分的径向和轴向两个方向的剪切特性研究较少。因此，本试验以文青贮2号青贮玉米秸秆为试验对象，设计正交试验，利用万能试验机测定秸秆径向和轴向剪切时的力学特性参数，为优化相关切碎揉搓装置设计提供参考。1材料与方法1.1试验设备及材料1.1.1试验设备本试验主要设备为美斯特CMT6104微机控制电子万能试验机见图1（a），主要工作参数为最大压力10 kN、工作电压220 V、功率0.4 kW，位移传感器与力传感器的精度误差控制在±0.1%，能准确测定各种材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等各种状态下力学物理特性的数据。其他试验设备有自制的剪切刀座见图1（b），自制试验刀具见图1（c），LT501电子天平称、游标卡尺、测试夹具、卷尺、101-2A电热鼓风干燥箱、直尺等。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.17.022.F001图1试验仪器设备1.1.2试验材料试验所用青贮玉米秸秆于2020年9月12日在云南省昆明市寻甸县青贮玉米种植基地采获，品种为文青贮2号，青贮玉米籽粒处于乳熟末期。农艺参数为行距60 cm、株距15~20 cm，单株密集种植，种植密度为5 500~7 000株/667 m2，产量达5 000 kg/667 m2。试样选取无病虫害、生长状态良好、杆径适中、通直未弯曲的青贮玉米[13]。采样时，将青贮玉米在与地面平齐处砍断，削去根须，再去除顶部、果穗、叶片部分，把处理好的青贮玉米秸秆打包，存放，备用[14]。按照GB/T 5256—2008相关标准，对采样后的青贮玉米秸秆进行含水率测定[15]。根据此标准，将青贮玉米秸秆（105±2）℃干燥20 h，测得文青贮2号玉米秸秆含水率为68.7%，该含水率符合青贮玉米青贮生产要求。W=(M0-M1)/M0 （1）式中：M0为烘干前的质量（g）；M1为烘干后的质量（g）；W为含水率。玉米秸秆的物质结构特性，剪切茎节部分所需的剪切破坏力大于剪切非茎节部分，剪切破坏力增大，玉米秸秆切割粉碎效果差，咀嚼时适口性降低，导致吸收率下降[16]。茎节是决定玉米秸秆饲用价值的主要结构。因此，本试验制作秸秆试样时，以茎节为中点向两边各取20 mm，茎节秸秆试样的长度为（40±0.5）mm[17]，只测定含茎节部分秸秆，试样见图2。在对玉米秸秆进行径向和轴向剪切试验时，要确保剪切时刀具作用点在玉米秸秆试样茎节上，见图3（a）和图3（b）。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.17.022.F002图2部分试验试样10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.17.022.F003图3部分试验试样径向和轴向剪切过程1.2试验设计1.2.1正交试验设计影响玉米秸秆剪切破坏力的因素有很多，显著影响效果的主要是秸秆剪切位置、剪切速度、刀具角度[18]。为更好地分析各个因素对青贮玉米秸秆进行径向和轴向剪切时对其剪切破坏力的影响，探究文青贮2号青贮玉米秸秆的剪切特性，本试验将剪切位置、剪切速度、刀具角度作为3个试验因素，以剪切破坏力为试验指标，设计正交试验。1.2.2因素水平选取在机械化收获青贮玉米时，青贮玉米植株切割后留茬高度距地面15 cm[19]。本试验采获的秸秆节数均大于8节。顶部的秸秆较细，不便试验的操作，且只有第2节往上部分才会进入切碎装置被切碎，因此玉米秸秆取样时自根部起由下往上取第3、4、5节试样进行试验。本试验的万能试验机的加载速度在500 mm/min以下，选择100、200、300 mm/min进行试验。刀具角度在一定范围内选择15°、25°、35°进行试验。进行径向和轴向剪切试验时，因素水平均相同，均为3因素3水平正交试验。秸秆径向和轴向剪切试验因素水平见表1、表2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.17.022.T001表1秸秆径向剪切试验因素水平表水平A剪切位置B剪切速度/(mm/min)C刀具角度/(°)1第4节200152第3节300353第5节1002510.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.17.022.T002表2秸秆轴向剪切试验因素水平表水平A剪切位置B剪切速度/(mm/min)C刀具角度/(°)1第5节100252第3节300353第4节20015在进行正交试验时，径向和轴向剪切试验在每组因素水平组合下各做3次重复试验，取平均值。1.3试验方法将备好的秸秆试样水平放入自制的剪切刀座的凹槽中，保证秸秆试样在凹槽中无滑动趋势。利用螺栓把自制刀具固定连接在万能试验机夹头上。在进行秸秆剪切试验时，确保自制刀具刀片的作用点在秸秆的茎节部分，在与万能试验机配套的计算机上设置剪切速度和测定参数。试验过程中，计算机SANS系统自动采集相关数据点，绘制剪切力破坏力-位移曲线，并记录每次试验时的剪切破坏力。2结果与分析2.1秸秆径向剪切试验结果（见表3、表4）由表3和表4可知，径向剪切时，最大剪切破坏力出现在5号试验，因素水平组合为剪切位置第3节、剪切速度300 mm/min、刀具角度15°，大小为778.69 N；最小剪切破坏力出现在1号试验，因素水平组合为剪切位置第5节、剪切速度300 mm/min、刀具角度25°，大小为689.45 N。计算得到各因素的R值分别为75.20、11.54、18.14、3.06。本试验中，剪切破坏力越小越好，根据R值大小，各因素对试验指标剪切破坏力的影响大小顺序是剪切位置刀具角度剪切速度。剪切位置的改变对试验指标影响极显著，剪切速度的改变对试验指标影响不显著，刀具角度的改变对试验指标影响显著。根据k值，最优因素水平组合为A3C2B2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.17.022.T003表3秸秆径向剪切试验结果项目ABC空列剪切破坏力/N13231689.4523312711.9732132769.5842321771.6652213778.6961333743.8671111753.0783123692.9191222724.74k1740.56738.52747.91738.06k2773.31730.96729.77735.43k3698.11742.50734.30738.49R75.2011.5418.143.0610.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.17.022.T004表4秸秆径向剪切方差分析方差来源平方和自由度均方F值P值显著性A8 529.5424 264.77518.830.002**B206.062103.0312.530.074C534.872267.4432.540.030*误差164.40208.22总和9 434.8726注：**表示影响极显著（P0.01），*表示影响显著（P0.05）；表6与此同。径向剪切时最小剪切破坏力出现在1号试验，因素水平组合为A3C3B2，对A3C2B2组合进行试验，得到在A3C2B2因素水平组合下径向剪切破坏力为680.52 N，剪切破坏力小于1号试验，即最优组合为A3C2B2，对应的最优条件为取秸秆第5节、刀具角度35°、剪切速度300 mm/min。2.2秸秆轴向剪切试验结果（见表5、表6）由表5、表6可知，轴向剪切时，最大剪切破坏力出现在2号试验，因素水平组合为剪切位置第3节、剪切速度100 mm/min、刀具角度15°，大小为297.27 N；最小剪切破坏力出现在4号试验，因素水平组合为剪切位置第5节、剪切速度300 mm/min、刀具角度35°，大小为213.99 N。计算得到各因素的R值分别为49.67、13.49、20.13、2.88。本试验中，剪切破坏力越小越好，根据R值大小，各因素对试验指标剪切破坏力的影响大小顺序为剪切位置刀具角度剪切速度。剪切位置的改变对试验指标影响极显著，剪切速度的改变对试验指标影响不显著，刀具角度的改变对试验指标影响显著。根据k值，最优因素水平组合为A1C2B2，最优组合与正交试验中产生最小剪切破坏力的4号试验的因素水平组合一致，即对应的最优条件为取秸秆第5节、刀具角度35°、剪切速度300 mm/min。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.17.022.T005表5秸秆轴向剪切试验结果项目ABC空列剪切破坏力/N13312240.0822132297.2731333243.3041222213.9953231242.7661111238.5473123238.9982213277.5992321269.96k1231.94258.27252.07250.42k2281.61244.78240.98250.45k3240.61251.11261.11253.30R49.6713.4920.132.8810.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.17.022.T006表6秸秆轴向剪切方差分析方差来源平方和自由度均方F值P值显著性A4 222.2822 111.14258.090.004**B273.172136.5916.700.057C609.932304.9737.280.026*误差163.60208.18总和5 268.98263讨论由青贮玉米秸秆径向剪切正交试验知，各因素对试验指标的影响大小顺序是剪切位置刀具角度剪切速度，以剪切破坏力最小为寻优标准，最优组合为A3C2B2，分别对应的是第5节、刀具角度35°、剪切速度300 mm/min。剪切位置是极显著因素，剪切速度是不显著因素，刀具角度是显著因素。由青贮玉米秸秆轴向剪切正交试验知，各因素对试验指标的影响大小顺序是剪切位置刀具角度剪切速度，以剪切破坏力最小为寻优标准，最优组合为A1C2B2，分别对应的是第5节、刀具角度35°、剪切速度300 mm/min。剪切位置是极显著因素，剪切速度是不显著因素，刀具角度是显著因素。轴向剪切秸秆时所需的剪切破坏力远小于径向剪切秸秆时所需的剪切破坏力，这是由于玉米秸秆茎节具有较强的硬度，剪切过程中万能试验机剪切速度较慢，所以玉米秸秆出现先压缩后剪切的情况，使得径向剪切时玉米茎节与刀具的接触面积较大，剪切困难，而沿轴向方向剪切则相对容易。4结论各因素对试验指标的影响大小顺序均为剪切位置刀具角度剪切速度。各因素对试验指标显著性影响均为剪切位置是极显著因素，剪切速度是不显著因素，刀具角度是显著因素。且轴向剪切秸秆时所需的剪切破坏力远小于径向剪切秸秆时所需的剪切破坏力。因此，在青贮玉米收获过程中，需考虑茎节对切碎装置的影响，尽量使切碎装置对玉米秸秆进行轴向剪切。