香蕉梳柄的結(jié)構(gòu)特征及其力學(xué)特性試驗

陳兆春?┭鈧?+朱正波+牛萌萌+朱卿創(chuàng)+孫志全+谷峣

摘要：針對香蕉因落梳環(huán)節(jié)勞力大、人工成本高而制約香蕉采收處理機(jī)械化的發(fā)展問題，研究香蕉梳柄的結(jié)構(gòu)特征及其力學(xué)特性參數(shù)，以期為研制智能香蕉落梳裝備提供參數(shù)依據(jù)。分析香蕉梳柄在穗稈上不同位置的結(jié)構(gòu)特征，并在精密型微控電子式萬能試驗機(jī)上，通過對香蕉梳柄進(jìn)行壓縮特性、剪切特性試驗，深入研究梳柄位置對其彈性模量、峰值剪切力及剪切強(qiáng)度的影響，并對其進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，梳柄彈性模量在4.69～8.15 MPa范圍，標(biāo)準(zhǔn)差為1.01 MPa，變異系數(shù)為15.81%；峰值剪切力在0.153～0.290 kN范圍，標(biāo)準(zhǔn)差為0.036 kN，變異系數(shù)為16.02%；剪切強(qiáng)度在0.036～0.057 MPa范圍，標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 MPa，變異系數(shù)為13.16%。香蕉梳柄含水率、間距、峰值剪切力及剪切強(qiáng)度與梳柄位置呈線性相關(guān)；梳柄弧長、密度及彈性模量與梳柄位置呈二次曲線相關(guān)。

關(guān)鍵詞：香蕉梳柄；落梳；結(jié)構(gòu)特征；力學(xué)特性；智能；采收機(jī)械化

中圖分類號： S225.99文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0223-05

香蕉是全球鮮銷量較大、較重要的熱帶水果，也是我國主要的熱帶、亞熱帶特色水果之一，主要分布在廣東、廣西、福建、云南、海南5?。▍^(qū)）[1]。我國自2011年起躍居世界第二大香蕉生產(chǎn)國，2013年全國香蕉種植面積36萬hm2，總產(chǎn)量1 142萬t[2]，香蕉產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國熱帶、亞熱帶重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，對于促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展作用明顯，意義重大。

目前，我國香蕉產(chǎn)業(yè)正處于在由傳統(tǒng)生產(chǎn)模式向現(xiàn)代生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變的重要階段[3]，然而，無論是國內(nèi)還是國外，在香蕉采收、運送、清洗、包裝等環(huán)節(jié)中都不同程度地使用了相關(guān)機(jī)械與裝備，只有落梳環(huán)節(jié)采用人工落梳方法[4]，這使得香蕉采收處理各環(huán)節(jié)的機(jī)械裝備不能有效連接，使效率提升受到限制，從而制約了香蕉采收處理機(jī)械化的發(fā)展[5]。因此，為發(fā)展我國香蕉采收處理機(jī)械化，促進(jìn)我國香蕉產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，亟須提升香蕉落梳機(jī)械化水平，而香蕉梳柄的結(jié)構(gòu)特征研究是改進(jìn)香蕉落梳機(jī)具的前提，梳柄的弧長、間距等尺寸變化規(guī)律可為設(shè)計落梳機(jī)具提供參數(shù)依據(jù)，并且力學(xué)特性是影響香蕉落梳的主要因素之一，是研究香蕉落梳機(jī)理的重要手段，同時也是設(shè)計、改進(jìn)落梳機(jī)具與落梳工藝的重要依據(jù)。

目前國內(nèi)外幾乎沒有針對為設(shè)計機(jī)具而進(jìn)行的植物結(jié)構(gòu)特征方面的研究，而力學(xué)特性方面的研究，國內(nèi)外起步比較早。吳良軍等對荔枝樹枝的壓縮能、抗壓彈性模量及抗壓比例極限應(yīng)力等力學(xué)特性進(jìn)行研究，得出抗壓強(qiáng)度、抗壓比例極限應(yīng)力和壓縮能之間的關(guān)系[6]；劉慶庭等對甘蔗莖稈進(jìn)行切割力試驗，得出切割速度、滑切角、刀盤傾角對最大切割力的影響效應(yīng)[7]；張久雷等對香蕉假莖進(jìn)行力學(xué)特性研究，得出軸向切割比徑向切割力小的結(jié)論[8]；尹秋等對香蕉果梗進(jìn)行力學(xué)特性試驗，得出果梗直徑、切割角度、加載速度對果梗切割的單因素效應(yīng)[9]；于勇等對玉米秸稈進(jìn)行含水率特性、拉伸特性研究，并得出相應(yīng)結(jié)論[10-19]。

綜合現(xiàn)有研究成果，雖然對植物力學(xué)特性的研究起步比較早，但專門對香蕉梳柄結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特性方面的研究沒有相關(guān)報道。本試驗建立在香蕉梳柄的結(jié)構(gòu)特征研究上，針對力學(xué)特性進(jìn)行模型建立，以期為使用ANSYS軟件分析落梳刀在落梳過程中的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)提供理論依據(jù)，為今后研制智能香蕉落梳裝備提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1材料與方法

1.1試驗因素的確定

本試驗以研究香蕉梳柄的結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特性為目的，結(jié)構(gòu)特征研究主要針對梳柄位置對梳柄弧長、間距、密度及含水率的影響關(guān)系進(jìn)行；力學(xué)特性研究主要針對梳柄位置對梳柄彈性模量、峰值剪切力及剪切強(qiáng)度的影響關(guān)系。香蕉梳柄結(jié)構(gòu)分為表皮層、內(nèi)部組織及維管束3個部分，由于試驗條件的限制，將3個部分作為一個整體進(jìn)行力學(xué)特性試驗，為保持梳柄結(jié)構(gòu)的完整性，對試驗樣品梳柄表皮給予保留，試驗樣品的高度取決于梳柄的厚度。前期試驗表明，樣品尺寸較小時，壓縮過程中會發(fā)生彎曲，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，而由于梳柄尺寸的限制，最大取樣尺寸為15 mm×15 mm，因此每個樣品尺寸為15 mm×15 mm；梳柄樣品從穗稈細(xì)端到粗端取樣，分別編號為1～7，如圖1所示。

1.2試驗材料

試驗的材料是2015年10月從高州蕉園收獲的達(dá)到飽滿未成熟的條蕉，取樣方法為隨機(jī)取樣[20]，所取梳柄完整且穗稈通直，無病蟲害，梳柄在香蕉穗稈上的位置分布均等，為確保測定參數(shù)與落梳時參數(shù)盡可能一致，條蕉采收后即編號并裝入袋子密封保存，試樣取自A～E 5根穗稈，從細(xì)端到粗端均勻取樣，每個梳柄位置重復(fù)試驗3組。

[FK（W9][TPCZC1.tif；S+2mm][FK）]

1.3試驗方法

1.3.1試驗設(shè)備試驗設(shè)備主要有WD-E型精密微控電子式萬能試驗機(jī)、DHG-9030（A）101-0A（S）型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海索普儀器有限公司）、ALC-210.3電子天平（量程210 g，精度1 mg，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）及游標(biāo)卡尺等。

1.3.2試驗方法（1）結(jié)構(gòu)特征測定。結(jié)構(gòu)特征測定指標(biāo)主要為梳柄弧長、間距、密度及含水率。梳柄弧長分別測量內(nèi)、外弧長，求平均值，通過細(xì)繩沿著梳柄圓弧位置，并用游標(biāo)卡尺測量細(xì)繩長度；間距為測量相鄰2個梳柄的豎直距離；密度為烘干前的梳柄重量除以烘干前的梳柄體積；含水率的測定，壓縮試驗前將梳柄放在ALC-210.3電子天平中稱量，壓縮試驗之后即放置在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在105 ℃下干燥15 h，稱量，每隔6 h稱量1次，直至2次稱量結(jié)果一樣。

（2）壓縮試驗。壓縮試驗在WD-E型精密型微控電子式萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗機(jī)的傳感器最大量程為20 kN，分辨率±1/120 000，力值精度±0.5%，位移精度±0.3%。試驗用的加載壓頭為剛性平板壓頭，下支撐壓頭具有球面滑動支座。試驗加載速度60 mm/min，數(shù)據(jù)采樣速度10個/s。實驗室溫度為27.5 ℃，空氣相對濕度為70.8%。根據(jù)試驗獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，確定彈性直線段，如圖2所示，在該直線段上讀取相距盡量遠(yuǎn)的A、B 2點之間的應(yīng)力變化量和相應(yīng)的應(yīng)變變化量，按式（1）計算線段的斜率，即彈性模量：

[JZ（]ES=[SX（]ΔσΔε[SX）]。[JZ）][JY]（1）

式中：ES為試樣的彈性模量值，MPa；Δσ為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上線性段的應(yīng)力變化量，MPa；Δε為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上線性段的應(yīng)變變化量。

（3）剪切試驗。剪切試驗在自制的剪切試驗臺上進(jìn)行。試驗加載速率100 mm/min，數(shù)據(jù)采樣速度25個/s。剪切試驗臺的刀片為直線往復(fù)式單面刃切刀，材料為Cr10，厚度為 3 mm，刃角為60°。自制剪切試驗臺的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

梳柄剪切強(qiáng)度計算公式：

[JZ（]τ=[SX（]FmaxA0[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：τ為梳柄的剪切強(qiáng)度，MPa；Fmax為峰值剪切力，kN；A0為剪切處梳柄的原始橫截面面積，mm2。

根據(jù)試驗機(jī)記錄的力值-變形數(shù)據(jù)，算出峰值剪切力及剪切強(qiáng)度。峰值剪切力指刀片接觸試樣開始到將試樣剪斷過程中所需的最大力；剪切強(qiáng)度則指梳柄承受剪切力的能力，表征外力對材料呈剪切作用時的強(qiáng)度極限。

2結(jié)果與分析

2.1梳柄弧長

試驗結(jié)果如表1所示，可以看出，各個梳柄位置對應(yīng)的弧長不同。

由圖4可以看出，梳柄弧長隨著梳柄位置的不同而不同，呈二次項正相關(guān)；越靠近香蕉假莖，梳柄弧長越長，這源于越靠近假莖的部位，含鉀量越高，而缺鉀會導(dǎo)致香蕉串小，果實細(xì)，梳柄窄小，從而導(dǎo)致梳柄弧長越短。顯著性分析表明，梳柄位置對梳柄弧長影響顯著（P<0.05）。

2.2梳柄含水率

含水率測試試樣一共105個，進(jìn)行完壓縮試驗之后立即進(jìn)行試樣的含水率測定。結(jié)果顯示，試樣含水率最大值為94.49%，最小值為92.29%，平均值為93.43%，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.482%，變異系數(shù)為0.516%。

將梳柄的含水率和梳柄位置進(jìn)行線性回歸擬合，擬合結(jié)果表明，線性函數(shù)關(guān)系具有較高的擬合度，擬合方程、判定系數(shù)如圖5所示，可以看出：梳柄的含水率和梳柄位置之間呈線性函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，因此認(rèn)為，越靠近香蕉假莖的梳柄，其含水率越高。

2.3梳柄間距

梳柄間距為相鄰2個梳柄之間的豎直距離，作為衡量梳柄在穗稈致密度及分布規(guī)律的重要參數(shù)，可以影響落梳刀形狀、大小及落梳速度的選擇。

將梳柄間距和梳柄位置間隔進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果表明，二次項函數(shù)關(guān)系具有較高的擬合度，擬合方程和判定系數(shù)如圖6所示，可以看出：梳柄間距和梳柄位置間隔之間呈線性函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。

由圖6可以看出，梳柄間距隨著梳柄位置間隔的不同而不同，呈線性正相關(guān)，越靠近香蕉假莖，梳柄間距越大，即梳柄長得越疏，這源于越遠(yuǎn)離香蕉假莖的穗稈的生長素濃度越高，從而氮素水平越高，導(dǎo)致所形成的生殖器官數(shù)量相對就更多，產(chǎn)生果實的梳柄數(shù)量就越多。顯著性分析表明，梳柄位置間隔對梳柄間距影響顯著（P<0.05）。

2.4梳柄密度

將梳柄密度和梳柄位置進(jìn)行回歸擬合，擬合結(jié)果表明，二次項函數(shù)關(guān)系具有較高的擬合度，擬合方程和判定系數(shù)如圖7所示，可以看出：梳柄密度和梳柄位置之間呈二次項函數(shù)關(guān)系。

梳柄密度隨著梳柄位置呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，即距離假莖越遠(yuǎn)，梳柄密度先增大后減小，這可能源于梳柄的營養(yǎng)成分中含有水、脂肪及蛋白質(zhì)，由于水的密度大于脂肪，小于蛋白質(zhì)[21]，起初由纖維素、水的密度是決定性因素時，梳柄密度嫩莖部分大于老莖部分，而當(dāng)密度增大到一定程度后，蛋白質(zhì)密度開始成為決定性因素，老莖部分的蛋白質(zhì)高于嫩莖部分，密度將隨梳柄位置的后移而減小。

2.5梳柄彈性模量

彈性模量是彈性材料的一種主要力學(xué)特性，是物體彈性變形難易程度的表征，是梳柄壓縮、剪切等機(jī)械特性研究的基礎(chǔ)。由圖8可以看出，試樣在壓縮載荷作用下，隨著壓應(yīng)力的增大逐步達(dá)到抗壓比例極限，在這個過程中出現(xiàn)線性段，該線性段的斜率即為試樣的抗壓彈性模量。壓應(yīng)力達(dá)到比例極限后試樣微觀組織開始被破壞，抵抗力小幅度下降，最后試樣被壓實，抵抗力又迅速上升。

根據(jù)試驗機(jī)記錄的力值-變形數(shù)據(jù)，計算出抗壓彈性模量值，并將其與梳柄位置進(jìn)行回歸擬合，擬合結(jié)果表明，二次項函數(shù)關(guān)系具有較高的擬合度，擬合方程和判定系數(shù)如圖8所示，可以看出：梳柄抗壓彈性模量和梳柄位置之間呈二次項函數(shù)關(guān)系。

隨著梳柄位置自穗稈細(xì)端至粗端，梳柄的抗壓彈性模量先增大后減小。由以上分析可知，梳柄密度呈現(xiàn)出一致的規(guī)律，這源于梳柄密度的不同，導(dǎo)致梳柄抗壓彈性模量呈現(xiàn)這種規(guī)律。顯著性分析表明，梳柄位置對彈性模量影響顯著（P<0.05）。

2.6梳柄峰值剪切力

峰值剪切力是剪切過程中材料最重要、最具特征的力學(xué)特性，是研究香蕉落梳機(jī)具的力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)。

由圖9可以看出，在剪切載荷作用下，隨著剪切力的增大而逐步到達(dá)香蕉梳柄的剪切強(qiáng)度極限；剪切力到達(dá)最大值之后，梳柄抵抗力迅速降低，直至被剪斷。

剪切試樣105個，重復(fù)3組，重復(fù)組取平均值后共有35組。由表3可知，香蕉梳柄的峰值剪切力最大值為 0.290 kN，最小值為0.153 kN，平均值為0.226 kN，標(biāo)準(zhǔn)差為0.036 kN，變異系數(shù)為16.02%；剪切強(qiáng)度最大值為 0.057 MPa，最小值為0.036 MPa，平均值為0.044 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 MPa，變異系數(shù)為13.16%。

將峰值剪切力和梳柄位置進(jìn)行回歸擬合，擬合結(jié)果表明，線性函數(shù)關(guān)系具有較高的擬合度。圖10表明：峰值剪切力和梳柄位置之間呈線性函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系。顯著性分析表明，梳柄位置對峰值剪切力影響顯著（P<0.05）。

梳柄峰值剪切力隨著梳柄位置變化呈減小規(guī)律，即距離假莖越近，梳柄峰值剪切力越小。同上，將剪切強(qiáng)度和梳柄位置進(jìn)行回歸擬合，擬合結(jié)果的趨勢是一致的。圖11表明：剪切強(qiáng)度和梳柄位置之間呈線性函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系。顯著性分析表明，梳柄位置對剪切強(qiáng)度影響顯著（P<0.05）。此外，研究發(fā)現(xiàn)梳柄的剪切強(qiáng)度隨著梳柄位置的變化呈現(xiàn)減小規(guī)律。

3結(jié)論

梳柄弧長與梳柄位置呈二次項正相關(guān)，越靠近香蕉假莖，梳柄弧長越長；梳柄的含水率最大值為94.49%，最小值為92.29%，平均值為93.43%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.482%，變異系數(shù)為0.516%，含水率和梳柄位置之間呈線性函數(shù)正相關(guān)關(guān)系；梳柄間距和梳柄位置間隔之間呈線性正相關(guān)關(guān)系；梳柄密度和梳柄位置之間呈二次項函數(shù)關(guān)系；

彈性模量在4.69～8.15 MPa的范圍內(nèi)，平均值為 6.61 MPa，彈性模量與梳柄位置之間呈二次項關(guān)系；峰值剪切力在0153～0.290 kN的范圍內(nèi)，平均值為0.226 kN；剪切強(qiáng)度在0.036～0.057 MPa的范圍內(nèi)，平均值為0.044 MPa。峰值剪切力及剪切強(qiáng)度與梳柄位置之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

香蕉梳柄的結(jié)構(gòu)特征研究是設(shè)計香蕉落梳機(jī)具的前提基礎(chǔ)，梳柄的弧長、間距等尺寸變化規(guī)律為設(shè)計落梳機(jī)具及落梳刀片提供參數(shù)依據(jù)，力學(xué)特性是影響香蕉落梳的主要因素之一，是研究香蕉落梳機(jī)制的重要手段，試驗結(jié)果可為研制智能香蕉落梳裝備提供基礎(chǔ)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]平英華，陳永生. 香蕉生產(chǎn)全程機(jī)械化探討[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，30（11）：65-67.

[2]柯佑鵬，過建春，夏勇開，等. 2013—2014年中國香蕉產(chǎn)銷形勢分析與預(yù)測[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，41（15）：184-188.

[3]李玉萍，方佳. 中國香蕉產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展對策研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2008，24（8）：443-447.

[4]劉嘉龍，李君，楊洲. 香蕉采后處理裝備的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（11）：249-252，257.

[5]李德安. 香蕉采后商品化處理技術(shù)[J]. 中國熱帶農(nóng)業(yè)，2006（4）：40-41.

[6]吳良軍，楊洲，洪添勝，等. 荔枝樹枝力學(xué)特性的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（16）：68-73.

[7]劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂，等. 甘蔗莖稈切割力試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（7）：90-94.

[8]張久雷，李志偉. 香蕉假莖切割過程中的力學(xué)特性試驗研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（5）：174-177.

[9]尹秋，王濤，張喜瑞，等. 香蕉果梗切割力學(xué)特性試驗[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2013（4）：75-77.[ZK）]

[10]于勇，林怡，毛明，等. 玉米秸稈拉伸特性的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（6）：70-76.[HJ1.75mm]

[11]李耀明，秦同娣，陳進(jìn)，等. 玉米莖稈往復(fù)切割力學(xué)特性試驗與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（1）：160-164.

[12]劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂，等. 甘蔗莖稈在扭轉(zhuǎn)、壓縮、拉伸荷載下的破壞試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22（6）：201-204.

[13]劉慶庭，區(qū)穎剛，袁納新. 甘蔗莖在彎曲荷載下的破壞[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20（3）：6-9.

[14]李玉道，杜現(xiàn)軍，宋占華，等. 棉花秸稈剪切力學(xué)性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（2）：124-128.

[15]孟海波，韓魯佳，王繼承. 秸稈物料力學(xué)特性試驗臺及其測控系統(tǒng)的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21（5）：77-80.

[16]高夢祥，郭康權(quán)，楊中平，等. 玉米秸稈的力學(xué)特性測試研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2003，34（4）：47-49，52.

[17]何勛，王德福. 基于纖維形態(tài)特征分析的玉米秸稈皮拉伸特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（10）：92-98.

[18]趙春花，張鋒偉，曹致中. 豆禾牧草莖稈的力學(xué)特性試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（9）：122-126.

[19]Kronbergs E. Mechanical strength testing of stalk materials and compacting energy evaluation[J]. Industrial Crops and Products，2000，11（2/3）：211-216.

[20]全國木材標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. 木材物理力學(xué)試材采集方法：GB/T 1927—2009[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[21]陳蓉，梁永，楊素嬌，等. 香蕉假莖營養(yǎng)成分的分析[J]. 湛江師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，21（2）：12-15.