果園防冰雹網(wǎng)產(chǎn)品研究與開發(fā)

李世雄　孫凱飛　樊爭科　陳忠濤　武高輝

摘要? ? 針對(duì)防冰雹網(wǎng)的性能要求，對(duì)防冰雹網(wǎng)的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及耐沖擊強(qiáng)度等進(jìn)行分析，開發(fā)出具有抗老化、抗紫外線、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐冰雹沖擊強(qiáng)度高的防冰雹網(wǎng)。對(duì)冰雹的落地末速度、落地動(dòng)能及冰雹與防冰雹網(wǎng)間的作用力進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)的農(nóng)用防冰雹網(wǎng)完全能夠滿足冰雹災(zāi)害的防護(hù)要求。

關(guān)鍵詞? ? 冰雹災(zāi)害;防冰雹網(wǎng);聚乙烯;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);強(qiáng)度測(cè)試

中圖分類號(hào)? ? S427;TP273? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）24-0125-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

冰雹天氣是我國北方夏季常見的一種災(zāi)害性天氣，果樹受災(zāi)后，枝葉、果實(shí)被擊成千瘡百孔，輕則削弱樹勢(shì)，造成減產(chǎn)，降低果品質(zhì)量;重則打落果實(shí)，當(dāng)年沒有收成，直接影響樹體生長發(fā)育和花芽分化，造成樹勢(shì)衰弱，導(dǎo)致翌年腐爛病大面積發(fā)生，危害極大[1-3]。對(duì)防冰雹網(wǎng)使用環(huán)境進(jìn)行分析，應(yīng)滿足以下性能要求。①抗沖擊性。當(dāng)冰雹網(wǎng)落到網(wǎng)面上，經(jīng)撞擊后能夠被攔截住或緩沖后落下，能夠充分減少冰雹的沖擊力，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。②結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。網(wǎng)面結(jié)構(gòu)要穩(wěn)定，使用過程中不產(chǎn)生相對(duì)滑移和變形。③透光性。能夠透過足夠的可見光，在架設(shè)防冰雹網(wǎng)后，不影響果樹農(nóng)作物的采光效果和自然生長。④耐老化性。能夠經(jīng)得住風(fēng)吹雨打日曬，不易脆化、斷裂，抗紫外線，化學(xué)性能穩(wěn)定，使用壽命長。針對(duì)防冰雹網(wǎng)的性能要求，從原料選擇、編織方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析，研制開發(fā)出具有優(yōu)良防護(hù)性能的防冰雹網(wǎng)。

1? ? 原材料選擇

目前，市場上的防冰雹網(wǎng)產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、價(jià)格相距甚遠(yuǎn)。防雹網(wǎng)在選擇時(shí)，一方面應(yīng)考慮到防冰雹網(wǎng)的強(qiáng)度和使用壽命，另一方面要求在使用過程當(dāng)中，性質(zhì)穩(wěn)定，不污染果樹、果實(shí)及環(huán)境土壤，符合綠色環(huán)保要求。結(jié)合產(chǎn)品的性能要求，選用聚乙烯分子材料為基礎(chǔ)材料，添加高效的抗老化劑，使材料具有抗氧化和抗紫外線功能，增加防冰雹網(wǎng)產(chǎn)品的使用壽命[4]。

1.1? ? 聚乙烯的物理性能

聚乙烯材料密度為0.940～0.960 g/cm3，維卡軟化點(diǎn)為125～135 ℃，燃點(diǎn)為340 ℃，拉伸屈服強(qiáng)度>23 MPa，脆化溫度<-70 ℃。

1.2? ? 聚乙烯的化學(xué)性質(zhì)

聚乙烯系半晶性的飽和碳?xì)浠衔?，以乙烯為單體經(jīng)聚合反應(yīng)制得的聚合物?；瘜W(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，能耐酸、耐堿、耐各種化學(xué)腐蝕，具有較好的耐溶性、耐蒸汽滲透性和耐環(huán)境應(yīng)力開裂性，聚乙烯無毒，可作食品用包裝材料。

1.3? ? 化學(xué)穩(wěn)定性能測(cè)試

對(duì)聚乙烯材料按照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)? 食品接觸用塑料材料及制品》（GB 4806.7—2016）進(jìn)行測(cè)試。各項(xiàng)指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，聚乙烯材料產(chǎn)品在使用過程中性質(zhì)穩(wěn)定，不污染果樹、果實(shí)及環(huán)境土壤，符合綠色環(huán)保要求。

2? ? 防冰雹網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1? ? 編織方式。根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，為了保證網(wǎng)本身具有優(yōu)異的防護(hù)效果及網(wǎng)面結(jié)構(gòu)的持續(xù)穩(wěn)定性，采取的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有3種形式：①平紋機(jī)織物;②紗羅組織平織織物;③經(jīng)編網(wǎng)眼織物。具體如表1所示。

通過對(duì)以上3種形式進(jìn)行對(duì)比分析，平紋機(jī)織物在編織過程中很容易產(chǎn)生相對(duì)滑移，且平紋機(jī)織物結(jié)構(gòu)較為緊密，雖然具有良好的防護(hù)效果，但會(huì)影響植物采光，因而不宜選用此種編織方式。由于材料橫截面類似于圓形，且較為光潔，最終選用紗羅組織平織織物和經(jīng)編網(wǎng)眼織物的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行編織。

2.1.2? ? 網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。采用不同的編織方式可以編織不同的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。其中：紗羅組織平織織物是由絞經(jīng)和地經(jīng)采用1∶1與緯紗進(jìn)行織造，根據(jù)經(jīng)向和緯向密度可以織造不同大小的矩形網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)織物，見圖1（a），紗羅組織平織織物由于絞經(jīng)的存在使得織物結(jié)構(gòu)相較于相同密度的平紋織物穩(wěn)定。

經(jīng)編網(wǎng)眼織物是由相鄰的線圈縱行在局部失去聯(lián)系，從而在經(jīng)編織物上形成一定形狀的網(wǎng)眼，這種組織稱為網(wǎng)眼經(jīng)編組織。網(wǎng)眼的形狀有三角形、正方形、長方形、菱形等，見圖1（b）（c）（d）。通過網(wǎng)眼的分布可呈現(xiàn)方格、菱形、橫條、直條等花紋效應(yīng)。經(jīng)編織物相較于平紋織物和紗羅組織平織織物，由于采用線圈相互串套，沿著織物橫向和縱向延伸性和回彈性好。

在實(shí)際使用過程中，果農(nóng)可以根據(jù)自己的果園地形形狀、大小選擇不同規(guī)格及幅寬的農(nóng)用防冰雹網(wǎng)，以達(dá)到最佳的防護(hù)效果。

2.2? ? 耐沖擊強(qiáng)度

根據(jù)災(zāi)區(qū)冰雹的大小，并結(jié)合造成的災(zāi)害程度，考慮到果樹生長的光照條件，兼顧農(nóng)用防冰雹網(wǎng)搭建的輕便性、實(shí)用性，既能對(duì)冰雹起到良好的攔截和緩沖作用，又不影響農(nóng)作物正常生長。因此，從冰雹的落地能量、速度以及作用力方面分析農(nóng)用防冰雹網(wǎng)的耐沖擊強(qiáng)度。

由于冰雹的形狀、大小以及表面光滑度的不同，其下落末速度也不同，所以必須根據(jù)不同形狀的冰雹，使用不同的下落末速度公式計(jì)算落地冰雹動(dòng)能。冰雹的幾種常見類型主要有球形、橢圓形、錐形、圓盤形，本文以光滑圓球形的冰雹為例，探討冰雹下落末速度的近似公式。

2.2.1? ? 冰雹的落地末速度。

（1）冰雹粒子受力分析。冰雹粒子在靜止空氣中自由下落時(shí)，作用在粒子上的力有重力、阻力和浮力。在開始一段時(shí)間里，重力大于阻力和浮力，粒子作加速度運(yùn)動(dòng)。由于阻力（F）與粒子的運(yùn)動(dòng)速度（V）有關(guān)，當(dāng)阻力增大到與重力（浮力太小，可忽略）平衡時(shí)，粒子不再作加速度運(yùn)動(dòng)，粒子的下落速度即達(dá)到一個(gè)恒定的速度，這個(gè)速度稱為冰雹下落末速度或稱為末速度。

（2）冰雹的末速度。如式（1）所示。根據(jù)阻力系數(shù)（Cd）與雷諾數(shù)（Re）的試驗(yàn)曲線，冰雹直徑在0.5～5.0 cm之間時(shí)，雷諾數(shù)（Re）≈4.0×103～4.0×105，Cd=0.41D0.185。

2.2.3? ? 落地冰雹與防冰雹網(wǎng)間的作用力。從高空下落的冰雹在接觸到防冰雹網(wǎng)后，受到緩沖和攔截。高速下落的冰雹撞到網(wǎng)面后，得到持續(xù)緩沖和反彈作用，網(wǎng)面吸收和轉(zhuǎn)化了其落地動(dòng)能而靜止。假如，一個(gè)直徑2.0 cm的冰雹高速下落，網(wǎng)面給其以10 cm左右距離的緩沖，依照E=F·S公式概算，那么持續(xù)作用在網(wǎng)上的平均作用力應(yīng)在7.0 N左右。當(dāng)然，冰雹與防冰雹網(wǎng)之間的作用力比較復(fù)雜，冰雹觸網(wǎng)后，可能會(huì)發(fā)生滑動(dòng)、滾動(dòng)、跳躍等運(yùn)動(dòng)，最終因受阻而停止。

2.2.4? ? 防冰雹網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論對(duì)比分析。對(duì)菱形網(wǎng)、長方形網(wǎng)、方格網(wǎng)以及矩形網(wǎng)按照《織品 織物拉伸性能 第1部分 斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測(cè)定（條樣法）》（GB/T 3923.1—2013）分別進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表4。

對(duì)設(shè)計(jì)的農(nóng)用防冰雹網(wǎng)產(chǎn)品的強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其斷裂強(qiáng)力均>65 N，斷裂功均>3.0 J，能夠滿足理論計(jì)算中的強(qiáng)度數(shù)值要求。經(jīng)過對(duì)近幾年來的雹災(zāi)區(qū)的情況分析，絕大多數(shù)冰雹直徑為0.1～2.0 cm，1.0 cm左右的冰雹較為普遍。因此，該農(nóng)用防冰雹網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)完全能夠滿足對(duì)冰雹災(zāi)害的防護(hù)要求而達(dá)到顯著的防護(hù)效果。

3? ? 結(jié)語

（1）采用聚乙烯材料生產(chǎn)的防冰雹網(wǎng)具有抗紫外線和抗老化性能，采用不同的編織方式可以編織出不同結(jié)構(gòu)的防冰雹網(wǎng)。試驗(yàn)研究表明，防冰雹網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐冰雹沖擊強(qiáng)度高的特點(diǎn)，能夠滿足果園使用要求。

（2）為使得防冰雹網(wǎng)具有優(yōu)異的防護(hù)效果和穩(wěn)定的網(wǎng)面結(jié)構(gòu)，建議采用紗羅組織編織的矩形網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)和經(jīng)編網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)，在實(shí)際使用過程中，果農(nóng)可以根據(jù)自己的果園地形、形狀、大小選擇不同規(guī)格及幅寬的農(nóng)用防冰雹網(wǎng)，以達(dá)到最佳的防護(hù)效果。

（3）通過對(duì)直徑為2.0 cm的冰雹落地末速度和動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算，落地冰雹作用在防冰雹網(wǎng)上的平均作用力為7 N，經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)的農(nóng)用防冰雹網(wǎng)產(chǎn)品的強(qiáng)度試驗(yàn)，完全滿足對(duì)冰雹災(zāi)害的防護(hù)要求。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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