花椒力學(xué)特性的測定與分析

武同輝，張志勇，杜鴻志，高 煒，王 碩，賀俊林，楊 威，武新慧

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 小麥研究所，山西 臨汾 041000）

花椒起源于我國，是人們?nèi)粘Ｉ钪械陌舜笳{(diào)味品之一，位居十三香之首[1]，除食用價值外，花椒還有驅(qū)寒發(fā)汗、暖胃消食等藥用價值[2-3]。花椒在我國有著悠久的種植歷史，最早可以追溯到西晉時期[4]。2020年我國花椒栽種面積超過113 000 hm2，年產(chǎn)量達45萬t，花椒種植業(yè)已成為陜西、重慶、山西、貴州等多個地區(qū)助力鄉(xiāng)村振興、幫助當(dāng)?shù)剞r(nóng)民脫貧致富的特色項目[5-8]?；ń饭麑嵭?，樹枝伸展長且?guī)Т?，采摘時對農(nóng)藝要求很高，既不能傷枝、傷葉、傷芽，又需要適時收獲，采摘難度很大[9-10]，目前花椒的采摘大部分依靠人工，人工采摘勞動強度大、效率低、成本高，且采摘過程中人極易被刺劃傷[11]，椒農(nóng)對花椒高效率機械收獲采摘期盼已久。研究花椒力學(xué)特性，如花椒果實的壓縮力學(xué)特性，穗柄的剪切、拉伸力學(xué)特性，果實與果柄之間的拉伸力學(xué)特性，可以為花椒收獲加工機械的設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化提供重要數(shù)據(jù)參考。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對農(nóng)作物機械收獲加工與其力學(xué)特性之間的關(guān)系進行了較為廣泛的研究[12-16]，其中，AHMAD等[17]采用擺錘沖擊載荷試驗裝置測試成熟期的油棕果實在水平和垂直方向的破裂力和破裂能量，結(jié)果表明，垂直方向加載的破裂力和破裂能量均小于水平方向的破裂力和破裂能量，而且隨著油棕果的成熟，它的破裂力和破裂能量逐漸減小，為收獲和田間運輸系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。羅強軍等[18]運用UTM 6503電子萬能試驗機，以不同含水率的小麥秸稈為試驗對象，進行彎曲和壓縮力學(xué)特性試驗，為秸稈打捆裝置提供了力學(xué)數(shù)據(jù)參考和理論基礎(chǔ)。張西良等[19]以黃瓜藤秸稈為試驗對象，運用WDW30005型微機控制試驗機進行拉伸試驗，得到黃瓜藤秸稈的拉伸力學(xué)特性指標，為切割機械的研制和參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。武新慧等[20]將蘋果、梨、馬鈴薯等制成矩形小塊試樣，應(yīng)用INSTRON萬能試驗機結(jié)合電子顯微鏡，測定了屈服強度、壓縮強度等力學(xué)特性，得到了壓縮過程中細觀結(jié)構(gòu)變位的動態(tài)效應(yīng)。但是，關(guān)于花椒收獲加工的壓縮、剪切、拉伸等力學(xué)特性研究相對較少。

本研究應(yīng)用物性分析儀和萬能材料試驗機測定了花椒果實的壓縮載荷、花椒穗柄的剪切力和抗拉力、果實與果柄連接處的剪切力等力學(xué)特性參數(shù)，研究成熟期花椒的力學(xué)特性，旨在為花椒采收機械的設(shè)計提供一定理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為成熟期的大紅袍花椒，采摘自山西省臨汾市，選取無病蟲害、無損傷的花椒作為試驗樣本，包括果實、果柄、穗柄，貼標簽并排序，將樣本分別存入保鮮袋內(nèi)，放入2℃冷藏柜中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗設(shè)備

英國Stable Micro System公司生產(chǎn)的物性分析儀TA.XT.Plus，測試距離分辨率為0.001 mm，測試速度為0.01～40.00 mm/s；美國INSTRON公司生產(chǎn)的5544電子萬能材料試驗機，最大載荷2 kN；日本日立公司生產(chǎn)的SU 5000電子顯微鏡，目鏡10×/23 mm，物鏡變倍（0.68～4.7）×；北京心雨儀器儀表有限公司生產(chǎn)的101-2AB型電熱鼓風(fēng)箱。

1.3 試驗方法

1.3.1 三軸壓縮試驗 使用物性分析儀測定花椒果實的壓縮力學(xué)特性，壓縮裝置由SMS P/36R圓柱形壓縮探頭和100 mm×90 mm的壓縮底座組成，試驗開始前將物性分析儀預(yù)熱20 min，試驗測前速度為1 mm/s，壓縮速度為0.05 mm/s，測后速度為0.01 mm/s，觸發(fā)力為0.049 N，將花椒果實放在壓縮底座凹槽十字中心處進行壓縮試驗，壓縮完立即把花椒放到電子顯微鏡下觀察。

三軸尺寸可以表示花椒果實的大小，使用數(shù)顯游標卡尺測量其三軸尺寸，包括長（L）、寬（W）、高（H）。花椒果實形狀不規(guī)則，形態(tài)不一，一般采用球度和粒徑近似表示花椒果實的形狀和尺寸，對30顆花椒果實進行測定，每顆果實3個方向。

壓縮試驗測試的指標有屈服載荷、屈服形變量、壓縮破壞能和彈性模量，屈服載荷表示花椒果實發(fā)生屈服時物性分析儀所施加的載荷，屈服形變量表示花椒果實發(fā)生屈服時形變的量，彈性模量表示衡量花椒果實抵抗彈性變形能力大小的尺度。

1.3.2 剪切力學(xué)試驗 使用物性分析儀測定花椒穗柄的剪切力學(xué)特性，試驗開始前將物性分析儀預(yù)熱20 min，試驗測前速度為1 mm/s，剪切速度為0.6 mm/s，測后速度為1 mm/s，觸發(fā)力為0.049 N，使用自制刀片進行剪切，該刀片長85 mm、寬70 mm、厚2 mm，刀刃角度2.65°，對30個花椒樣本進行測定。

剪切試驗測試的指標有剪切力、抗剪強度和剪切破壞能，剪切力表示穗柄被剪斷時的載荷，抗剪強度表示穗柄抵抗剪切破壞的最大能力。

1.3.3 拉伸力學(xué)試驗 使用電子萬能材料試驗機測定花椒穗柄以及果實與果柄連接處的拉伸力學(xué)特性，試驗開始前將萬能材料試驗機預(yù)熱20 min，拉伸前預(yù)加載速度為5 mm/s，拉伸時速度為1 mm/s，上下夾頭間距離為試樣標距，2個部位各拉伸測定30個花椒樣本。

拉伸試驗測試的指標有抗拉力、抗拉強度和拉伸破壞能，抗拉力表示試樣被拉斷時的載荷，抗拉強度表示試樣抵抗拉伸破壞的最大能力。

1.3.4 含水率測定 采用恒溫干燥法測定花椒果實的含水率[21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Exponent軟件導(dǎo)出壓縮試驗數(shù)據(jù)、剪切試驗數(shù)據(jù)及載荷位移曲線，Bulehill軟件導(dǎo)出拉伸試驗數(shù)據(jù)及載荷位移曲線，采用SAS軟件對壓縮試驗數(shù)據(jù)進行平均值統(tǒng)計和方差分析，運用Duncan法進行多重比較，試驗結(jié)果均采取“平均值±標準差”表示。由剪切力和抗拉力可得抗剪強度和抗拉強度，橫截面近似為圓形。破壞能是試樣從受力開始到被完全破壞所需要的能量，使用Origin 2021進行計算。選取載荷位移曲線中初始彈性形變段計算彈性模量。

式中，Sp為花椒果實球度（%）；L為花椒果實的長（mm）；W為花椒果實的寬（mm）；H為花椒果實的高（mm）；Da表示粒徑算術(shù)平均值(mm)；Dg表示粒徑幾何平均值（mm）。

式中，S為試樣初始橫截面面積（mm2）；d為試樣直徑；τ為抗剪強度（MPa）；F 1max為最大剪切力（N）；σ為抗拉強度（MPa）；F 2max為最大抗拉力（N）。

式中，w為功率，即破壞能（mJ）；F（x）為載荷位移曲線：F為壓縮載荷、抗拉力、剪切力（N）；x為位移（mm）；l為F(x)中屈服點對應(yīng)的位移值（mm）；dx表示x的微分。

式中，E為彈性模量（MPa）；F為壓縮載荷（N）；L是試樣標距（mm）；△L為屈服形變量（mm）。

式中，H為含水率（%）；A為花椒初始鮮質(zhì)量（g）；B為烘干后質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 三軸壓縮試驗結(jié)果

花椒果實的長（L）、寬（W）、高（H），以及X、Y、Z軸的方向如圖1所示。

從表1可以看出，收獲期大紅袍花椒果實的含水率為54.69%，長（L）、寬（W）、高（H）分別為5.39、5.55、5.98 mm，三軸尺寸相差不大，其算術(shù)平均徑和幾何平均徑分別為5.64、5.63 mm，且球度達到94.34%，因此，在采摘機械的相關(guān)設(shè)計時，對花椒果實建模仿真分析可將其模型近似為橢球體。

表1 大紅袍花椒果實的基本物性參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of Dahongpao Zanthoxylum fruit

從圖2可以看出，花椒果實從零點開始受壓縮載荷作用，位移在1 mm右側(cè)有一個較小的極值點，造成此現(xiàn)象的原因是壓縮載荷達到該值時花椒果實的果皮發(fā)生屈服，然后果實繼續(xù)受壓縮載荷，直至達到曲線最大值點花椒果實破裂，該最大值即為花椒果實的屈服載荷。

經(jīng)壓縮試驗結(jié)果表明，屈服載荷變化范圍為31.40～66.34 N，屈服形變量變化范圍為1.01～1.95 mm，壓縮破壞能的變化范圍為24.33～37.83 mJ，彈性模量變化范圍為0.91～3.04 MPa。

由表2可知，Z軸方向壓縮花椒果實時的屈服載荷最小，X軸方向居中，Y軸方向最大，因為Z軸方向壓縮時花椒果實與物性分析儀壓縮頭的接觸面積比X軸方向和Y軸方向壓縮小，易發(fā)生應(yīng)力集中，所以，屈服載荷最小。由圖1可知，X軸方向壓縮時，花椒果實腹縫線承受壓縮載荷，而Y軸方向壓縮時果皮受壓縮載荷，腹縫線比果皮薄，易裂開，所以，X軸方向壓縮時的屈服載荷比Y軸方向壓縮時的屈服載荷??；花椒果實的在X軸方向壓縮時屈服形變量最小，Z軸方向居中，Y軸方向最大；壓縮破壞能在Y軸方向壓縮時最小，Z軸方向居中，X軸方向最大，說明花椒果實在Y軸方向壓縮時最容易被破壞，Z軸方向居中，X軸方向最不易被破壞；彈性模量在X軸方向壓縮時最小，Y軸方向居中，Z軸方向最大，說明花椒果實X軸方向抵抗彈性形變能力最弱，Y軸方向居中，Z軸方向最強。

表2 大紅袍花椒三軸壓縮試驗結(jié)果Tab.2 Triaxial compression test results of Dahongpao Zanthoxylum

對壓縮試驗數(shù)據(jù)進行方差分析得出，自由度為2，P值分別為：P屈服載荷＜0.000 1；P屈服形變量＜0.000 1；P破壞能＜0.000 1；P彈性模量＝0.007 7，在0.05水平上壓縮方向?qū)ηd荷、屈服形變量、破壞能、彈性模量都有顯著性影響。

2.2 剪切試驗與拉伸試驗結(jié)果

從圖3可以看出，花椒穗柄從零點開始受剪切力，隨著位移的增加，穗柄受到的剪切力越來越大，直至穗柄被剪切斷，之后剪切力隨位移的增大而急劇減小，圖中穗柄被剪切斷后平緩曲線的出現(xiàn)是因為在切斷穗柄后，穗柄與刀片仍有接觸，最后刀片離開穗柄，剪切力降為0。

從圖4可以看出，花椒穗柄從零點開始受拉伸力作用，拉伸力隨位移增大直至穗柄斷裂，之后拉伸力隨位移增大而下降，直至下降為0。

經(jīng)剪切試驗結(jié)果表明，花椒穗柄的剪切力變化范圍為2.18～5.58 N，抗剪強度變化范圍為1.03～2.54 MPa，剪切破壞能的變化范圍為1.18～8.19 mJ。經(jīng)拉伸試驗結(jié)果表明，花椒果實與果柄連接處的抗拉力變化范圍為2.30～4.83 N，抗拉強度變化范圍為1.32～5.66 MPa，拉伸破壞能變化范圍為4.42～6.43 mJ；花椒穗柄的抗拉力變化范圍為5.03～15.04 N，抗拉強度變化范圍為2.35～10.03 MPa，拉伸破壞能變化范圍為5.14～7.84 mJ。

從表3可以看出，花椒穗柄平均剪切力為4.15 N，平均抗剪強度為1.60 MPa，平均剪切破壞能為4.24 mJ，花椒果實與果柄連接處的平均抗拉力為3.86 N，平均抗拉強度為4.08 MPa，平均拉伸破壞能為5.29 mJ，花椒穗柄的平均抗拉力為8.60 N，平均抗拉強度為4.61 MPa，平均拉伸破壞能為6.48 mJ。穗柄抗拉力是果實果柄連接處抗拉力的2倍以上，果實與果柄連接處的抗拉力較穗柄的抗拉力更穩(wěn)定；抗拉強度與試驗樣本的最大抗拉力和橫截面積均有關(guān)，果實果柄連接處穗柄平均抗拉強度略大于果實果柄間的平均抗拉強度，但穗柄平均抗拉力為果實果柄連接處的2倍以上，是因為穗柄比果實果柄連接處更加粗壯，橫截面積更大；穗柄的剪切力小于抗拉力且剪切破壞能小于拉伸破壞能，因此在穗柄處采收宜采用剪切式采收方式，果實與果柄連接處的抗拉力小于穗柄的抗拉力，且果實與果柄連接處的拉伸破壞能小于穗柄的拉伸破壞能，若采用負壓等拉伸式采收方式，則選擇果實與果柄連接處進行拉伸分離采收更適宜。

表3 剪切試驗與拉伸試驗結(jié)果Tab.3 Shear test and tensile test results

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，花椒果實的屈服載荷為31.40～66.34 N，3個方向的平均屈服載荷分別為50.58、53.96、42.49 N，在對花椒進行機械采摘、運輸及存儲過程中，機構(gòu)作用到花椒果實上的壓縮力應(yīng)低于花椒果實3個方向的最小屈服載荷，即31.40 N，否則會損害花椒果實而造成經(jīng)濟損失，壓縮方向不同，花椒果實各項指標有所差異，這與其生理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等有關(guān)，需要在今后的工作中進一步研究。

花椒穗柄的剪切力為2.18～5.58 N，平均剪切力為4.15 N，抗剪強度為1.03～2.54 MPa，平均抗剪強度為1.60 MPa，若采用剪切式采收方式，施加在穗柄處的剪切力應(yīng)不低于2.18 N，本試驗自制刀片的刀刃角度為2.65°，可以更換不同刀刃角度的刀片進行對比試驗，使得對花椒穗柄剪切力學(xué)特性的研究更加完善。

花椒果實果柄連接處的抗拉力為2.30～4.83 N，平均抗拉力為3.86 N，抗拉強度為1.32～5.66 MPa，平均抗拉強度為4.08 MPa；穗柄的抗拉力為5.03～15.04 N，平均抗拉力為8.19 N，抗拉強度為2.35～10.03 MPa，平均抗拉強度為4.27 MPa，此處抗拉力大于馮亞利等[13]的試驗結(jié)果，可能是不同的地理環(huán)境和氣候特征導(dǎo)致同一品種花椒的力學(xué)特性存在差異，本試驗穗柄抗拉力整體大于果實與果柄連接處的抗拉力，穗柄平均抗拉強度大于果實與果柄連接處的抗拉強度，采用負壓等拉伸式采收方式應(yīng)盡量選擇在果實與果柄連接處進行拉伸分離采收且拉伸力不低于2.30 N。