茶葉莖稈剪切力特性

王 琪, 林恒矗, 廖 鵬, 萬(wàn)家明, 鄭書(shū)河

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院/福建省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備高校工程研究中心，福建 福州 350002)

我國(guó)是茶葉生產(chǎn)大國(guó)，茶葉生產(chǎn)作業(yè)包括耕作、植保、修剪、收獲等，其中茶葉收獲作業(yè)是茶葉生產(chǎn)最為重要的環(huán)節(jié)[1].茶葉采摘季節(jié)性強(qiáng)，采摘期短，需要大量集中用工，機(jī)械化采摘已成為茶葉發(fā)展的必然趨勢(shì)[2-4].對(duì)茶葉莖稈力學(xué)特性以及茶葉莖稈隨時(shí)間變化的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行研究，可為研發(fā)出采摘效果好、工作效率高的采茶機(jī)提供理論依據(jù).目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)苜蓿莖稈、棉花秸稈、大麥秸稈等植物莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究[5-8],而對(duì)茶葉莖稈力學(xué)特性的研究較少見(jiàn).目前生產(chǎn)中機(jī)采仍然使用往復(fù)切割式采茶機(jī)，雖有不同程度的改進(jìn)，但非選擇性的特點(diǎn)仍然存在[9].本文通過(guò)茶葉莖稈剪切試驗(yàn)，研究加載速度、節(jié)間位置對(duì)茶葉莖稈剪切特性的影響，旨在為采茶機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料于2021年7月10日采自福建農(nóng)林大學(xué)茶學(xué)實(shí)踐基地，測(cè)試樣本為15年茶齡的水仙成熟期茶樹(shù).選取生長(zhǎng)良好、莖稈通直、無(wú)病蟲(chóng)害的茶樹(shù)新梢.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備為微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(AG-Xplus，日本島津公司產(chǎn)品)、DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海賀德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品)、JJ124BF電子天平(精度0.000 1 g，鄭州安晟科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品)和電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm).

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備 茶樹(shù)新梢從嫩芽往下的節(jié)間依次定義為第1節(jié)間、第2節(jié)間、第3節(jié)間、第4節(jié)間、第5節(jié)間、茶葉老梗，如圖1所示.由于第1、2節(jié)間過(guò)短、過(guò)細(xì)，且機(jī)采茶葉多為一芽?jī)扇~或一芽三葉，故只選擇第3～5節(jié)間和老梗進(jìn)行剪切試驗(yàn).

圖1 茶葉莖稈特征示意圖 圖2 剪切示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical tea stem Fig.2 Schematic diagram of cutting

1.3.2 幾何尺寸測(cè)定 樣品幾何尺寸主要通過(guò)數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)定，選取不同節(jié)間莖稈測(cè)量節(jié)間距，選擇每個(gè)節(jié)間的中心位置測(cè)量節(jié)間直徑.

1.3.3 剪切試驗(yàn) 在樣本中隨機(jī)挑選直徑大致相同的茶葉莖稈，分為4組，每組5株.每組剪切速度分別設(shè)定為20、30、40、50 mm·min-1，進(jìn)行剪切試驗(yàn)，共計(jì)80個(gè)樣本.剪切試驗(yàn)原理如圖2所示，試樣剪切受力示意圖如圖3所示.通過(guò)剪切試驗(yàn)生成不同節(jié)間、不同加載速度的載荷—位移曲線.每節(jié)莖稈選用5個(gè)樣本的最大值的平均值作為最大載荷.

圖3 試樣受力示意圖Fig.3 Force diagram of a sample

1.3.4 含水率的測(cè)定 剪切試驗(yàn)完成后收集剪斷莖稈，利用DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱和電子分析天平，參照GB/T1931-2009[10]進(jìn)行含水率測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 莖稈幾何尺寸及含水率的測(cè)定

對(duì)茶葉不同節(jié)間莖稈的長(zhǎng)度和直徑進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定結(jié)果如圖4所示，其中第6節(jié)間數(shù)代表茶葉老梗.從圖4可以看出，第3～5節(jié)間茶葉莖稈的直徑和長(zhǎng)度隨著節(jié)間序號(hào)的增大而增大，老梗部位表現(xiàn)為短粗.茶葉莖稈的直徑為1.82～3.87 mm，節(jié)間莖稈長(zhǎng)度為27.36～50.65 mm.

圖4 不同節(jié)間幾何尺寸Fig.4 Geometric dimensions of different internode sections

不同節(jié)間莖稈含水率的測(cè)定結(jié)果如圖5所示.從圖5可知，第3～6節(jié)間莖稈含水率隨著節(jié)間序號(hào)的增大而減小.其中，第3節(jié)間莖稈含水率最高，為86.417%；老梗含水率最低，為62.188%.

圖5 不同節(jié)間莖稈含水率Fig.5 Moisture content of different internode sections

2.2 茶葉莖稈剪切試驗(yàn)曲線

通過(guò)剪切試驗(yàn)得到不同節(jié)間不同加載速度下的載荷—位移曲線(圖6).

由圖6可知，相同節(jié)間莖稈不同加載速度下的載荷—位移曲線規(guī)律并無(wú)明顯變化.利用圖6a中加載速度為20 mm·min-1下的載荷—位移曲線，分析茶樹(shù)新梢莖稈在剪切過(guò)程中剪切力的變化規(guī)律.茶葉莖稈主要由表皮、皮層、維管束、髓部組成(圖7)，其中維管束包括韌皮部、形成層和木質(zhì)部[11].茶樹(shù)莖稈剪切過(guò)程可分為3個(gè)階段.第1階段：刀具接觸莖稈至莖稈維管束，載荷隨著位移的增加逐漸增大.第2階段：刀具剪切至莖稈髓部，載荷下降后繼續(xù)上升.第3階段：刀具作用于莖稈另一端的皮層和表皮，直至莖稈完全斷裂.老梗在剪切過(guò)程中剪切力的變化如圖6b所示，載荷位移變化趨勢(shì)比較平穩(wěn)，載荷隨著位移的增加逐漸增大，直至莖稈被剪斷.

圖6 第3節(jié)間莖稈(a)和老梗(b)在不同加載速度下的載荷—位移曲線Fig.6 Load-displacement curve of the 3rd internode (a) and old stem (b) at different loading speeds

圖7 茶葉莖稈截面圖 圖8 20 mm·min-1加載速率下不同節(jié)間的載荷—位移曲線Fig.7 Sectional view of tea stem Fig.8 Load-displacement curve of different internodes at loading rate of 20 mm·min-1

選取不同節(jié)間莖稈在加載速率為20 mm·min-1下的載荷—位移曲線(圖8)，分析在相同加載速度下，不同節(jié)間莖稈的剪切載荷變化規(guī)律.結(jié)果表明：節(jié)間序號(hào)越大，剪斷莖稈的剪切力越大；第3節(jié)間剪切力最小，老梗剪切力最大.這是因?yàn)椴煌?jié)間位置的直徑不同，纖維素含量及木質(zhì)化程度也不同，越靠近根部其直徑越大，木質(zhì)化程度越高.

2.3 茶葉莖稈的抗剪強(qiáng)度

從剪切試驗(yàn)得到不同加載速率下不同節(jié)間的剪切破壞力和抗剪強(qiáng)度[12].不同加載速率對(duì)茶葉莖稈剪切破壞力和抗剪強(qiáng)度無(wú)顯著影響，故對(duì)同一節(jié)間莖稈不同加載速率下的剪切力和抗剪強(qiáng)度取均值，結(jié)果如圖9所示.由圖9可知，隨著節(jié)間序號(hào)的增大，莖稈剪切破壞力和剪切強(qiáng)度隨之增大.第3節(jié)間莖稈的剪切力為4.352～5.128 N,均值為4.789 N；抗剪強(qiáng)度為0.585～0.741 MPa，均值為0.646 MPa.第4節(jié)間莖稈的剪切力為13.169～16.572 N,均值為14.390 N；抗剪強(qiáng)度為1.563～1.920 MPa，均值為1.691 MPa.第5節(jié)間莖稈的剪切力為18.720～21.709 N,均值20.723N；抗剪強(qiáng)度為1.975～2.247 MPa，均值為2.158 MPa.老梗的剪切力為84.125～95.992 N,均值95.727 N；抗剪強(qiáng)度為4.120～5.005 MPa，均值為4.579 MPa.

圖9 不同節(jié)間莖稈的剪切破壞力和抗剪強(qiáng)度Fig.9 Shear force and shear strength of different internode sections

2.4 茶葉莖稈單位面積剪切能

從剪切試驗(yàn)可得到不同加載速率下，不同節(jié)間位置的茶葉莖稈單位面積剪切能[13]，結(jié)果如圖10所示.茶葉莖稈第3節(jié)間、第4節(jié)間、第5節(jié)間的單位面積剪切能較小，呈依次遞增趨勢(shì)，分別為2.275～3.062 mJ·mm-2、6.008～6.882 mJ·mm-2、8.683～10.007 mJ·mm-2.老梗的單位面積剪切能顯著高于其他節(jié)間，為16.961～20.863 mJ·mm-2.分別對(duì)不同加載速度、不同節(jié)間序號(hào)的茶葉莖稈單位面積剪切能進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表1所示.結(jié)果表明：同一節(jié)間序號(hào)，加載速率對(duì)單位面積剪切能無(wú)顯著影響(P>0.05),節(jié)間序號(hào)對(duì)單位面積剪切能的影響極為顯著.

圖10 不同加載速率下不同節(jié)間莖稈的單位面積剪切能Fig.10 Shear energy of different internode sections under different loading rates

表1 茶葉莖稈單位面積剪切能的方差分析Table 1 Analysis of variance on shear energy of tea stem

3 小結(jié)與討論

本文通過(guò)茶葉莖稈的剪切試驗(yàn)，分析了茶葉莖稈在剪切過(guò)程中載荷—位移的變化規(guī)律，結(jié)果表明相同節(jié)間、不同加載速度對(duì)載荷—位移規(guī)律無(wú)顯著影響.在同一加載速度下，剪切破壞力隨著節(jié)間序號(hào)的增大而增大，這是因?yàn)椴煌?jié)間莖稈的各組織結(jié)構(gòu)的含量不同，這與趙玉清等[14]對(duì)青貯玉米秸稈剪切力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果一致.采用不同加載速率、不同節(jié)間莖稈來(lái)研究加載速率和節(jié)間位置對(duì)抗剪強(qiáng)度和剪切能的影響.剪切試驗(yàn)結(jié)果表明：不同加載速率對(duì)茶葉莖稈剪切破壞力和抗剪強(qiáng)度無(wú)顯著影響，不同節(jié)間莖稈的抗剪強(qiáng)度和單位面積剪切能差異顯著.這與李小城等[12]對(duì)小麥莖稈剪切力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果基本一致.