果樹枝條力學(xué)特性對比

張 莉，李 震，劉京蕊，李傳友，滕 飛，熊 波，高 嬌，李志強(qiáng)

（北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079）

0 引言

2019 年我國產(chǎn)生林業(yè)廢棄物約3.1 億t，相當(dāng)于1.8 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤[1-2]。果林產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的重要組成部分，在滿足市民生活需求的同時，也是農(nóng)民增收致富的主要途徑。近年來，果園面積增長迅速，由1978 年的165.7 萬hm2增加 至2020 年的1 264.63 萬hm2[2]。

生態(tài)林和經(jīng)濟(jì)林都需要進(jìn)行一定的修剪，尤其是果林，年平均修剪量3 750 kg/hm2，修剪量隨樹種、樹齡、種植方式和管理方式等變化差異較大，因果樹更新或老舊果園改造而產(chǎn)生的殘枝量將遠(yuǎn)大于7 500 kg/hm2[1,3-4]。隨著果園面積的快速增長，修剪后的果樹枝條也逐年快速增加累積，由于不易捆綁和封裝，運(yùn)輸較為困難，大量殘枝堆積易造成果樹病蟲害的傳播，不僅影響環(huán)境也極易造成火災(zāi)等安全問題。將果樹枝條粉碎后運(yùn)輸可以提升效率、降低成本，并有利于進(jìn)一步資源化利用，能夠有效解決困擾果農(nóng)的果林殘枝出路難題[5]。

果樹殘枝利用方式主要有以下幾種。一是作為燃料直接燃燒，但是由于近年來農(nóng)村生活能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，導(dǎo)致大量的果林殘枝累積，在農(nóng)田或農(nóng)村隨處堆放，既影響鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境，也造成較大的防火安全風(fēng)險[3,6-7]。二是通過粉碎機(jī)粉碎后，可進(jìn)行肥料化、基質(zhì)化、材料化等多種方式的高效利用。肥料化利用是將枝條粉碎成小顆粒物料，再加入糞便、菌劑等促進(jìn)木屑進(jìn)一步升溫腐熟，經(jīng)好氧發(fā)酵得到有機(jī)肥料，能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高保墑蓄水能力[8-10]?；|(zhì)化利用是將枝條粉碎殺菌發(fā)酵后，接種所需菌種，然后用于栽培食用菌或粉碎后用作加工園藝栽培基質(zhì)。材料化利用是將枝條加工成板材、墻體材料、包裝材料和復(fù)合材料等。無論哪種資源化利用技術(shù)模式，都需先對果樹殘枝粗加工粉碎，枝條力學(xué)特性影響粉碎質(zhì)量，而樹枝含水量與力學(xué)特性也存在一定關(guān)系。全朋坤等[11]研究表明，蘋果樹枝的力學(xué)參數(shù)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。

本文開展桑樹、桃樹與櫻桃樹3 種不同樹種枝條的力學(xué)特性試驗(yàn)研究，可為確定各類枝條切割力、切割刀片和切割方式等提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)，對低能耗、高效率的果樹枝條粉碎機(jī)的設(shè)計及選擇具有重要的指導(dǎo)意義[12-15]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料均取自冬剪時期待剪枝條（采后24 h 內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)），均來自北京市大興區(qū)凝瑞金源櫻桃園，樹齡為6～7 年。采取隨機(jī)取樣，選取新鮮、無病蟲害、生長旺盛，并且莖桿較直、無破損的桑樹、桃樹與櫻桃樹枝條。果樹枝條力學(xué)特性試驗(yàn)均在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，正值果樹冬剪期。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

WDW-5E 型計算機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)；標(biāo)康SL01-22 型游標(biāo)卡尺，量程150 mm、精度0.1 mm，用于測量枝條直徑；YDYQXGQ-3 000 型干燥烘箱，用于烘干粉碎后枝條；OHAUS Adventurer 型電子分析天平，精度0.001 g，用于測量含水率。

1.3 試驗(yàn)材料處理

由于枝條生長結(jié)構(gòu)和形狀各異，存在不規(guī)律的節(jié)頭和分支，將修剪下的桑樹、桃樹與櫻桃樹枝條剪掉葉子和側(cè)枝，對不同直徑段的枝條進(jìn)行切割分類。枝條直徑是漸變的，不能得到單一直徑的枝條，因此枝條直徑按照直徑區(qū)間進(jìn)行分類，共分為3 個直徑區(qū)間，分別是10 mm 直徑區(qū)間（直徑≤10 mm）、20 mm 直徑區(qū)間（10 mm<直徑≤20 mm）和30 mm 直徑區(qū)間（20 mm<直徑≤30 mm）。按照直徑區(qū)間的不同，分別選取桑樹、桃樹與櫻桃樹枝條各12 根作為試驗(yàn)樣本，每根長20～30 cm，3 個一組放入真空袋中并帶回實(shí)驗(yàn)室，不同直徑的枝條進(jìn)行分組編號。

1.4 測定指標(biāo)

對3 組不同直徑區(qū)間的桑樹、桃樹、櫻桃樹枝條測試平均含水率和直徑，利用WDW-5E 型計算機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸、剪切和壓縮試驗(yàn)。

1.4.1 枝條直徑

用游標(biāo)卡尺測量試樣枝條的直徑，每根枝條測量3 個位置，取平均值。

1.4.2 枝條含水率

依據(jù)GB/T 3543.6?1995 采用低恒溫烘干法進(jìn)行枝條含水率的測試。

1.4.3 枝條拉伸特性

將果樹枝條兩端去皮2 mm 處理，防止拉伸時發(fā)生滑移，利用拉伸試驗(yàn)專用夾具將拉伸試樣兩端各夾持30 mm，利用WDW-5E 型計算機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)以10 mm/min 速度加載，自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。用游標(biāo)卡尺記錄斷面處的準(zhǔn)確尺寸。讀取峰值拉伸力，研究取樣直徑對目標(biāo)值的影響。

單位直徑最大拉伸力計算公式為

式中pl?單位直徑最大拉伸力，N/mm

Fl,max?峰值拉伸力，N

dm?枝條直徑，mm

1.4.4 枝條剪切特性

剪切部位去皮處理，防止滑移，將枝條放置于剪切專用夾具，利用WDW-5E 型計算機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)以10 mm/min 速度加載，自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。讀取峰值剪切力，研究取樣直徑對目標(biāo)值的影響。

單位直徑最大剪切力計算公式為

式中pj?單位直徑最大剪切力，N/mm

Fj,max?峰值剪切力，N

1.4.5 枝條壓縮特性

取枝條長度40 mm，試樣應(yīng)通直，兩端用砂紙打磨平滑，并且兩端必須保持平行，將試樣置于球面滑動支座中心位置。

利用WDW-5E 型計算機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)以2 mm/min 速度加載，自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。軸向壓縮試驗(yàn)以峰值軸向壓力和軸向抗壓強(qiáng)度為目標(biāo)值，研究取樣直徑對目標(biāo)值的影響。

軸向抗壓強(qiáng)度計算公式為

式中σzy?軸向抗壓強(qiáng)度，MPa

Fzy,max?峰值軸向壓力，N

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制表。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率

經(jīng)測量，在同一時期，櫻桃樹、桑樹和桃樹枝條的平均含水率分別為45.41%、48.80%和48.43%，櫻桃枝條含水率較另外兩種樹枝略低。

2.2 拉伸特性

通過分析櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條峰值拉伸力測定結(jié)果，建立櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條直徑和枝條單位直徑拉伸力之間的關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 枝條直徑與單位直徑拉伸力的關(guān)系Fig.1 Relationship between branch diameter and stretch forceper unit diameter

由圖1 可知，3 種枝條的峰值拉伸力及枝條單位直徑拉伸力均隨枝條直徑的增加而增加。桑樹枝條的峰值拉伸力及單位直徑拉伸力最大，粉碎時所需的動能也就越多，其次是桃樹枝條，最小的為櫻桃樹枝條。桑樹枝條韌性更強(qiáng)，相較于桃樹枝條和櫻桃樹枝條更不易拉伸，相應(yīng)的枝條斷裂所需的動能也更大。櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條的最大單位直徑拉伸力可達(dá)144.71、164.36 和152.30 N/mm。桑樹枝條的最大單位直徑拉伸力比櫻桃樹枝條的最大單位直徑拉伸力高13.58%，比桃樹枝條高7.92%。

2.3 剪切特性

通過分析櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條峰值剪切力測定結(jié)果，建立櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條直徑和枝條單位直徑剪切力之間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 枝條直徑與單位直徑剪切力的關(guān)系Fig.2 Relationship between branch diameter and shear forceper unit diameter

由圖2 可知，3 種枝條的峰值剪切力及單位直徑剪切力均隨枝條直徑的增加而增加。桑樹枝條的峰值剪切力及單位直徑剪切力最大，其次是桃枝，最小的為櫻桃枝，3 者在細(xì)枝上的差異相較于粗枝更小。櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條的最大單位直徑剪切力可達(dá)58.02、105.74 和74.16 N/mm。桑樹枝條的最大單位直徑剪切力比櫻桃樹枝條的最大單位直徑剪切力高82.25%，比桃樹枝條高42.58%，桑樹枝條剪切力需求明顯高于其他兩種枝條。所測得剪切力比拉伸力小，說明枝條剪切破碎的動能要求比較低。

2.4 壓縮特性

通過分析櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條峰值壓縮力測定結(jié)果，建立櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條直徑和枝條軸向抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 枝條直徑與軸向抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between branch diameter and axialcompressive strength

由圖3 可知，3 種枝條的峰值壓縮力及枝條軸向抗壓強(qiáng)度均隨枝條直徑的增加而增加。桑樹枝條與桃樹枝條的峰值壓縮力及軸向抗壓強(qiáng)度均較大，櫻桃枝最小，但在直徑超過22 mm 后與桑樹枝條和桃樹枝條接近。櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條的最大軸向抗壓強(qiáng)度可達(dá)5.83、6.45 和6.02 MPa。桑樹枝條的最大軸向抗壓強(qiáng)度比櫻桃樹枝條的最大軸向抗壓強(qiáng)度高10.63%，比桃樹枝條高7.14%，相較于剪切力，3 個樹種在壓縮性能方面差異較小。

3 結(jié)束語

在枝條粉碎機(jī)工作過程中，切刀或錘片對果樹枝條施加切削和撞擊的作用，然后把枝條切斷、撕裂成片狀，此過程中，果樹枝條主要受拉伸、壓縮、砍切和滑切的作用，因此枝條本身的極限應(yīng)力（正應(yīng)力、切應(yīng)力）是影響粉碎效果的一個重要指標(biāo)。

桑樹枝條的峰值拉伸力及單位直徑拉伸力最大，粉碎時的拉伸力需求明顯高于其他兩種枝條，桑樹枝條韌性更強(qiáng)，相較于桃樹枝條和櫻桃樹枝條更不易拉伸，相應(yīng)的枝條拉伸斷裂所需的動能也更大；桑樹枝條的峰值剪切力及單位直徑剪切力最大，粉碎時的剪切力需求明顯高于其他兩種枝條。所測得剪切力比拉伸力小，說明枝條剪切破碎的動能要求較拉伸破碎低。桑樹枝條與桃樹枝條的峰值壓縮力及軸向抗壓強(qiáng)度均較大，但在直徑超過22 mm 后與桑樹枝條與桃樹枝條接近。相較于剪切特性，3 個樹種在拉伸與壓縮特性方面差異較小。

在選擇粉碎設(shè)備時，為保證一定的粉碎效果，需要的正應(yīng)力和切應(yīng)力更大，需求的動能更多，利用剪切方法破碎桑樹枝條的方法所需應(yīng)力明顯大于櫻桃樹及桃樹枝條。