紅花的力學特性測定與分析

王曉華　李景彬　坎雜等

摘要：利用TY8000-50N 500N單柱液晶屏顯材料試驗機，選取新疆紅花1號為研究對象，以紅花直徑、紅花含水率、花托直徑這3個指標作為紅花力學特性的影響因素，以抗拉力指標作為反映紅花力學特性的響應指標，對紅花植株力學特性進行了測定。結果表明：紅花與花托、花托與花梗、花梗自身3個不同位置之間的抗拉力分布有顯著的差異。紅花直徑對紅花與花托之間的抗拉力影響不顯著；花托直徑、紅花含水率對紅花與花托之間的抗拉力影響顯著。紅花與花托之間的抗拉力模型可采用y=6.790+0.824x1+0.111x2來表達。

關鍵詞：紅花；力學特性；花托；花梗；抗拉力

中圖分類號： S567.21+9.01 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0352-03

紅花為菊科1年生草本雙子葉植物，是一種集藥材、飼料、染料、油料為一體的經濟作物，以花入藥，具有活血通經、散瘀止痛之功效[1-4]。在我國，紅花栽培歷史悠久，至今已有2 100多年的歷史[5]。新疆維吾爾自治區是我國紅花的最大產區，常年的種植面積為2.0萬～27萬hm2，總產量達 2.7萬～3.6萬t[6]。目前紅花依賴人工采收，極大地限制了紅花產業的發展。紅花植株的力學特性是研究、設計紅花機械化收獲設備的基礎，目前針對紅花力學特性的研究鮮見報道。本研究采用TY8000-50N 500N單柱液晶屏顯材料試驗機，以新疆廣泛種植的新疆紅花1號為研究對象，對紅花植株的的力學特性進行拉伸試驗測定，旨在為設計研發紅花機械化收獲設備提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

新疆紅花1號（花蕾開放后第3天）取自石河子大學農學院試驗田，自然狀態下沿主莖稈刈割，盡量避免對紅花、莖稈造成機械損傷，剔除枯萎、有病蟲害的植株，共取樣200株，分為10組，每組20株。試樣采集完畢后立即送回實驗室，置于GXZ智能型光照培養箱（浙江寧波江南儀器廠）內4 ℃下保存[7-9]。紅花各部分名稱見圖1。

1.2 試驗設備

采用TY8000-50N 500N單柱液晶屏顯材料試驗機（江蘇天源試驗設備有限公司）可實時動態顯示變形值、載荷值、應力-應變曲線、加載速度等結果，試驗完成后，打印出完整的試驗曲線、試驗報告。本機有2個傳感器，分別為50、500 N，力傳感器、位移傳感器精度分別為±1%。采用游標卡尺（青海量具刃具公司，精度0.02 mm）測量直徑，采用MA45電子精密天平（賽多利斯MA系列）測量含水率。

1.3 方法

1.3.1 直徑、含水率測定

根據GB/T 24887—2010《植物新品種特異性、一致性、穩定性測試指南》規定的方法測定紅花直徑，選取最大、最小2個方向進行測定，取其平均值作為紅花直徑。根據GB/T 1931—2009 《木材含水率測定方法》規定的方法，采用MA45電子精密天平在100 ℃、5 mg/24 s條件下測定紅花含水率。

1.3.2 抗拉試驗

根據GB/T 1040.1—2006 《塑料 拉伸性能的測定》規定的方法[10-11]，采用單柱液晶屏顯材料試驗機，試驗環境溫度、空氣相對濕度分別為28 ℃、70%，選用 50 N 傳感器測定紅花與花托的抗拉力，選用500 N傳感器測定其他試樣的抗拉力。為了防止試樣在夾具里滑移，試樣兩端用剪好的寬約10 mm、有柔性的紙纏緊，再在柔性紙的外面滴少量液體膠，瞬間干硬后，將試樣的兩端裝卡到試驗機上下夾頭的中間部位，保持試樣與水平面垂直。通過光電編碼器傳遞位移，采用載荷傳感器傳遞載荷值，測出試樣被拉斷時的最大載荷，將試樣的有關參量輸入計算機，實時顯示應力-應變曲線。拉伸速度不宜過大，否則結果數據會出現較大偏差[12-13]。本試驗采用了60 mm/min速度施加拉應力。不同直徑的樣本形態保持一致。隨著載荷的不斷增加，當斷裂處不在試樣兩端時，試驗結果有效（圖2）。

2 結果與分析

2.1 試驗數據描述分析

從表1可知，紅花直徑為32.27～52.77 mm，最小值與最大值相差20.50 mm，紅花直徑以42.55 mm為基準上下浮動；花托直徑為16.29～24.67 mm，標準差為1.62 mm，說明其集中趨勢較好；紅花含水率均值為68.891%；紅花與花托之間的抗拉力、花托與花梗之間的抗拉力、花梗自身的抗拉力均值分別為15.735、61.451、98.584 N，差異明顯，隨著位置改變，抗拉力平均值明顯升高；紅花與花托之間的抗拉力、花托與花梗之間的抗拉力、花梗自身的抗拉力變異系數依次為23.490%、18.640%、19.620%，較為接近。這為紅花花絲采收機械選取采摘終端尺寸、形狀等技術參數提供了理論依據。

2.2 各抗拉力之間的關系

由表2可知，紅花與花托、花托與果柄、花梗自身3個位置對應的抗拉力平均秩分別為100.50、308.36、492.64，平均秩依次升高，說明3個總體分布存在顯著差異；卡方統計量值為512.343，近似概率P值接近0，小于指定的顯著水平α=0.01，從而拒絕多獨立總體分布無顯著差異的原假設，認為多獨立樣本的總體分布有顯著差異，即3個不同位置的抗拉力分布有顯著差異[14-15]。由圖3可知，紅花與花托之間的抗拉力最為穩定，說明設計紅花采收機械時使紅花與花托分離的抗拉力相對穩定；花托與花梗之間的抗拉力為波浪形，波動幅度比較大，整體分布上大于紅花與花托之間的抗拉力且小于花梗自身的抗拉力；花梗自身抗拉力波動幅度最大。由此可知，如果使用風力手段使紅花與花托分離，不會破壞花托、花梗。紅花與花托、花托與花梗、花梗自身3個不同位置之間的抗拉力分布有顯著差異，且3個總體的抗拉力總體分布依次增大，說明位置對抗拉力有顯著影響。endprint

2.3 不同影響因素對紅花與花托之間抗拉力的影響

由表3可以看出，紅花直徑對紅花與花托之間的抗拉力影響表現不顯著（P=0.593>0.05）。花托直徑對紅花與花托之間的抗拉力的影響顯著（P<0.01），這是由于隨著花托直徑的增加，花托與花梗連接處直徑相應增大，纖維素強度增加，因此提高了紅花與花托之間的抗拉力；紅花含水率對紅花與花托之間抗拉力的影響顯著（P<0.01）。

2.4 抗拉力模型預測

為了對紅花與花托之間的抗拉力進行預測，將花托直徑（x1，mm）、紅花含水率（x2，%）與紅花與花托之間的抗拉力（y，N）進行擬合，擬合結果表明多元線性函數具有較好的擬合優度，擬合方程為y=6790+0.824x1+0.111x2，校正可決系數為0.75（P<0.01）。

3 結論

本研究結果表明，紅花與花托、花托與花梗、花梗自身3個不同位置的抗拉力分布有顯著差異，說明位置對抗拉力影響顯著。紅花直徑對紅花與花托之間的抗拉力影響不顯著；花托直徑對紅花與花托之間的抗拉力影響顯著；紅花含水率對紅花與花托之間的抗拉力影響顯著。對花托直徑（x1，mm）、紅花含水率（x2，%）與紅花與花托之間的抗拉力（y，N）進行擬合，得到多元線性方程y=6.790+0824x1+0.111x2，校正可決系數為0.75（P<0.01）。影響抗拉力的因素很多，如纖維素含量、木質素含量、纖維素的排列及結構方式、拉伸速度等。筆者重點研究了3個不同位置的抗拉力自身之間的關系及與影響因素之間的關系，但由于抗拉力在實際外界動態因素（如拉伸速率）作用下的復雜性，還需要對動態特性指標進行測定。

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