香蕉梳柄的結構特征及其力學特性試驗

陳兆春?┭鈧?+朱正波+牛萌萌+朱卿創+孫志全+谷峣

摘要：針對香蕉因落梳環節勞力大、人工成本高而制約香蕉采收處理機械化的發展問題，研究香蕉梳柄的結構特征及其力學特性參數，以期為研制智能香蕉落梳裝備提供參數依據。分析香蕉梳柄在穗稈上不同位置的結構特征，并在精密型微控電子式萬能試驗機上，通過對香蕉梳柄進行壓縮特性、剪切特性試驗，深入研究梳柄位置對其彈性模量、峰值剪切力及剪切強度的影響，并對其進行相關性分析。結果表明，梳柄彈性模量在4.69～8.15 MPa范圍，標準差為1.01 MPa，變異系數為15.81%；峰值剪切力在0.153～0.290 kN范圍，標準差為0.036 kN，變異系數為16.02%；剪切強度在0.036～0.057 MPa范圍，標準差為0.006 MPa，變異系數為13.16%。香蕉梳柄含水率、間距、峰值剪切力及剪切強度與梳柄位置呈線性相關；梳柄弧長、密度及彈性模量與梳柄位置呈二次曲線相關。

關鍵詞：香蕉梳柄；落梳；結構特征；力學特性；智能；采收機械化

中圖分類號： S225.99文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0223-05

香蕉是全球鮮銷量較大、較重要的熱帶水果，也是我國主要的熱帶、亞熱帶特色水果之一，主要分布在廣東、廣西、福建、云南、海南5省（區）[1]。我國自2011年起躍居世界第二大香蕉生產國，2013年全國香蕉種植面積36萬hm2，總產量1 142萬t[2]，香蕉產業已經成為我國熱帶、亞熱帶重要的農業產業之一，對于促進區域農業、農村經濟發展作用明顯，意義重大。

目前，我國香蕉產業正處于在由傳統生產模式向現代生產模式轉變的重要階段[3]，然而，無論是國內還是國外，在香蕉采收、運送、清洗、包裝等環節中都不同程度地使用了相關機械與裝備，只有落梳環節采用人工落梳方法[4]，這使得香蕉采收處理各環節的機械裝備不能有效連接，使效率提升受到限制，從而制約了香蕉采收處理機械化的發展[5]。因此，為發展我國香蕉采收處理機械化，促進我國香蕉產業的進一步發展，亟須提升香蕉落梳機械化水平，而香蕉梳柄的結構特征研究是改進香蕉落梳機具的前提，梳柄的弧長、間距等尺寸變化規律可為設計落梳機具提供參數依據，并且力學特性是影響香蕉落梳的主要因素之一，是研究香蕉落梳機理的重要手段，同時也是設計、改進落梳機具與落梳工藝的重要依據。

目前國內外幾乎沒有針對為設計機具而進行的植物結構特征方面的研究，而力學特性方面的研究，國內外起步比較早。吳良軍等對荔枝樹枝的壓縮能、抗壓彈性模量及抗壓比例極限應力等力學特性進行研究，得出抗壓強度、抗壓比例極限應力和壓縮能之間的關系[6]；劉慶庭等對甘蔗莖稈進行切割力試驗，得出切割速度、滑切角、刀盤傾角對最大切割力的影響效應[7]；張久雷等對香蕉假莖進行力學特性研究，得出軸向切割比徑向切割力小的結論[8]；尹秋等對香蕉果梗進行力學特性試驗，得出果梗直徑、切割角度、加載速度對果梗切割的單因素效應[9]；于勇等對玉米秸稈進行含水率特性、拉伸特性研究，并得出相應結論[10-19]。

綜合現有研究成果，雖然對植物力學特性的研究起步比較早，但專門對香蕉梳柄結構特征及力學特性方面的研究沒有相關報道。本試驗建立在香蕉梳柄的結構特征研究上，針對力學特性進行模型建立，以期為使用ANSYS軟件分析落梳刀在落梳過程中的應力、應變狀態提供理論依據，為今后研制智能香蕉落梳裝備提供基礎參數。

1材料與方法

1.1試驗因素的確定

本試驗以研究香蕉梳柄的結構特征及力學特性為目的，結構特征研究主要針對梳柄位置對梳柄弧長、間距、密度及含水率的影響關系進行；力學特性研究主要針對梳柄位置對梳柄彈性模量、峰值剪切力及剪切強度的影響關系。香蕉梳柄結構分為表皮層、內部組織及維管束3個部分，由于試驗條件的限制，將3個部分作為一個整體進行力學特性試驗，為保持梳柄結構的完整性，對試驗樣品梳柄表皮給予保留，試驗樣品的高度取決于梳柄的厚度。前期試驗表明，樣品尺寸較小時，壓縮過程中會發生彎曲，導致數據不準確，而由于梳柄尺寸的限制，最大取樣尺寸為15 mm×15 mm，因此每個樣品尺寸為15 mm×15 mm；梳柄樣品從穗稈細端到粗端取樣，分別編號為1～7，如圖1所示。

1.2試驗材料

試驗的材料是2015年10月從高州蕉園收獲的達到飽滿未成熟的條蕉，取樣方法為隨機取樣[20]，所取梳柄完整且穗稈通直，無病蟲害，梳柄在香蕉穗稈上的位置分布均等，為確保測定參數與落梳時參數盡可能一致，條蕉采收后即編號并裝入袋子密封保存，試樣取自A～E 5根穗稈，從細端到粗端均勻取樣，每個梳柄位置重復試驗3組。

[FK（W9][TPCZC1.tif；S+2mm][FK）]

1.3試驗方法

1.3.1試驗設備試驗設備主要有WD-E型精密微控電子式萬能試驗機、DHG-9030（A）101-0A（S）型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海索普儀器有限公司）、ALC-210.3電子天平（量程210 g，精度1 mg，北京賽多利斯儀器系統有限公司）及游標卡尺等。

1.3.2試驗方法（1）結構特征測定。結構特征測定指標主要為梳柄弧長、間距、密度及含水率。梳柄弧長分別測量內、外弧長，求平均值，通過細繩沿著梳柄圓弧位置，并用游標卡尺測量細繩長度；間距為測量相鄰2個梳柄的豎直距離；密度為烘干前的梳柄重量除以烘干前的梳柄體積；含水率的測定，壓縮試驗前將梳柄放在ALC-210.3電子天平中稱量，壓縮試驗之后即放置在電熱恒溫鼓風干燥箱中，在105 ℃下干燥15 h，稱量，每隔6 h稱量1次，直至2次稱量結果一樣。

（2）壓縮試驗。壓縮試驗在WD-E型精密型微控電子式萬能試驗機上進行，試驗機的傳感器最大量程為20 kN，分辨率±1/120 000，力值精度±0.5%，位移精度±0.3%。試驗用的加載壓頭為剛性平板壓頭，下支撐壓頭具有球面滑動支座。試驗加載速度60 mm/min，數據采樣速度10個/s。實驗室溫度為27.5 ℃，空氣相對濕度為70.8%。根據試驗獲得的應力-應變曲線，確定彈性直線段，如圖2所示，在該直線段上讀取相距盡量遠的A、B 2點之間的應力變化量和相應的應變變化量，按式（1）計算線段的斜率，即彈性模量：

[JZ（]ES=[SX（]ΔσΔε[SX）]。[JZ）][JY]（1）

式中：ES為試樣的彈性模量值，MPa；Δσ為應力-應變曲線上線性段的應力變化量，MPa；Δε為應力-應變曲線上線性段的應變變化量。

（3）剪切試驗。剪切試驗在自制的剪切試驗臺上進行。試驗加載速率100 mm/min，數據采樣速度25個/s。剪切試驗臺的刀片為直線往復式單面刃切刀，材料為Cr10，厚度為 3 mm，刃角為60°。自制剪切試驗臺的結構如圖3所示。

梳柄剪切強度計算公式：

[JZ（]τ=[SX（]FmaxA0[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：τ為梳柄的剪切強度，MPa；Fmax為峰值剪切力，kN；A0為剪切處梳柄的原始橫截面面積，mm2。

根據試驗機記錄的力值-變形數據，算出峰值剪切力及剪切強度。峰值剪切力指刀片接觸試樣開始到將試樣剪斷過程中所需的最大力；剪切強度則指梳柄承受剪切力的能力，表征外力對材料呈剪切作用時的強度極限。

2結果與分析

2.1梳柄弧長

試驗結果如表1所示，可以看出，各個梳柄位置對應的弧長不同。

由圖4可以看出，梳柄弧長隨著梳柄位置的不同而不同，呈二次項正相關；越靠近香蕉假莖，梳柄弧長越長，這源于越靠近假莖的部位，含鉀量越高，而缺鉀會導致香蕉串小，果實細，梳柄窄小，從而導致梳柄弧長越短。顯著性分析表明，梳柄位置對梳柄弧長影響顯著（P<0.05）。

2.2梳柄含水率

含水率測試試樣一共105個，進行完壓縮試驗之后立即進行試樣的含水率測定。結果顯示，試樣含水率最大值為94.49%，最小值為92.29%，平均值為93.43%，標準差為 0.482%，變異系數為0.516%。

將梳柄的含水率和梳柄位置進行線性回歸擬合，擬合結果表明，線性函數關系具有較高的擬合度，擬合方程、判定系數如圖5所示，可以看出：梳柄的含水率和梳柄位置之間呈線性函數正相關關系，因此認為，越靠近香蕉假莖的梳柄，其含水率越高。

2.3梳柄間距

梳柄間距為相鄰2個梳柄之間的豎直距離，作為衡量梳柄在穗稈致密度及分布規律的重要參數，可以影響落梳刀形狀、大小及落梳速度的選擇。

將梳柄間距和梳柄位置間隔進行回歸擬合，結果表明，二次項函數關系具有較高的擬合度，擬合方程和判定系數如圖6所示，可以看出：梳柄間距和梳柄位置間隔之間呈線性函數正相關關系。

由圖6可以看出，梳柄間距隨著梳柄位置間隔的不同而不同，呈線性正相關，越靠近香蕉假莖，梳柄間距越大，即梳柄長得越疏，這源于越遠離香蕉假莖的穗稈的生長素濃度越高，從而氮素水平越高，導致所形成的生殖器官數量相對就更多，產生果實的梳柄數量就越多。顯著性分析表明，梳柄位置間隔對梳柄間距影響顯著（P<0.05）。

2.4梳柄密度

將梳柄密度和梳柄位置進行回歸擬合，擬合結果表明，二次項函數關系具有較高的擬合度，擬合方程和判定系數如圖7所示，可以看出：梳柄密度和梳柄位置之間呈二次項函數關系。

梳柄密度隨著梳柄位置呈現出先增大后減小的規律，即距離假莖越遠，梳柄密度先增大后減小，這可能源于梳柄的營養成分中含有水、脂肪及蛋白質，由于水的密度大于脂肪，小于蛋白質[21]，起初由纖維素、水的密度是決定性因素時，梳柄密度嫩莖部分大于老莖部分，而當密度增大到一定程度后，蛋白質密度開始成為決定性因素，老莖部分的蛋白質高于嫩莖部分，密度將隨梳柄位置的后移而減小。

2.5梳柄彈性模量

彈性模量是彈性材料的一種主要力學特性，是物體彈性變形難易程度的表征，是梳柄壓縮、剪切等機械特性研究的基礎。由圖8可以看出，試樣在壓縮載荷作用下，隨著壓應力的增大逐步達到抗壓比例極限，在這個過程中出現線性段，該線性段的斜率即為試樣的抗壓彈性模量。壓應力達到比例極限后試樣微觀組織開始被破壞，抵抗力小幅度下降，最后試樣被壓實，抵抗力又迅速上升。

根據試驗機記錄的力值-變形數據，計算出抗壓彈性模量值，并將其與梳柄位置進行回歸擬合，擬合結果表明，二次項函數關系具有較高的擬合度，擬合方程和判定系數如圖8所示，可以看出：梳柄抗壓彈性模量和梳柄位置之間呈二次項函數關系。

隨著梳柄位置自穗稈細端至粗端，梳柄的抗壓彈性模量先增大后減小。由以上分析可知，梳柄密度呈現出一致的規律，這源于梳柄密度的不同，導致梳柄抗壓彈性模量呈現這種規律。顯著性分析表明，梳柄位置對彈性模量影響顯著（P<0.05）。

2.6梳柄峰值剪切力

峰值剪切力是剪切過程中材料最重要、最具特征的力學特性，是研究香蕉落梳機具的力學參數基礎。

由圖9可以看出，在剪切載荷作用下，隨著剪切力的增大而逐步到達香蕉梳柄的剪切強度極限；剪切力到達最大值之后，梳柄抵抗力迅速降低，直至被剪斷。

剪切試樣105個，重復3組，重復組取平均值后共有35組。由表3可知，香蕉梳柄的峰值剪切力最大值為 0.290 kN，最小值為0.153 kN，平均值為0.226 kN，標準差為0.036 kN，變異系數為16.02%；剪切強度最大值為 0.057 MPa，最小值為0.036 MPa，平均值為0.044 MPa，標準差為0.006 MPa，變異系數為13.16%。

將峰值剪切力和梳柄位置進行回歸擬合，擬合結果表明，線性函數關系具有較高的擬合度。圖10表明：峰值剪切力和梳柄位置之間呈線性函數負相關關系。顯著性分析表明，梳柄位置對峰值剪切力影響顯著（P<0.05）。

梳柄峰值剪切力隨著梳柄位置變化呈減小規律，即距離假莖越近，梳柄峰值剪切力越小。同上，將剪切強度和梳柄位置進行回歸擬合，擬合結果的趨勢是一致的。圖11表明：剪切強度和梳柄位置之間呈線性函數負相關關系。顯著性分析表明，梳柄位置對剪切強度影響顯著（P<0.05）。此外，研究發現梳柄的剪切強度隨著梳柄位置的變化呈現減小規律。

3結論

梳柄弧長與梳柄位置呈二次項正相關，越靠近香蕉假莖，梳柄弧長越長；梳柄的含水率最大值為94.49%，最小值為92.29%，平均值為93.43%，標準差為0.482%，變異系數為0.516%，含水率和梳柄位置之間呈線性函數正相關關系；梳柄間距和梳柄位置間隔之間呈線性正相關關系；梳柄密度和梳柄位置之間呈二次項函數關系；

彈性模量在4.69～8.15 MPa的范圍內，平均值為 6.61 MPa，彈性模量與梳柄位置之間呈二次項關系；峰值剪切力在0153～0.290 kN的范圍內，平均值為0.226 kN；剪切強度在0.036～0.057 MPa的范圍內，平均值為0.044 MPa。峰值剪切力及剪切強度與梳柄位置之間呈線性負相關關系。

香蕉梳柄的結構特征研究是設計香蕉落梳機具的前提基礎，梳柄的弧長、間距等尺寸變化規律為設計落梳機具及落梳刀片提供參數依據，力學特性是影響香蕉落梳的主要因素之一，是研究香蕉落梳機制的重要手段，試驗結果可為研制智能香蕉落梳裝備提供基礎參數。

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