花椒力學(xué)特性的測(cè)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(guó)，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(jià)值外，花椒還有驅(qū)寒發(fā)汗、暖胃消食等藥用價(jià)值[2-3]?；ń吩谖覈?guó)有著悠久的種植歷史，最早可以追溯到西晉時(shí)期[4]。2020年我國(guó)花椒栽種面積超過113 000 hm2，年產(chǎn)量達(dá)45萬t，花椒種植業(yè)已成為陜西、重慶、山西、貴州等多個(gè)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(xiàng)目[5-8]。花椒果實(shí)小，樹枝伸展長(zhǎng)且?guī)Т蹋烧獣r(shí)對(duì)農(nóng)藝要求很高，既不能傷枝、傷葉、傷芽，又需要適時(shí)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?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)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(duì)花椒高效率機(jī)械收獲采摘期盼已久。研究花椒力學(xué)特性，如花椒果實(shí)的壓縮力學(xué)特性，穗柄的剪切、拉伸力學(xué)特性，果實(shí)與果柄之間的拉伸力學(xué)特性，可以為花椒收獲加工機(jī)械的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供重要數(shù)據(jù)參考。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)作物機(jī)械收獲加工與其力學(xué)特性之間的關(guān)系進(jìn)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(yàn)裝置測(cè)試成熟期的油棕果實(shí)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(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。羅強(qiáng)軍等[18]運(yùn)用UTM 6503電子萬能試驗(yàn)機(jī)，以不同含水率的小麥秸稈為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行彎曲和壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)，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(yàn)對(duì)象，運(yùn)用WDW30005型微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到黃瓜藤秸稈的拉伸力學(xué)特性指標(biāo)，為切割機(jī)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(yàn)機(jī)結(jié)合電子顯微鏡，測(cè)定了屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等力學(xué)特性，得到了壓縮過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位的動(dòng)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(duì)較少。

本研究應(yīng)用物性分析儀和萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了花椒果實(shí)的壓縮載荷、花椒穗柄的剪切力和抗拉力、果實(shí)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(jī)械的設(shè)計(jì)提供一定理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(yàn)樣本，包括果實(shí)、果柄、穗柄，貼標(biāo)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(yàn)設(shè)備

英國(guó)Stable Micro System公司生產(chǎn)的物性分析儀TA.XT.Plus，測(cè)試距離分辨率為0.001 mm，測(cè)試速度為0.01～40.00 mm/s；美國(guó)INSTRON公司生產(chǎn)的5544電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，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(yàn)方法

1.3.1 三軸壓縮試驗(yàn) 使用物性分析儀測(cè)定花椒果實(shí)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(yàn)開始前將物性分析儀預(yù)熱20 min，試驗(yàn)測(cè)前速度為1 mm/s，壓縮速度為0.05 mm/s，測(cè)后速度為0.01 mm/s，觸發(fā)力為0.049 N，將花椒果實(shí)放在壓縮底座凹槽十字中心處進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，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(shí)的大小，使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量其三軸尺寸，包括長(zhǎng)（L）、寬（W）、高（H）?；ń饭麑?shí)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(shí)的形狀和尺寸，對(duì)30顆花椒果實(shí)進(jìn)行測(cè)定，每顆果實(shí)3個(gè)方向。

壓縮試驗(yàn)測(cè)試的指標(biāo)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(shí)發(fā)生屈服時(shí)物性分析儀所施加的載荷，屈服形變量表示花椒果實(shí)發(fā)生屈服時(shí)形變的量，彈性模量表示衡量花椒果實(shí)抵抗彈性變形能力大小的尺度。

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

剪切試驗(yàn)測(cè)試的指標(biāo)有剪切力、抗剪強(qiáng)度和剪切破壞能，剪切力表示穗柄被剪斷時(shí)的載荷，抗剪強(qiáng)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(yàn) 使用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定花椒穗柄以及果實(shí)與果柄連接處的拉伸力學(xué)特性，試驗(yàn)開始前將萬能材料試驗(yàn)機(jī)預(yù)熱20 min，拉伸前預(yù)加載速度為5 mm/s，拉伸時(shí)速度為1 mm/s，上下夾頭間距離為試樣標(biāo)距，2個(gè)部位各拉伸測(cè)定30個(gè)花椒樣本。

拉伸試驗(yàn)測(cè)試的指標(biāo)有抗拉力、抗拉強(qiáng)度和拉伸破壞能，抗拉力表示試樣被拉斷時(shí)的載荷，抗拉強(qiáng)度表示試樣抵抗拉伸破壞的最大能力。

1.3.4 含水率測(cè)定 采用恒溫干燥法測(cè)定花椒果實(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)、剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)及載荷位移曲線，Bulehill軟件導(dǎo)出拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)及載荷位移曲線，采用SAS軟件對(duì)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值統(tǒng)計(jì)和方差分析，運(yùn)用Duncan法進(jìn)行多重比較，試驗(yàn)結(jié)果均采取“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。由剪切力和抗拉力可得抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(jìn)行計(jì)算。選取載荷位移曲線中初始彈性形變段計(jì)算彈性模量。

式中，Sp為花椒果實(shí)球度（%）；L為花椒果實(shí)的長(zhǎng)（mm）；W為花椒果實(shí)的寬（mm）；H為花椒果實(shí)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(qiáng)度（MPa）；F 1max為最大剪切力（N）；σ為抗拉強(qiáng)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(diǎn)對(duì)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(biāo)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(yàn)結(jié)果

花椒果實(shí)的長(zhǎng)（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(shí)的含水率為54.69%，長(zhǎng)（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(dá)到94.34%，因此，在采摘機(jī)械的相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)花椒果實(shí)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(shí)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(shí)從零點(diǎn)開始受壓縮載荷作用，位移在1 mm右側(cè)有一個(gè)較小的極值點(diǎn)，造成此現(xiàn)象的原因是壓縮載荷達(dá)到該值時(shí)花椒果實(shí)的果皮發(fā)生屈服，然后果實(shí)繼續(xù)受壓縮載荷，直至達(dá)到曲線最大值點(diǎn)花椒果實(shí)破裂，該最大值即為花椒果實(shí)的屈服載荷。

經(jīng)壓縮試驗(yàn)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(shí)時(shí)的屈服載荷最小，X軸方向居中，Y軸方向最大，因?yàn)閆軸方向壓縮時(shí)花椒果實(shí)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(shí)，花椒果實(shí)腹縫線承受壓縮載荷，而Y軸方向壓縮時(shí)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(shí)的屈服載荷比Y軸方向壓縮時(shí)的屈服載荷小；花椒果實(shí)的在X軸方向壓縮時(shí)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(shí)最小，Z軸方向居中，X軸方向最大，說明花椒果實(shí)在Y軸方向壓縮時(shí)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(shí)最小，Y軸方向居中，Z軸方向最大，說明花椒果實(shí)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(qiáng)。

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

對(duì)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)與拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出，花椒穗柄從零點(diǎn)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?yàn)樵谇袛嗨氡?，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(diǎn)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(yàn)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(qiáng)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(yàn)結(jié)果表明，花椒果實(shí)與果柄連接處的抗拉力變化范圍為2.30～4.83 N，抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度為1.60 MPa，平均剪切破壞能為4.24 mJ，花椒果實(shí)與果柄連接處的平均抗拉力為3.86 N，平均抗拉強(qiáng)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(qiáng)度為4.61 MPa，平均拉伸破壞能為6.48 mJ。穗柄抗拉力是果實(shí)果柄連接處抗拉力的2倍以上，果實(shí)與果柄連接處的抗拉力較穗柄的抗拉力更穩(wěn)定；抗拉強(qiáng)度與試驗(yàn)樣本的最大抗拉力和橫截面積均有關(guān)，果實(shí)果柄連接處穗柄平均抗拉強(qiáng)度略大于果實(shí)果柄間的平均抗拉強(qiáng)度，但穗柄平均抗拉力為果實(shí)果柄連接處的2倍以上，是因?yàn)樗氡裙麑?shí)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(shí)與果柄連接處的抗拉力小于穗柄的抗拉力，且果實(shí)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(fù)壓等拉伸式采收方式，則選擇果實(shí)與果柄連接處進(jìn)行拉伸分離采收更適宜。

表3 剪切試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)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(shí)的屈服載荷為31.40～66.34 N，3個(gè)方向的平均屈服載荷分別為50.58、53.96、42.49 N，在對(duì)花椒進(jìn)行機(jī)械采摘、運(yùn)輸及存儲(chǔ)過程中，機(jī)構(gòu)作用到花椒果實(shí)上的壓縮力應(yīng)低于花椒果實(shí)3個(gè)方向的最小屈服載荷，即31.40 N，否則會(huì)損害花椒果實(shí)而造成經(jīng)濟(jì)損失，壓縮方向不同，花椒果實(shí)各項(xiàng)指標(biāo)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(jìn)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(qiáng)度為1.03～2.54 MPa，平均抗剪強(qiáng)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(yàn)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，使得對(duì)花椒穗柄剪切力學(xué)特性的研究更加完善。

花椒果實(shí)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(qiáng)度為1.32～5.66 MPa，平均抗拉強(qiáng)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(qiáng)度為2.35～10.03 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為4.27 MPa，此處抗拉力大于馮亞利等[13]的試驗(yàn)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(yàn)穗柄抗拉力整體大于果實(shí)與果柄連接處的抗拉力，穗柄平均抗拉強(qiáng)度大于果實(shí)與果柄連接處的抗拉強(qiáng)度，采用負(fù)壓等拉伸式采收方式應(yīng)盡量選擇在果實(shí)與果柄連接處進(jìn)行拉伸分離采收且拉伸力不低于2.30 N。