果樹枝條力學特性對比

張 莉，李 震，劉京蕊，李傳友，滕 飛，熊 波，高 嬌，李志強

（北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

0 引言

2019 年我國產生林業廢棄物約3.1 億t，相當于1.8 億t 標準煤[1-2]。果林產業是我國農業生產體系的重要組成部分，在滿足市民生活需求的同時，也是農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]。

生態林和經濟林都需要進行一定的修剪，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生的殘枝量將遠大于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，不僅影響環境也極易造成火災等安全問題。將果樹枝條粉碎后運輸可以提升效率、降低成本，并有利于進一步資源化利用，能夠有效解決困擾果農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，但是由于近年來農村生活能源結構的調整，導致大量的果林殘枝累積，在農田或農村隨處堆放，既影響鄉村生態環境，也造成較大的防火安全風險[3,6-7]。二是通過粉碎機粉碎后，可進行肥料化、基質化、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、菌劑等促進木屑進一步升溫腐熟，經好氧發酵得到有機肥料，能夠增加土壤有機質，改善土壤結構，提高保墑蓄水能力[8-10]。基質化利用是將枝條粉碎殺菌發酵后，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。材料化利用是將枝條加工成板材、墻體材料、包裝材料和復合材料等。無論哪種資源化利用技術模式，都需先對果樹殘枝粗加工粉碎，枝條力學特性影響粉碎質量，而樹枝含水量與力學特性也存在一定關系。全朋坤等[11]研究表明，蘋果樹枝的力學參數與其內部結構有密切聯系。

本文開展桑樹、桃樹與櫻桃樹3 種不同樹種枝條的力學特性試驗研究，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和技術參數，對低能耗、高效率的果樹枝條粉碎機的設計及選擇具有重要的指導意義[12-15]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料均取自冬剪時期待剪枝條（采后24 h 內進行試驗），均來自北京市大興區凝瑞金源櫻桃園，樹齡為6～7 年。采取隨機取樣，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。果樹枝條力學特性試驗均在中國農業大學工學院實驗室進行，正值果樹冬剪期。

1.2 試驗儀器與設備

WDW-5E 型計算機控制電子萬能試驗機；標康SL01-22 型游標卡尺，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 試驗材料處理

由于枝條生長結構和形狀各異，存在不規律的節頭和分支，將修剪下的桑樹、桃樹與櫻桃樹枝條剪掉葉子和側枝，對不同直徑段的枝條進行切割分類。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間進行分類，共分為3 個直徑區間，分別是10 mm 直徑區間（直徑≤10 mm）、20 mm 直徑區間（10 mm<直徑≤20 mm）和30 mm 直徑區間（20 mm<直徑≤30 mm）。按照直徑區間的不同，分別選取桑樹、桃樹與櫻桃樹枝條各12 根作為試驗樣本，每根長20～30 cm，3 個一組放入真空袋中并帶回實驗室，不同直徑的枝條進行分組編號。

1.4 測定指標

對3 組不同直徑區間的桑樹、桃樹、櫻桃樹枝條測試平均含水率和直徑，利用WDW-5E 型計算機控制電子萬能試驗機進行拉伸、剪切和壓縮試驗。

1.4.1 枝條直徑

用游標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GB/T 3543.6?1995 采用低恒溫烘干法進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，防止拉伸時發生滑移，利用拉伸試驗專用夾具將拉伸試樣兩端各夾持30 mm，利用WDW-5E 型計算機控制電子萬能試驗機以10 mm/min 速度加載，自動記錄相關數據。用游標卡尺記錄斷面處的準確尺寸。讀取峰值拉伸力，研究取樣直徑對目標值的影響。

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 型計算機控制電子式萬能試驗機以10 mm/min 速度加載，自動記錄相關數據。讀取峰值剪切力，研究取樣直徑對目標值的影響。

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 型計算機控制電子萬能試驗機以2 mm/min 速度加載，自動記錄相關數據。軸向壓縮試驗以峰值軸向壓力和軸向抗壓強度為目標值，研究取樣直徑對目標值的影響。

軸向抗壓強度計算公式為

式中σzy?軸向抗壓強度，MPa

Fzy,max?峰值軸向壓力，N

1.5 數據分析

采用Excel 2010 進行數據分析和制表。

2 結果與分析

2.1 含水率

經測量，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系，如圖1 所示。

圖1 枝條直徑與單位直徑拉伸力的關系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，相較于桃樹枝條和櫻桃樹枝條更不易拉伸，相應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系，如圖2 所示。

圖2 枝條直徑與單位直徑剪切力的關系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果，建立櫻桃樹、桑樹與桃樹枝條直徑和枝條軸向抗壓強度之間的關系，如圖3 所示。

圖3 枝條直徑與軸向抗壓強度的關系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度可達5.83、6.45 和6.02 MPa。桑樹枝條的最大軸向抗壓強度比櫻桃樹枝條的最大軸向抗壓強度高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 結束語

在枝條粉碎機工作過程中，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力（正應力、切應力）是影響粉碎效果的一個重要指標。

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，相較于桃樹枝條和櫻桃樹枝條更不易拉伸，相應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。

在選擇粉碎設備時，為保證一定的粉碎效果，需要的正應力和切應力更大，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力明顯大于櫻桃樹及桃樹枝條。