黃連根莖物理力學特性試驗性究

李敏， 姚亮華， 陳迅， 谷明先，趙世龍， 曾百功，2，3，4， 謝守勇，3，4

1. 西南大學 工程技術學院，重慶 400715；2. 重慶三峽學院 機械工程學院，重慶 萬州 404100；3. 重慶市農業技術創新方法工程技術中心，重慶 400715；4. 丘陵山區農業裝備重慶市重點實驗室，重慶 400715

黃連為毛茛科多年生草本植物, 以根莖入藥, 是常用的重要中藥材, 其味苦性寒, 有清熱、 燥濕、 瀉火、 解毒等功效[1]． 重慶市石柱縣是黃連的原始產區, 常年在地黃連約3 000 hm2, 年產量占全國黃連產量的一半以上, 產品銷往世界各地, 被譽為“黃連之鄉”[2-3]． 但目前仍依靠人工種植、 收獲黃連, 過程復雜、 工序繁多, 包括砍樹搭棚、 播種移栽、 采挖抖泥、 剪須剪葉、 土炕干燥、 撞擊除雜等, 需要大量勞動力, 特別是采收季節, 農戶要在山坡上長時間彎腰低頭采挖抖泥、 剪須剪葉, 環境艱苦且工作效率低、 安全系數低． 因此, 急需開展針對黃連收獲農藝過程中采挖抖泥、 剪須剪葉等技術的黃連根莖物理力學特性基礎研究, 為黃連收獲機的設計提供理論指導．

國內外學者對青菜頭[4-5]、 甘藍[6-7]、 玉米根系[8-10]、 小麥莖稈[11]、 蘿卜[12-13]、 麻風果種子[14]、 山核桃[15]、 工業大麻[16]、 玉米秸稈[17]、 板藍根種子[18]等植物的力學特性已開展大量研究, 但對黃連根莖物理力學特性的研究在國內外均未見報道． 因此, 本文以重慶市石柱縣成熟黃連為研究對象, 通過田間測試和室內試驗研究黃連形態結構特征、 土壤環境參數及根莖力學特性, 為黃連機械化收獲時間、 黃連收獲機關鍵工作部件結構參數和工作參數的設計等提供理論依據．

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

2021年10月23日和2021年12月3日在重慶市石柱縣黃水鎮的農田進行了田間試驗, 并通過五點采樣法進行土壤環刀采樣, 用S形采樣法進行黃連采樣[19], 采樣的土壤和黃連放置于密封袋中, 于24 h內進行試驗． 試驗的黃連品種為味連, 采用搭棚栽連的種植模式[20], 種植過程為播種育苗兩年后人工移栽生長五年, 種植地塊坡度一般在15°～30°．

1.2 試驗儀器及其裝置

SC-900型土壤堅實度儀(量程0～45 cm, 0～7 000 KPa); 202-00型電熱恒溫干燥箱(上海光地儀器設備公司); EK813型電子秤; HG-500數顯推拉力計(量程0～500 N, 精度0.1 N); ZQ-990型萬能拉伸試驗機; 自制剪切夾具; 環刀、 鋁盒、 密封袋、 游標卡尺、 鋼卷尺、 直尺、 電腦等儀器設備．

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤物理特性參數測量

土壤堅實度通過數字式土壤堅實度儀進行測量; 土壤含水率的測定根據GB/T5262-2008的含水率測定方法, 用環刀在田間取土樣并裝入鋁盒密封, 防止水分蒸發影響測定結果, 回試驗室稱重, 精確到0.01 g, 將鋁盒蓋打開置于105 ℃的電熱恒溫干燥箱中烘烤6 h, 土壤含水率和干密度的計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:w0為土壤含水率, %;mw為試樣濕質量, g;md試樣干質量, g;ρ為土壤濕密度, g/cm3;ρd為土壤干密度, g/cm3;m1為環刀與土的質量, g;m2為環刀質量, g;V為環刀體積, cm3．

1.3.2 黃連形態結構特征參數測量

以重慶市石柱縣的味連作為研究對象, 按照均勻分布的采樣方法取50株樣本, 觀察黃連植株形態結構, 測量植株尺寸和分布范圍; 取5株黃連根系樣本進行根系質量垂直分布測試, 將根系自根土界面處向下依次分層切割, 層間間距為30 mm, 從各層中取出黃連根系, 稱其質量, 將黃連根系置于105 ℃的電熱恒溫干燥箱內烘干至質量不變, 然后測其質量．

1.3.3 黃連根莖力學特性試驗

1) 拉伸特性試驗

極限拉力和極限伸長率是衡量黃連根莖抗拉能力的主要指標． 采用ZQ-990型萬能拉伸試驗機進行單根拉伸試驗, 該儀器能在試驗過程中實時顯示力和變形的試驗曲線, 其結果示意圖如圖1所示． 試驗選取了不同直徑和不同含水率的根試樣, 直徑標距取30 mm, 拉伸速率為20 mm/min, 進行拉伸試驗, 記錄數據． 分析當含水率在80%～130%,130%～180%和180%～230%時, 根徑的變化對極限拉力和極限伸長率的影響; 分析當根徑在1～4 mm,4～7 mm和7～10 mm時, 不同含水率對極限拉力和極限伸長率的影響．

1. 傳感器; 2. 上夾具連接銷; 3. 上夾具; 4. 觸摸顯示屏; 5. 下夾具; 6. 下夾具連接銷．圖1 ZQ-990萬能拉伸試驗機結構示意圖

2) 剪切特性試驗

極限剪切力是衡量黃連根莖抗剪切能力的主要指標． 采用ZQ-990型萬能拉伸試驗機和自行設計的剪切夾具進行測試, 參照GB/T 6400-2007, 本剪切試驗采用單剪方式試驗, 為了方便準確地剪切試樣, 剪切夾具主要由固定的定刀片和動刀片構成, 剪切試驗結構示意圖如圖2所示． 試驗選取了不同直徑和不同含水率的根試樣, 標距取30 mm, 剪切速率為20 mm/min, 進行剪切試驗, 記錄數據． 分析當含水率在80%～130%,130%～180%和180%～230%時, 根徑的變化對極限剪切力的影響; 分析當根徑在1～4 mm,4～7 mm和7～10 mm時, 不同含水率對極限剪切力的影響．

1. 傳感器; 2. 連接頭; 3. 動刀片; 4. 定刀片; 5. 剪切刃; 6. 固定件; 7. 黃連根莖．圖2 剪切試驗結構示意圖

2 結果與分析

2.1 土壤物理特性參數

土壤堅實度測量結果如表1所示．

表1 2021年10月和12月不同入土深度的土壤堅實度測量結果

根據公式計算, 得到土壤含水率和土壤干密度, 如表2所示．

表2 不同入土深度的土壤含水率和干密度

由表1和表2數據可以看出, 隨著入土深度增加, 土壤堅實度逐漸增大, 并且12月的土壤堅實度大于10月的土壤堅實度, 主要原因是12月雨水減少, 土壤結塊變硬; 土壤含水率隨著入土深度的增加而逐漸減小, 主要原因是淺層土壤較為松軟, 植物根系多, 吸收雨水多, 而深層土壤非常緊實, 干密度大, 空隙小, 所以含水量較淺層土壤小．

2.2 黃連結構形態特征參數測量

黃連形態結構如圖3所示, 黃連植株主要由根、 莖、 葉三部分組成[21], 整株高度為23～40 cm, 地上部分高度為15～25 cm, 黃連根系由主根和須根組成, 4～10個分支根簇擁成雞爪型[22], 且長度為2～6 cm, 直徑為1～10 mm, 根系入土深度為8～15 cm, 根系幅寬為11～15 cm．

1. 葉片; 2. 莖稈; 3. 芽苞; 4. 根莖; 5. 須根．圖3 黃連形態結構示意圖

黃連根系垂直質量分布平均百分比如表3所示, 由表3可以看出, 隨著入土深度的增加, 黃連根系質量平均百分比減小, 且根系約90%的質量分布在入土深度為0～60 mm 的土壤中, 約10%的質量分布在入土深度為90～150 mm的土壤中．

表3 黃連根系垂直質量分布平均百分比

2.3 黃連根莖力學特性試驗

2.3.1 拉伸特性試驗

根據拉伸曲線的變化, 可以看出黃連根莖為韌性材料, 拉伸過程可大致分為3類, 3種類型的根莖拉伸斷裂圖以及其對應的拉伸曲線如圖4所示．

圖4 三種拉伸斷裂方式

由圖4可以看出, 第一種拉伸過程中有明顯峰值, 屈服階段較長, 根韌性較大, 拉力線性增加, 斷口整齊． 第二種拉伸過程平緩, 拉伸開始短時間內進入屈服階段后, 拉力逐漸增大, 根外層先于內層斷裂． 第三種拉伸過程中有多個微小峰值, 整個過程拉力非線性增加, 由于根皮較硬, 斷口參差不齊．

1) 極限拉力和極限伸長率與根徑的關系

用MATLAB軟件畫出在不同含水率的情況下, 極限拉力和極限伸長率與根徑關系的擬合曲線, 如圖5和圖6所示．

圖5 極限拉力與根徑關系的擬合曲線

圖6 極限伸長率與根徑關系的擬合曲線

由圖5可以看出, 當根莖含水率在80%～130%時, 極限拉力增大得較為緩慢, 最大極限拉力為97.36 N, 最小極限拉力為46.66 N, 平均極限拉力為70.60 N; 當根莖含水率在130%～230%時, 極限拉力變化趨勢明顯, 極限拉力隨著根徑增大而增加得較快, 當根莖含水率在130%～180%時, 最大極限拉力為142.34 N, 最小極限拉力為36.78 N, 平均極限拉力為80.93 N; 當根莖含水率在180%～230%時, 最大極限拉力為135.82 N, 最小極限拉力為34.05 N, 平均極限拉力為86.89 N． 黃連根莖的極限拉力隨著根徑的增大呈現出增大的趨勢, 黃連根莖的極限拉伸應力隨著根徑的增大呈現出減小的趨勢, 但含水率范圍不同, 變化幅度有所不同．

由圖6可以看出, 當根莖含水率在80%～130%和180%～230%時, 極限伸長率變化趨勢較明顯, 變化幅度大致相同; 當根莖含水率在80%～130%時, 最大極限伸長率為23.40%, 最小極限伸長率為7.92%, 平均極限伸長率為15.26%; 當根莖含水率在130%～180%時, 最大極限伸長率為17.20%, 最小極限伸長率為10.00%, 平均極限伸長率為13.45%; 當根莖含水率在180%～230%時, 最大極限伸長率為19.20%, 最小極限伸長率為6.67%, 平均極限伸長率為11.52%． 可見, 黃連根莖的極限伸長率隨著根徑的增大呈現出減小的趨勢, 但含水率范圍不同, 變化幅度也有所不同．

2) 含水率對極限拉力和極限伸長率的影響

在一定的根徑范圍內, 分析含水率對極限拉力和極限伸長率的影響, 并用MATLAB軟件畫圖, 結果如圖7和圖8所示．

圖7 含水率對極限拉力的影響

圖8 含水率對極限伸長率的影響

由圖7可知, 當黃連根徑在1～4 mm時, 極限拉力隨著含水率的增大呈現出減小的趨勢, 且極限拉力普遍較小, 當黃連根徑在4～10 mm時, 根莖含水率在130%～180%的黃連根莖極限拉力最大; 隨著含水率區間的增大, 黃連根莖的極限拉伸應力隨著根徑的增大而減小的變化速率逐漸變小． 可見, 黃連根莖的含水率對極限拉力和拉伸應力的影響顯著．

如圖8所示, 當黃連根徑在4～7 mm時, 極限伸長率隨著含水率的增大呈現出增大的趨勢, 但增加緩慢, 當黃連根徑在1～4 mm和7～10 mm時, 根莖含水率在80%～130%的黃連根莖極限伸長率最大, 可見, 黃連根莖的含水率對極限伸長率的影響顯著．

2.3.2 剪切特性試驗

根據剪切曲線的變化, 將剪切過程大致分為3類, 3種類型的根莖拉伸斷裂圖以及其對應的拉伸曲線如圖9所示．

圖9 3種剪切斷裂方式

由圖9可以看出, 第一種剪切過程有兩個明顯峰值, 剪切過程中的剪切力達到峰值后逐漸減小, 減小至最低點后又逐漸增大, 然后又逐漸減小, 主要原因是根表皮較硬, 中間部分較軟． 第二種剪切過程無明顯峰值, 剪切過程中的剪切力平緩增加, 達到峰值后持續一段時間, 然后迅速減小, 較大剪切力持續期間有多個微小峰值, 斷口較整齊． 第三種剪切過程有一個明顯峰值, 剪切過程中的剪切力有階段性線性增大的趨勢, 達到峰值后逐漸減小, 斷口整齊．

1) 極限剪切力與根徑的關系

用MATLAB軟件畫出在不同含水率的情況下, 極限剪切力與根徑關系的擬合曲線, 如圖10所示．

圖10 極限剪切力與根徑關系的擬合曲線

由圖10可以得出, 當根莖含水率在80%～130%和130%～180%時, 隨著根徑的增大, 黃連根莖極限剪切力隨之增大, 特別是當根莖含水率在80%～130%時, 這種變化趨勢更為明顯, 其最大極限剪切力為133.67 N, 最小極限剪切力為40.48 N, 平均極限剪切力為82.50 N; 當根莖含水率在130%～180%時, 最大極限剪切力為111.75 N, 最小極限剪切力為30.65 N, 平均極限剪切力為67.37 N; 當根莖含水率在180%～230%時, 隨著根徑的增大, 黃連根莖的極限剪切力反而減小, 且變化趨勢較為平緩, 其最大極限剪切力為100.37 N, 最小極限剪切力為43.25 N, 平均極限剪切力為69.74 N． 黃連根莖的極限剪切應力隨著根徑的增大呈現出減小的趨勢, 但含水率范圍不同, 變化幅度有所不同．

2) 含水率對極限剪切力的影響

在一定的根徑范圍內, 分析不同含水率對極限剪切力的影響, 并用MATLAB軟件畫圖, 見圖11．

圖11 含水率對極限剪切力的影響

由圖11可以得出, 當黃連根徑在1～4 mm時, 根莖含水率在180%～230%的黃連根莖剪切力最大, 當根徑在4～10 mm時, 隨著根莖的含水率的增大, 極限剪切力有所減小, 且當根徑在7～10 mm時, 這種變化趨勢更為明顯; 隨著含水率區間的增大, 黃連根莖的極限剪切應力隨著根徑的增大而減小的變化速率逐漸增加． 可見, 黃連根莖的含水率對極限剪切力和剪切應力的影響顯著．

3 結論

1) 重慶市石柱縣黃連試驗田10月份所測樣點的土壤堅實度為0.112～0.462 MPa, 12月份所測樣點的土壤堅實度為0.210～1.062 MPa, 12月份的土壤堅實度相對于10月份的普遍較大; 隨著入土深度增加, 土壤堅實度增大, 土壤干密度也增大． 因此, 收獲黃連應選擇土壤堅實度較小的10月份, 且盡量減小挖掘黃連時的入土深度, 以降低黃連的挖掘阻力和能耗, 減少土壤的擾動量．

2) 黃連根系約90%的質量分布在入土深度為0～60 mm的土壤中, 約10%的質量分布在入土深度為90～150 mm的土壤中． 為了減少收獲黃連過程中的挖掘阻力和能耗, 且不損傷黃連根莖, 挖掘部件入土深度可在60～90 mm．

3) 在不同的含水率區間內, 黃連根莖平均極限拉力為70.60～86.89 N, 平均極限伸長率為11.52%～15.26%, 平均極限剪切力為67.37～82.50 N． 當黃連根莖含水率較低時, 其極限伸長率和極限剪切力普遍較大, 且根徑的變化對極限拉力的影響較小, 可見, 收獲低含水率的黃連可在一定程度上減少根莖被拉斷或挖斷的情況, 降低其損傷率, 進而提高黃連的收獲質量．