蒙古黃芪種苗生物力學(xué)性能試驗(yàn)研究

摘" 要：該文以2年生蒙古黃芪種苗為研究對(duì)象，采用隨機(jī)性原則、對(duì)角線原則田間取樣，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)蒙古黃芪種苗力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究包括蒙古黃芪種苗根莖長(zhǎng)度28.9～63.5 cm，根莖上、中、下3部分直徑平均值分別為4.39、2.91、1.58 mm，測(cè)量蒙古黃芪種苗最大抗拉強(qiáng)度和最大抗剪切強(qiáng)度，兩者平均值分別是10.79、27.57 MPa。試驗(yàn)結(jié)果可為蒙古黃芪種苗收獲裝備的設(shè)計(jì)與研制提供理論參考。

關(guān)鍵詞：蒙古黃芪；種苗；抗拉強(qiáng)度；抗剪強(qiáng)度；試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：S567" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2096-9902（2023）18-0029-04

Abstract： This paper takes the biennial Astragalus mongholicus seedlings as the research object. First， samples were collected using random principle and diagonal principle， and then the mechanical properties of Astragalus mongholicus seedlings were studied using statistical methods. The study includes Astragalus mongholicus's seedlings with the average lengthsof 28.9～63.5 cm and the upper， middle and lower parts of Astragalus mongholicus's rhizomes with average value of diameters of 4.39 mm， 2.91 mm and 1.58 mm， respectively. The maximum tensile strength and shear strength of Astragalus mongholicus seedlings were measured， and the average values are 10.79 MPa and 27.57 MPa， respectively. The experimental results are supposed to provide theoretical reference for the design and development of harvesting equipment for Astragalus mongholicus seedlings.

Keywords： Astragalus mongholicus; seedling; tensile strength; shear strength; experimental study

蒙古黃芪是豆科植物，根可入藥，具有補(bǔ)氣升陽(yáng)、固表止汗、利水消腫、生津養(yǎng)血、行滯通痹、托毒排膿和斂瘡生肌的療效，迄今已經(jīng)有2 000多年的藥用歷史。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，蒙古黃芪能增強(qiáng)免疫力，具有強(qiáng)心保肝、利尿、抗衰老、降糖降壓、抗應(yīng)激、抗病毒病菌、抗腫瘤和較廣泛的抗菌作用，其藥材及生物制劑具有十分廣泛的臨床應(yīng)用。在2020年初流行的新型冠狀病毒感染疫情中，所使用的諸多中醫(yī)藥預(yù)防新冠感染方案用藥中，蒙古黃芪藥材被頻繁使用。在中醫(yī)藥發(fā)展的推動(dòng)下，近幾年蒙古黃芪的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求量巨大，國(guó)內(nèi)需求量達(dá)6萬(wàn) t以上，國(guó)外出口量超9 000 t。

我國(guó)蒙古黃芪主要分布在內(nèi)蒙古、山西、甘肅和青海等地區(qū)，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)種植面積大且集中，現(xiàn)階段有很多蒙古黃芪種植示范基地，產(chǎn)量占全國(guó)的70%，固陽(yáng)縣和武川縣被譽(yù)為蒙古黃芪的道地產(chǎn)地之一。在現(xiàn)階段蒙古黃芪栽培生產(chǎn)中，主要以蒙古黃芪種苗（以下簡(jiǎn)稱“種苗”）種植戶播種繁育1年生種苗，第二年起進(jìn)行商品種苗售賣，藥材種植戶購(gòu)買種苗后再進(jìn)行平栽移苗，收獲2年生蒙古黃芪商品藥材的栽培經(jīng)營(yíng)模式為主。在此種栽培經(jīng)營(yíng)模式下種苗的品質(zhì)決定著種苗種植戶和藥材種植戶經(jīng)濟(jì)收益。蒙古黃芪種苗力學(xué)特性是種苗機(jī)械起收裝備設(shè)計(jì)和研究的基本依據(jù)，為此以內(nèi)蒙古民族大學(xué)蒙藥種植地為試驗(yàn)點(diǎn)采用隨機(jī)性原則、對(duì)角線原則，對(duì)2年生蒙古黃芪種苗力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為合理設(shè)計(jì)蒙古黃芪種苗起收裝備設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1" 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

1.1" 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)材料

游標(biāo)卡尺，用于測(cè)量蒙古黃芪種苗和莖葉直徑。

卷尺，用于測(cè)量蒙古黃芪種苗根莖長(zhǎng)度、植株高度、株距等。

UTA質(zhì)構(gòu)儀，用于測(cè)量蒙古黃芪種苗抗剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。

儀器特點(diǎn)如下。

1）適用范圍：水果、蔬菜、豆制品、休閑食品、化妝品及材料等方面的物性分析和質(zhì)構(gòu)檢測(cè)。

2）測(cè)試指標(biāo)：硬度、脆性、黏性、彈性、回復(fù)性、應(yīng)力、應(yīng)變、彈性系數(shù)、嫩度、斷裂強(qiáng)度、膠粘性、咀嚼性、內(nèi)聚性、延展性、凝膠強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及肉系水力等參數(shù)。

3）儀器精度：采用進(jìn)口的直線型力量感應(yīng)元，可以使用第三方標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行計(jì)量驗(yàn)證和校正。儀器符合ISO 7500 Part1和ASTM E4標(biāo)準(zhǔn)等。

4）力量感應(yīng)元測(cè)定范圍：0～5 kg，分辨率精度為0.000 1 g（軟件同步實(shí)時(shí)顯示）。使用可更換荷重感測(cè)組件，可依據(jù)客戶需求未來(lái)選配0.5、1、10、20、30、50、100 kg荷重感測(cè)組件。

5）測(cè)試移動(dòng)距離：0～420 mm，距離精度為0.000 1 mm（軟件同步實(shí)時(shí)顯示），也可根據(jù)客戶的要求進(jìn)行高度定制，并具備樣品高度自動(dòng)測(cè)定功能。

6）檢測(cè)速度：0～50 mm/s，速度解析度為0.001 mm/s；軟件設(shè)定和控制。

試驗(yàn)材料為2年生蒙古黃芪種苗，如圖1所示。

1.2" 試驗(yàn)方法

采用隨機(jī)性原則、對(duì)角線原則在內(nèi)蒙古民族大學(xué)蒙藥種植地5塊蒙古黃芪試驗(yàn)田內(nèi)，在地頭、田間、地邊隨機(jī)取樣。常見(jiàn)的材料力學(xué)特性測(cè)試一般采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，但由于蒙古黃芪種苗相比于其他作物根莖較為細(xì)小，長(zhǎng)度大于40 cm，整體形狀類似倒圓錐體，故采用更適宜的UTA質(zhì)構(gòu)儀，對(duì)蒙古黃芪種苗分上、中、下3部分進(jìn)行測(cè)量。由于蒙古黃芪根苗整體結(jié)構(gòu)為倒立圓錐體，上部粗度為6～7 mm，長(zhǎng)度超過(guò)40 cm，與成熟藥材相比纖維少，木質(zhì)性弱，根莖脆嫩，為避免儀器夾緊裝置對(duì)黃芪種苗兩端壓潰影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，特設(shè)計(jì)了輔助夾具，如圖2所示。測(cè)量黃芪種苗抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度時(shí)，首末端采用輔助橡膠夾具固定，配合質(zhì)構(gòu)儀自帶的夾緊裝置，輔助夾具固定端由夾緊裝置固定，待測(cè)種苗通過(guò)輔助夾具種苗固定端夾緊，然后分別對(duì)黃芪種苗的抗拉伸力和抗剪切力試驗(yàn)，記錄每組數(shù)據(jù)，并對(duì)黃芪種苗進(jìn)行編號(hào)，同時(shí)測(cè)量其長(zhǎng)度及不同分段位直徑。

2" 試驗(yàn)結(jié)果

2023年4月20日，內(nèi)蒙民族大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了蒙古黃芪種苗三維尺寸測(cè)量，經(jīng)測(cè)量得知蒙古黃芪種苗平均長(zhǎng)度為46.32 cm，蒙古黃芪種苗上、中、下平均直徑分別為4.39、2.91、1.58 mm，見(jiàn)表1。

2.1" 拉伸試驗(yàn)

將所有蒙古黃芪種苗樣品按上、中、下部分進(jìn)行分段處理，在質(zhì)構(gòu)儀上測(cè)量蒙古黃芪種苗的最大拉伸力，并利用游標(biāo)卡尺測(cè)量對(duì)拉斷部位直徑。蒙古黃芪種苗抗拉強(qiáng)度可以由拉斷力與拉斷部位截面面積的比值來(lái)表示，如式（1）所示。

σ_n=4Fn/πD_n²， （1）

式中：σ_n為第n個(gè)樣本的抗拉強(qiáng)度，MPa；F_n為第n個(gè)樣本的最大拉伸力，N；D_n為第n個(gè)樣本的截面直徑，mm。

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，蒙古黃芪種苗平均抗拉強(qiáng)度最大值為15.81 MPa，最小值為6.17 MPa。由圖3可知，蒙古黃芪種苗主要經(jīng)歷變形階段、屈服階段、緊縮與斷裂階段，其彈性形變階段不是很明顯。在0～2.5 s時(shí)抗拉強(qiáng)度急促上升，一直到屈服點(diǎn)。在2.5～4.5 s時(shí)蒙古黃芪種苗外表皮層和纖維抵抗破壞失效，是屈服階段蟄伏時(shí)間。在4.5～8 s樣品基本被拉斷，沒(méi)有明顯的斷后拉扯現(xiàn)象。

2.2" 剪切試驗(yàn)

利用質(zhì)構(gòu)儀上的剪切刀具分別對(duì)蒙古黃芪種苗上、中、下3部分進(jìn)行剪切試驗(yàn)，由于一般正向切削阻力是大于斜切阻力的，所以本次試驗(yàn)重點(diǎn)考慮斜切阻力的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。蒙古黃芪種苗剪切強(qiáng)度可以由剪切力與受剪切截面面積的比值來(lái)表示，如式（2）所示。

τ_m=４Fm/πD_m²，（2）

式中：τm為第m個(gè)樣本的剪切強(qiáng)度，MPa；F_m為第m個(gè)樣本的最大剪切力，N；D_n為第m個(gè)樣本的剪切截面直徑，mm。

由表3蒙古黃芪種苗剪切試驗(yàn)結(jié)果可知，蒙古黃芪種苗平均抗剪切強(qiáng)度最大值為33.5 MPa，最小值為20.05 MPa。由圖4可知，蒙古黃芪種苗剪切的過(guò)程中，在0～1.3 s時(shí)，刀具刃口難以突破種苗表皮纖維層，抗剪切強(qiáng)度處于緩慢上升的階段，這是由于種苗外皮纖維含量高韌性強(qiáng)。在1.3～1.8 s時(shí)，刀具切破種苗外表皮的第一層，遭遇到外表皮的第二層，蒙古黃芪種苗外表皮層和纖維抵抗逐漸失效，抗剪切強(qiáng)度迅速上升。在1.8～2.5 s樣品到達(dá)剪切屈服點(diǎn)后開(kāi)始快速下降。剪切過(guò)程中明顯的曲線波動(dòng)，說(shuō)明黃芪種苗剪切過(guò)程適宜用斜切。

3" 結(jié)論

蒙古黃芪的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，主要應(yīng)用于傳統(tǒng)中醫(yī)臨床治療。近年來(lái)其提取制劑蒙古黃芪多糖、蒙古黃芪甲苷注射劑。在2020年初流行的新型冠狀病毒感染疫情中，所使用的諸多中藥預(yù)防方劑用藥中，蒙古黃芪藥材被頻繁使用，蒙古黃芪飲片、粉劑、提取制劑等也用于保健藥品行業(yè)，其產(chǎn)品銷量好，利潤(rùn)豐厚，廣受歡迎。蒙古黃芪制藥的藥渣也具有廣闊的應(yīng)用前景及潛力，例如許多牲畜飼料中添加蒙古黃芪藥渣以促進(jìn)牲畜生長(zhǎng)發(fā)育、增強(qiáng)免疫力。收獲過(guò)程中黃芪種苗很容易受到來(lái)自作業(yè)部件的機(jī)械損傷，包括斷裂、撕裂等，即便輕微根苗破皮或是機(jī)械作用下的內(nèi)傷，移栽后也會(huì)影響黃芪根莖的后續(xù)生長(zhǎng)膨大。黃芪種苗損傷后也會(huì)導(dǎo)致作物生長(zhǎng)停滯、植株細(xì)弱、植株病害多發(fā)等，最終導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降。

本文以蒙古黃芪種苗為研究對(duì)象，分別對(duì)種苗不同部位開(kāi)展了力學(xué)性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：2年生蒙古黃芪種苗長(zhǎng)度范圍28.9～63.5 cm，上、中、下3部分直徑平均值分別為4.39、2.91、1.58 mm；蒙古黃芪種苗所受最大抗拉強(qiáng)度為10.99 MPa，所受最大抗剪切強(qiáng)度為26.77 MPa，補(bǔ)充了蒙古黃芪種苗力學(xué)性能研究的空白，為蒙古黃芪種苗收獲裝備的研發(fā)提供研究基礎(chǔ)和理論參照。

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