新疆紅龍板椒物理特征及力學特性試驗研究

摘要：針對目前辣椒機械化加工去雜效率低、易損傷等問題，對辣椒的物理特征及力學特性進行試驗研究。以新疆紅龍板椒為研究對象，通過物理特征參數測定及統計數據處理，獲得板椒的主要物理參數及其相關性。試驗測得辣椒果長為141.00 mm，椒果果徑為18.35 mm，辣椒果柄長度為31.90 mm，辣椒果柄直徑為5.97 mm，辣椒單果重為5.64 g。借助剪切及拉伸力學試驗，獲得辣椒柄及辣椒柄與辣椒蒂連接處的力學特性。在剪切試驗中，辣椒柄的平均剪切強度為9.73 MPa，通過Design-Expert 12軟件優化設計得到在剪切位置、果柄直徑和加載速度分別為15 mm、4.5 mm、和200 mm/min時剪切強度最小為6.34 MPa；在拉伸試驗中，辣椒柄的平均抗拉強度為5.13 MPa，通過Design-Expert 12軟件優化設計得到在夾持位置、果柄直徑和加載速度分別為55 mm、4.4 mm、和395.5 mm/min時抗拉強度最小為3.95 MPa。

關鍵詞：板椒；物理特征；力學特性；剪切強度；抗拉強度

中圖分類號：S641.3； S233.74

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 070141

06

Experimental study on physical and mechanical characteristics of Xinjiang Honglong pepper

Li Fenggang1， Li Zhimin2， Wang Fangyan1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao Agricultural University， Qingdao， 266109， China；

2. Qingdao Lulu Agricultural Equipment Co.， Ltd.， Qingdao， 266319， China）

Abstract：

In view of the problems of low removal efficiency and easy damage of pepper mechanized processing， the physical and mechanical characteristics of pepper are tested. In this paper， with Xinjiang Red dragon pepper as the research object， the main physical parameters and their correlation were obtained through physical characteristic parameter measurement and statistical data processing. The length of pepper was 141.00 mm， diameter of pepper was 18.35 mm， length of pepper stalk was 31.90 mm， diameter of pepper stalk was 5.97 mm， and single fruit weight of pepper was 5.64 g. With the help of shear and tensile mechanical tests， the mechanical properties of pepper stalk and the joint between pepper stalk and pepper pedicle were obtained. In the shear test， the average shear strength of the pepper stalk was 9.73 MPa， through the Design-Expert 12 software optimization design， the minimum shear strength was 6.34 MPa at the shear position， stalk diameter and loading speed were 15 mm， 4.5 mm， and 200 mm/min， respectively. In the tensile test， the average tensile strength of the pepper stalk was 5.13 MPa， through the Design-Expert 12 software optimization design， the minimum tensile strength was 3.95 MPa at the grip position， stalk diameter and loading speed were 55 mm， 4.4 mm， and 395.5 mm/min， respectively.

Keywords：

pepper; physical characteristics; mechanical characteristics; shear strength; tensile strength

0 引言

新疆是我國重要的制干辣椒產區和工業辣椒生產加工基地。其辣椒種植面積達40 khm2，年產量占全國的1/5。隨著辣紅素和辣椒堿提取工藝技術逐漸成熟完善，國內辣椒的加工生產需求增加與產量不足的矛盾日益凸顯［1， 2］。人工辣椒除柄的工作方式存在效率低、質量不穩定、工作環境差等問題，已經不能滿足辣椒加工產業的發展要求。現有的辣椒除柄設備尺寸龐大、結構復雜，主要采用提拉或剪切的工作原理完成辣椒柄的去除。由于缺少辣椒物理特征、力學特性方面的研究，導致辣椒加工處理過程中出現辣椒易破損、辣椒柄除不凈等問題。因此掌握辣椒物理及力學特性參數，對辣椒加工設備孔徑尺寸的設計以及減少辣椒損傷，提高辣椒機械加工效果具有重要意義。

農作物的物性參數及力學特性，是研究機械化裝備的基礎。國內外專家通過農作物的物理特征、力學特性研究，提升相應裝備的功能和工作效率，但對辣椒物理特征、力學特性的相關研究較少［36］。石河子大學段以磊對辣椒的物理及力學特性進行研究，明確辣椒的長度、寬度等物理特征，得出辣椒果皮的抗拉強度，但并未探究辣椒各物理特征間的關系，且缺乏辣椒柄相關力學特性的研究［7］。辣椒機械化除柄技術及裝備研發還處于起步階段，缺乏辣椒物理參數及力學特性的研究。因此本文以新疆紅龍板椒為研究對象，分析辣椒的物理特征及參數關系，探明辣椒關鍵部位的力學特性，為后期辣椒機械化除柄設備的研制奠定基礎。

1 辣椒物理特征及參數相關性分析

1.1 試驗材料

辣椒的物理特征是機器設計的主要依據，決定著機器的功率和結構［810］。此次試驗選用新疆紅龍板椒為研究對象，所選樣本均要求成熟度相同、無損傷、滿足機械加工條件，結構如圖1所示。其中H表示果長，D表示果徑，d表示果柄直徑，L表示果柄長度，G表示單果重。

1.2 試驗方法及結果

采用數顯游標卡尺（精度：0.01 mm）、卷尺（精度：1 mm）、電子秤（精度0.01 g）等工具對200株辣椒的果長、果徑、果柄長度、果柄直徑、單果重等物理特征進行測定。采用SPSS 22.0統計軟件進行數據處理，測定結果如表1所示，相關性分析如表2所示。

由表1可知，果長H的平均值為（141.00±31.2）mm，果徑D的平均值為（18.35±4.34）mm，果柄長度L的平均值為（31.90±9.8）mm，果柄直徑d的平均值為（5.97±1.42）mm，單果重G的平均值為（5.64±1.7）g。由于新疆紅龍板椒易受到自然生長環境的因素影響，從而造成辣椒各項物理參數變化較大。

由表2可知，通過雙變量的Pearson檢驗表明，辣椒各物理參數之間的聯系緊密。辣椒單果重與辣椒果長呈顯著正相關（相關系數為0.607，P=0.000 372lt;0.01），辣椒單果重與辣椒果徑呈顯著正相關（相關系數為0.675，P=0.000 042lt;0.01），其余各物理特征之間無相關性。

1.3 回歸分析與結果

通過Shapido-Wilk檢驗，樣本的自由度df=200，顯著水平Sig.=0.299gt;0.05，則單果重G是正態變量［1113］。借助逐步回歸分析的方法，以單果重G為因變量，果徑D、果長H為自變量，建立最優回歸方程模型，如式（1）所示。

G=－1.582+0.2D+0.025H

（1）

2 辣椒力學特性試驗

2.1 辣椒柄剪切力測定

2.1.1 試驗方法

將辣椒試樣放置兩夾具的中間，調整夾具至最佳位置，通過計算機控制啟動電子萬能試驗機進行徑向剪切，試驗受力情況將實時顯示在計算機上，當辣椒柄完全被剪斷時終止試驗。

辣椒的剪切強度［14］應滿足式（2）。

τs=FsAs

（2）

式中：

Fs——最大剪切力，N；

As——剪切面積，mm2。

2.1.2 試驗設計及結果

選取剪切位置、果柄直徑、加載速度為試驗因素，剪切強度為試驗指標，并分別用X1、X2、X3、Y1表示。根據辣椒加工工藝及要求，取距離辣椒蒂5 mm、10 mm、15 mm處作為辣椒柄的剪切位置。結合辣椒柄尺寸，選擇辣椒柄直徑為3.5 mm、4 mm、4.5 mm。參照農業作物莖稈力學特性試驗，在加載速度為200 mm/min、300 mm/min、400 mm/min的條件下，采用正交旋轉組合設計方法，研究因素對剪切強度的影響，因素及水平［15］設計見表3。具體結果如表4所示。

2.1.3 結果分析及優化

由表4可知，辣椒柄的平均剪切強度為9.73 MPa，最小剪切強度發生在剪切位置為15 mm，加載速度為200 mm/min時，采用Design-Expert 12，得到剪切位置、果柄直徑、加載速度及剪切強度的多項回歸二次方程

Y1=

－118.107 1+0.429 1X1+60.849 3X2+

0.023 6X3－0.591X1X2－0.001 2X2X3+

0.063 1X12－6.688 3X22

（3）

由表5方差分析可知，剪切位置X1、果柄直徑X2對剪切強度影響顯著，而加載速度X3對剪切強度的影響不顯著；由F值可以看出，因素對剪切強度的影響順序為剪切位置、果柄直徑、加載速度。采用響應面法對剪切強度影響因素進行研究，結果見圖2。

由圖2可知，隨著剪切位置的升高，辣椒柄的剪切強度逐漸減小；隨著果柄直徑的增大，其剪切強度先增大后減小。經Design-Expert 12軟件優化設計得到最佳參數組合，當剪切強度Y1min為6.34 MPa時，各因素的取值分別為X1=15 mm、X2=4.5 mm、X3=200 mm/min。因此在辣椒除柄設備的設計與研究中，應綜合考慮辣椒柄的剪切位置。

2.2 辣椒柄連接力測定

2.2.1 試驗方法

參照農業作物莖稈力學特性試驗，每個試驗樣本擺放在相同的位置，確保試驗數據的準確性和可靠性。將制作好的試樣放置兩夾具的中間，調整夾具至最佳位置進行軸向拉伸，當辣椒蒂與辣椒柄連接處斷裂時，終止試驗。

辣椒的抗拉強度［16］應滿足式（4）。

σ=FbS0

（4）

式中：

Fb——最大拉力，N；

S0——橫截面積，mm2。

2.2.2 試驗設計及結果

選取辣椒夾持位置、果柄直徑、加載速度為試驗因素，抗拉強度為試驗指標，并分別用A1、A2、A3、Z1表示。根據辣椒加工工藝及要求，取距離辣椒蒂10 mm、20 mm、30 mm處作為辣椒柄的夾持位置［1719］。結合辣椒果柄直徑范圍，選取果柄直徑的因素水平為3.5 mm、4 mm、4.5 mm。參照農業作物莖稈力學特性試驗，在加載速度為200 mm/min、300 mm/min、400 mm/min的條件下，采用正交旋轉組合設計方法，研究因素對抗拉強度的影響，因素及水平設計見表6。根據Central Composite原理進行試驗設計，具體結果如表7所示。

2.2.3 結果分析及優化

由表7可知，辣椒柄的平均剪切強度為5.13 MPa，最小抗拉強度發生在夾持位置為30 mm，加載速度為400 mm/min時，采用Design-Expert 12軟件對試驗結果進行多元回歸擬合分析，得到夾持位置、果柄直徑、加載速度及抗拉強度的多項回歸二次方程

Z1=

34.29110.3041A113.3948A20.024A3+

0.094A1A20.0036A121.3123A22

（5）

對回歸方程進行方差分析，如表8所示。夾持位置與加載速度對抗拉強度產生顯著影響，果柄直徑對抗拉強度的影響不顯著；由F值可以看出，因素對抗拉強度的影響順序為加載速度、夾持位置、果柄直徑。

采用響應面法對抗拉強度影響因素進行研究。由圖3可知，隨著夾持位置的升高，辣椒柄的抗拉強度逐漸減小；隨著加載速度的增大，其抗拉強度逐漸減小。經Design-Expert 12軟件優化設計得到最佳參數組合，當抗拉強度Z1min=3.95 MPa時，各因素的取值分別為A1=25.0 mm、A2=4.4 mm、A3=359.5 mm/min。通過拉伸和剪切兩個試驗對比發現，辣椒柄的剪切強度明顯大于抗拉強度，因此在進行辣椒除柄設備的設計研發時應優先考慮拉拔的除柄方式。

3 結論

1） 通過辣椒物理特征試驗，確定了新疆紅龍板椒的果長為141.00 mm，果徑為18.35 mm，果柄長度為31.90 mm，果柄直徑為5.97 mm，單果重為5.64 g。通過數據統計分析，得出辣椒單果重與果長和果徑呈正相關，并獲得辣椒單果重與自變量果徑、果長的多元線性回歸方程。

2） 辣椒柄剪切位置對辣椒柄的剪切強度影響顯著。隨著剪切位置的逐漸升高，辣椒柄的剪切強度整體呈下降趨勢。隨著辣椒果柄直徑的增大，剪切強度先增大后減小。辣椒柄剪切強度最小時各因素水平為剪切位置15 mm、果柄直徑4.5 mm、加載速度200 mm/min。

3） 辣椒柄夾持位置和加載速度對辣椒柄的抗拉強度影響顯著。隨著夾持位置的升高，辣椒柄的抗拉強度逐漸減小。隨著加載速度的增大，抗拉強度逐漸減小。加載速度對抗拉強度的影響大于夾持位置對抗拉強度的影響。辣椒柄抗拉強度最小時各因素水平為夾持位置25 mm、果柄直徑4.4 mm、加載速度359.5 mm/min。

參 考 文 獻

［1］武亞婷， 武運， 杜木英， 等. 新疆辣椒醬產業研究現狀和發展趨勢［J］. 中國釀造， 2019， 38（3）： 1-4.

Wu Yating， Wu Yun， Du Muying， et al. Research status and development trend of chili sauce industry in Xinjiang ［J］. China Brewing， 2019， 38（3）： 1-4.

［2］王永平， 張紹剛， 張婧， 等. 我國辣椒產業發展現狀及趨勢［J］. 河北農業科學， 2009， 13（6）： 135-138.

Wang Yongping， Zhang Shaogang， Zhang Jing， et al. Development situation and trend of pepper industry in China ［J］. Journal of Hebei Agricultural Sciences， 2009， 13（6）： 135-138.

［3］彭帥， 楊勇， 陳龍， 等. 大蔥種植與機械化收獲分析［J］. 中國農機化學報， 2017， 38（9）： 27-35.

Peng Shuai， Yang Yong， Chen Long， et al. Analysis on planting and mechanized harvesting of welsh onion ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2017， 38（9）： 30-35.

［4］郭穎杰， 程昱， 賁東偉， 等. 玉米秸稈縱向剪切特性試驗［J］. 中國農機化學報， 2016， 37（2）： 119-129.

Guo Yingjie， Cheng Yu， Ben Dongwei， et al. Experiment of longitudinal shear characteristics properties of corn straw ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2016， 37（2）： 119-129.

［5］Lehnert C， McCool C， Sa I， et al. Performance improvements of a sweet pepper harvesting robot in protected cropping environments ［J］. Journal of Field Robotics， 2020， 37（7）： 1197-1223.

［6］Su Yuan， Cui Tao， Xia Guoyi， et al. Effects of different moisture content and varieties on physico-mechanical properties of maize kernel and pedicel ［J］. Journal of Food Process Engineering， 2021， 44（9）.

［7］段以磊. 辣椒機械采摘損傷機理及試驗研究［D］. 石河子： 石河子大學， 2014.

Duan Yilei. Damage mechanism and experimental study of mechanical harvesting peppers ［D］. Shihezi： Shihezi University， 2014.

［8］張敏， 許東生. 線辣椒收獲機的設計與試驗［J］. 機械研究與應用， 2019， 32（6）： 103-105.

Zhang Min， Xu Dongsheng. Design and test for the line pepper picking machine ［J］. Mechanical Research amp; Application， 2019， 32（6）： 103-105.

［9］萬鵬， 趙偉松， 龍超， 等. 甘蔗去皮與切斷特性試驗［J］. 農業機械學報， 2012， 43（S1）： 129-138.

Wan Peng， Zhao Weisong， Long Chao， et al. Experiment of peeling and cutting characteristics for sugarcane ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2012， 43（S1）： 129-138.

［10］陳玉香， 周道瑋， 張玉芬， 等. 玉米莖剪斷力研究［J］. 作物學報， 2005， 31（6）： 766-779.

Chen Yuxiang， Zhou Daowei， Zhang Yufen， et al. Shear force of maize stem ［J］. Acta Agronomica Sinica， 2005， 31（6）： 766-779.

［11］鄒道鐘. 4JZ-3600A型辣椒收獲機關鍵部件的設計與試驗研究［D］. 烏魯木齊： 新疆農業大學， 2021.

Zou Daozhong. Design and experimental study on key components of type 4JZ-3600A pepper harvester ［D］. Urumqi： Xinjiang Agricultural University， 2021.

［12］林佑妮， 楊敏， 藍新平. 血清膽紅素、血尿酸水平與冠狀動脈狹窄程度的相關性分析［J］. 臨床醫學工程， 2020， 27（8）： 1061-1062.

Lin Youni， Yang Min， Lan Xinping. Analysis on the correlations of serum bilirubin and blood uric acid levels with degree of coronary artery stenosis ［J］. Clinical Medicine amp; Engineering， 2020， 27（8）： 1061-1062.

［13］張曉艷， 王曉楠， 曹焜， 等. 5個工業大麻品種（系）纖維產量及產量構成因素的相關性分析［J］. 作物雜志， 2020（4）： 121-126.

Zhang Xiaoyan， Wang Xiaonan， Cao Kun， et al. Correlation analysis of fiber yield and yield components in five industrial hemp varieties （lines） ［J］. Crops， 2020（4）： 121-126.

［14］秦溱， 李金龍， 周先文， 等. 湘西呆鯉形態性狀與體質量的相關性分析及曲線擬合［J］. 河南農業科學， 2022， 51（6）： 144-153.

Qin Qin， Li Jinlong， Zhou Xianwen， et al. Correlation analysis and curve fitting between morphological traits and body weight of Cyprinus carpio var. Xiangxi ［J］. Journal of Henan Agricultural Sciences， 2022， 51（6）： 144-153.

［15］胡燁. 巴達木機械破殼力學試驗研究［D］. 山西： 山西農業大學， 2017.

Hu Ye. Study on factors affecting the mechanical breaking of badam ［D］. Shanxi： Shanxi Agricultural University， 2017.

［16］王方艷， 王東偉. 4TSQ-2型甜菜切頂機設計及試驗［J］. 農業工程學報， 2020， 36（2）： 70-78.

Wang Fangyan， Wang Dongwei. Design and test of 4TSQ-2 sugar beet top cutter ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（2）： 70-78.

［17］許東生. 線辣椒收獲機的設計與研究［D］. 蘭州： 甘肅農業大學， 2017.

Xu Dongsheng. Design and research of small pepper picking machine ［D］. Lanzhou： Gansu Agricultural University， 2017.

［18］孔令軍， 陳永成， 雷明舉， 等. 線辣椒混合物物料特性的測定［J］. 中國農機化學報， 2014， 35（1）： 95-97.

Kong Lingjun， Chen Yongcheng， Lei Mingju， et al. Measurement of material properties based on line pepper’s mixture ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2014， 35（1）： 95-97.

［19］段以磊， 孔令軍， 陳永成， 等. 彈齒滾筒式辣椒采摘裝置采摘板椒的機械損傷特性與機理［J］. 中國農機化學報， 2014， 35（1）： 79-82.

Duan Yilei， Kong Lingjun， Chen Yongcheng， et al. Tine drum pepper picking device picking hot pepper mechanical damage characteristics and mechanism ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2014， 35（1）： 79-82.