果園防冰雹網產品研究與開發

李世雄　孫凱飛　樊爭科　陳忠濤　武高輝

摘要? ? 針對防冰雹網的性能要求，對防冰雹網的材料、結構設計以及耐沖擊強度等進行分析，開發出具有抗老化、抗紫外線、結構穩定、耐冰雹沖擊強度高的防冰雹網。對冰雹的落地末速度、落地動能及冰雹與防冰雹網間的作用力進行計算，設計的農用防冰雹網完全能夠滿足冰雹災害的防護要求。

關鍵詞? ? 冰雹災害;防冰雹網;聚乙烯;結構設計;強度測試

中圖分類號? ? S427;TP273? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）24-0125-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

冰雹天氣是我國北方夏季常見的一種災害性天氣，果樹受災后，枝葉、果實被擊成千瘡百孔，輕則削弱樹勢，造成減產，降低果品質量;重則打落果實，當年沒有收成，直接影響樹體生長發育和花芽分化，造成樹勢衰弱，導致翌年腐爛病大面積發生，危害極大[1-3]。對防冰雹網使用環境進行分析，應滿足以下性能要求。①抗沖擊性。當冰雹網落到網面上，經撞擊后能夠被攔截住或緩沖后落下，能夠充分減少冰雹的沖擊力，具有良好的機械強度。②結構的穩定性。網面結構要穩定，使用過程中不產生相對滑移和變形。③透光性。能夠透過足夠的可見光，在架設防冰雹網后，不影響果樹農作物的采光效果和自然生長。④耐老化性。能夠經得住風吹雨打日曬，不易脆化、斷裂，抗紫外線，化學性能穩定，使用壽命長。針對防冰雹網的性能要求，從原料選擇、編織方式、結構設計等方面進行分析，研制開發出具有優良防護性能的防冰雹網。

1? ? 原材料選擇

目前，市場上的防冰雹網產品質量參差不齊、價格相距甚遠。防雹網在選擇時，一方面應考慮到防冰雹網的強度和使用壽命，另一方面要求在使用過程當中，性質穩定，不污染果樹、果實及環境土壤，符合綠色環保要求。結合產品的性能要求，選用聚乙烯分子材料為基礎材料，添加高效的抗老化劑，使材料具有抗氧化和抗紫外線功能，增加防冰雹網產品的使用壽命[4]。

1.1? ? 聚乙烯的物理性能

聚乙烯材料密度為0.940～0.960 g/cm3，維卡軟化點為125～135 ℃，燃點為340 ℃，拉伸屈服強度>23 MPa，脆化溫度<-70 ℃。

1.2? ? 聚乙烯的化學性質

聚乙烯系半晶性的飽和碳氫化合物，以乙烯為單體經聚合反應制得的聚合物。化學性質十分穩定，能耐酸、耐堿、耐各種化學腐蝕，具有較好的耐溶性、耐蒸汽滲透性和耐環境應力開裂性，聚乙烯無毒，可作食品用包裝材料。

1.3? ? 化學穩定性能測試

對聚乙烯材料按照《食品安全國家標準? 食品接觸用塑料材料及制品》（GB 4806.7—2016）進行測試。各項指標均符合國家標準，聚乙烯材料產品在使用過程中性質穩定，不污染果樹、果實及環境土壤，符合綠色環保要求。

2? ? 防冰雹網設計

2.1? ? 結構設計

2.1.1? ? 編織方式。根據產品的性能要求，為了保證網本身具有優異的防護效果及網面結構的持續穩定性，采取的組織結構設計有3種形式：①平紋機織物;②紗羅組織平織織物;③經編網眼織物。具體如表1所示。

通過對以上3種形式進行對比分析，平紋機織物在編織過程中很容易產生相對滑移，且平紋機織物結構較為緊密，雖然具有良好的防護效果，但會影響植物采光，因而不宜選用此種編織方式。由于材料橫截面類似于圓形，且較為光潔，最終選用紗羅組織平織織物和經編網眼織物的組織結構進行編織。

2.1.2? ? 網孔結構。采用不同的編織方式可以編織不同的網孔結構。其中：紗羅組織平織織物是由絞經和地經采用1∶1與緯紗進行織造，根據經向和緯向密度可以織造不同大小的矩形網孔結構織物，見圖1（a），紗羅組織平織織物由于絞經的存在使得織物結構相較于相同密度的平紋織物穩定。

經編網眼織物是由相鄰的線圈縱行在局部失去聯系，從而在經編織物上形成一定形狀的網眼，這種組織稱為網眼經編組織。網眼的形狀有三角形、正方形、長方形、菱形等，見圖1（b）（c）（d）。通過網眼的分布可呈現方格、菱形、橫條、直條等花紋效應。經編織物相較于平紋織物和紗羅組織平織織物，由于采用線圈相互串套，沿著織物橫向和縱向延伸性和回彈性好。

在實際使用過程中，果農可以根據自己的果園地形形狀、大小選擇不同規格及幅寬的農用防冰雹網，以達到最佳的防護效果。

2.2? ? 耐沖擊強度

根據災區冰雹的大小，并結合造成的災害程度，考慮到果樹生長的光照條件，兼顧農用防冰雹網搭建的輕便性、實用性，既能對冰雹起到良好的攔截和緩沖作用，又不影響農作物正常生長。因此，從冰雹的落地能量、速度以及作用力方面分析農用防冰雹網的耐沖擊強度。

由于冰雹的形狀、大小以及表面光滑度的不同，其下落末速度也不同，所以必須根據不同形狀的冰雹，使用不同的下落末速度公式計算落地冰雹動能。冰雹的幾種常見類型主要有球形、橢圓形、錐形、圓盤形，本文以光滑圓球形的冰雹為例，探討冰雹下落末速度的近似公式。

2.2.1? ? 冰雹的落地末速度。

（1）冰雹粒子受力分析。冰雹粒子在靜止空氣中自由下落時，作用在粒子上的力有重力、阻力和浮力。在開始一段時間里，重力大于阻力和浮力，粒子作加速度運動。由于阻力（F）與粒子的運動速度（V）有關，當阻力增大到與重力（浮力太小，可忽略）平衡時，粒子不再作加速度運動，粒子的下落速度即達到一個恒定的速度，這個速度稱為冰雹下落末速度或稱為末速度。

（2）冰雹的末速度。如式（1）所示。根據阻力系數（Cd）與雷諾數（Re）的試驗曲線，冰雹直徑在0.5～5.0 cm之間時，雷諾數（Re）≈4.0×103～4.0×105，Cd=0.41D0.185。

2.2.3? ? 落地冰雹與防冰雹網間的作用力。從高空下落的冰雹在接觸到防冰雹網后，受到緩沖和攔截。高速下落的冰雹撞到網面后，得到持續緩沖和反彈作用，網面吸收和轉化了其落地動能而靜止。假如，一個直徑2.0 cm的冰雹高速下落，網面給其以10 cm左右距離的緩沖，依照E=F·S公式概算，那么持續作用在網上的平均作用力應在7.0 N左右。當然，冰雹與防冰雹網之間的作用力比較復雜，冰雹觸網后，可能會發生滑動、滾動、跳躍等運動，最終因受阻而停止。

2.2.4? ? 防冰雹網實測數據與理論對比分析。對菱形網、長方形網、方格網以及矩形網按照《織品 織物拉伸性能 第1部分 斷裂強力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》（GB/T 3923.1—2013）分別進行了強度試驗測試，測試結果見表4。

對設計的農用防冰雹網產品的強度進行實驗測試，其斷裂強力均>65 N，斷裂功均>3.0 J，能夠滿足理論計算中的強度數值要求。經過對近幾年來的雹災區的情況分析，絕大多數冰雹直徑為0.1～2.0 cm，1.0 cm左右的冰雹較為普遍。因此，該農用防冰雹網產品設計強度指標完全能夠滿足對冰雹災害的防護要求而達到顯著的防護效果。

3? ? 結語

（1）采用聚乙烯材料生產的防冰雹網具有抗紫外線和抗老化性能，采用不同的編織方式可以編織出不同結構的防冰雹網。試驗研究表明，防冰雹網具有結構穩定、耐冰雹沖擊強度高的特點，能夠滿足果園使用要求。

（2）為使得防冰雹網具有優異的防護效果和穩定的網面結構，建議采用紗羅組織編織的矩形網孔結構和經編網眼結構，在實際使用過程中，果農可以根據自己的果園地形、形狀、大小選擇不同規格及幅寬的農用防冰雹網，以達到最佳的防護效果。

（3）通過對直徑為2.0 cm的冰雹落地末速度和動能進行計算，落地冰雹作用在防冰雹網上的平均作用力為7 N，經過對設計的農用防冰雹網產品的強度試驗，完全滿足對冰雹災害的防護要求。

4? ? 參考文獻

[1] 慈志娟，田利光，陳浪波，等.果園防雹網簡介[J].煙臺果樹，2018（4）：47.

[2] 趙新平，穆巖，李世雄，等.果園防雹網自動控制系統的設計與實踐[J].現代農業科技，2019（4）：146-148.

[3] 安金海，雷延明，王建鋒，等.蘋果園防雹網架設技術試驗簡報[J].西北園藝（果樹專刊），2004（3）：12-13.

[4] 張治安.矮砧密植蘋果園防鳥防雹網搭建技術[J].河北果樹，2018（5）：32-33.