不同成熟度花生果柄節(jié)點力學性能研究

隋榮娟，潘瀅月，孫居彥

（山東農(nóng)業(yè)工程學院，山東 濟南 250100）

花生是世界四大油料作物之一，也是重要的經(jīng)濟作物，我國花生的總產(chǎn)量和出口量均居世界首位[1，2]。收獲是花生生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，然而我國花生生產(chǎn)機械化水平較低，2015年中國花生收獲機械化剛剛進入初級水平[2]。目前，花生聯(lián)合收獲機械存在損失率較高的問題，其中，因果柄節(jié)點斷裂而造成的機械損失超過總損失的90%[3，4]。因此，研究鮮濕花生果柄的抗拉性能對于設(shè)計新型花生收獲機械以及改進現(xiàn)有收獲機技術(shù)參數(shù)以降低花生損傷率及提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

影響果柄抗拉性能的因素有多個，其中果柄含水率是最重要的因素。大部分研究表明，收獲期內(nèi)秧蔓-果柄節(jié)點的抗拉強度略高于果柄-莢果節(jié)點[5-7]。孫同珍[8]的研究表明，花生成熟初期，果柄-莢果節(jié)點抗拉強度較小；但在花生成熟后期，秧蔓-果柄、果柄-莢果節(jié)點的抗拉強度幾乎相同。沈一[9]研究了不同品種花生果柄的抗拉性能，結(jié)果表明，不同品種花生之間果柄抗拉強度存在明顯差異，北方品種的果柄抗拉強度普遍高于南方品種。此外，孫雅文[10]研究了莢果成熟度對果柄抗拉強度的影響。

除了以上因素，土壤質(zhì)地也會影響花生果柄節(jié)點抗拉性能。目前，有關(guān)土壤質(zhì)地對花生果柄節(jié)點抗拉性能的影響規(guī)律還不明確。我國花生品種眾多，各個區(qū)域土壤性質(zhì)相差很大，有必要進一步對不同品種花生開展研究，分析土壤質(zhì)地對果柄抗拉性能的影響。本研究針對同一植株不同成熟度的花生秧蔓-果柄、果柄-莢果節(jié)點抗拉強度進行測試，分析土壤質(zhì)地對兩者的影響，為花生收獲機械的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和儀器

試驗對象為魯南地區(qū)種植的豐花1 號和魯花11 花生，取樣時花生處于收獲時期。花生種植土壤為砂土和壤土，一年一季種植，種植方式為雙行壟種，即壟距85 cm、壟高20 cm、穴距15 cm。

試驗中，分別采用CMT4503 型萬能材料試驗機、SFY-60 型鹵素快速水分測定儀測量果柄節(jié)點的抗拉性能和果柄含水率。

1.2 試驗方法

從砂土和壤土地中分別挖取5 株花生，在每個植株上選取不同成熟度的花生莢果，人為分為1～5五個等級，莢果成熟度越低等級越低。觀察發(fā)現(xiàn)，大部分花生莢果成熟度處在4、5 級。人工清理后，分別對秧蔓-果柄節(jié)點、果柄-莢果節(jié)點進行拉伸測試；拉斷后，對果柄含水率進行測量。

1.2.1 抗拉強度測試

將花生秧蔓、果柄、莢果按圖1 所示固定，對秧蔓-果柄節(jié)點、果柄-莢果節(jié)點分別進行拉伸試驗，以節(jié)點斷裂時對應(yīng)的臨界拉力作為抗拉強度。試驗中加載速度為20 mm/min、上限載荷500 N。每項測試重復(fù)5 次，以平均值作為最終測試結(jié)果。

圖1 花生果柄節(jié)點拉伸試驗Fig.1 Tensile tests of peg nodes

1.2.2 果柄含水率測試

將拉斷后的果柄剪碎，然后稱量待測果柄的重量，設(shè)置烘干溫度為150℃，進行含水率測定。每項測試重復(fù)5 次，最后取平均值。

2 結(jié)果與分析

試驗發(fā)現(xiàn)，秧蔓-果柄拉伸時，斷裂點絕大多數(shù)處在兩者節(jié)點處；果柄-莢果拉伸的斷裂點在莢果的底部，一部分甚至將莢果底部的經(jīng)絡(luò)撕下而斷裂。果柄含水率隨莢果成熟度的增加而降低，其值在35%～60%之間。

2.1 成熟度對抗拉強度的影響

由試驗結(jié)果可知，豐花1 號花生秧蔓-果柄節(jié)點、果柄-莢果節(jié)點的臨界拉力分別處于4.2N～10.3N、3.5N～8.5N 范圍內(nèi)；魯花11 花生秧蔓-果柄節(jié)點、果柄-莢果節(jié)點的臨界拉力分別處于3.2N～10.5N、3N～8.4N 范圍內(nèi)。兩個品種花生的果柄節(jié)點抗拉強度相差較小，果柄節(jié)點臨界拉力隨莢果成熟度的變化規(guī)律曲線如圖2、圖3 所示。成熟度對果柄抗拉強度的影響實質(zhì)是果柄含水率的影響，因此，圖中采用果柄含水率代表了莢果成熟度。

圖2 豐花1號果柄節(jié)點抗拉強度隨莢果成熟度的變化規(guī)律Fig.2 Variation of the tensile strength with maturity of Fenghua No.1

圖3 魯花11果柄節(jié)點抗拉強度隨莢果成熟度的變化規(guī)律Fig.3 Variation of the tensile strength of the peg over pod maturity

從上圖可以看出，無論是壤土還是砂土中種植的花生，秧蔓-果柄節(jié)點、果柄-莢果節(jié)點的抗拉強度隨莢果成熟度的變化規(guī)律是一致的，都隨花生成熟度的增加而增大。莢果成熟度較低時（1-2 級），秧蔓-果柄節(jié)點抗拉強度與果柄-莢果節(jié)點的抗拉強度非常接近，因此，在機械摘果時會造成此類莢果帶柄率高。莢果成熟度較高時（3-5 級），秧蔓-果柄節(jié)點抗拉強度高于果柄-莢果節(jié)點，因此，在設(shè)計花生挖掘裝置和摘果裝置時，參數(shù)應(yīng)以果柄-莢果節(jié)點抗拉強度為依據(jù)。

2.2 土壤質(zhì)地對果柄強度的影響

為了研究土壤質(zhì)地的影響，分別對砂土和壤土中種植的花生果柄節(jié)點抗拉強度進行了比較，其對照如圖4、圖5 所示。

圖4 土壤質(zhì)地對豐花1 號花生果柄節(jié)點強度的影響Fig.4 Effects of soil texture on the peg node strengths of Fenghua No.1

從圖中可以看出，與壤土地種植的花生相比，砂土地種植的花生不論是秧蔓-果柄節(jié)點還是果柄-莢果節(jié)點的抗拉強度都要高。對于豐花1 號花生，其值約高1.4N；魯花11 花生，其值約高2N。因此，在設(shè)計花生收獲機械時，需要考慮土壤質(zhì)地的影響，提高設(shè)備的適用性。

圖5 土壤質(zhì)地對魯花11 花生果柄節(jié)點強度的影響Fig.5 Effects of soil texture on the peg node strengths of Luhua 11

為了獲得不同土壤中果柄節(jié)點抗拉強度和含水率的定量關(guān)系，以豐花1 號為例，采用Origin 軟件對果柄含水率與臨界拉力進行了曲線擬合分析，結(jié)果表明兩者之間的關(guān)系近似為二次函數(shù)，函數(shù)關(guān)系式為：

式中，F(xiàn)1、F2分別為壤土種植花生秧蔓-果柄節(jié)點、果柄-莢果節(jié)點的臨界拉力，N；F′1、F′2分別為砂土種植花生秧蔓-果柄節(jié)點、果柄-莢果節(jié)點的臨界拉力，N；為果柄含水率（%），變化范圍為35%～60%。

3 結(jié)論

1）收獲期內(nèi)，兩個品種花生果柄的含水率都在35%-60%之間，其值隨莢果成熟度的增加而降低。

2）秧蔓-果柄、果柄-莢果節(jié)點的抗拉強度隨著果柄成熟度的增加而增加。莢果成熟度較低時，兩者的抗拉強度非常接近；莢果成熟度較高時，秧蔓-果柄節(jié)點抗拉強度高于果柄-莢果節(jié)點抗拉強度。

3）在本文研究的范圍內(nèi)，兩個品種花生果柄含水率與果柄節(jié)點抗拉強度都近似為二次函數(shù)關(guān)系。砂土種植的花生，秧蔓-果柄節(jié)點、果柄-莢果節(jié)點的抗拉強度都要高于壤土種植的花生。

以上研究針對山東地區(qū)的兩種花生品種以及砂土和壤土土壤質(zhì)地，對其他花生品種以及土壤質(zhì)地，還需要進一步研究。