香蕉梳柄的结构特征及其力学特性试验

陈兆春�┭钪�+朱正波+牛萌萌+朱卿创+孙志全+谷峣

摘要：针对香蕉因落梳环节劳力大、人工成本高而制约香蕉采收处理机械化的发展问题，研究香蕉梳柄的结构特征及其力学特性参数，以期为研制智能香蕉落梳装备提供参数依据。分析香蕉梳柄在穗秆上不同位置的结构特征，并在精密型微控电子式万能试验机上，通过对香蕉梳柄进行压缩特性、剪切特性试验，深入研究梳柄位置对其弹性模量、峰值剪切力及剪切强度的影响，并对其进行相关性分析。结果表明，梳柄弹性模量在4.69～8.15 MPa范围，标准差为1.01 MPa，变异系数为15.81%；峰值剪切力在0.153～0.290 kN范围，标准差为0.036 kN，变异系数为16.02%；剪切强度在0.036～0.057 MPa范围，标准差为0.006 MPa，变异系数为13.16%。香蕉梳柄含水率、间距、峰值剪切力及剪切强度与梳柄位置呈线性相关；梳柄弧长、密度及弹性模量与梳柄位置呈二次曲线相关。

关键词：香蕉梳柄；落梳；结构特征；力学特性；智能；采收机械化

中图分类号： S225.99文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）05-0223-05

香蕉是全球鲜销量较大、较重要的热带水果，也是我国主要的热带、亚热带特色水果之一，主要分布在广东、广西、福建、云南、海南5省（区）[1]。我国自2011年起跃居世界第二大香蕉生产国，2013年全国香蕉种植面积36万hm2，总产量1 142万t[2]，香蕉产业已经成为我国热带、亚热带重要的农业产业之一，对于促进区域农业、农村经济发展作用明显，意义重大。

目前，我国香蕉产业正处于在由传统生产模式向现代生产模式转变的重要阶段[3]，然而，无论是国内还是国外，在香蕉采收、运送、清洗、包装等环节中都不同程度地使用了相关机械与装备，只有落梳环节采用人工落梳方法[4]，这使得香蕉采收处理各环节的机械装备不能有效连接，使效率提升受到限制，从而制约了香蕉采收处理机械化的发展[5]。因此，为发展我国香蕉采收处理机械化，促进我国香蕉产业的进一步发展，亟须提升香蕉落梳机械化水平，而香蕉梳柄的结构特征研究是改进香蕉落梳机具的前提，梳柄的弧长、间距等尺寸变化规律可为设计落梳机具提供参数依据，并且力学特性是影响香蕉落梳的主要因素之一，是研究香蕉落梳机理的重要手段，同时也是设计、改进落梳机具与落梳工艺的重要依据。

目前国内外几乎没有针对为设计机具而进行的植物结构特征方面的研究，而力學特性方面的研究，国内外起步比较早。吴良军等对荔枝树枝的压缩能、抗压弹性模量及抗压比例极限应力等力学特性进行研究，得出抗压强度、抗压比例极限应力和压缩能之间的关系[6]；刘庆庭等对甘蔗茎秆进行切割力试验，得出切割速度、滑切角、刀盘倾角对最大切割力的影响效应[7]；张久雷等对香蕉假茎进行力学特性研究，得出轴向切割比径向切割力小的结论[8]；尹秋等对香蕉果梗进行力学特性试验，得出果梗直径、切割角度、加载速度对果梗切割的单因素效应[9]；于勇等对玉米秸秆进行含水率特性、拉伸特性研究，并得出相应结论[10-19]。

综合现有研究成果，虽然对植物力学特性的研究起步比较早，但专门对香蕉梳柄结构特征及力学特性方面的研究没有相关报道。本试验建立在香蕉梳柄的结构特征研究上，针对力学特性进行模型建立，以期为使用ANSYS软件分析落梳刀在落梳过程中的应力、应变状态提供理论依据，为今后研制智能香蕉落梳装备提供基础参数。

1材料与方法

1.1试验因素的确定

本试验以研究香蕉梳柄的结构特征及力学特性为目的，结构特征研究主要针对梳柄位置对梳柄弧长、间距、密度及含水率的影响关系进行；力学特性研究主要针对梳柄位置对梳柄弹性模量、峰值剪切力及剪切强度的影响关系。香蕉梳柄结构分为表皮层、内部组织及维管束3个部分，由于试验条件的限制，将3个部分作为一个整体进行力学特性试验，为保持梳柄结构的完整性，对试验样品梳柄表皮给予保留，试验样品的高度取决于梳柄的厚度。前期试验表明，样品尺寸较小时，压缩过程中会发生弯曲，导致数据不准确，而由于梳柄尺寸的限制，最大取样尺寸为15 mm×15 mm，因此每个样品尺寸为15 mm×15 mm；梳柄样品从穗秆细端到粗端取样，分别编号为1～7，如图1所示。

1.2试验材料

试验的材料是2015年10月从高州蕉园收获的达到饱满未成熟的条蕉，取样方法为随机取样[20]，所取梳柄完整且穗秆通直，无病虫害，梳柄在香蕉穗秆上的位置分布均等，为确保测定参数与落梳时参数尽可能一致，条蕉采收后即编号并装入袋子密封保存，试样取自A～E 5根穗秆，从细端到粗端均匀取样，每个梳柄位置重复试验3组。

[FK（W9][TPCZC1.tif；S+2mm][FK）]

1.3试验方法

1.3.1试验设备试验设备主要有WD-E型精密微控电子式万能试验机、DHG-9030（A）101-0A（S）型电热恒温鼓风干燥箱（上海索普仪器有限公司）、ALC-210.3电子天平（量程210 g，精度1 mg，北京赛多利斯仪器系统有限公司）及游标卡尺等。

1.3.2试验方法（1）结构特征测定。结构特征测定指标主要为梳柄弧长、间距、密度及含水率。梳柄弧长分别测量内、外弧长，求平均值，通过细绳沿着梳柄圆弧位置，并用游标卡尺测量细绳长度；间距为测量相邻2个梳柄的竖直距离；密度为烘干前的梳柄重量除以烘干前的梳柄体积；含水率的测定，压缩试验前将梳柄放在ALC-210.3电子天平中称量，压缩试验之后即放置在电热恒温鼓风干燥箱中，在105 ℃下干燥15 h，称量，每隔6 h称量1次，直至2次称量结果一样。

（2）压缩试验。压缩试验在WD-E型精密型微控电子式万能试验机上进行，试验机的传感器最大量程为20 kN，分辨率±1/120 000，力值精度±0.5%，位移精度±0.3%。试验用的加载压头为刚性平板压头，下支撑压头具有球面滑动支座。试验加载速度60 mm/min，数据采样速度10个/s。实验室温度为27.5 ℃，空气相对湿度为70.8%。根据试验获得的应力-应变曲线，确定弹性直线段，如图2所示，在该直线段上读取相距尽量远的A、B 2点之间的应力变化量和相应的应变变化量，按式（1）计算线段的斜率，即弹性模量：

[JZ（]ES=[SX（]ΔσΔε[SX）]。[JZ）][JY]（1）

式中：ES为试样的弹性模量值，MPa；Δσ为应力-应变曲线上线性段的应力變化量，MPa；Δε为应力-应变曲线上线性段的应变变化量。

（3）剪切试验。剪切试验在自制的剪切试验台上进行。试验加载速率100 mm/min，数据采样速度25个/s。剪切试验台的刀片为直线往复式单面刃切刀，材料为Cr10，厚度为 3 mm，刃角为60°。自制剪切试验台的结构如图3所示。

梳柄剪切强度计算公式：

[JZ（]τ=[SX（]FmaxA0[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：τ为梳柄的剪切强度，MPa；Fmax为峰值剪切力，kN；A0为剪切处梳柄的原始横截面面积，mm2。

根据试验机记录的力值-变形数据，算出峰值剪切力及剪切强度。峰值剪切力指刀片接触试样开始到将试样剪断过程中所需的最大力；剪切强度则指梳柄承受剪切力的能力，表征外力对材料呈剪切作用时的强度极限。

2结果与分析

2.1梳柄弧长

试验结果如表1所示，可以看出，各个梳柄位置对应的弧长不同。

由图4可以看出，梳柄弧长随着梳柄位置的不同而不同，呈二次项正相关；越靠近香蕉假茎，梳柄弧长越长，这源于越靠近假茎的部位，含钾量越高，而缺钾会导致香蕉串小，果实细，梳柄窄小，从而导致梳柄弧长越短。显著性分析表明，梳柄位置对梳柄弧长影响显著（P<0.05）。

2.2梳柄含水率

含水率测试试样一共105个，进行完压缩试验之后立即进行试样的含水率测定。结果显示，试样含水率最大值为94.49%，最小值为92.29%，平均值为93.43%，标准差为 0.482%，变异系数为0.516%。

将梳柄的含水率和梳柄位置进行线性回归拟合，拟合结果表明，线性函数关系具有较高的拟合度，拟合方程、判定系数如图5所示，可以看出：梳柄的含水率和梳柄位置之间呈线性函数正相关关系，因此认为，越靠近香蕉假茎的梳柄，其含水率越高。

2.3梳柄间距

梳柄间距为相邻2个梳柄之间的竖直距离，作为衡量梳柄在穗秆致密度及分布规律的重要参数，可以影响落梳刀形状、大小及落梳速度的选择。

将梳柄间距和梳柄位置间隔进行回归拟合，结果表明，二次项函数关系具有较高的拟合度，拟合方程和判定系数如图6所示，可以看出：梳柄间距和梳柄位置间隔之间呈线性函数正相关关系。

由图6可以看出，梳柄间距随着梳柄位置间隔的不同而不同，呈线性正相关，越靠近香蕉假茎，梳柄间距越大，即梳柄长得越疏，这源于越远离香蕉假茎的穗秆的生长素浓度越高，从而氮素水平越高，导致所形成的生殖器官数量相对就更多，产生果实的梳柄数量就越多。显著性分析表明，梳柄位置间隔对梳柄间距影响显著（P<0.05）。

2.4梳柄密度

将梳柄密度和梳柄位置进行回归拟合，拟合结果表明，二次项函数关系具有较高的拟合度，拟合方程和判定系数如图7所示，可以看出：梳柄密度和梳柄位置之间呈二次项函数关系。

梳柄密度随着梳柄位置呈现出先增大后减小的规律，即距离假茎越远，梳柄密度先增大后减小，这可能源于梳柄的营养成分中含有水、脂肪及蛋白质，由于水的密度大于脂肪，小于蛋白质[21]，起初由纤维素、水的密度是决定性因素时，梳柄密度嫩茎部分大于老茎部分，而当密度增大到一定程度后，蛋白质密度开始成为决定性因素，老茎部分的蛋白质高于嫩茎部分，密度将随梳柄位置的后移而减小。

2.5梳柄弹性模量

弹性模量是弹性材料的一种主要力学特性，是物体弹性变形难易程度的表征，是梳柄压缩、剪切等机械特性研究的基础。由图8可以看出，试样在压缩载荷作用下，随着压应力的增大逐步达到抗压比例极限，在这个过程中出现线性段，该线性段的斜率即为试样的抗压弹性模量。压应力达到比例极限后试样微观组织开始被破坏，抵抗力小幅度下降，最后试样被压实，抵抗力又迅速上升。

根据试验机记录的力值-变形数据，计算出抗压弹性模量值，并将其与梳柄位置进行回归拟合，拟合结果表明，二次项函数关系具有较高的拟合度，拟合方程和判定系数如图8所示，可以看出：梳柄抗压弹性模量和梳柄位置之间呈二次项函数关系。

随着梳柄位置自穗秆细端至粗端，梳柄的抗压弹性模量先增大后减小。由以上分析可知，梳柄密度呈现出一致的规律，这源于梳柄密度的不同，导致梳柄抗压弹性模量呈现这种规律。显著性分析表明，梳柄位置对弹性模量影响显著（P<0.05）。

2.6梳柄峰值剪切力

峰值剪切力是剪切过程中材料最重要、最具特征的力学特性，是研究香蕉落梳机具的力学参数基础。

由图9可以看出，在剪切载荷作用下，随着剪切力的增大而逐步到达香蕉梳柄的剪切强度极限；剪切力到达最大值之后，梳柄抵抗力迅速降低，直至被剪断。

剪切试样105个，重复3组，重复组取平均值后共有35组。由表3可知，香蕉梳柄的峰值剪切力最大值为 0.290 kN，最小值为0.153 kN，平均值为0.226 kN，标准差为0.036 kN，变异系数为16.02%；剪切强度最大值为 0.057 MPa，最小值为0.036 MPa，平均值为0.044 MPa，标准差为0.006 MPa，变异系数为13.16%。

将峰值剪切力和梳柄位置进行回归拟合，拟合结果表明，线性函数关系具有较高的拟合度。图10表明：峰值剪切力和梳柄位置之间呈线性函数负相关关系。显著性分析表明，梳柄位置对峰值剪切力影响显著（P<0.05）。

梳柄峰值剪切力随着梳柄位置变化呈减小规律，即距离假茎越近，梳柄峰值剪切力越小。同上，将剪切强度和梳柄位置进行回归拟合，拟合结果的趋势是一致的。图11表明：剪切强度和梳柄位置之间呈线性函数负相关关系。显著性分析表明，梳柄位置对剪切强度影响显著（P<0.05）。此外，研究发现梳柄的剪切强度随着梳柄位置的变化呈现减小规律。

3结论

梳柄弧长与梳柄位置呈二次项正相关，越靠近香蕉假茎，梳柄弧长越长；梳柄的含水率最大值为94.49%，最小值為92.29%，平均值为93.43%，标准差为0.482%，变异系数为0.516%，含水率和梳柄位置之间呈线性函数正相关关系；梳柄间距和梳柄位置间隔之间呈线性正相关关系；梳柄密度和梳柄位置之间呈二次项函数关系；

弹性模量在4.69～8.15 MPa的范围内，平均值为 6.61 MPa，弹性模量与梳柄位置之间呈二次项关系；峰值剪切力在0153～0.290 kN的范围内，平均值为0.226 kN；剪切强度在0.036～0.057 MPa的范围内，平均值为0.044 MPa。峰值剪切力及剪切强度与梳柄位置之间呈线性负相关关系。

香蕉梳柄的结构特征研究是设计香蕉落梳机具的前提基础，梳柄的弧长、间距等尺寸变化规律为设计落梳机具及落梳刀片提供参数依据，力学特性是影响香蕉落梳的主要因素之一，是研究香蕉落梳机制的重要手段，试验结果可为研制智能香蕉落梳装备提供基础参数。

参考文献：

[1]平英华，陈永生. 香蕉生产全程机械化探讨[J]. 热带农业科学，2010，30（11）：65-67.

[2]柯佑鹏，过建春，夏勇开，等. 2013—2014年中国香蕉产销形势分析与预测[J]. 广东农业科学，2014，41（15）：184-188.

[3]李玉萍，方佳. 中国香蕉产业现状与发展对策研究[J]. 中国农学通报，2008，24（8）：443-447.

[4]刘嘉龙，李君，杨洲. 香蕉采后处理装备的发展现状[J]. 农机化研究，2014（11）：249-252，257.

[5]李德安. 香蕉采后商品化处理技术[J]. 中国热带农业，2006（4）：40-41.

[6]吴良军，杨洲，洪添胜，等. 荔枝树枝力学特性的试验研究[J]. 农业工程学报，2012，28（16）：68-73.

[7]刘庆庭，区颖刚，卿上乐，等. 甘蔗茎秆切割力试验[J]. 农业工程学报，2007，23（7）：90-94.

[8]张久雷，李志伟. 香蕉假茎切割过程中的力学特性试验研究[J]. 农机化研究，2012，34（5）：174-177.

[9]尹秋，王涛，张喜瑞，等. 香蕉果梗切割力学特性试验[J]. 中国农机化学报，2013（4）：75-77.[ZK）]

[10]于勇，林怡，毛明，等. 玉米秸秆拉伸特性的试验研究[J]. 农业工程学报，2012，28（6）：70-76.[HJ1.75mm]

[11]李耀明，秦同娣，陈进，等. 玉米茎秆往复切割力学特性试验与分析[J]. 农业工程学报，2011，27（1）：160-164.

[12]刘庆庭，区颖刚，卿上乐，等. 甘蔗茎秆在扭转、压缩、拉伸荷载下的破坏试验[J]. 农业工程学报，2006，22（6）：201-204.

[13]刘庆庭，区颖刚，袁纳新. 甘蔗茎在弯曲荷载下的破坏[J]. 农业工程学报，2004，20（3）：6-9.

[14]李玉道，杜现军，宋占华，等. 棉花秸秆剪切力学性能试验[J]. 农业工程学报，2011，27（2）：124-128.

[15]孟海波，韩鲁佳，王继承. 秸秆物料力学特性试验台及其测控系统的研制[J]. 农业工程学报，2005，21（5）：77-80.

[16]高梦祥，郭康权，杨中平，等. 玉米秸秆的力学特性测试研究[J]. 农业机械学报，2003，34（4）：47-49，52.

[17]何勋，王德福. 基于纤维形态特征分析的玉米秸秆皮拉伸特性[J]. 农业工程学报，2015，31（10）：92-98.

[18]赵春花，张锋伟，曹致中. 豆禾牧草茎秆的力学特性试验[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：122-126.

[19]Kronbergs E. Mechanical strength testing of stalk materials and compacting energy evaluation[J]. Industrial Crops and Products，2000，11（2/3）：211-216.

[20]全国木材标准化技术委员会. 木材物理力学试材采集方法：GB/T 1927—2009[S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[21]陈蓉，梁永，杨素娇，等. 香蕉假茎营养成分的分析[J]. 湛江师范学院学报（自然科学版），2000，21（2）：12-15.