光皮树含水率与果叶力学参数的相关性

2017-08-30黄志辉刘汝宽王红建肖志红李昌珠

浙江农业科学 2017年8期

关键词：果柄叶柄果枝

李兴，黄志辉，刘汝宽，王红建，肖志红，李昌珠

(1.中南大学 a. 机电工程学院，b.化学与工程学院，湖南长沙 410083； 2.湖南省林业科学院，湖南长沙 410004)

光皮树含水率与果叶力学参数的相关性

李兴1a，黄志辉1a，刘汝宽1b，王红建1a，肖志红2，李昌珠2

(1.中南大学 a. 机电工程学院，b.化学与工程学院，湖南长沙 410083； 2.湖南省林业科学院，湖南长沙 410004)

为测定光皮树果枝采摘后不同时间果叶力学特性的变化，为光皮树脱果及果叶分离机械的研制提供依据，研究了不同含水率对果柄分离力及不同方向的叶柄分离力的影响。通过试验仪器测定光皮树果柄分离力与不同方向的叶柄分离力，并分析试验数据的相关性及曲线拟合。相关性分析表明，含水率与果柄分离力、不同方向叶柄分离力间有较高的相关性。通过对含水率与果柄分离力、不同方向叶柄分离力进行曲线拟合分析，得到二次拟合方程和曲线。

光皮树；果柄分离力；叶柄分离力；农业机械；含水率

光皮树(Swidawilsoniana)是山茱萸科梾木属落叶灌木或乔木。光皮树分布广泛，湖南、江西省为主产区，垂直分布在海拔1 000 m以下。光皮树全果精炼油含不饱和脂肪酸77.68%，经国家粮食部鉴定为一级食用油，油脂除食用和医用外还可做工业原料[1]，是非常重要的生物油料作物。目前，国内对光皮树果实的采摘模式主要是用剪枝剪、高枝剪在果枝基部剪下[2-11]，后人工将果实脱落，效率低下，并且随着人工成本的逐渐提升，光皮树的采摘成本也在逐年增加。因此，光皮树机械化脱果设备研究的重要性与日俱增。中国对小林果机械化采收机设备的研究尚处于起步阶段，缺乏对小林果的果柄及叶柄分离力等植物基础力学性能的研究。在小林果脱果的过程中，果柄与叶柄的分离力是设计采收机械装置的重要因素。目前，国内还没有针对光皮树果柄与叶柄分离力的研究，本研究通过分析光皮树剪下后不同时间含水率变化与果柄和叶柄分离力的关系，为研制光皮树树枝采收后的机械自动化脱果并分类收集设备提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为湖南省林业科学院基地(113°3′34″E，28°6′45″N)的收获期光皮树新鲜树枝。树枝直径4 mm处为剪下位置，剪取数枝果叶茂密的果枝。采摘后将果枝置于平均气温为25 ℃、平均相对湿度60%的环境中。

试验设备主要有DHG-101-00型电热恒温鼓风干燥箱、SF-30 N数显拉力计、果实卡圈、夹具和固定座等。

1.2 方法

1.2.1 果柄分离力

新鲜树枝剪枝后0、6、12、18、24、30、36、42、48 h，每个时间点分4组进行果柄分离力测定，每组9个，每组平均值作为测试结果。测试时将果枝固定，通过果实卡圈卡住果实，匀速移动拉力计，最终使果实与果柄分离，拉力计的最大值即果柄分离力(图1)。

上图果、叶柄分离测量，1指果叶固定装置；2指果实或叶；3指果实卡圈或夹具；4指数显拉力计；5指螺旋移动部件。下图不同作用方向角度α范围图1 果柄、叶柄的分离力测量

1.2.2 不同作用位置的叶柄分离力

新鲜树枝剪枝后0、6、12、18、24、30、36、42、48 h，每个时间点分4组进行叶柄分离力测定，每组9个，每组平均值作为测试结果。测试时将果枝固定，树叶与拉力计通过夹具与树叶相连，调整好作用角度后，匀速移动拉力计，最终使树叶与树枝分离，拉力计最大值即叶柄分离力。试验分为正拉、顺侧拉和逆侧拉3个方向，每个方向测试9个样本并取平均值。以树枝末端为Y轴正方向，垂直树枝轴线方向为X轴，叶柄与X轴夹角为α，正拉方向为沿着树叶自然生长方向，α角度为20°～30°，顺侧拉方向的α角度为70°～80°，逆侧拉方向的α角度为-40°～-50°(图1)。

1.2.3 含水率

取5份树枝分别进行称量，精确至0.001 g。采摘后的0、6、12、18、24、30、36、42、48 h分别进行称量，48 h后将试样在(105±2)℃烘干，烘干8 h后每隔2 h称量1次，直至最后2次称量之差不超过试样质量的0.5%，即认为试样达到绝对干燥，并分别记录最终质量。根据w=[(mt-m0)/m0]×100计算含水率，式中：w为试样的含水率(%)；mt为t时刻试样的质量(g)；m0为试样绝对干燥时的质量(g)。精确至0.1%，取5组数据的平均值作为最终含水率。

1.3 数据采集

根据以上测定数据，制作不同时间点果柄和叶柄分离力及含水率变化曲线，对果柄分离力、不同方向叶柄分离力与含水率测试数据进行方差分析和回归分析，建立回归模型，对其拟合系数进行分析，并验证可靠性。

2 结果与分析

2.1 光皮树含水率及果柄、叶柄分离力

从图2可以看出，随着采摘后放置时间的延长，果枝含水率下降速率较为平稳；24 h前果柄和叶柄的分离力有明显的下降，放置超过24 h后，果柄和叶柄分离力下降变得平缓；叶柄不同方向的分离力有明显的区别，正拉和顺侧拉方向分离力相近，逆侧拉方向的分离力明显小于正拉和顺侧拉方向。

图2 光皮树含水率及果叶参数变化

2.2 含水率对光皮树果柄分离力的影响

含水率能够很好地反映果实脱离树体后的物理性能变化，也是深度加工的重要标准之一。本研究通过记录果枝剪后不同时间的质量，计算不同放置时间的含水率，建立果柄分离力与含水率的曲线回归方程。由相关性检验可知，在0.01水平下，含水率对果柄分离力影响显著(表1)。光皮树果柄分离力与含水率多项式曲线回归方程为y果=0.000 52x2-0.004 8x+0.19，R2为0.996，拟合度较高。从图3中可以看出，随着含水率的下降，果柄分离力不断降低。

表1 光皮树果叶各项参数相关性检验结果

注：**表示在0.01水平(双侧)有显著相关。

图3 含水率对果柄分离力的影响

2.3 含水率及不同作用角度对叶柄分离力的影响

叶柄分离力是脱果及果叶分离机械装置设计的重要参数，对装置的功率、作用方式和所用材料等有重要的影响。通过相关性分析可知在0.01水平下含水率对各方向叶柄分离力有显著影响。对正拉、顺侧拉和逆侧拉3个作用方向叶柄分离力与含水率进行回归分析，建立曲线回归方程(表2)。结果表明，试验中光皮树叶柄正拉、顺侧拉和逆侧拉3个作用方向分离力与含水率多项式曲线回归方程为分别为y正=0.14x-1.83；y顺=0.15x-1.62；y逆=0.058x-0.86，拟合优度检验显示拟合度均较高，决定系数R2分别为0.978、0.954和0.966。由图4可知，随着含水率的下降，叶柄分离力不断降低，正拉和顺侧拉方向分离力明显高于逆侧拉方向的分离力；24 h之后叶柄分离力变化平缓，小叶片出现干燥易碎裂现象，36 h后大部分叶片夹持即破碎。

表2 含水率多项式方差分析

图4 含水率对不同方向叶柄分离力的影响

3 小结与讨论

光皮树整枝采收后不同时间果柄与叶柄的分离力，是研制光皮树机械化自动脱果并分类收集设备的重要设计参数。小林果受气温和天气等外界因素影响，所以不可避免存在一定误差。本研究分析了不同含水率对果柄及不同作用方向叶柄分离力的影响，该试验结果能够在一定程度上反映含水率对果柄分离力的影响趋势，以及不同作用方向下含水率对叶柄分离力的影响趋势，可为光皮树机械化采收脱果装置的研制提供参考。

含水率与果柄分离力和叶柄分离力的关系表明：随着含水率的不断下降，果柄分离力和叶柄分离力均逐渐降低，不同方向的叶柄分离力明显不同，正拉和顺侧拉作用方向分离力相近，逆侧拉作用方向分离力明显小于正拉和顺侧拉。采收后24 h，果柄和叶柄分离力均变化平缓，含水率低于26.6%，此时叶子在外力作用下很容易碎裂。在果实脱离过程中，如果掺杂进大量的树叶，会对果实的后续加工造成影响，因此，应在提高脱果效率的同时，避免树叶的脱落碎裂。

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(责任编辑：侯春晓)

2017-05-07

国家重点研发计划(2016YFD0600802)

李兴(1990—)，男，河北邢台人，硕士研究生，从事农业机械化技术装备研究工作，E-mail:xinglicsu@163.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170824

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