葡萄枝剪切力学性能试验研究

韩会敏，周 艳，贾首星，蔡文龙

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.新疆农垦科学院）

关 键 字：剪切；含水率；葡萄枝；性能试验

0 引言

葡萄是我国六大水果产业之一，其收益水平直接影响果农的经济发展水平。葡萄为蔓生作物，能盘绕他物攀援上升，如任其自然生长易形成庞大枝冠，从而使下部枝条得不到充足的光照，通风不良，使葡萄质量严重降低，葡萄产量严重下降，所以要对葡萄枝条进行合理的修剪[1]。葡萄种植模式和自然条件的不同，使后期的长势也千差万别，所以对修剪机的要求也要因地制宜，并要结合当地的农艺要求。

目前，中国对果树修剪机械研究还不够深入，与国外相比还存在一定差距。结合当前发展趋势，迫切需要修剪机械的深入研究。为了设计出修剪效率高、适应性强、作业质量高、制造成本低的葡萄修剪机械，现对葡萄枝进行力学特性分析，研究其直径、含水率、剪切位移对剪切力的影响[2]。研究葡萄枝条的力学特性分析对切割器的设计具有一定的指导意义。

1 试验材料、设备与方法

1.1 试验采集

葡萄枝取自于新疆石河子市农垦科学院果树示范田，取样时间为2018年4月中旬开始，因为此时新疆地面已经开始解冻，每间隔一月取一次，连续取样三次，每批次编号如表1，树龄为3年，取样方式为随机取样[3]，随机取直径为4～12 mm，长度100 mm的样品三批，并进行编号。所取树枝尽可能笔直、无病虫害、分支少，手工去除侧枝叶，进行编号并放入密封袋中保存待用，并分别测量3批直径如表2所示。

1.2 试验设备

本次试验设备主要有：万能试验机、电热鼓风干燥箱（温度范围10～250℃、DHG-9070A上海一恒科学仪器有限公司）、电子秤（测量精度0.0001g，JY/YP30002上海越平科学仪器有限公司）、游标卡尺、培养皿、手锯等。

表1 各批次取样

1.3 试验方法

用游标卡尺测量样品直径，多次测量取平均值并称重；试验按GB1937-1991[5]的规定进行，将样品式样放在万能试验机上，如图1所示。试验机以15mm/min的速度匀速加载荷，最终测量峰值剪切力；枝条含水率的测定采用烘干法。具体操作：每次把每批葡萄枝放入干燥箱并保持在105℃，24 h后取出称重，以后每隔1h称重一次，直至两次称重结果之差小于0.001g，此时可以认定枝条已达到全干[4]，计算含水率。

式中 W—样品含水率（%）；m0—葡萄烘干前的质量，（g）；m1—葡萄枝全干时的质量，（g）。

表2 试验葡萄枝直径

图1 剪切力试验

2 试验结果与分析

2.1 剪切力随直径的变化

试验结果剪切力随直径的变化如表3、图2所示。

图2 直径—峰值剪切力图

图2试验结果表明：葡萄枝条的峰值剪切力与直径呈线性正相关关系。

表3 剪切试验数值

2.2 峰值剪切力随含水率的变化

通过试验并计算出各批次样本的含水率如表3所示，葡萄枝峰值剪切力与含水率的关系图3所示。

表4 葡萄枝含水率

图3 含水率—峰值剪切力图

由图3可知，含水率对葡萄枝的力学特性影响很大。随着葡萄枝含水率的增加，峰值剪切力先增大到一定值再迅速降低。当含水率逐渐增大时，枝条类似于塑性材料[7]，此时韧性较好，不易断裂。而当含水率高于72%时，其类似于脆性材料，柔韧性降低，脆性增强，易于断裂[6]。

2.3 剪切力随位移的变化

根据需要选取直径为10.01mm，含水率为60.32%为试验样本，在万能试验机上记录下位移与剪切力的行走轨迹。葡萄枝剪切力随位移变化如图4所示。

图4 位移—剪切力曲线

由图4可知，随着位移的增大，剪切力逐渐增大，当位移为19 mm时，剪切力最大为93 N，剪切力达到最大值之后，枝条抵抗力迅速降低，直至被剪断[8]。

3 结论

（1）葡萄枝峰值剪切力与直径呈线性正相关关系。

（2）在一定范围内，葡萄枝峰值剪切力与含水率的关系是先增大后减小。

（3）葡萄枝剪切力随剪切位移的增加有先增大后减小的趋势。