不同成熟度花生果柄节点力学性能研究

隋荣娟，潘滢月，孙居彦

（山东农业工程学院，山东 济南 250100）

花生是世界四大油料作物之一，也是重要的经济作物，我国花生的总产量和出口量均居世界首位[1，2]。收获是花生生产的重要环节，然而我国花生生产机械化水平较低，2015年中国花生收获机械化刚刚进入初级水平[2]。目前，花生联合收获机械存在损失率较高的问题，其中，因果柄节点断裂而造成的机械损失超过总损失的90%[3，4]。因此，研究鲜湿花生果柄的抗拉性能对于设计新型花生收获机械以及改进现有收获机技术参数以降低花生损伤率及提高经济效益具有重要意义。

影响果柄抗拉性能的因素有多个，其中果柄含水率是最重要的因素。大部分研究表明，收获期内秧蔓-果柄节点的抗拉强度略高于果柄-荚果节点[5-7]。孙同珍[8]的研究表明，花生成熟初期，果柄-荚果节点抗拉强度较小；但在花生成熟后期，秧蔓-果柄、果柄-荚果节点的抗拉强度几乎相同。沈一[9]研究了不同品种花生果柄的抗拉性能，结果表明，不同品种花生之间果柄抗拉强度存在明显差异，北方品种的果柄抗拉强度普遍高于南方品种。此外，孙雅文[10]研究了荚果成熟度对果柄抗拉强度的影响。

除了以上因素，土壤质地也会影响花生果柄节点抗拉性能。目前，有关土壤质地对花生果柄节点抗拉性能的影响规律还不明确。我国花生品种众多，各个区域土壤性质相差很大，有必要进一步对不同品种花生开展研究，分析土壤质地对果柄抗拉性能的影响。本研究针对同一植株不同成熟度的花生秧蔓-果柄、果柄-荚果节点抗拉强度进行测试，分析土壤质地对两者的影响，为花生收获机械的优化设计提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料和仪器

试验对象为鲁南地区种植的丰花1 号和鲁花11 花生，取样时花生处于收获时期。花生种植土壤为砂土和壤土，一年一季种植，种植方式为双行垄种，即垄距85 cm、垄高20 cm、穴距15 cm。

试验中，分别采用CMT4503 型万能材料试验机、SFY-60 型卤素快速水分测定仪测量果柄节点的抗拉性能和果柄含水率。

1.2 试验方法

从砂土和壤土地中分别挖取5 株花生，在每个植株上选取不同成熟度的花生荚果，人为分为1～5五个等级，荚果成熟度越低等级越低。观察发现，大部分花生荚果成熟度处在4、5 级。人工清理后，分别对秧蔓-果柄节点、果柄-荚果节点进行拉伸测试；拉断后，对果柄含水率进行测量。

1.2.1 抗拉强度测试

将花生秧蔓、果柄、荚果按图1 所示固定，对秧蔓-果柄节点、果柄-荚果节点分别进行拉伸试验，以节点断裂时对应的临界拉力作为抗拉强度。试验中加载速度为20 mm/min、上限载荷500 N。每项测试重复5 次，以平均值作为最终测试结果。

图1 花生果柄节点拉伸试验Fig.1 Tensile tests of peg nodes

1.2.2 果柄含水率测试

将拉断后的果柄剪碎，然后称量待测果柄的重量，设置烘干温度为150℃，进行含水率测定。每项测试重复5 次，最后取平均值。

2 结果与分析

试验发现，秧蔓-果柄拉伸时，断裂点绝大多数处在两者节点处；果柄-荚果拉伸的断裂点在荚果的底部，一部分甚至将荚果底部的经络撕下而断裂。果柄含水率随荚果成熟度的增加而降低，其值在35%～60%之间。

2.1 成熟度对抗拉强度的影响

由试验结果可知，丰花1 号花生秧蔓-果柄节点、果柄-荚果节点的临界拉力分别处于4.2N～10.3N、3.5N～8.5N 范围内；鲁花11 花生秧蔓-果柄节点、果柄-荚果节点的临界拉力分别处于3.2N～10.5N、3N～8.4N 范围内。两个品种花生的果柄节点抗拉强度相差较小，果柄节点临界拉力随荚果成熟度的变化规律曲线如图2、图3 所示。成熟度对果柄抗拉强度的影响实质是果柄含水率的影响，因此，图中采用果柄含水率代表了荚果成熟度。

图2 丰花1号果柄节点抗拉强度随荚果成熟度的变化规律Fig.2 Variation of the tensile strength with maturity of Fenghua No.1

图3 鲁花11果柄节点抗拉强度随荚果成熟度的变化规律Fig.3 Variation of the tensile strength of the peg over pod maturity

从上图可以看出，无论是壤土还是砂土中种植的花生，秧蔓-果柄节点、果柄-荚果节点的抗拉强度随荚果成熟度的变化规律是一致的，都随花生成熟度的增加而增大。荚果成熟度较低时（1-2 级），秧蔓-果柄节点抗拉强度与果柄-荚果节点的抗拉强度非常接近，因此，在机械摘果时会造成此类荚果带柄率高。荚果成熟度较高时（3-5 级），秧蔓-果柄节点抗拉强度高于果柄-荚果节点，因此，在设计花生挖掘装置和摘果装置时，参数应以果柄-荚果节点抗拉强度为依据。

2.2 土壤质地对果柄强度的影响

为了研究土壤质地的影响，分别对砂土和壤土中种植的花生果柄节点抗拉强度进行了比较，其对照如图4、图5 所示。

图4 土壤质地对丰花1 号花生果柄节点强度的影响Fig.4 Effects of soil texture on the peg node strengths of Fenghua No.1

从图中可以看出，与壤土地种植的花生相比，砂土地种植的花生不论是秧蔓-果柄节点还是果柄-荚果节点的抗拉强度都要高。对于丰花1 号花生，其值约高1.4N；鲁花11 花生，其值约高2N。因此，在设计花生收获机械时，需要考虑土壤质地的影响，提高设备的适用性。

图5 土壤质地对鲁花11 花生果柄节点强度的影响Fig.5 Effects of soil texture on the peg node strengths of Luhua 11

为了获得不同土壤中果柄节点抗拉强度和含水率的定量关系，以丰花1 号为例，采用Origin 软件对果柄含水率与临界拉力进行了曲线拟合分析，结果表明两者之间的关系近似为二次函数，函数关系式为：

式中，F1、F2分别为壤土种植花生秧蔓-果柄节点、果柄-荚果节点的临界拉力，N；F′1、F′2分别为砂土种植花生秧蔓-果柄节点、果柄-荚果节点的临界拉力，N；为果柄含水率（%），变化范围为35%～60%。

3 结论

1）收获期内，两个品种花生果柄的含水率都在35%-60%之间，其值随荚果成熟度的增加而降低。

2）秧蔓-果柄、果柄-荚果节点的抗拉强度随着果柄成熟度的增加而增加。荚果成熟度较低时，两者的抗拉强度非常接近；荚果成熟度较高时，秧蔓-果柄节点抗拉强度高于果柄-荚果节点抗拉强度。

3）在本文研究的范围内，两个品种花生果柄含水率与果柄节点抗拉强度都近似为二次函数关系。砂土种植的花生，秧蔓-果柄节点、果柄-荚果节点的抗拉强度都要高于壤土种植的花生。

以上研究针对山东地区的两种花生品种以及砂土和壤土土壤质地，对其他花生品种以及土壤质地，还需要进一步研究。