花椒力学特性的测定与分析

武同辉，张志勇，杜鸿志，高 炜，王 硕，贺俊林，杨 威，武新慧

（1.山西农业大学 农业工程学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 小麦研究所，山西 临汾 041000）

花椒起源于我国，是人们日常生活中的八大调味品之一，位居十三香之首[1]，除食用价值外，花椒还有驱寒发汗、暖胃消食等药用价值[2-3]。花椒在我国有着悠久的种植历史，最早可以追溯到西晋时期[4]。2020年我国花椒栽种面积超过113 000 hm2，年产量达45万t，花椒种植业已成为陕西、重庆、山西、贵州等多个地区助力乡村振兴、帮助当地农民脱贫致富的特色项目[5-8]。花椒果实小，树枝伸展长且带刺，采摘时对农艺要求很高，既不能伤枝、伤叶、伤芽，又需要适时收获，采摘难度很大[9-10]，目前花椒的采摘大部分依靠人工，人工采摘劳动强度大、效率低、成本高，且采摘过程中人极易被刺划伤[11]，椒农对花椒高效率机械收获采摘期盼已久。研究花椒力学特性，如花椒果实的压缩力学特性，穗柄的剪切、拉伸力学特性，果实与果柄之间的拉伸力学特性，可以为花椒收获加工机械的设计及参数优化提供重要数据参考。

目前，国内外学者对农作物机械收获加工与其力学特性之间的关系进行了较为广泛的研究[12-16]，其中，AHMAD等[17]采用摆锤冲击载荷试验装置测试成熟期的油棕果实在水平和垂直方向的破裂力和破裂能量，结果表明，垂直方向加载的破裂力和破裂能量均小于水平方向的破裂力和破裂能量，而且随着油棕果的成熟，它的破裂力和破裂能量逐渐减小，为收获和田间运输系统的设计提供了参考。罗强军等[18]运用UTM 6503电子万能试验机，以不同含水率的小麦秸秆为试验对象，进行弯曲和压缩力学特性试验，为秸秆打捆装置提供了力学数据参考和理论基础。张西良等[19]以黄瓜藤秸秆为试验对象，运用WDW30005型微机控制试验机进行拉伸试验，得到黄瓜藤秸秆的拉伸力学特性指标，为切割机械的研制和参数的选择提供了依据。武新慧等[20]将苹果、梨、马铃薯等制成矩形小块试样，应用INSTRON万能试验机结合电子显微镜，测定了屈服强度、压缩强度等力学特性，得到了压缩过程中细观结构变位的动态效应。但是，关于花椒收获加工的压缩、剪切、拉伸等力学特性研究相对较少。

本研究应用物性分析仪和万能材料试验机测定了花椒果实的压缩载荷、花椒穗柄的剪切力和抗拉力、果实与果柄连接处的剪切力等力学特性参数，研究成熟期花椒的力学特性，旨在为花椒采收机械的设计提供一定理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为成熟期的大红袍花椒，采摘自山西省临汾市，选取无病虫害、无损伤的花椒作为试验样本，包括果实、果柄、穗柄，贴标签并排序，将样本分别存入保鲜袋内，放入2℃冷藏柜中保存备用。

1.2 试验设备

英国Stable Micro System公司生产的物性分析仪TA.XT.Plus，测试距离分辨率为0.001 mm，测试速度为0.01～40.00 mm/s；美国INSTRON公司生产的5544电子万能材料试验机，最大载荷2 kN；日本日立公司生产的SU 5000电子显微镜，目镜10×/23 mm，物镜变倍（0.68～4.7）×；北京心雨仪器仪表有限公司生产的101-2AB型电热鼓风箱。

1.3 试验方法

1.3.1 三轴压缩试验 使用物性分析仪测定花椒果实的压缩力学特性，压缩装置由SMS P/36R圆柱形压缩探头和100 mm×90 mm的压缩底座组成，试验开始前将物性分析仪预热20 min，试验测前速度为1 mm/s，压缩速度为0.05 mm/s，测后速度为0.01 mm/s，触发力为0.049 N，将花椒果实放在压缩底座凹槽十字中心处进行压缩试验，压缩完立即把花椒放到电子显微镜下观察。

三轴尺寸可以表示花椒果实的大小，使用数显游标卡尺测量其三轴尺寸，包括长（L）、宽（W）、高（H）。花椒果实形状不规则，形态不一，一般采用球度和粒径近似表示花椒果实的形状和尺寸，对30颗花椒果实进行测定，每颗果实3个方向。

压缩试验测试的指标有屈服载荷、屈服形变量、压缩破坏能和弹性模量，屈服载荷表示花椒果实发生屈服时物性分析仪所施加的载荷，屈服形变量表示花椒果实发生屈服时形变的量，弹性模量表示衡量花椒果实抵抗弹性变形能力大小的尺度。

1.3.2 剪切力学试验 使用物性分析仪测定花椒穗柄的剪切力学特性，试验开始前将物性分析仪预热20 min，试验测前速度为1 mm/s，剪切速度为0.6 mm/s，测后速度为1 mm/s，触发力为0.049 N，使用自制刀片进行剪切，该刀片长85 mm、宽70 mm、厚2 mm，刀刃角度2.65°，对30个花椒样本进行测定。

剪切试验测试的指标有剪切力、抗剪强度和剪切破坏能，剪切力表示穗柄被剪断时的载荷，抗剪强度表示穗柄抵抗剪切破坏的最大能力。

1.3.3 拉伸力学试验 使用电子万能材料试验机测定花椒穗柄以及果实与果柄连接处的拉伸力学特性，试验开始前将万能材料试验机预热20 min，拉伸前预加载速度为5 mm/s，拉伸时速度为1 mm/s，上下夹头间距离为试样标距，2个部位各拉伸测定30个花椒样本。

拉伸试验测试的指标有抗拉力、抗拉强度和拉伸破坏能，抗拉力表示试样被拉断时的载荷，抗拉强度表示试样抵抗拉伸破坏的最大能力。

1.3.4 含水率测定 采用恒温干燥法测定花椒果实的含水率[21]。

1.4 数据分析

利用Exponent软件导出压缩试验数据、剪切试验数据及载荷位移曲线，Bulehill软件导出拉伸试验数据及载荷位移曲线，采用SAS软件对压缩试验数据进行平均值统计和方差分析，运用Duncan法进行多重比较，试验结果均采取“平均值±标准差”表示。由剪切力和抗拉力可得抗剪强度和抗拉强度，横截面近似为圆形。破坏能是试样从受力开始到被完全破坏所需要的能量，使用Origin 2021进行计算。选取载荷位移曲线中初始弹性形变段计算弹性模量。

式中，Sp为花椒果实球度（%）；L为花椒果实的长（mm）；W为花椒果实的宽（mm）；H为花椒果实的高（mm）；Da表示粒径算术平均值(mm)；Dg表示粒径几何平均值（mm）。

式中，S为试样初始横截面面积（mm2）；d为试样直径；τ为抗剪强度（MPa）；F 1max为最大剪切力（N）；σ为抗拉强度（MPa）；F 2max为最大抗拉力（N）。

式中，w为功率，即破坏能（mJ）；F（x）为载荷位移曲线：F为压缩载荷、抗拉力、剪切力（N）；x为位移（mm）；l为F(x)中屈服点对应的位移值（mm）；dx表示x的微分。

式中，E为弹性模量（MPa）；F为压缩载荷（N）；L是试样标距（mm）；△L为屈服形变量（mm）。

式中，H为含水率（%）；A为花椒初始鲜质量（g）；B为烘干后质量（g）。

2 结果与分析

2.1 三轴压缩试验结果

花椒果实的长（L）、宽（W）、高（H），以及X、Y、Z轴的方向如图1所示。

从表1可以看出，收获期大红袍花椒果实的含水率为54.69%，长（L）、宽（W）、高（H）分别为5.39、5.55、5.98 mm，三轴尺寸相差不大，其算术平均径和几何平均径分别为5.64、5.63 mm，且球度达到94.34%，因此，在采摘机械的相关设计时，对花椒果实建模仿真分析可将其模型近似为椭球体。

表1 大红袍花椒果实的基本物性参数Tab.1 Basic physical parameters of Dahongpao Zanthoxylum fruit

从图2可以看出，花椒果实从零点开始受压缩载荷作用，位移在1 mm右侧有一个较小的极值点，造成此现象的原因是压缩载荷达到该值时花椒果实的果皮发生屈服，然后果实继续受压缩载荷，直至达到曲线最大值点花椒果实破裂，该最大值即为花椒果实的屈服载荷。

经压缩试验结果表明，屈服载荷变化范围为31.40～66.34 N，屈服形变量变化范围为1.01～1.95 mm，压缩破坏能的变化范围为24.33～37.83 mJ，弹性模量变化范围为0.91～3.04 MPa。

由表2可知，Z轴方向压缩花椒果实时的屈服载荷最小，X轴方向居中，Y轴方向最大，因为Z轴方向压缩时花椒果实与物性分析仪压缩头的接触面积比X轴方向和Y轴方向压缩小，易发生应力集中，所以，屈服载荷最小。由图1可知，X轴方向压缩时，花椒果实腹缝线承受压缩载荷，而Y轴方向压缩时果皮受压缩载荷，腹缝线比果皮薄，易裂开，所以，X轴方向压缩时的屈服载荷比Y轴方向压缩时的屈服载荷小；花椒果实的在X轴方向压缩时屈服形变量最小，Z轴方向居中，Y轴方向最大；压缩破坏能在Y轴方向压缩时最小，Z轴方向居中，X轴方向最大，说明花椒果实在Y轴方向压缩时最容易被破坏，Z轴方向居中，X轴方向最不易被破坏；弹性模量在X轴方向压缩时最小，Y轴方向居中，Z轴方向最大，说明花椒果实X轴方向抵抗弹性形变能力最弱，Y轴方向居中，Z轴方向最强。

表2 大红袍花椒三轴压缩试验结果Tab.2 Triaxial compression test results of Dahongpao Zanthoxylum

对压缩试验数据进行方差分析得出，自由度为2，P值分别为：P屈服载荷＜0.000 1；P屈服形变量＜0.000 1；P破坏能＜0.000 1；P弹性模量＝0.007 7，在0.05水平上压缩方向对屈服载荷、屈服形变量、破坏能、弹性模量都有显著性影响。

2.2 剪切试验与拉伸试验结果

从图3可以看出，花椒穗柄从零点开始受剪切力，随着位移的增加，穗柄受到的剪切力越来越大，直至穗柄被剪切断，之后剪切力随位移的增大而急剧减小，图中穗柄被剪切断后平缓曲线的出现是因为在切断穗柄后，穗柄与刀片仍有接触，最后刀片离开穗柄，剪切力降为0。

从图4可以看出，花椒穗柄从零点开始受拉伸力作用，拉伸力随位移增大直至穗柄断裂，之后拉伸力随位移增大而下降，直至下降为0。

经剪切试验结果表明，花椒穗柄的剪切力变化范围为2.18～5.58 N，抗剪强度变化范围为1.03～2.54 MPa，剪切破坏能的变化范围为1.18～8.19 mJ。经拉伸试验结果表明，花椒果实与果柄连接处的抗拉力变化范围为2.30～4.83 N，抗拉强度变化范围为1.32～5.66 MPa，拉伸破坏能变化范围为4.42～6.43 mJ；花椒穗柄的抗拉力变化范围为5.03～15.04 N，抗拉强度变化范围为2.35～10.03 MPa，拉伸破坏能变化范围为5.14～7.84 mJ。

从表3可以看出，花椒穗柄平均剪切力为4.15 N，平均抗剪强度为1.60 MPa，平均剪切破坏能为4.24 mJ，花椒果实与果柄连接处的平均抗拉力为3.86 N，平均抗拉强度为4.08 MPa，平均拉伸破坏能为5.29 mJ，花椒穗柄的平均抗拉力为8.60 N，平均抗拉强度为4.61 MPa，平均拉伸破坏能为6.48 mJ。穗柄抗拉力是果实果柄连接处抗拉力的2倍以上，果实与果柄连接处的抗拉力较穗柄的抗拉力更稳定；抗拉强度与试验样本的最大抗拉力和横截面积均有关，果实果柄连接处穗柄平均抗拉强度略大于果实果柄间的平均抗拉强度，但穗柄平均抗拉力为果实果柄连接处的2倍以上，是因为穗柄比果实果柄连接处更加粗壮，横截面积更大；穗柄的剪切力小于抗拉力且剪切破坏能小于拉伸破坏能，因此在穗柄处采收宜采用剪切式采收方式，果实与果柄连接处的抗拉力小于穗柄的抗拉力，且果实与果柄连接处的拉伸破坏能小于穗柄的拉伸破坏能，若采用负压等拉伸式采收方式，则选择果实与果柄连接处进行拉伸分离采收更适宜。

表3 剪切试验与拉伸试验结果Tab.3 Shear test and tensile test results

3 结论与讨论

本研究结果表明，花椒果实的屈服载荷为31.40～66.34 N，3个方向的平均屈服载荷分别为50.58、53.96、42.49 N，在对花椒进行机械采摘、运输及存储过程中，机构作用到花椒果实上的压缩力应低于花椒果实3个方向的最小屈服载荷，即31.40 N，否则会损害花椒果实而造成经济损失，压缩方向不同，花椒果实各项指标有所差异，这与其生理结构、化学成分等有关，需要在今后的工作中进一步研究。

花椒穗柄的剪切力为2.18～5.58 N，平均剪切力为4.15 N，抗剪强度为1.03～2.54 MPa，平均抗剪强度为1.60 MPa，若采用剪切式采收方式，施加在穗柄处的剪切力应不低于2.18 N，本试验自制刀片的刀刃角度为2.65°，可以更换不同刀刃角度的刀片进行对比试验，使得对花椒穗柄剪切力学特性的研究更加完善。

花椒果实果柄连接处的抗拉力为2.30～4.83 N，平均抗拉力为3.86 N，抗拉强度为1.32～5.66 MPa，平均抗拉强度为4.08 MPa；穗柄的抗拉力为5.03～15.04 N，平均抗拉力为8.19 N，抗拉强度为2.35～10.03 MPa，平均抗拉强度为4.27 MPa，此处抗拉力大于冯亚利等[13]的试验结果，可能是不同的地理环境和气候特征导致同一品种花椒的力学特性存在差异，本试验穗柄抗拉力整体大于果实与果柄连接处的抗拉力，穗柄平均抗拉强度大于果实与果柄连接处的抗拉强度，采用负压等拉伸式采收方式应尽量选择在果实与果柄连接处进行拉伸分离采收且拉伸力不低于2.30 N。