葡萄枝剪切力學(xué)性能試驗研究

韓會敏，周 艷，賈首星，蔡文龍

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院）

關(guān) 鍵 字：剪切；含水率；葡萄枝；性能試驗

0 引言

葡萄是我國六大水果產(chǎn)業(yè)之一，其收益水平直接影響果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。葡萄為蔓生作物，能盤繞他物攀援上升，如任其自然生長易形成龐大枝冠，從而使下部枝條得不到充足的光照，通風(fēng)不良，使葡萄質(zhì)量嚴(yán)重降低，葡萄產(chǎn)量嚴(yán)重下降，所以要對葡萄枝條進(jìn)行合理的修剪[1]。葡萄種植模式和自然條件的不同，使后期的長勢也千差萬別，所以對修剪機(jī)的要求也要因地制宜，并要結(jié)合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)藝要求。

目前，中國對果樹修剪機(jī)械研究還不夠深入，與國外相比還存在一定差距。結(jié)合當(dāng)前發(fā)展趨勢，迫切需要修剪機(jī)械的深入研究。為了設(shè)計出修剪效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)質(zhì)量高、制造成本低的葡萄修剪機(jī)械，現(xiàn)對葡萄枝進(jìn)行力學(xué)特性分析，研究其直徑、含水率、剪切位移對剪切力的影響[2]。研究葡萄枝條的力學(xué)特性分析對切割器的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗材料、設(shè)備與方法

1.1 試驗采集

葡萄枝取自于新疆石河子市農(nóng)墾科學(xué)院果樹示范田，取樣時間為2018年4月中旬開始，因為此時新疆地面已經(jīng)開始解凍，每間隔一月取一次，連續(xù)取樣三次，每批次編號如表1，樹齡為3年，取樣方式為隨機(jī)取樣[3]，隨機(jī)取直徑為4～12 mm，長度100 mm的樣品三批，并進(jìn)行編號。所取樹枝盡可能筆直、無病蟲害、分支少，手工去除側(cè)枝葉，進(jìn)行編號并放入密封袋中保存待用，并分別測量3批直徑如表2所示。

1.2 試驗設(shè)備

本次試驗設(shè)備主要有：萬能試驗機(jī)、電熱鼓風(fēng)干燥箱（溫度范圍10～250℃、DHG-9070A上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、電子秤（測量精度0.0001g，JY/YP30002上海越平科學(xué)儀器有限公司）、游標(biāo)卡尺、培養(yǎng)皿、手鋸等。

表1 各批次取樣

1.3 試驗方法

用游標(biāo)卡尺測量樣品直徑，多次測量取平均值并稱重；試驗按GB1937-1991[5]的規(guī)定進(jìn)行，將樣品式樣放在萬能試驗機(jī)上，如圖1所示。試驗機(jī)以15mm/min的速度勻速加載荷，最終測量峰值剪切力；枝條含水率的測定采用烘干法。具體操作：每次把每批葡萄枝放入干燥箱并保持在105℃，24 h后取出稱重，以后每隔1h稱重一次，直至兩次稱重結(jié)果之差小于0.001g，此時可以認(rèn)定枝條已達(dá)到全干[4]，計算含水率。

式中 W—樣品含水率（%）；m0—葡萄烘干前的質(zhì)量，（g）；m1—葡萄枝全干時的質(zhì)量，（g）。

表2 試驗葡萄枝直徑

圖1 剪切力試驗

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 剪切力隨直徑的變化

試驗結(jié)果剪切力隨直徑的變化如表3、圖2所示。

圖2 直徑—峰值剪切力圖

圖2試驗結(jié)果表明：葡萄枝條的峰值剪切力與直徑呈線性正相關(guān)關(guān)系。

表3 剪切試驗數(shù)值

2.2 峰值剪切力隨含水率的變化

通過試驗并計算出各批次樣本的含水率如表3所示，葡萄枝峰值剪切力與含水率的關(guān)系圖3所示。

表4 葡萄枝含水率

圖3 含水率—峰值剪切力圖

由圖3可知，含水率對葡萄枝的力學(xué)特性影響很大。隨著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。當(dāng)含水率逐漸增大時，枝條類似于塑性材料[7]，此時韌性較好，不易斷裂。而當(dāng)含水率高于72%時，其類似于脆性材料，柔韌性降低，脆性增強(qiáng)，易于斷裂[6]。

2.3 剪切力隨位移的變化

根據(jù)需要選取直徑為10.01mm，含水率為60.32%為試驗樣本，在萬能試驗機(jī)上記錄下位移與剪切力的行走軌跡。葡萄枝剪切力隨位移變化如圖4所示。

圖4 位移—剪切力曲線

由圖4可知，隨著位移的增大，剪切力逐漸增大，當(dāng)位移為19 mm時，剪切力最大為93 N，剪切力達(dá)到最大值之后，枝條抵抗力迅速降低，直至被剪斷[8]。

3 結(jié)論

（1）葡萄枝峰值剪切力與直徑呈線性正相關(guān)關(guān)系。

（2）在一定范圍內(nèi)，葡萄枝峰值剪切力與含水率的關(guān)系是先增大后減小。

（3）葡萄枝剪切力隨剪切位移的增加有先增大后減小的趨勢。