苹果枝条剪切力学特性研究

蔡文龙 周艳 贾首星 韩会敏

摘要以新疆农垦科学院试验田的苹果枝条作为试验材料，15mm/min的加载速度，在万能试验机上对3个批次苹果枝条试样进行剪切力学特性分析。对不同直径、含水率的苹果枝条进行剪切力学特性试验。结果表明：峰值剪切力随直径的增大而增大，影响苹果枝条破坏载荷的关键因素在于直径的大小。苹果试样的峰值剪切力随含水率先增加后减小，并且随着剪切位移的变化趋势也是先增大后减小，在剪切位移大于19mm时，试样基本断裂，剪切力逐渐减小。

关键词苹果枝条;剪切;力学性能

中图分类号S224文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）01-0221-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.065

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

我国是世界第一大果品生产国，其中苹果的栽培模式深受日本精细化管理的影响，如套袋、转果、摘叶、铺反光膜等，这些技术的采用虽然提高了果品外观，却耗费了大量人工，目前果树管理用工严重短缺，人工费用不断上涨。从世界果树产业发展的趋势来看，省力化栽培是未来苹果业发展的潮流。苹果枝条的整形修剪是关键因素[1]，每年要剪掉衰老枝或者背下枝。合理的整形修剪是提高苹果产量的重要举措，这就必然离不开苹果枝条剪切力学特性的研究[2]。

1试验材料、设备与方法

1.1试验材料

试验样本为苹果枝条，如图1所示，取自新疆石河子市新疆农垦科学院果树示范田，试样采集于苹果收获后，总共分为3个批次，时间分别为2018年5月20日、6月18日、7月2日。每个批次抽取植株7个，试样直径为5～15mm，长度为100mm，编号批次如表1。试样采取随机取样，选取新鲜、无病虫害、生长旺盛的苹果枝条，并且茎杆通直，没有弯曲和破损的痕迹。手工去掉叶子和侧枝，放入真空袋中并放回实验室，在通风良好的环境中保存，等待试验[3]。分别测量3批试样直径，结果如表2所示。

1.2试验设备

试验设备主要有：万能试验机、电子秤（测量精度0.0001g，JY/YP30002上海越平科学仪器有限公司）、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）手锯、游标卡尺、培养皿等。

图1苹果枝条试样

Fig.1Samplesofapplebranches

1.3试验方法

用手锯分别锯下所要的3批试验样本，用游标卡尺测量试样枝条的直径，多次测量后取平均值。该次试验按GB1937—1991的规定进行，将测量好的试验样本放到万能试验机上，如图2所示，使夹具夹块的中心对准万能试验机压头中心位置，试验机以15mm/min匀速加载荷，在2min以内使样本破坏，然后记录下峰值剪切力和剪切强度，并观察变化趋势。枝条含水率的测定在电热鼓风干燥箱内进行，如图3所示，采用烘干法测定含水率[4]。将苹果枝条放入干燥箱内保持105℃，24h以后取出样本进行称重。

并每隔1h称重1次，直到2次称重相差小于0.001g，这时可以认定苹果枝条达到全干。然后计算含水率，苹果含水率计算公式如下：

w=m1-m0m0×100%

式中，w为苹果试样含水率（%）;

m1为苹果试样试验时的质量（g）;

m0为苹果试样全干时的质量（g）。

2结果与分析

2.1峰值剪切力随直径的变化

苹果试样的峰值剪切力随直径变化的试验结果如表3、图4所示。

由图4可知，该样本的峰值剪切力随直径的增大而增大。因此，峰值剪切力与样本直径呈线性正相关[5]。

2.2剪切力随含水率的变化

对苹果试样3批的含水率进行计算，结果如表3所示。苹果试样峰值剪切力随含水率变化如图5所示。

由图5可知，苹果试样的峰值剪切力随含水率的增大先增大后减小，在含水率小于51%时，苹果试样呈塑性材料，当含水率大于51%时，苹果试样呈脆性材料[6-8]。

2.3苹果试样剪切力随位移的变化

苹果试样剪切力随位移变化曲线如图6所示，结果表明，该样本在位移为19mm时，存在峰值剪切力，峰值剪切力为510N，当位移大于19mm时，苹果枝条基本断裂，并且随位移的增大而减小[9]。

3结论

（1）随苹果枝条直径的增加，峰值剪切力逐渐增大，并且影响苹果枝条峰值剪切力的关键因素是直径的大小。

（2）苹果枝条样本直径与峰值剪切力呈线性正相关关系。

（3）峰值剪切力随位移的增大而增大，当位移大于19mm时，该样本剪切力随位移的增大而减小。

47卷1期蔡文龍等苹果枝条剪切力学特性研究

参考文献

[1]杨庆山.苹果优质丰产关键技术[M].北京：中国农业出版社，1997：179.

[2]沈美荣，罗佩珍，林素元.果园机械[M].上海：上海科学技术出版社，1983：1-234.

[3]殷亚方，任海青，骆秀琴，等.木材物理力学试材采集方法：GB/T1927—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4]国家技术监督局.木材物理力学试验方法：GB1927-1943—91[S].北京：中国标准出版社，1991.

[5]北京农业工程大学.农业机械学（下）[M].北京：中国农业出版社，1999.

[6]沈茂，张国忠，夏俊芳，等.收获期棉秆底部茎秆力学特性测试研究[J].山西农业大学学报（自然科学版），2010，30（1）：49-51.

[7]杜现军，李玉道，颜世涛，等.棉秆力学性能试验[J].农业机械学报，2011，42（4）：87-91.

[8]李景彬，葛云，朱江丽，等.棉秆切割性能的试验研究[J].甘肃农业大学学报，2011，46（1）：136-139.

[9]丁龙朋，陈永成，葛云，等.棉秆剪切力学特性的研究[J].中国农机化学报，2016，37（2）：116-118，122.