紅花的力學(xué)特性測(cè)定與分析

王曉華　李景彬　坎雜等

摘要：利用TY8000-50N 500N單柱液晶屏顯材料試驗(yàn)機(jī)，選取新疆紅花1號(hào)為研究對(duì)象，以紅花直徑、紅花含水率、花托直徑這3個(gè)指標(biāo)作為紅花力學(xué)特性的影響因素，以抗拉力指標(biāo)作為反映紅花力學(xué)特性的響應(yīng)指標(biāo)，對(duì)紅花植株力學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明：紅花與花托、花托與花梗、花梗自身3個(gè)不同位置之間的抗拉力分布有顯著的差異。紅花直徑對(duì)紅花與花托之間的抗拉力影響不顯著；花托直徑、紅花含水率對(duì)紅花與花托之間的抗拉力影響顯著。紅花與花托之間的抗拉力模型可采用y=6.790+0.824x1+0.111x2來(lái)表達(dá)。

關(guān)鍵詞：紅花；力學(xué)特性；花托；花梗；抗拉力

中圖分類號(hào)： S567.21+9.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）03-0352-03

紅花為菊科1年生草本雙子葉植物，是一種集藥材、飼料、染料、油料為一體的經(jīng)濟(jì)作物，以花入藥，具有活血通經(jīng)、散瘀止痛之功效[1-4]。在我國(guó)，紅花栽培歷史悠久，至今已有2 100多年的歷史[5]。新疆維吾爾自治區(qū)是我國(guó)紅花的最大產(chǎn)區(qū)，常年的種植面積為2.0萬(wàn)～27萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá) 2.7萬(wàn)～3.6萬(wàn)t[6]。目前紅花依賴人工采收，極大地限制了紅花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。紅花植株的力學(xué)特性是研究、設(shè)計(jì)紅花機(jī)械化收獲設(shè)備的基礎(chǔ)，目前針對(duì)紅花力學(xué)特性的研究鮮見報(bào)道。本研究采用TY8000-50N 500N單柱液晶屏顯材料試驗(yàn)機(jī)，以新疆廣泛種植的新疆紅花1號(hào)為研究對(duì)象，對(duì)紅花植株的的力學(xué)特性進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)定，旨在為設(shè)計(jì)研發(fā)紅花機(jī)械化收獲設(shè)備提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新疆紅花1號(hào)（花蕾開放后第3天）取自石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)田，自然狀態(tài)下沿主莖稈刈割，盡量避免對(duì)紅花、莖稈造成機(jī)械損傷，剔除枯萎、有病蟲害的植株，共取樣200株，分為10組，每組20株。試樣采集完畢后立即送回實(shí)驗(yàn)室，置于GXZ智能型光照培養(yǎng)箱（浙江寧波江南儀器廠）內(nèi)4 ℃下保存[7-9]。紅花各部分名稱見圖1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用TY8000-50N 500N單柱液晶屏顯材料試驗(yàn)機(jī)（江蘇天源試驗(yàn)設(shè)備有限公司）可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示變形值、載荷值、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、加載速度等結(jié)果，試驗(yàn)完成后，打印出完整的試驗(yàn)曲線、試驗(yàn)報(bào)告。本機(jī)有2個(gè)傳感器，分別為50、500 N，力傳感器、位移傳感器精度分別為±1%。采用游標(biāo)卡尺（青海量具刃具公司，精度0.02 mm）測(cè)量直徑，采用MA45電子精密天平（賽多利斯MA系列）測(cè)量含水率。

1.3 方法

1.3.1 直徑、含水率測(cè)定

根據(jù)GB/T 24887—2010《植物新品種特異性、一致性、穩(wěn)定性測(cè)試指南》規(guī)定的方法測(cè)定紅花直徑，選取最大、最小2個(gè)方向進(jìn)行測(cè)定，取其平均值作為紅花直徑。根據(jù)GB/T 1931—2009 《木材含水率測(cè)定方法》規(guī)定的方法，采用MA45電子精密天平在100 ℃、5 mg/24 s條件下測(cè)定紅花含水率。

1.3.2 抗拉試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 1040.1—2006 《塑料 拉伸性能的測(cè)定》規(guī)定的方法[10-11]，采用單柱液晶屏顯材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)環(huán)境溫度、空氣相對(duì)濕度分別為28 ℃、70%，選用 50 N 傳感器測(cè)定紅花與花托的抗拉力，選用500 N傳感器測(cè)定其他試樣的抗拉力。為了防止試樣在夾具里滑移，試樣兩端用剪好的寬約10 mm、有柔性的紙纏緊，再在柔性紙的外面滴少量液體膠，瞬間干硬后，將試樣的兩端裝卡到試驗(yàn)機(jī)上下夾頭的中間部位，保持試樣與水平面垂直。通過光電編碼器傳遞位移，采用載荷傳感器傳遞載荷值，測(cè)出試樣被拉斷時(shí)的最大載荷，將試樣的有關(guān)參量輸入計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)顯示應(yīng)力-應(yīng)變曲線。拉伸速度不宜過大，否則結(jié)果數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較大偏差[12-13]。本試驗(yàn)采用了60 mm/min速度施加拉應(yīng)力。不同直徑的樣本形態(tài)保持一致。隨著載荷的不斷增加，當(dāng)斷裂處不在試樣兩端時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果有效（圖2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)描述分析

從表1可知，紅花直徑為32.27～52.77 mm，最小值與最大值相差20.50 mm，紅花直徑以42.55 mm為基準(zhǔn)上下浮動(dòng)；花托直徑為16.29～24.67 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.62 mm，說(shuō)明其集中趨勢(shì)較好；紅花含水率均值為68.891%；紅花與花托之間的抗拉力、花托與花梗之間的抗拉力、花梗自身的抗拉力均值分別為15.735、61.451、98.584 N，差異明顯，隨著位置改變，抗拉力平均值明顯升高；紅花與花托之間的抗拉力、花托與花梗之間的抗拉力、花梗自身的抗拉力變異系數(shù)依次為23.490%、18.640%、19.620%，較為接近。這為紅花花絲采收機(jī)械選取采摘終端尺寸、形狀等技術(shù)參數(shù)提供了理論依據(jù)。

2.2 各抗拉力之間的關(guān)系

由表2可知，紅花與花托、花托與果柄、花梗自身3個(gè)位置對(duì)應(yīng)的抗拉力平均秩分別為100.50、308.36、492.64，平均秩依次升高，說(shuō)明3個(gè)總體分布存在顯著差異；卡方統(tǒng)計(jì)量值為512.343，近似概率P值接近0，小于指定的顯著水平α=0.01，從而拒絕多獨(dú)立總體分布無(wú)顯著差異的原假設(shè)，認(rèn)為多獨(dú)立樣本的總體分布有顯著差異，即3個(gè)不同位置的抗拉力分布有顯著差異[14-15]。由圖3可知，紅花與花托之間的抗拉力最為穩(wěn)定，說(shuō)明設(shè)計(jì)紅花采收機(jī)械時(shí)使紅花與花托分離的抗拉力相對(duì)穩(wěn)定；花托與花梗之間的抗拉力為波浪形，波動(dòng)幅度比較大，整體分布上大于紅花與花托之間的抗拉力且小于花梗自身的抗拉力；花梗自身抗拉力波動(dòng)幅度最大。由此可知，如果使用風(fēng)力手段使紅花與花托分離，不會(huì)破壞花托、花梗。紅花與花托、花托與花梗、花梗自身3個(gè)不同位置之間的抗拉力分布有顯著差異，且3個(gè)總體的抗拉力總體分布依次增大，說(shuō)明位置對(duì)抗拉力有顯著影響。endprint

2.3 不同影響因素對(duì)紅花與花托之間抗拉力的影響

由表3可以看出，紅花直徑對(duì)紅花與花托之間的抗拉力影響表現(xiàn)不顯著（P=0.593>0.05）?；ㄍ兄睆綄?duì)紅花與花托之間的抗拉力的影響顯著（P<0.01），這是由于隨著花托直徑的增加，花托與花梗連接處直徑相應(yīng)增大，纖維素強(qiáng)度增加，因此提高了紅花與花托之間的抗拉力；紅花含水率對(duì)紅花與花托之間抗拉力的影響顯著（P<0.01）。

2.4 抗拉力模型預(yù)測(cè)

為了對(duì)紅花與花托之間的抗拉力進(jìn)行預(yù)測(cè)，將花托直徑（x1，mm）、紅花含水率（x2，%）與紅花與花托之間的抗拉力（y，N）進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果表明多元線性函數(shù)具有較好的擬合優(yōu)度，擬合方程為y=6790+0.824x1+0.111x2，校正可決系數(shù)為0.75（P<0.01）。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，紅花與花托、花托與花梗、花梗自身3個(gè)不同位置的抗拉力分布有顯著差異，說(shuō)明位置對(duì)抗拉力影響顯著。紅花直徑對(duì)紅花與花托之間的抗拉力影響不顯著；花托直徑對(duì)紅花與花托之間的抗拉力影響顯著；紅花含水率對(duì)紅花與花托之間的抗拉力影響顯著。對(duì)花托直徑（x1，mm）、紅花含水率（x2，%）與紅花與花托之間的抗拉力（y，N）進(jìn)行擬合，得到多元線性方程y=6.790+0824x1+0.111x2，校正可決系數(shù)為0.75（P<0.01）。影響抗拉力的因素很多，如纖維素含量、木質(zhì)素含量、纖維素的排列及結(jié)構(gòu)方式、拉伸速度等。筆者重點(diǎn)研究了3個(gè)不同位置的抗拉力自身之間的關(guān)系及與影響因素之間的關(guān)系，但由于抗拉力在實(shí)際外界動(dòng)態(tài)因素（如拉伸速率）作用下的復(fù)雜性，還需要對(duì)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

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