红花的力学特性测定与分析

王晓华　李景彬　坎杂等

摘要：利用TY8000-50N 500N单柱液晶屏显材料试验机，选取新疆红花1号为研究对象，以红花直径、红花含水率、花托直径这3个指标作为红花力学特性的影响因素，以抗拉力指标作为反映红花力学特性的响应指标，对红花植株力学特性进行了测定。结果表明：红花与花托、花托与花梗、花梗自身3个不同位置之间的抗拉力分布有显著的差异。红花直径对红花与花托之间的抗拉力影响不显著；花托直径、红花含水率对红花与花托之间的抗拉力影响显著。红花与花托之间的抗拉力模型可采用y=6.790+0.824x1+0.111x2来表达。

关键词：红花；力学特性；花托；花梗；抗拉力

中图分类号： S567.21+9.01 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）03-0352-03

红花为菊科1年生草本双子叶植物，是一种集药材、饲料、染料、油料为一体的经济作物，以花入药，具有活血通经、散瘀止痛之功效[1-4]。在我国，红花栽培历史悠久，至今已有2 100多年的历史[5]。新疆维吾尔自治区是我国红花的最大产区，常年的种植面积为2.0万～27万hm2，总产量达 2.7万～3.6万t[6]。目前红花依赖人工采收，极大地限制了红花产业的发展。红花植株的力学特性是研究、设计红花机械化收获设备的基础，目前针对红花力学特性的研究鲜见报道。本研究采用TY8000-50N 500N单柱液晶屏显材料试验机，以新疆广泛种植的新疆红花1号为研究对象，对红花植株的的力学特性进行拉伸试验测定，旨在为设计研发红花机械化收获设备提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

新疆红花1号（花蕾开放后第3天）取自石河子大学农学院试验田，自然状态下沿主茎秆刈割，尽量避免对红花、茎秆造成机械损伤，剔除枯萎、有病虫害的植株，共取样200株，分为10组，每组20株。试样采集完毕后立即送回实验室，置于GXZ智能型光照培养箱（浙江宁波江南仪器厂）内4 ℃下保存[7-9]。红花各部分名称见图1。

1.2 试验设备

采用TY8000-50N 500N单柱液晶屏显材料试验机（江苏天源试验设备有限公司）可实时动态显示变形值、载荷值、应力-应变曲线、加载速度等结果，试验完成后，打印出完整的试验曲线、试验报告。本机有2个传感器，分别为50、500 N，力传感器、位移传感器精度分别为±1%。采用游标卡尺（青海量具刃具公司，精度0.02 mm）测量直径，采用MA45电子精密天平（赛多利斯MA系列）测量含水率。

1.3 方法

1.3.1 直径、含水率测定

根据GB/T 24887—2010《植物新品种特异性、一致性、稳定性测试指南》规定的方法测定红花直径，选取最大、最小2个方向进行测定，取其平均值作为红花直径。根据GB/T 1931—2009 《木材含水率测定方法》规定的方法，采用MA45电子精密天平在100 ℃、5 mg/24 s条件下测定红花含水率。

1.3.2 抗拉试验

根据GB/T 1040.1—2006 《塑料 拉伸性能的测定》规定的方法[10-11]，采用单柱液晶屏显材料试验机，试验环境温度、空气相对湿度分别为28 ℃、70%，选用 50 N 传感器测定红花与花托的抗拉力，选用500 N传感器测定其他试样的抗拉力。为了防止试样在夹具里滑移，试样两端用剪好的宽约10 mm、有柔性的纸缠紧，再在柔性纸的外面滴少量液体胶，瞬间干硬后，将试样的两端装卡到试验机上下夹头的中间部位，保持试样与水平面垂直。通过光电编码器传递位移，采用载荷传感器传递载荷值，测出试样被拉断时的最大载荷，将试样的有关参量输入计算机，实时显示应力-应变曲线。拉伸速度不宜过大，否则结果数据会出现较大偏差[12-13]。本试验采用了60 mm/min速度施加拉应力。不同直径的样本形态保持一致。随着载荷的不断增加，当断裂处不在试样两端时，试验结果有效（图2）。

2 结果与分析

2.1 试验数据描述分析

从表1可知，红花直径为32.27～52.77 mm，最小值与最大值相差20.50 mm，红花直径以42.55 mm为基准上下浮动；花托直径为16.29～24.67 mm，标准差为1.62 mm，说明其集中趋势较好；红花含水率均值为68.891%；红花与花托之间的抗拉力、花托与花梗之间的抗拉力、花梗自身的抗拉力均值分别为15.735、61.451、98.584 N，差异明显，随着位置改变，抗拉力平均值明显升高；红花与花托之间的抗拉力、花托与花梗之间的抗拉力、花梗自身的抗拉力变异系数依次为23.490%、18.640%、19.620%，较为接近。这为红花花丝采收机械选取采摘终端尺寸、形状等技术参数提供了理论依据。

2.2 各抗拉力之间的关系

由表2可知，红花与花托、花托与果柄、花梗自身3个位置对应的抗拉力平均秩分别为100.50、308.36、492.64，平均秩依次升高，说明3个总体分布存在显著差异；卡方统计量值为512.343，近似概率P值接近0，小于指定的显著水平α=0.01，从而拒绝多独立总体分布无显著差异的原假设，认为多独立样本的总体分布有显著差异，即3个不同位置的抗拉力分布有显著差异[14-15]。由图3可知，红花与花托之间的抗拉力最为稳定，说明设计红花采收机械时使红花与花托分离的抗拉力相对稳定；花托与花梗之间的抗拉力为波浪形，波动幅度比较大，整体分布上大于红花与花托之间的抗拉力且小于花梗自身的抗拉力；花梗自身抗拉力波动幅度最大。由此可知，如果使用风力手段使红花与花托分离，不会破坏花托、花梗。红花与花托、花托与花梗、花梗自身3个不同位置之间的抗拉力分布有显著差异，且3个总体的抗拉力总体分布依次增大，说明位置对抗拉力有显著影响。endprint

2.3 不同影响因素对红花与花托之间抗拉力的影响

由表3可以看出，红花直径对红花与花托之间的抗拉力影响表现不显著（P=0.593>0.05）。花托直径对红花与花托之间的抗拉力的影响显著（P<0.01），这是由于随着花托直径的增加，花托与花梗连接处直径相应增大，纤维素强度增加，因此提高了红花与花托之间的抗拉力；红花含水率对红花与花托之间抗拉力的影响显著（P<0.01）。

2.4 抗拉力模型预测

为了对红花与花托之间的抗拉力进行预测，将花托直径（x1，mm）、红花含水率（x2，%）与红花与花托之间的抗拉力（y，N）进行拟合，拟合结果表明多元线性函数具有较好的拟合优度，拟合方程为y=6790+0.824x1+0.111x2，校正可决系数为0.75（P<0.01）。

3 结论

本研究结果表明，红花与花托、花托与花梗、花梗自身3个不同位置的抗拉力分布有显著差异，说明位置对抗拉力影响显著。红花直径对红花与花托之间的抗拉力影响不显著；花托直径对红花与花托之间的抗拉力影响显著；红花含水率对红花与花托之间的抗拉力影响显著。对花托直径（x1，mm）、红花含水率（x2，%）与红花与花托之间的抗拉力（y，N）进行拟合，得到多元线性方程y=6.790+0824x1+0.111x2，校正可决系数为0.75（P<0.01）。影响抗拉力的因素很多，如纤维素含量、木质素含量、纤维素的排列及结构方式、拉伸速度等。笔者重点研究了3个不同位置的抗拉力自身之间的关系及与影响因素之间的关系，但由于抗拉力在实际外界动态因素（如拉伸速率）作用下的复杂性，还需要对动态特性指标进行测定。

参考文献：

[1]任水莲，王 健，王晓梅，等. 新疆红花生育气候条件分析与适生种植气候区划[J]. 中国农业气象，2005，26（2）：119-122.

[2]刘 超，王 林，赵小磊，等. 不同种植密度对红花产量和品质的影响[J]. 河南中医学院学报，2006，21（4）：17-18.

[3]刘金欣，郭 徵，李 耿，等. 新疆地区药用红花的高光谱特征研究[J]. 中国中药杂志，2013，38（9）：1335-1339.

[4]田 兰，吴桂荣，王 岩. 新疆塔城地区额敏县红花的品质研究[J]. 中国药业，2007，16（1）：5-7.

[5]于美玲，邓传良，高武军，等. 红花研究进展概述[J]. 生物学教学，2009，34（11）：3-4.

[6]王果平，帕丽达，李晓瑾，等. 药用植物红花新疆产地适应性数值分析[J]. 中国民族民间医药，2010，19（23）：49-50.

[7]周铁梅，翟晓茹，刘永江，等. 新疆裕民华卫红花GAP基地红花采收时间的研究[J]. 安徽农业科学，2013，41（10）：4316-4317，4333.[HJ1.4mm]

[8]赵春花，张锋伟，曹致中. 豆禾牧草茎秆的力学特性试验[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：122-126.

[9]吴良军，杨 洲，洪添胜，等. 荔枝树枝力学特性的试验研究[J]. 农业工程学报，2012，28（16）：68-73.

[10]赵春花，韩正晟，师尚礼，等. 新育牧草茎秆收获期力学特性与显微结构[J]. 农业工程学报，2011，27（8）：179-183.

[11]郭维俊，王芬娥，黄高宝，等. 小麦茎秆力学性能与化学组分试验[J]. 农业机械学报，2009，40（2）：110-114.

[12]马洪顺，张忠君，曹龙奎.薇菜类蔬菜生物力学性质试验研究[J]. 农业工程学报，2004，20（5）：74-77.

[13]王萍花，陈丽华，冀晓东，等. 白桦根系力学特性的定量研究[J]. 水土保持通报，2011，31（4）：154-158.

[14]苏工兵，刘俭英，王树才，等. 苎麻茎秆木质部力学性能试验[J]. 农业机械学报，2007，38（5）：62-65.

[15]夏怡凡. SPSS统计分析精要与实例详解[M]. 北京：电子工业出版社，2010.endprint