果园防冰雹网产品研究与开发

李世雄　孙凯飞　樊争科　陈忠涛　武高辉

摘要    针对防冰雹网的性能要求，对防冰雹网的材料、结构设计以及耐冲击强度等进行分析，开发出具有抗老化、抗紫外线、结构稳定、耐冰雹冲击强度高的防冰雹网。对冰雹的落地末速度、落地动能及冰雹与防冰雹网间的作用力进行计算，设计的农用防冰雹网完全能够满足冰雹灾害的防护要求。

关键词    冰雹灾害;防冰雹网;聚乙烯;结构设计;强度测试

中图分类号    S427;TP273        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）24-0125-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

冰雹天气是我国北方夏季常见的一种灾害性天气，果树受灾后，枝叶、果实被击成千疮百孔，轻则削弱树势，造成减产，降低果品质量;重则打落果实，当年没有收成，直接影响树体生长发育和花芽分化，造成树势衰弱，导致翌年腐烂病大面积发生，危害极大[1-3]。对防冰雹网使用环境进行分析，应满足以下性能要求。①抗冲击性。当冰雹网落到网面上，经撞击后能够被拦截住或缓冲后落下，能够充分减少冰雹的冲击力，具有良好的机械强度。②结构的稳定性。网面结构要稳定，使用过程中不产生相对滑移和变形。③透光性。能够透过足够的可见光，在架设防冰雹网后，不影响果树农作物的采光效果和自然生长。④耐老化性。能够经得住风吹雨打日晒，不易脆化、断裂，抗紫外线，化学性能稳定，使用寿命长。针对防冰雹网的性能要求，从原料选择、编织方式、结构设计等方面进行分析，研制开发出具有优良防护性能的防冰雹网。

1    原材料选择

目前，市场上的防冰雹网产品质量参差不齐、价格相距甚远。防雹网在选择时，一方面应考虑到防冰雹网的强度和使用寿命，另一方面要求在使用过程当中，性质稳定，不污染果树、果实及环境土壤，符合绿色环保要求。结合产品的性能要求，选用聚乙烯分子材料为基础材料，添加高效的抗老化剂，使材料具有抗氧化和抗紫外线功能，增加防冰雹网产品的使用寿命[4]。

1.1    聚乙烯的物理性能

聚乙烯材料密度为0.940～0.960 g/cm3，维卡软化点为125～135 ℃，燃点为340 ℃，拉伸屈服强度>23 MPa，脆化溫度<-70 ℃。

1.2    聚乙烯的化学性质

聚乙烯系半晶性的饱和碳氢化合物，以乙烯为单体经聚合反应制得的聚合物。化学性质十分稳定，能耐酸、耐碱、耐各种化学腐蚀，具有较好的耐溶性、耐蒸汽渗透性和耐环境应力开裂性，聚乙烯无毒，可作食品用包装材料。

1.3    化学稳定性能测试

对聚乙烯材料按照《食品安全国家标准  食品接触用塑料材料及制品》（GB 4806.7—2016）进行测试。各项指标均符合国家标准，聚乙烯材料产品在使用过程中性质稳定，不污染果树、果实及环境土壤，符合绿色环保要求。

2    防冰雹网设计

2.1    结构设计

2.1.1    编织方式。根据产品的性能要求，为了保证网本身具有优异的防护效果及网面结构的持续稳定性，采取的组织结构设计有3种形式：①平纹机织物;②纱罗组织平织织物;③经编网眼织物。具体如表1所示。

通过对以上3种形式进行对比分析，平纹机织物在编织过程中很容易产生相对滑移，且平纹机织物结构较为紧密，虽然具有良好的防护效果，但会影响植物采光，因而不宜选用此种编织方式。由于材料横截面类似于圆形，且较为光洁，最终选用纱罗组织平织织物和经编网眼织物的组织结构进行编织。

2.1.2    网孔结构。采用不同的编织方式可以编织不同的网孔结构。其中：纱罗组织平织织物是由绞经和地经采用1∶1与纬纱进行织造，根据经向和纬向密度可以织造不同大小的矩形网孔结构织物，见图1（a），纱罗组织平织织物由于绞经的存在使得织物结构相较于相同密度的平纹织物稳定。

经编网眼织物是由相邻的线圈纵行在局部失去联系，从而在经编织物上形成一定形状的网眼，这种组织称为网眼经编组织。网眼的形状有三角形、正方形、长方形、菱形等，见图1（b）（c）（d）。通过网眼的分布可呈现方格、菱形、横条、直条等花纹效应。经编织物相较于平纹织物和纱罗组织平织织物，由于采用线圈相互串套，沿着织物横向和纵向延伸性和回弹性好。

在实际使用过程中，果农可以根据自己的果园地形形状、大小选择不同规格及幅宽的农用防冰雹网，以达到最佳的防护效果。

2.2    耐冲击强度

根据灾区冰雹的大小，并结合造成的灾害程度，考虑到果树生长的光照条件，兼顾农用防冰雹网搭建的轻便性、实用性，既能对冰雹起到良好的拦截和缓冲作用，又不影响农作物正常生长。因此，从冰雹的落地能量、速度以及作用力方面分析农用防冰雹网的耐冲击强度。

由于冰雹的形状、大小以及表面光滑度的不同，其下落末速度也不同，所以必须根据不同形状的冰雹，使用不同的下落末速度公式计算落地冰雹动能。冰雹的几种常见类型主要有球形、椭圆形、锥形、圆盘形，本文以光滑圆球形的冰雹为例，探讨冰雹下落末速度的近似公式。

2.2.1    冰雹的落地末速度。

（1）冰雹粒子受力分析。冰雹粒子在静止空气中自由下落时，作用在粒子上的力有重力、阻力和浮力。在开始一段时间里，重力大于阻力和浮力，粒子作加速度运动。由于阻力（F）与粒子的运动速度（V）有关，当阻力增大到与重力（浮力太小，可忽略）平衡时，粒子不再作加速度运动，粒子的下落速度即达到一个恒定的速度，这个速度称为冰雹下落末速度或称为末速度。

（2）冰雹的末速度。如式（1）所示。根据阻力系数（Cd）与雷诺数（Re）的试验曲线，冰雹直径在0.5～5.0 cm之间时，雷诺数（Re）≈4.0×103～4.0×105，Cd=0.41D0.185。

2.2.3    落地冰雹与防冰雹网间的作用力。从高空下落的冰雹在接触到防冰雹网后，受到缓冲和拦截。高速下落的冰雹撞到网面后，得到持续缓冲和反弹作用，网面吸收和转化了其落地動能而静止。假如，一个直径2.0 cm的冰雹高速下落，网面给其以10 cm左右距离的缓冲，依照E=F·S公式概算，那么持续作用在网上的平均作用力应在7.0 N左右。当然，冰雹与防冰雹网之间的作用力比较复杂，冰雹触网后，可能会发生滑动、滚动、跳跃等运动，最终因受阻而停止。

2.2.4    防冰雹网实测数据与理论对比分析。对菱形网、长方形网、方格网以及矩形网按照《织品 织物拉伸性能 第1部分 断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》（GB/T 3923.1—2013）分别进行了强度试验测试，测试结果见表4。

对设计的农用防冰雹网产品的强度进行实验测试，其断裂强力均>65 N，断裂功均>3.0 J，能够满足理论计算中的强度数值要求。经过对近几年来的雹灾区的情况分析，绝大多数冰雹直径为0.1～2.0 cm，1.0 cm左右的冰雹较为普遍。因此，该农用防冰雹网产品设计强度指标完全能够满足对冰雹灾害的防护要求而达到显著的防护效果。

3    结语

（1）采用聚乙烯材料生产的防冰雹网具有抗紫外线和抗老化性能，采用不同的编织方式可以编织出不同结构的防冰雹网。试验研究表明，防冰雹网具有结构稳定、耐冰雹冲击强度高的特点，能够满足果园使用要求。

（2）为使得防冰雹网具有优异的防护效果和稳定的网面结构，建议采用纱罗组织编织的矩形网孔结构和经编网眼结构，在实际使用过程中，果农可以根据自己的果园地形、形状、大小选择不同规格及幅宽的农用防冰雹网，以达到最佳的防护效果。

（3）通过对直径为2.0 cm的冰雹落地末速度和动能进行计算，落地冰雹作用在防冰雹网上的平均作用力为7 N，经过对设计的农用防冰雹网产品的强度试验，完全满足对冰雹灾害的防护要求。

4    参考文献

[1] 慈志娟，田利光，陈浪波，等.果园防雹网简介[J].烟台果树，2018（4）：47.

[2] 赵新平，穆岩，李世雄，等.果园防雹网自动控制系统的设计与实践[J].现代农业科技，2019（4）：146-148.

[3] 安金海，雷延明，王建锋，等.苹果园防雹网架设技术试验简报[J].西北园艺（果树专刊），2004（3）：12-13.

[4] 张治安.矮砧密植苹果园防鸟防雹网搭建技术[J].河北果树，2018（5）：32-33.