茶叶茎秆剪切力特性

王 琪, 林恒矗, 廖 鹏, 万家明, 郑书河

(福建农林大学机电工程学院/福建省现代农业装备高校工程研究中心，福建 福州 350002)

我国是茶叶生产大国，茶叶生产作业包括耕作、植保、修剪、收获等，其中茶叶收获作业是茶叶生产最为重要的环节[1].茶叶采摘季节性强，采摘期短，需要大量集中用工，机械化采摘已成为茶叶发展的必然趋势[2-4].对茶叶茎秆力学特性以及茶叶茎秆随时间变化的相关规律进行研究，可为研发出采摘效果好、工作效率高的采茶机提供理论依据.目前国内外学者对苜蓿茎秆、棉花秸秆、大麦秸秆等植物茎秆的力学特性进行了大量研究[5-8],而对茶叶茎秆力学特性的研究较少见.目前生产中机采仍然使用往复切割式采茶机，虽有不同程度的改进，但非选择性的特点仍然存在[9].本文通过茶叶茎秆剪切试验，研究加载速度、节间位置对茶叶茎秆剪切特性的影响，旨在为采茶机的设计提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料于2021年7月10日采自福建农林大学茶学实践基地，测试样本为15年茶龄的水仙成熟期茶树.选取生长良好、茎秆通直、无病虫害的茶树新梢.

1.2 试验设备

试验主要设备为微机控制电子万能试验机(AG-Xplus，日本岛津公司产品)、DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱(上海贺德实验设备有限公司产品)、JJ124BF电子天平(精度0.000 1 g，郑州安晟科学仪器有限公司产品)和电子数显游标卡尺(精度0.01 mm).

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备 茶树新梢从嫩芽往下的节间依次定义为第1节间、第2节间、第3节间、第4节间、第5节间、茶叶老梗，如图1所示.由于第1、2节间过短、过细，且机采茶叶多为一芽两叶或一芽三叶，故只选择第3～5节间和老梗进行剪切试验.

图1 茶叶茎秆特征示意图 图2 剪切示意图Fig.1 Schematic diagram of typical tea stem Fig.2 Schematic diagram of cutting

1.3.2 几何尺寸测定 样品几何尺寸主要通过数显游标卡尺测定，选取不同节间茎秆测量节间距，选择每个节间的中心位置测量节间直径.

1.3.3 剪切试验 在样本中随机挑选直径大致相同的茶叶茎秆，分为4组，每组5株.每组剪切速度分别设定为20、30、40、50 mm·min-1，进行剪切试验，共计80个样本.剪切试验原理如图2所示，试样剪切受力示意图如图3所示.通过剪切试验生成不同节间、不同加载速度的载荷—位移曲线.每节茎秆选用5个样本的最大值的平均值作为最大载荷.

图3 试样受力示意图Fig.3 Force diagram of a sample

1.3.4 含水率的测定 剪切试验完成后收集剪断茎秆，利用DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱和电子分析天平，参照GB/T1931-2009[10]进行含水率测定.

2 结果与分析

2.1 茎秆几何尺寸及含水率的测定

对茶叶不同节间茎秆的长度和直径进行测量，测定结果如图4所示，其中第6节间数代表茶叶老梗.从图4可以看出，第3～5节间茶叶茎秆的直径和长度随着节间序号的增大而增大，老梗部位表现为短粗.茶叶茎秆的直径为1.82～3.87 mm，节间茎秆长度为27.36～50.65 mm.

图4 不同节间几何尺寸Fig.4 Geometric dimensions of different internode sections

不同节间茎秆含水率的测定结果如图5所示.从图5可知，第3～6节间茎秆含水率随着节间序号的增大而减小.其中，第3节间茎秆含水率最高，为86.417%；老梗含水率最低，为62.188%.

图5 不同节间茎秆含水率Fig.5 Moisture content of different internode sections

2.2 茶叶茎秆剪切试验曲线

通过剪切试验得到不同节间不同加载速度下的载荷—位移曲线(图6).

由图6可知，相同节间茎秆不同加载速度下的载荷—位移曲线规律并无明显变化.利用图6a中加载速度为20 mm·min-1下的载荷—位移曲线，分析茶树新梢茎秆在剪切过程中剪切力的变化规律.茶叶茎秆主要由表皮、皮层、维管束、髓部组成(图7)，其中维管束包括韧皮部、形成层和木质部[11].茶树茎秆剪切过程可分为3个阶段.第1阶段：刀具接触茎秆至茎秆维管束，载荷随着位移的增加逐渐增大.第2阶段：刀具剪切至茎秆髓部，载荷下降后继续上升.第3阶段：刀具作用于茎秆另一端的皮层和表皮，直至茎秆完全断裂.老梗在剪切过程中剪切力的变化如图6b所示，载荷位移变化趋势比较平稳，载荷随着位移的增加逐渐增大，直至茎秆被剪断.

图6 第3节间茎秆(a)和老梗(b)在不同加载速度下的载荷—位移曲线Fig.6 Load-displacement curve of the 3rd internode (a) and old stem (b) at different loading speeds

图7 茶叶茎秆截面图 图8 20 mm·min-1加载速率下不同节间的载荷—位移曲线Fig.7 Sectional view of tea stem Fig.8 Load-displacement curve of different internodes at loading rate of 20 mm·min-1

选取不同节间茎秆在加载速率为20 mm·min-1下的载荷—位移曲线(图8)，分析在相同加载速度下，不同节间茎秆的剪切载荷变化规律.结果表明：节间序号越大，剪断茎秆的剪切力越大；第3节间剪切力最小，老梗剪切力最大.这是因为不同节间位置的直径不同，纤维素含量及木质化程度也不同，越靠近根部其直径越大，木质化程度越高.

2.3 茶叶茎秆的抗剪强度

从剪切试验得到不同加载速率下不同节间的剪切破坏力和抗剪强度[12].不同加载速率对茶叶茎秆剪切破坏力和抗剪强度无显著影响，故对同一节间茎秆不同加载速率下的剪切力和抗剪强度取均值，结果如图9所示.由图9可知，随着节间序号的增大，茎秆剪切破坏力和剪切强度随之增大.第3节间茎秆的剪切力为4.352～5.128 N,均值为4.789 N；抗剪强度为0.585～0.741 MPa，均值为0.646 MPa.第4节间茎秆的剪切力为13.169～16.572 N,均值为14.390 N；抗剪强度为1.563～1.920 MPa，均值为1.691 MPa.第5节间茎秆的剪切力为18.720～21.709 N,均值20.723N；抗剪强度为1.975～2.247 MPa，均值为2.158 MPa.老梗的剪切力为84.125～95.992 N,均值95.727 N；抗剪强度为4.120～5.005 MPa，均值为4.579 MPa.

图9 不同节间茎秆的剪切破坏力和抗剪强度Fig.9 Shear force and shear strength of different internode sections

2.4 茶叶茎秆单位面积剪切能

从剪切试验可得到不同加载速率下，不同节间位置的茶叶茎秆单位面积剪切能[13]，结果如图10所示.茶叶茎秆第3节间、第4节间、第5节间的单位面积剪切能较小，呈依次递增趋势，分别为2.275～3.062 mJ·mm-2、6.008～6.882 mJ·mm-2、8.683～10.007 mJ·mm-2.老梗的单位面积剪切能显著高于其他节间，为16.961～20.863 mJ·mm-2.分别对不同加载速度、不同节间序号的茶叶茎秆单位面积剪切能进行方差分析，结果如表1所示.结果表明：同一节间序号，加载速率对单位面积剪切能无显著影响(P>0.05),节间序号对单位面积剪切能的影响极为显著.

图10 不同加载速率下不同节间茎秆的单位面积剪切能Fig.10 Shear energy of different internode sections under different loading rates

表1 茶叶茎秆单位面积剪切能的方差分析Table 1 Analysis of variance on shear energy of tea stem

3 小结与讨论

本文通过茶叶茎秆的剪切试验，分析了茶叶茎秆在剪切过程中载荷—位移的变化规律，结果表明相同节间、不同加载速度对载荷—位移规律无显著影响.在同一加载速度下，剪切破坏力随着节间序号的增大而增大，这是因为不同节间茎秆的各组织结构的含量不同，这与赵玉清等[14]对青贮玉米秸秆剪切力学性能的测试结果一致.采用不同加载速率、不同节间茎秆来研究加载速率和节间位置对抗剪强度和剪切能的影响.剪切试验结果表明：不同加载速率对茶叶茎秆剪切破坏力和抗剪强度无显著影响，不同节间茎秆的抗剪强度和单位面积剪切能差异显著.这与李小城等[12]对小麦茎秆剪切力学性能测试的结果基本一致.