果树枝条力学特性对比

张 莉，李 震，刘京蕊，李传友，滕 飞，熊 波，高 娇，李志强

（北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079）

0 引言

2019 年我国产生林业废弃物约3.1 亿t，相当于1.8 亿t 标准煤[1-2]。果林产业是我国农业生产体系的重要组成部分，在满足市民生活需求的同时，也是农民增收致富的主要途径。近年来，果园面积增长迅速，由1978 年的165.7 万hm2增加 至2020 年的1 264.63 万hm2[2]。

生态林和经济林都需要进行一定的修剪，尤其是果林，年平均修剪量3 750 kg/hm2，修剪量随树种、树龄、种植方式和管理方式等变化差异较大，因果树更新或老旧果园改造而产生的残枝量将远大于7 500 kg/hm2[1,3-4]。随着果园面积的快速增长，修剪后的果树枝条也逐年快速增加累积，由于不易捆绑和封装，运输较为困难，大量残枝堆积易造成果树病虫害的传播，不仅影响环境也极易造成火灾等安全问题。将果树枝条粉碎后运输可以提升效率、降低成本，并有利于进一步资源化利用，能够有效解决困扰果农的果林残枝出路难题[5]。

果树残枝利用方式主要有以下几种。一是作为燃料直接燃烧，但是由于近年来农村生活能源结构的调整，导致大量的果林残枝累积，在农田或农村随处堆放，既影响乡村生态环境，也造成较大的防火安全风险[3,6-7]。二是通过粉碎机粉碎后，可进行肥料化、基质化、材料化等多种方式的高效利用。肥料化利用是将枝条粉碎成小颗粒物料，再加入粪便、菌剂等促进木屑进一步升温腐熟，经好氧发酵得到有机肥料，能够增加土壤有机质，改善土壤结构，提高保墒蓄水能力[8-10]。基质化利用是将枝条粉碎杀菌发酵后，接种所需菌种，然后用于栽培食用菌或粉碎后用作加工园艺栽培基质。材料化利用是将枝条加工成板材、墙体材料、包装材料和复合材料等。无论哪种资源化利用技术模式，都需先对果树残枝粗加工粉碎，枝条力学特性影响粉碎质量，而树枝含水量与力学特性也存在一定关系。全朋坤等[11]研究表明，苹果树枝的力学参数与其内部结构有密切联系。

本文开展桑树、桃树与樱桃树3 种不同树种枝条的力学特性试验研究，可为确定各类枝条切割力、切割刀片和切割方式等提供理论依据和技术参数，对低能耗、高效率的果树枝条粉碎机的设计及选择具有重要的指导意义[12-15]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料均取自冬剪时期待剪枝条（采后24 h 内进行试验），均来自北京市大兴区凝瑞金源樱桃园，树龄为6～7 年。采取随机取样，选取新鲜、无病虫害、生长旺盛，并且茎杆较直、无破损的桑树、桃树与樱桃树枝条。果树枝条力学特性试验均在中国农业大学工学院实验室进行，正值果树冬剪期。

1.2 试验仪器与设备

WDW-5E 型计算机控制电子万能试验机；标康SL01-22 型游标卡尺，量程150 mm、精度0.1 mm，用于测量枝条直径；YDYQXGQ-3 000 型干燥烘箱，用于烘干粉碎后枝条；OHAUS Adventurer 型电子分析天平，精度0.001 g，用于测量含水率。

1.3 试验材料处理

由于枝条生长结构和形状各异，存在不规律的节头和分支，将修剪下的桑树、桃树与樱桃树枝条剪掉叶子和侧枝，对不同直径段的枝条进行切割分类。枝条直径是渐变的，不能得到单一直径的枝条，因此枝条直径按照直径区间进行分类，共分为3 个直径区间，分别是10 mm 直径区间（直径≤10 mm）、20 mm 直径区间（10 mm<直径≤20 mm）和30 mm 直径区间（20 mm<直径≤30 mm）。按照直径区间的不同，分别选取桑树、桃树与樱桃树枝条各12 根作为试验样本，每根长20～30 cm，3 个一组放入真空袋中并带回实验室，不同直径的枝条进行分组编号。

1.4 测定指标

对3 组不同直径区间的桑树、桃树、樱桃树枝条测试平均含水率和直径，利用WDW-5E 型计算机控制电子万能试验机进行拉伸、剪切和压缩试验。

1.4.1 枝条直径

用游标卡尺测量试样枝条的直径，每根枝条测量3 个位置，取平均值。

1.4.2 枝条含水率

依据GB/T 3543.6−1995 采用低恒温烘干法进行枝条含水率的测试。

1.4.3 枝条拉伸特性

将果树枝条两端去皮2 mm 处理，防止拉伸时发生滑移，利用拉伸试验专用夹具将拉伸试样两端各夹持30 mm，利用WDW-5E 型计算机控制电子万能试验机以10 mm/min 速度加载，自动记录相关数据。用游标卡尺记录断面处的准确尺寸。读取峰值拉伸力，研究取样直径对目标值的影响。

单位直径最大拉伸力计算公式为

式中pl−单位直径最大拉伸力，N/mm

Fl,max−峰值拉伸力，N

dm−枝条直径，mm

1.4.4 枝条剪切特性

剪切部位去皮处理，防止滑移，将枝条放置于剪切专用夹具，利用WDW-5E 型计算机控制电子式万能试验机以10 mm/min 速度加载，自动记录相关数据。读取峰值剪切力，研究取样直径对目标值的影响。

单位直径最大剪切力计算公式为

式中pj−单位直径最大剪切力，N/mm

Fj,max−峰值剪切力，N

1.4.5 枝条压缩特性

取枝条长度40 mm，试样应通直，两端用砂纸打磨平滑，并且两端必须保持平行，将试样置于球面滑动支座中心位置。

利用WDW-5E 型计算机控制电子万能试验机以2 mm/min 速度加载，自动记录相关数据。轴向压缩试验以峰值轴向压力和轴向抗压强度为目标值，研究取样直径对目标值的影响。

轴向抗压强度计算公式为

式中σzy−轴向抗压强度，MPa

Fzy,max−峰值轴向压力，N

1.5 数据分析

采用Excel 2010 进行数据分析和制表。

2 结果与分析

2.1 含水率

经测量，在同一时期，樱桃树、桑树和桃树枝条的平均含水率分别为45.41%、48.80%和48.43%，樱桃枝条含水率较另外两种树枝略低。

2.2 拉伸特性

通过分析樱桃树、桑树与桃树枝条峰值拉伸力测定结果，建立樱桃树、桑树与桃树枝条直径和枝条单位直径拉伸力之间的关系，如图1 所示。

图1 枝条直径与单位直径拉伸力的关系Fig.1 Relationship between branch diameter and stretch forceper unit diameter

由图1 可知，3 种枝条的峰值拉伸力及枝条单位直径拉伸力均随枝条直径的增加而增加。桑树枝条的峰值拉伸力及单位直径拉伸力最大，粉碎时所需的动能也就越多，其次是桃树枝条，最小的为樱桃树枝条。桑树枝条韧性更强，相较于桃树枝条和樱桃树枝条更不易拉伸，相应的枝条断裂所需的动能也更大。樱桃树、桑树与桃树枝条的最大单位直径拉伸力可达144.71、164.36 和152.30 N/mm。桑树枝条的最大单位直径拉伸力比樱桃树枝条的最大单位直径拉伸力高13.58%，比桃树枝条高7.92%。

2.3 剪切特性

通过分析樱桃树、桑树与桃树枝条峰值剪切力测定结果，建立樱桃树、桑树与桃树枝条直径和枝条单位直径剪切力之间的关系，如图2 所示。

图2 枝条直径与单位直径剪切力的关系Fig.2 Relationship between branch diameter and shear forceper unit diameter

由图2 可知，3 种枝条的峰值剪切力及单位直径剪切力均随枝条直径的增加而增加。桑树枝条的峰值剪切力及单位直径剪切力最大，其次是桃枝，最小的为樱桃枝，3 者在细枝上的差异相较于粗枝更小。樱桃树、桑树与桃树枝条的最大单位直径剪切力可达58.02、105.74 和74.16 N/mm。桑树枝条的最大单位直径剪切力比樱桃树枝条的最大单位直径剪切力高82.25%，比桃树枝条高42.58%，桑树枝条剪切力需求明显高于其他两种枝条。所测得剪切力比拉伸力小，说明枝条剪切破碎的动能要求比较低。

2.4 压缩特性

通过分析樱桃树、桑树与桃树枝条峰值压缩力测定结果，建立樱桃树、桑树与桃树枝条直径和枝条轴向抗压强度之间的关系，如图3 所示。

图3 枝条直径与轴向抗压强度的关系Fig.3 Relationship between branch diameter and axialcompressive strength

由图3 可知，3 种枝条的峰值压缩力及枝条轴向抗压强度均随枝条直径的增加而增加。桑树枝条与桃树枝条的峰值压缩力及轴向抗压强度均较大，樱桃枝最小，但在直径超过22 mm 后与桑树枝条和桃树枝条接近。樱桃树、桑树与桃树枝条的最大轴向抗压强度可达5.83、6.45 和6.02 MPa。桑树枝条的最大轴向抗压强度比樱桃树枝条的最大轴向抗压强度高10.63%，比桃树枝条高7.14%，相较于剪切力，3 个树种在压缩性能方面差异较小。

3 结束语

在枝条粉碎机工作过程中，切刀或锤片对果树枝条施加切削和撞击的作用，然后把枝条切断、撕裂成片状，此过程中，果树枝条主要受拉伸、压缩、砍切和滑切的作用，因此枝条本身的极限应力（正应力、切应力）是影响粉碎效果的一个重要指标。

桑树枝条的峰值拉伸力及单位直径拉伸力最大，粉碎时的拉伸力需求明显高于其他两种枝条，桑树枝条韧性更强，相较于桃树枝条和樱桃树枝条更不易拉伸，相应的枝条拉伸断裂所需的动能也更大；桑树枝条的峰值剪切力及单位直径剪切力最大，粉碎时的剪切力需求明显高于其他两种枝条。所测得剪切力比拉伸力小，说明枝条剪切破碎的动能要求较拉伸破碎低。桑树枝条与桃树枝条的峰值压缩力及轴向抗压强度均较大，但在直径超过22 mm 后与桑树枝条与桃树枝条接近。相较于剪切特性，3 个树种在拉伸与压缩特性方面差异较小。

在选择粉碎设备时，为保证一定的粉碎效果，需要的正应力和切应力更大，需求的动能更多，利用剪切方法破碎桑树枝条的方法所需应力明显大于樱桃树及桃树枝条。