黄连根茎物理力学特性试验性究

李敏， 姚亮华， 陈迅， 谷明先，赵世龙， 曾百功，2，3，4， 谢守勇，3，4

1. 西南大学 工程技术学院，重庆 400715；2. 重庆三峡学院 机械工程学院，重庆 万州 404100；3. 重庆市农业技术创新方法工程技术中心，重庆 400715；4. 丘陵山区农业装备重庆市重点实验室，重庆 400715

黄连为毛茛科多年生草本植物, 以根茎入药, 是常用的重要中药材, 其味苦性寒, 有清热、 燥湿、 泻火、 解毒等功效[1]． 重庆市石柱县是黄连的原始产区, 常年在地黄连约3 000 hm2, 年产量占全国黄连产量的一半以上, 产品销往世界各地, 被誉为“黄连之乡”[2-3]． 但目前仍依靠人工种植、 收获黄连, 过程复杂、 工序繁多, 包括砍树搭棚、 播种移栽、 采挖抖泥、 剪须剪叶、 土炕干燥、 撞击除杂等, 需要大量劳动力, 特别是采收季节, 农户要在山坡上长时间弯腰低头采挖抖泥、 剪须剪叶, 环境艰苦且工作效率低、 安全系数低． 因此, 急需开展针对黄连收获农艺过程中采挖抖泥、 剪须剪叶等技术的黄连根茎物理力学特性基础研究, 为黄连收获机的设计提供理论指导．

国内外学者对青菜头[4-5]、 甘蓝[6-7]、 玉米根系[8-10]、 小麦茎秆[11]、 萝卜[12-13]、 麻风果种子[14]、 山核桃[15]、 工业大麻[16]、 玉米秸秆[17]、 板蓝根种子[18]等植物的力学特性已开展大量研究, 但对黄连根茎物理力学特性的研究在国内外均未见报道． 因此, 本文以重庆市石柱县成熟黄连为研究对象, 通过田间测试和室内试验研究黄连形态结构特征、 土壤环境参数及根茎力学特性, 为黄连机械化收获时间、 黄连收获机关键工作部件结构参数和工作参数的设计等提供理论依据．

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

2021年10月23日和2021年12月3日在重庆市石柱县黄水镇的农田进行了田间试验, 并通过五点采样法进行土壤环刀采样, 用S形采样法进行黄连采样[19], 采样的土壤和黄连放置于密封袋中, 于24 h内进行试验． 试验的黄连品种为味连, 采用搭棚栽连的种植模式[20], 种植过程为播种育苗两年后人工移栽生长五年, 种植地块坡度一般在15°～30°．

1.2 试验仪器及其装置

SC-900型土壤坚实度仪(量程0～45 cm, 0～7 000 KPa); 202-00型电热恒温干燥箱(上海光地仪器设备公司); EK813型电子秤; HG-500数显推拉力计(量程0～500 N, 精度0.1 N); ZQ-990型万能拉伸试验机; 自制剪切夹具; 环刀、 铝盒、 密封袋、 游标卡尺、 钢卷尺、 直尺、 电脑等仪器设备．

1.3 试验方法

1.3.1 土壤物理特性参数测量

土壤坚实度通过数字式土壤坚实度仪进行测量; 土壤含水率的测定根据GB/T5262-2008的含水率测定方法, 用环刀在田间取土样并装入铝盒密封, 防止水分蒸发影响测定结果, 回试验室称重, 精确到0.01 g, 将铝盒盖打开置于105 ℃的电热恒温干燥箱中烘烤6 h, 土壤含水率和干密度的计算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:w0为土壤含水率, %;mw为试样湿质量, g;md试样干质量, g;ρ为土壤湿密度, g/cm3;ρd为土壤干密度, g/cm3;m1为环刀与土的质量, g;m2为环刀质量, g;V为环刀体积, cm3．

1.3.2 黄连形态结构特征参数测量

以重庆市石柱县的味连作为研究对象, 按照均匀分布的采样方法取50株样本, 观察黄连植株形态结构, 测量植株尺寸和分布范围; 取5株黄连根系样本进行根系质量垂直分布测试, 将根系自根土界面处向下依次分层切割, 层间间距为30 mm, 从各层中取出黄连根系, 称其质量, 将黄连根系置于105 ℃的电热恒温干燥箱内烘干至质量不变, 然后测其质量．

1.3.3 黄连根茎力学特性试验

1) 拉伸特性试验

极限拉力和极限伸长率是衡量黄连根茎抗拉能力的主要指标． 采用ZQ-990型万能拉伸试验机进行单根拉伸试验, 该仪器能在试验过程中实时显示力和变形的试验曲线, 其结果示意图如图1所示． 试验选取了不同直径和不同含水率的根试样, 直径标距取30 mm, 拉伸速率为20 mm/min, 进行拉伸试验, 记录数据． 分析当含水率在80%～130%,130%～180%和180%～230%时, 根径的变化对极限拉力和极限伸长率的影响; 分析当根径在1～4 mm,4～7 mm和7～10 mm时, 不同含水率对极限拉力和极限伸长率的影响．

1. 传感器; 2. 上夹具连接销; 3. 上夹具; 4. 触摸显示屏; 5. 下夹具; 6. 下夹具连接销．图1 ZQ-990万能拉伸试验机结构示意图

2) 剪切特性试验

极限剪切力是衡量黄连根茎抗剪切能力的主要指标． 采用ZQ-990型万能拉伸试验机和自行设计的剪切夹具进行测试, 参照GB/T 6400-2007, 本剪切试验采用单剪方式试验, 为了方便准确地剪切试样, 剪切夹具主要由固定的定刀片和动刀片构成, 剪切试验结构示意图如图2所示． 试验选取了不同直径和不同含水率的根试样, 标距取30 mm, 剪切速率为20 mm/min, 进行剪切试验, 记录数据． 分析当含水率在80%～130%,130%～180%和180%～230%时, 根径的变化对极限剪切力的影响; 分析当根径在1～4 mm,4～7 mm和7～10 mm时, 不同含水率对极限剪切力的影响．

1. 传感器; 2. 连接头; 3. 动刀片; 4. 定刀片; 5. 剪切刃; 6. 固定件; 7. 黄连根茎．图2 剪切试验结构示意图

2 结果与分析

2.1 土壤物理特性参数

土壤坚实度测量结果如表1所示．

表1 2021年10月和12月不同入土深度的土壤坚实度测量结果

根据公式计算, 得到土壤含水率和土壤干密度, 如表2所示．

表2 不同入土深度的土壤含水率和干密度

由表1和表2数据可以看出, 随着入土深度增加, 土壤坚实度逐渐增大, 并且12月的土壤坚实度大于10月的土壤坚实度, 主要原因是12月雨水减少, 土壤结块变硬; 土壤含水率随着入土深度的增加而逐渐减小, 主要原因是浅层土壤较为松软, 植物根系多, 吸收雨水多, 而深层土壤非常紧实, 干密度大, 空隙小, 所以含水量较浅层土壤小．

2.2 黄连结构形态特征参数测量

黄连形态结构如图3所示, 黄连植株主要由根、 茎、 叶三部分组成[21], 整株高度为23～40 cm, 地上部分高度为15～25 cm, 黄连根系由主根和须根组成, 4～10个分支根簇拥成鸡爪型[22], 且长度为2～6 cm, 直径为1～10 mm, 根系入土深度为8～15 cm, 根系幅宽为11～15 cm．

1. 叶片; 2. 茎秆; 3. 芽苞; 4. 根茎; 5. 须根．图3 黄连形态结构示意图

黄连根系垂直质量分布平均百分比如表3所示, 由表3可以看出, 随着入土深度的增加, 黄连根系质量平均百分比减小, 且根系约90%的质量分布在入土深度为0～60 mm 的土壤中, 约10%的质量分布在入土深度为90～150 mm的土壤中．

表3 黄连根系垂直质量分布平均百分比

2.3 黄连根茎力学特性试验

2.3.1 拉伸特性试验

根据拉伸曲线的变化, 可以看出黄连根茎为韧性材料, 拉伸过程可大致分为3类, 3种类型的根茎拉伸断裂图以及其对应的拉伸曲线如图4所示．

图4 三种拉伸断裂方式

由图4可以看出, 第一种拉伸过程中有明显峰值, 屈服阶段较长, 根韧性较大, 拉力线性增加, 断口整齐． 第二种拉伸过程平缓, 拉伸开始短时间内进入屈服阶段后, 拉力逐渐增大, 根外层先于内层断裂． 第三种拉伸过程中有多个微小峰值, 整个过程拉力非线性增加, 由于根皮较硬, 断口参差不齐．

1) 极限拉力和极限伸长率与根径的关系

用MATLAB软件画出在不同含水率的情况下, 极限拉力和极限伸长率与根径关系的拟合曲线, 如图5和图6所示．

图5 极限拉力与根径关系的拟合曲线

图6 极限伸长率与根径关系的拟合曲线

由图5可以看出, 当根茎含水率在80%～130%时, 极限拉力增大得较为缓慢, 最大极限拉力为97.36 N, 最小极限拉力为46.66 N, 平均极限拉力为70.60 N; 当根茎含水率在130%～230%时, 极限拉力变化趋势明显, 极限拉力随着根径增大而增加得较快, 当根茎含水率在130%～180%时, 最大极限拉力为142.34 N, 最小极限拉力为36.78 N, 平均极限拉力为80.93 N; 当根茎含水率在180%～230%时, 最大极限拉力为135.82 N, 最小极限拉力为34.05 N, 平均极限拉力为86.89 N． 黄连根茎的极限拉力随着根径的增大呈现出增大的趋势, 黄连根茎的极限拉伸应力随着根径的增大呈现出减小的趋势, 但含水率范围不同, 变化幅度有所不同．

由图6可以看出, 当根茎含水率在80%～130%和180%～230%时, 极限伸长率变化趋势较明显, 变化幅度大致相同; 当根茎含水率在80%～130%时, 最大极限伸长率为23.40%, 最小极限伸长率为7.92%, 平均极限伸长率为15.26%; 当根茎含水率在130%～180%时, 最大极限伸长率为17.20%, 最小极限伸长率为10.00%, 平均极限伸长率为13.45%; 当根茎含水率在180%～230%时, 最大极限伸长率为19.20%, 最小极限伸长率为6.67%, 平均极限伸长率为11.52%． 可见, 黄连根茎的极限伸长率随着根径的增大呈现出减小的趋势, 但含水率范围不同, 变化幅度也有所不同．

2) 含水率对极限拉力和极限伸长率的影响

在一定的根径范围内, 分析含水率对极限拉力和极限伸长率的影响, 并用MATLAB软件画图, 结果如图7和图8所示．

图7 含水率对极限拉力的影响

图8 含水率对极限伸长率的影响

由图7可知, 当黄连根径在1～4 mm时, 极限拉力随着含水率的增大呈现出减小的趋势, 且极限拉力普遍较小, 当黄连根径在4～10 mm时, 根茎含水率在130%～180%的黄连根茎极限拉力最大; 随着含水率区间的增大, 黄连根茎的极限拉伸应力随着根径的增大而减小的变化速率逐渐变小． 可见, 黄连根茎的含水率对极限拉力和拉伸应力的影响显著．

如图8所示, 当黄连根径在4～7 mm时, 极限伸长率随着含水率的增大呈现出增大的趋势, 但增加缓慢, 当黄连根径在1～4 mm和7～10 mm时, 根茎含水率在80%～130%的黄连根茎极限伸长率最大, 可见, 黄连根茎的含水率对极限伸长率的影响显著．

2.3.2 剪切特性试验

根据剪切曲线的变化, 将剪切过程大致分为3类, 3种类型的根茎拉伸断裂图以及其对应的拉伸曲线如图9所示．

图9 3种剪切断裂方式

由图9可以看出, 第一种剪切过程有两个明显峰值, 剪切过程中的剪切力达到峰值后逐渐减小, 减小至最低点后又逐渐增大, 然后又逐渐减小, 主要原因是根表皮较硬, 中间部分较软． 第二种剪切过程无明显峰值, 剪切过程中的剪切力平缓增加, 达到峰值后持续一段时间, 然后迅速减小, 较大剪切力持续期间有多个微小峰值, 断口较整齐． 第三种剪切过程有一个明显峰值, 剪切过程中的剪切力有阶段性线性增大的趋势, 达到峰值后逐渐减小, 断口整齐．

1) 极限剪切力与根径的关系

用MATLAB软件画出在不同含水率的情况下, 极限剪切力与根径关系的拟合曲线, 如图10所示．

图10 极限剪切力与根径关系的拟合曲线

由图10可以得出, 当根茎含水率在80%～130%和130%～180%时, 随着根径的增大, 黄连根茎极限剪切力随之增大, 特别是当根茎含水率在80%～130%时, 这种变化趋势更为明显, 其最大极限剪切力为133.67 N, 最小极限剪切力为40.48 N, 平均极限剪切力为82.50 N; 当根茎含水率在130%～180%时, 最大极限剪切力为111.75 N, 最小极限剪切力为30.65 N, 平均极限剪切力为67.37 N; 当根茎含水率在180%～230%时, 随着根径的增大, 黄连根茎的极限剪切力反而减小, 且变化趋势较为平缓, 其最大极限剪切力为100.37 N, 最小极限剪切力为43.25 N, 平均极限剪切力为69.74 N． 黄连根茎的极限剪切应力随着根径的增大呈现出减小的趋势, 但含水率范围不同, 变化幅度有所不同．

2) 含水率对极限剪切力的影响

在一定的根径范围内, 分析不同含水率对极限剪切力的影响, 并用MATLAB软件画图, 见图11．

图11 含水率对极限剪切力的影响

由图11可以得出, 当黄连根径在1～4 mm时, 根茎含水率在180%～230%的黄连根茎剪切力最大, 当根径在4～10 mm时, 随着根茎的含水率的增大, 极限剪切力有所减小, 且当根径在7～10 mm时, 这种变化趋势更为明显; 随着含水率区间的增大, 黄连根茎的极限剪切应力随着根径的增大而减小的变化速率逐渐增加． 可见, 黄连根茎的含水率对极限剪切力和剪切应力的影响显著．

3 结论

1) 重庆市石柱县黄连试验田10月份所测样点的土壤坚实度为0.112～0.462 MPa, 12月份所测样点的土壤坚实度为0.210～1.062 MPa, 12月份的土壤坚实度相对于10月份的普遍较大; 随着入土深度增加, 土壤坚实度增大, 土壤干密度也增大． 因此, 收获黄连应选择土壤坚实度较小的10月份, 且尽量减小挖掘黄连时的入土深度, 以降低黄连的挖掘阻力和能耗, 减少土壤的扰动量．

2) 黄连根系约90%的质量分布在入土深度为0～60 mm的土壤中, 约10%的质量分布在入土深度为90～150 mm的土壤中． 为了减少收获黄连过程中的挖掘阻力和能耗, 且不损伤黄连根茎, 挖掘部件入土深度可在60～90 mm．

3) 在不同的含水率区间内, 黄连根茎平均极限拉力为70.60～86.89 N, 平均极限伸长率为11.52%～15.26%, 平均极限剪切力为67.37～82.50 N． 当黄连根茎含水率较低时, 其极限伸长率和极限剪切力普遍较大, 且根径的变化对极限拉力的影响较小, 可见, 收获低含水率的黄连可在一定程度上减少根茎被拉断或挖断的情况, 降低其损伤率, 进而提高黄连的收获质量．