武天倫，郭 輝，高國(guó)民，羅 丹，劉家君

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052)

花生又名“長(zhǎng)生果”，是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，其種植面積廣，是食品加工業(yè)的重要原料，在我國(guó)農(nóng)業(yè)中占據(jù)重要地位[1-5]。花生營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高且具有一定的藥用功效。中國(guó)西北地區(qū)，尤其是新疆地區(qū)土地遼闊，氣候干燥，降雨量少，適宜花生大面積種植；加之新疆林果業(yè)十分發(fā)達(dá)，發(fā)展林下經(jīng)濟(jì)使新疆的花生種植產(chǎn)業(yè)擁有較大發(fā)展空間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年新疆花生種植面積約為7 000 hm2[6]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，花生挖掘收起后會(huì)鋪放在田間進(jìn)行晾曬，待植株水分下降后再進(jìn)行輸送和摘果等作業(yè)。

目前中國(guó)已經(jīng)研制出多種花生聯(lián)合收獲機(jī)械，如4HL-B型履帶自走半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)、4HB-2A型輪式自走花生半喂入花生聯(lián)合收獲機(jī)、4HQL-2型履帶式自走花生全喂入聯(lián)合收獲機(jī)等[7]。因聯(lián)合收獲時(shí)花生植株以及根系的土壤含水率過大，經(jīng)常會(huì)在摘果滾筒上纏繞，且花生植株內(nèi)部連接力過強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致摘凈率低、清選和風(fēng)選作業(yè)困難[8-10]。因此對(duì)花生的物料特性進(jìn)行研究是設(shè)計(jì)花生收獲機(jī)械的重要環(huán)節(jié)，可為花生摘果裝置、清選裝置、風(fēng)選裝置的設(shè)計(jì)提供參考[11-12]。

本研究使用游標(biāo)卡尺和自卷式卷尺測(cè)量植株整體尺寸，得到花生植株高度和花生莢果直徑、高度以及寬度[13]。使用微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行花生植株的拉伸試驗(yàn)和花生莢果的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，得到花生植株的拉伸力和莢果的破碎力[14]；將花生植株以及莢果粉碎后，使用MS-70紅外線水分測(cè)定儀測(cè)量晾曬周期內(nèi)花生植株各部位的含水率變化情況，從而分析花生莢果的適宜收獲時(shí)間[15]。在不同含水率范圍內(nèi)使用ZRQF-F30J手持式數(shù)顯熱球風(fēng)速計(jì)以及物料懸浮試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量花生莢果的風(fēng)力懸浮速度，以保證不吹走花生莢果條件下能很好地將莢果與葉片和莖稈分離。

1 收獲期花生生長(zhǎng)情況調(diào)查

試驗(yàn)材料取自新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪農(nóng)場(chǎng)，花生品種為‘四粒紅’。試區(qū)土壤為沙土，種植制度為一年一熟，種植方式為大壟雙行。試驗(yàn)樣本選用田中無病蟲害、無明顯損傷、在自然條件下生長(zhǎng)良好的花生植株，以成熟的花生莢果作為研究樣本。所選花生植株及果柄部位如圖1所示。

1.莢果;2.果柄節(jié)點(diǎn);3.果柄;4.秧柄節(jié)點(diǎn);5.秧蔓1. Pod; 2. Carpophore node; 3. Carpophore; 4. Seedling stalk node; 5. Seedling vine圖1 四粒紅花生植株及果柄部位Fig.1 Silihong peanut plants and stalk parts

調(diào)研時(shí)間為2020年9月3—9日，隨機(jī)選取3個(gè)試驗(yàn)區(qū)分別進(jìn)行田間檢測(cè)，在檢測(cè)區(qū)內(nèi)(0.4 hm2花生試驗(yàn)田)從對(duì)角線等間距取5個(gè)點(diǎn)，并避開地邊和地頭，每個(gè)點(diǎn)取2 m2(2 m×1 m)設(shè)定為1個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，在小區(qū)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)[16]?；ㄉ斋@期田間調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 花生收獲期內(nèi)田間調(diào)查結(jié)果Table 1 Field investigation results of peanut at harvest period

2 花生植株物料特性測(cè)定

2.1 花生秧蔓和莢果含水率測(cè)定

首先用收起條鋪機(jī)對(duì)田間花生進(jìn)行收起和條鋪?zhàn)鳂I(yè)，設(shè)定花生剛出土條鋪在田間的時(shí)間為起始時(shí)間，隨機(jī)取10株樣本，采用MS-70紅外線水分測(cè)定儀(量程71 g，稱重精度0.000 1 g)分別檢測(cè)花生秧蔓、莢果和果柄的含水率，設(shè)定加熱溫度為300℃，加熱時(shí)間為10 min，樣品前后差值即為樣品含水率變化值。由于花生剛從田間收起含水率在晾曬過程中下降速度較快，所以前3天的檢測(cè)頻率為每天4次(每6 h檢測(cè)1次)，后4天的檢測(cè)頻率為每天2次(12∶00和20∶00)。田間晾曬情況如圖2所示。

圖2 晾曬周期內(nèi)花生植株變化情況Fig.2 Changes of peanut plants in the drying cycle

花生晾曬日期為2020年9月12—18日。含水率監(jiān)測(cè)期間晴天持續(xù)天數(shù)為6 d，無雨天，多云1 d；白天氣溫為22～31℃，平均氣溫26℃；夜間氣溫為9～14℃，平均氣溫11.3℃。

隨著晾曬時(shí)間的變化，花生秧蔓、果柄以及花生莢果的含水率變化如圖3所示。從圖3可以看出，花生秧蔓、果柄和莢果整體含水率變化趨勢(shì)相同。其中花生秧蔓含水率從72%降至24%，果柄含水率從58%降至16%,莢果含水率從42%降至9%,各部位均為前4天含水率變化最為明顯。

圖3 花生秧蔓、果柄、莢果含水率變化情況Fig.3 Changes of moisture content in peanut seedling vine, fruit stalk and pod

2.2 花生果柄拉伸力測(cè)定

花生摘果作業(yè)就是把連接花生莢果的果柄拉斷，讓花生掉落在清選裝置中，且果柄力學(xué)特性影響滾筒轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度(喂入量)等參數(shù)，因此對(duì)花生植株的拉伸力分析尤為重要。

植株拉伸力采用瑞格爾-4002 2 KN微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，試驗(yàn)前檢查儀器并以20 mm·min-1的速度進(jìn)行試運(yùn)行，選擇量程為0～100 N，選取秧柄節(jié)點(diǎn)(果柄與植株連接點(diǎn))、果柄本身以及果柄節(jié)點(diǎn)(果柄與花生莢果連接處)3個(gè)位置做拉伸試驗(yàn)。設(shè)定微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載速度為10 mm·min-1，在相同條件下(夾持固定的位置、含水率、莖稈直徑等)每組試驗(yàn)測(cè)定5次并取平均值。夾持固定位置如圖4所示。

圖4 果柄不同位置拉伸試驗(yàn)Fig.4 Tensile test on different positions of fruit stalk

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制秧柄節(jié)點(diǎn)、果柄自身以及果柄節(jié)點(diǎn)隨著晾曬時(shí)間變化的力學(xué)特性折線圖，如圖5所示。從圖5可以看出，不同位置的拉伸力大小表現(xiàn)為果柄>秧柄節(jié)點(diǎn)>果柄節(jié)點(diǎn)。在晾曬第1天時(shí)(含水率最高)花生植株果柄、秧柄節(jié)點(diǎn)、果柄節(jié)點(diǎn)3個(gè)部位拉伸力最大，分別為23.7、19.8、13.5 N；隨著晾曬時(shí)間的增加，植株含水率降低，拉伸力也隨之下降，第4天過后各部位的拉伸力逐漸趨于穩(wěn)定。進(jìn)一步擬合得到果柄、秧柄節(jié)點(diǎn)和果柄節(jié)點(diǎn)拉伸力與晾曬時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系式：

圖5 植株拉伸力隨晾曬時(shí)間變化情況Fig.5 Relationship between plant tensile force and drying time

N1=0.3863X2-4.3774X+26.971

(1)

N2=0.356X2-3.8798X+22.743

(2)

N3=0.1851X2-2.2363X+15.107

(3)

式中，N1、N2、N3分別為果柄拉伸力值、秧柄節(jié)點(diǎn)拉伸力值、果柄節(jié)點(diǎn)拉伸力值；X為本部位含水率。通過分析，花生果柄、秧柄節(jié)點(diǎn)、果柄節(jié)點(diǎn)擬合系數(shù)分別為0.9877、0.9492、0.9948，3個(gè)擬合系數(shù)接近于1，函數(shù)關(guān)系擬合良好。

2.3 花生莢果的破碎力試驗(yàn)

花生莢果的破碎力是設(shè)計(jì)摘果裝置釘齒以及摘果滾筒轉(zhuǎn)速的重要參數(shù)。摘果滾筒轉(zhuǎn)速過大或者釘齒對(duì)莢果的施加力過大會(huì)均造成花生莢果收獲的損失率增加，影響其經(jīng)濟(jì)效益。

取不同晾曬時(shí)間的花生莢果(7組，每組15顆且外形尺寸差異不大)使用微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)其正面、側(cè)面和立面進(jìn)行擠壓試驗(yàn)。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)花生莢果的破裂點(diǎn)，加載速度應(yīng)足夠小，故設(shè)定微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載速度為5 mm·min-1，破碎力試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 莢果不同位置擠壓試驗(yàn)Fig.6 Extrusion test of peanut at different positions

莢果破碎力隨晾曬時(shí)間的變化曲線如圖7所示。由圖7可知，在晾曬前4天花生含水率較高，故需施加較大的壓力才能使莢果破裂，晾曬后期隨著自由水比例不斷下降，莢果殼的韌性降低，莢果殼破裂所需要的壓力隨之減小?；ㄉv果側(cè)面、正面和立面的破碎力隨晾曬時(shí)間變化分別為108.2 N降至41.0 N、183.0 N降至70.3 N、71.0 N降至36.1 N。

圖7 莢果破碎力隨晾曬時(shí)間變化情況Fig.7 Relationship between pod breaking force and drying time

2.4 花生莢果、莖稈、葉片風(fēng)力懸浮速度試驗(yàn)

清選工作是整個(gè)花生摘果作業(yè)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，由于摘果過程中花生植株受到釘齒的打擊力和離心力的作用，部分葉片和莖稈也掉落在輸送裝置上，所以在花生進(jìn)入集果箱前要對(duì)其進(jìn)行葉片、莖稈與莢果的分離。在風(fēng)選作用下，既要保證將葉片和莖稈吹凈，也要保證莢果不會(huì)隨著葉片、莖稈一起被吹走，這就要求風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要適中。

在不同晾曬時(shí)間分別選擇5組樣本(含花生莢果、莖稈、葉片且外形尺寸差別不大，當(dāng)天18∶00時(shí)的樣本)，分別將花生莢果、葉片、莖稈放入待測(cè)物料篩盤中，啟動(dòng)風(fēng)力懸浮試驗(yàn)臺(tái)，通過變頻器不斷調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力不斷加大，直至物料集中穩(wěn)定在某一區(qū)域內(nèi)，在出風(fēng)口處采用ZRQF-F30J手持式數(shù)顯熱球風(fēng)速計(jì)進(jìn)行風(fēng)速的測(cè)量，共選取6個(gè)點(diǎn)，并取平均值。風(fēng)力懸浮試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示。

圖8 莢果、莖稈、葉片風(fēng)力懸浮試驗(yàn)Fig.8 Wind suspension test of pod, stem and leaf

由表2可看出，花生莢果、莖稈以及葉片不同晾曬天數(shù)的懸浮速度平均值分別為5.82～18.30、2.43～6.80、1.44～4.87 m·s-1。隨著晾曬時(shí)間增加，植株含水率逐漸降低(圖3)，三者的懸浮速度也隨之下降，尤其是在晾曬前4天下降趨勢(shì)最明顯，晾曬的后3天由于自由水的比例減小至極限區(qū)間導(dǎo)致懸浮速度下降趨勢(shì)變緩。此時(shí)進(jìn)行風(fēng)選效果最好，消耗功率最小。

表2 花生莢果、莖稈、葉片懸浮速度/(m·s-1)Table 2 Levitation speed of pod, stem and leaf

3 結(jié) 論

1)在晾曬期內(nèi)，花生秧蔓、果柄、莢果含水率分別由72%、58%、42%降至24%、16%、9%。

2)花生秧柄節(jié)點(diǎn)、果柄、果柄節(jié)點(diǎn)拉伸力的變化區(qū)間分別為12.50～19.80、14.95～23.20、8.45～13.00 N；花生秧柄節(jié)點(diǎn)、花生果柄以及果柄節(jié)點(diǎn)拉伸力與晾曬時(shí)間之間存在二次函數(shù)關(guān)系，擬合效果良好(R2>0.9870)。花生莢果側(cè)面、正面和立面破碎力隨著晾曬時(shí)間變化分別為108.2 N降至41.0 N、183.0 N降至70.3 N、71.0 N降至36.1 N。

3)花生莢果、花生莖稈和葉片懸浮速度區(qū)間分別為5.82～18.30、2.43～6.80、1.44～4.87 m·s-1。

基于花生秧柄節(jié)點(diǎn)、花生果柄以及果柄節(jié)點(diǎn)拉伸力隨晾曬時(shí)間的變化趨勢(shì)，花生莢果正面、側(cè)面、立面的破碎力變化趨勢(shì)以及花生莢果、花生莖稈和葉片風(fēng)力懸浮速度的變化范圍，確定花生的適收期為晾曬期內(nèi)的5～7 d。