紅心蘿卜力學特性試驗研究

高 升，王方艷

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

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紅心蘿卜力學特性試驗研究

高 升，王方艷

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

利用萬能試驗機對紅心蘿卜試樣進行壓縮、剪切及拉伸試驗，研究了加載速度、位置對紅心蘿卜的彈性模量及抗壓強度的影響，探索了紅心蘿卜力學結構，得到了紅心蘿卜皮的彈性模量和最大抗壓強度，確定了紅心蘿卜的剪切特性。試驗表明：加速度對彈性模量及最大抗壓強度的影響顯著，隨著加載速度的增大，紅心蘿卜的彈性模量逐漸增加，而最大抗壓強度先增大、后減小；當加載速度為10mm/mim時，抗壓強度最大，紅心蘿卜頭部彈性模量及最大抗壓強度最大，中部次之，尾部最小；紅心蘿卜縱向試樣的彈性模量及最大抗壓強度大于橫向試樣的數值,紅心蘿卜芯部彈性模量及最大抗壓強度大于蘿卜外部試樣的數值，紅心蘿卜皮的彈性模量及最大抗壓強度比蘿卜內部的小；紅心蘿卜的平均剪切強度為0.058MPa，剪切力峰值與試樣的橫截面積呈線性相關。

紅心蘿卜；力學特性；彈性模量；最大抗壓強度

0 引言

紅心蘿卜是我國重要的根莖類作物及創匯產品，其種植廣泛、適應性強，可鮮食，又可加工為膨化食品，具有廣闊的市場前景。目前，隨著紅心蘿卜種植面積的增大，機械化生產已經成為產業發展的趨勢。研究紅心蘿卜的力學特性，可為紅心蘿卜的收獲、加工機具的設計提供數據支撐和理論依據，對研發蘿卜生產機械具有重要的意義[1-3]。

目前，關于蘿卜特性的研究主要集中在白蘿卜及胡蘿卜的外形特征、品質、塊根力學特性等方面，對紅心蘿卜的研究較少。本研究以收獲期的紅心蘿卜為研究對象，參照國內玉米和甘蔗等作物的研究方法[4-11]，借助萬能試驗機對紅心蘿卜試樣進行壓縮及拉伸試驗，得到紅心蘿卜的力學特性參數，為紅心蘿卜生產機具的研發提供理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1)壓縮試樣。任選“心里美”紅心蘿卜一批，進行圓柱蘿卜試樣(φ25mm×30mm)制作，并用保鮮袋進行編碼封存備用。在紅心蘿卜的頭部、中部、尾部進行橫向取樣，標記為試樣A1、A2、A3；在紅心蘿卜的頭部、中部、尾部進行縱向取樣，編碼標記B1、B2、B3；在紅心蘿卜芯部(蘿卜中心半徑R=20mm范圍內的區域)及外部(蘿卜中心半徑R=20mm范圍之外的區域)取樣，標號為C1、C2。試樣取樣位置如圖1所示。

圖1 取樣位置

2)拉伸試樣。利用環割的方法，制取紅心蘿卜皮試樣10個。紅心蘿卜皮試樣的尺寸為7.00cm×2.00cm×0.40cm(長×寬×高)。

3)剪切試樣。選取30個紅心蘿卜，長度為12～22cm，質量為300～620g，直徑為9.22～20.43cm，含水率為(90±2%)。

1.2 試驗儀器及裝備

DGG-9070AD型電熱恒溫鼓風干燥箱、電子天平(500g/0.01g)、卷尺(3m/1mm)、瑞格爾儀器有限公司的RGM-4005微機控制全數字化電子萬能材料試驗機(5kN/1N)、游標卡尺(150mm/0.02mm)。自制T12鋼剪切刀具(刃厚0.8mm)，如圖2所示。

圖2 剪切刀具

1.3 試驗方法

1.3.1 壓縮試驗

在RGM-4005微機控制全數字化電子萬能材料試驗機上進行試樣單軸壓縮試驗，研究加速度和位置對紅心蘿卜力學特性的影響。試驗所采用的加載壓頭為直徑100mm的平板壓頭。根據試驗所得到的載荷-位移曲線，確定試樣的彈性模量及最大抗壓強度。彈性模量用E表示，最大抗壓強度用σmax表示，計算公式為

(1)

其中，E為彈性模量(Pa)；ΔF為載荷變化量(N)；D為試樣直徑(m)；L為試樣長度(m)；ΔL為試樣變形量(m)。

σmax=Fmax/A

(2)

其中，σmax為最大抗壓強度(Pa)；Fmax為最大載荷(N)；A為壓縮橫截面積(m2)；。

1.3.2 拉伸試驗

采用全數字化電子萬能材料試驗機進行紅心蘿卜皮試樣的單軸拉伸試驗，確定紅心蘿卜的拉伸力學特性。拉伸試驗中試樣長度為試樣夾緊后兩個夾具之間的距離，本試驗中取拉伸長度L=10mm。通過對試驗數據進行處理，得到的載荷-位移曲線，確定試樣的彈性模量及最大拉壓強度。

1.3.3 剪切試驗

在萬能試驗機上，借助自制剪切刀具對紅心蘿卜進行剪切試驗。依據試驗所得到的載荷-位移曲線，確定試樣的剪切強度，用τ表示，則

τ=Fmax/A0

(3)

其中，τ為剪切強度(Pa)；Fmax為剪切力峰值(N)；A0為剪切橫截面積(m2)。

2 結果與分析

2.1 加載速度和位置對紅心蘿卜力學特性的影響

在加載速度分別為5、10、20、30mm/min的條件下，對紅心蘿卜不同位置縱向取樣進行壓縮試驗。試樣的載荷-位移曲線如圖3所示。

圖3 蘿卜力學特性曲線

由圖3可知：紅心蘿卜頭部的彈性模量及最大抗壓強度最大，尾部的彈性模量及最大抗壓強度最小。當加速度為5mm/min時，B1、B2、B3試樣的最大抗壓強度分別為1.671、1.589、0.938MPa，且B1試樣的最大；彈性模量為5.005、4.778、2.759MPa，且B1試樣的最大，與最大抗壓強度一致。當加速度為10mm/min時，B1、B2、B3試樣的最大抗壓強度分別為1.692、1.651、1.040MPa，且B1試樣的最大；彈性模量為5.332、5.203、3.800MPa，且B1試樣的最大，與最大抗壓強度一致。當加速度為20mm/min時，B1、B2、B3試樣的最大抗壓強度分別為1.671、1.466、1.039MPa，且B1試樣的最大；彈性模量為5.409、5.318、3.896MPa，且B1試樣的最大，與最大抗壓強度一致。當加速度為30mm/min時，B1、B2、B3試樣的最大抗壓強度分別為1.508、1.426、1.019MPa，且B1試樣的最大；彈性模量為5.654、5.384、4.074MPa。由此可見：在試驗范圍內，加速度對彈性模量及最大抗壓強度的影響明顯，隨著加載速度的增大，紅心蘿卜的彈性模量逐漸增加，最大抗壓強度先增大、后減小。當加載速度為10mm/mim時，抗壓強度達到最大值，受載的位置對彈性模量及最大抗壓強度的影響明顯。頭部的彈性模量及最大抗壓強度最大，中部次之，尾部最小。當加載速度為30mm/min時，紅心蘿卜頭部的彈性模量最大，為5.654MPa；加載速度為5mm/min時，紅心蘿卜尾部的彈性模量最小為2.759MPa。

2.2 紅心蘿卜內部均勻性的測定

在加速度為10mm/min下，對紅心蘿卜的中部位置試樣進行橫向、縱向、外部及芯部進性壓縮試驗，測定紅心蘿卜不同方向的力學特性及其結構的均勻性。試樣的載荷-位移曲線如圖4所示[12-13]。

圖4 蘿卜均勻性力學特性曲線

由圖4可知：紅心蘿卜中心位置的橫向及縱向試樣的彈性模量及最大抗壓強度分別為4.291、5.722和1.646、1.793MPa，兩者的差值較明顯，這與張洪霞[14-15]等研究所得的蘿卜不同方向存在差異的結果是一致的；縱向試樣的彈性模量及最大抗壓強度大于橫向試樣的數值。紅心蘿卜的外部及芯部試樣的彈性模量及最大抗壓強度分別為5.983、6.933和1.793、2.047MPa，差值大于5%，兩者相差較大。由此可見：方向對抵抗變形的能力影響較大，縱向的抗壓能力及抗壓性能大于橫向。紅心蘿卜芯部的彈性模量及最大抗壓強度大于蘿卜外部試樣的數值。由于紅心蘿卜內部的環狀組織結構，紅心蘿卜的外部抵抗變形的能力小于芯部的能力，差值大于5%，而紅心蘿卜抗壓性能一致，即最大抗壓強度相同。紅心蘿卜的方向和位置對彈性及抗壓性能有較大影響，運輸時盡量避免蘿卜橫向受載，以減少損傷。

2.3 紅心蘿卜皮的拉伸試驗

在加速度為10mm/min條件下，利用數字化電子萬能材料試驗機進行紅心蘿卜皮試樣的單軸拉伸試驗，得到紅心蘿卜皮試樣的試驗數據，如表1所示。

表1 紅心蘿卜皮拉伸試驗結果

由表1可知：在10mm/min的加載速度下，紅心蘿卜皮試樣能夠承受的最大拉力為131N，最小拉力為108，變異系數為0.04；蘿卜皮的彈性模量平均值為1.752MPa，最大抗壓強度的平均值為1.449MPa。蘿卜皮的彈性模量及最大抗壓強度與蘿卜內部數值相比較小，容易在收獲、運輸中受到損傷。

2.4 紅心蘿卜的剪切試驗

在加速度為10mm/min條件下，對紅心蘿卜的頭部、中部、尾部分別進行剪切試驗，結果如表2所示，剪切面積與剪切峰值如圖5所示。

表2 剪切試驗結果

續表2

圖5 試樣橫截面積與最大剪切力之間的關系

由表2及圖5可知：蘿卜的平均剪切強度為0.058MPa。在試樣橫截面積66.96～169.45cm2范圍內，峰值的剪切力與試樣的橫截面積呈線性正相關。蘿卜試樣的剪切面積與蘿卜的最大剪切力的擬合方程為y=3.76x+82.64,判定系數R2=0.955。

3 結論

1)加速度對彈性模量及最大抗壓強度的影響明顯，隨著加載速度的增大，紅心蘿卜的彈性模量逐漸增加，最大抗壓強度先增大后減小。當加載速度為10mm/mim時，抗壓強度最大。受載的位置對彈性模量及最大抗壓強度的影響明顯：頭部的彈性模量及最大抗壓強度最大，中部次之，尾部最小。

2)縱向試樣的彈性模量及最大抗壓強度大于橫向試樣的數值。蘿卜芯部的彈性模量及最大抗壓強度大于蘿卜外部試樣的數值。蘿卜的維系管結構使芯部的彈性模量及最大抗壓強度比外部的大，運輸盡時量保持蘿卜的縱向擺放，減少損傷。

3)蘿卜皮的彈性模量平均值為1.752MPa，最大抗壓強度的平均值為1.449MPa。蘿卜皮的彈性模量及最大抗壓強度與蘿卜內部的相比較小，容易在收獲、運輸中受到損傷。

4)蘿卜的平均剪切強度為0.058MPa。在試樣橫截面積66.96～169.45cm2范圍內，峰值的剪切力與試樣的橫截面積呈線性相關。擬合方程為y=3.76x+82.64,判定系數R2=0.955。

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The Experimental Research on Physical and Mechanical Characteristics of Red Heart Radish

Gao Sheng, Wang Fangyan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

We experimented with compression, shear and tensile of red heart radish by using a universal testing machine. We had draw the conclusion of Radishs’ elastic modulus and maximum compressive strength by respectively researched on the loading speed and position of radish to the elastic modulus and compressive strength's impact. The results showed that accelerated velocity has obvious influence to the elasticity modulus and maximum compression strength: With the increasing of accelerated velocity, the red heart radish elasticity modulus increases gradually, and the maximum compression strength increases at first and then decreases. When the loading rate was 10mm/min, compression strength was maximum. The header of red heart radish has the maximal elasticity modulus and maximum compression strength, the middle part of radish comes second, the stern is minimum. To the elasticity modulus and maximum compression strength, the longitudinal test piece of radish is larger than the transverse sample, the core radish was larger than the radish external figure, the radish peel is less than the inner of radishs’. The radishs’ average shear strength is 0.058MPa, then there is significant linear correlation between the peak value of shear stress and the cross-sectional area of the sample.

the red heart radish; mechanical properties; elastic modulus; the maximum compressive strength

2016-07-05

山東省高等學校科技計劃項目(J15LB06)；國家自然科學基金項目(51505246)

高 升(1988-),男，山東臨朐人，碩士研究生，(E-mail) 401116575@qq.com。

王方艷(1979-)，女，山東淄博人，副教授，工學博士, (E-mail) wfy_66@163.com。

S183

A

1003-188X(2017)08-0170-05