收獲期甘薯秧蔓的力學特性試驗＊

（泰安市計量科學研究所, 山東 泰安 271000）

甘薯起源于南美洲熱帶地區，又稱紅薯、地瓜、山芋等，是重要的糧食、飼料、工業原料、優質抗癌保健食品及新型的能源用料[1]。甘薯在世界上廣大地區都得到種植，而中國是世界上最大的甘薯生產國，常年甘薯種植面積為600余萬hm2，占中國耕地總面積的4.2%，約占世界的60%，總產量約1.2億t，約占世界甘薯總產量的86%[2]。

甘薯是長藤蔓作物，其秧蔓產量高，秧蔓上長有須根，并貼地生長，可將整個壟及地面覆蓋[3]。因此甘薯收獲機械化必須考慮甘薯秧蔓的處理問題，甘薯挖掘收獲前必須清除秧蔓，否則后續挖掘收獲無法開展[4]。目前，國外甘薯秧蔓的處理主要以秧蔓直接粉碎還田為主、以收集運出作飼料為輔。我國機械化處理甘薯秧蔓也是主要采用秧蔓直接碎粉還田技術，但現有的甘薯秧蔓處理機仍然存在很大的局限性，如工作阻力大、留茬長度長、粉碎合格率低、傷薯率高等問題一直以來都未得到有效的解決，這些問題嚴重制約著該項技術的應用和推廣[5]。

收獲期甘薯秧的力學特性是影響甘薯秧粉碎處理機的秧蔓粉碎長度合格率、壟頂留茬長度等主要作業指標及其結構設計的重要因素，因此研究甘薯秧力學性能不僅對甘薯秧粉碎處理機切割裝置的設計及作業參數確定提供理論依據，而且對于選擇合理的甘薯收獲期也有一定指導意義[6-7]。

1.試驗材料與方法

1.1 試樣采集

甘薯秧樣本取自山東農業大學甘薯種植基地。以商薯19號為試驗對象，收獲期的甘薯秧蔓如圖1所示，5月初栽，10月中上旬收獲，一年一季種植，種植模式為單壟單行種植，壟距為900mm，株距為250mm。甘薯塊常年經驗收獲時間從10月13日開始，為使研究更充分，本次采樣時間從10月7日開始，10月28日結束，每3d取樣一次，共采樣9批次。采樣時從距離地面2cm的根管處剪斷，取樣后在實驗室去除分枝、枝葉，留下主莖桿部分作為試驗對象。采集的商薯19號的秧蔓直徑在0.58cm～0.96cm。

1.2 試驗儀器

該試驗用到的試驗設備主要包括：微機控制電子式萬能試驗機、電熱干燥箱、山東農業大學機電學院研發的甘薯秧粉碎處理機、電子天平以及游標卡尺、卷尺等。

1.3 試驗方法

1.3.1 甘薯秧剪切試驗

甘薯秧剪切試驗在WDW-5E微機控制電子式萬能試驗機上進行，其力傳感器和位移傳感器精度分別在±1%以內。取甘薯秧長度50mm，將試樣置于V型定位塊上，在WDW-5E型微機控制電子式萬能試驗機上分別以10mm/min和20mm/min的加載速度對每次采集的試樣進行2組剪切試驗，如圖2所示。每次試驗測試5次，最后取平均值，比較加載速度的不同對剪切力的影響變化規律。

圖2 甘薯秧剪切試驗

1.3.2 含水率測定

對測量完剪切特性的試樣，立即進行含水率測量試驗。含水率測量試驗中，將做完試驗的樣本進行標號與稱量，然后放入電熱干燥箱以100℃～105℃的溫度下干燥8h后，從中選2～3個試樣進行第1次稱量。以后每隔2h稱量一次，至最后兩次稱量之差不超過0.002g時，即認為試樣達到全干。取出后放至干燥皿中恢復室溫即可稱量。甘薯秧含水率按下式進行計算：

式中：w—含水率，%；m—樣品重，g；ms—烘干后的質量，g。

2.試驗結果與分析

2.1 含水率試驗結果

甘薯秧含水率試驗結果如圖3所示。

圖3 甘薯秧含水率隨時間變化

從圖3可以看出：10月7日采樣時的含水率為85.82%，10月28日采樣時的含水率為70.21%，21d內甘薯秧含水率下降了15.61%，甘薯收獲期甘薯秧含水率隨著生長時間的增長而降低。經驗收獲期10月13日的甘薯秧含水率為83.28%。

2.2 剪切試驗結果

在剪切試驗中，萬能試驗機刀具加載速度分別為10mm/min和20mm/min時，得到剪切力數據如圖4所示。

圖4 甘薯秧剪切力隨時間變化

由圖4可以看出：當加載速度為10mm/min時，10月7日采樣時的剪切力為68.9N，10月28日采樣時的剪切力為118.4N，21天內甘薯秧剪切力增加了39.5N，經驗收獲期10月13日的甘薯秧剪切力為72.1N。甘薯收獲期甘薯秧剪切力隨著生長時間的增長而增加，實質上是隨著含水率的降低而增加。因為隨著生長期的增長，甘薯秧的含水率下降，由于水分的減少，甘薯秧逐漸老化而失去活性，秧蔓韌性不斷增強，故剪切力呈增加趨勢。當加載速度為20mm/min時，10月7日采樣時的剪切力為79.6N，10月28日采樣時的剪切力為121.9N，21d內甘薯秧剪切力增加了43.8N，經驗收獲期10月13日的甘薯秧剪切力為82.7N。對比曲線圖可以看出切割速度增大，產生的剪切力增大。

3.結論

利用電熱干燥箱、電子萬能試驗機對收獲期品種商薯19號甘薯秧進行了剪切試驗和含水率的測定，研究了甘薯秧含水率、刀片加載速度對剪切力的影響變化規律。

（1）10月7日采樣時的含水率為85.82%，10月28日采樣時的含水率為70.21%，21d內甘薯秧含水率下降了15.61%，說明甘薯收獲期甘薯秧含水率隨著生長時間的增長而降低。

（2）進行剪切試驗時，當加載速度為10mm/min和20mm/min時，剪切力均呈上升趨勢，說明甘薯收獲期甘薯秧剪切力隨著生長時間的增長而增加，即隨著含水率的降低而增加；加載速度為20mm/min時的剪切力比加載速度為10mm/min的剪切力要大，說明甘薯秧剪切力隨著切割速度的增加而增大。