溫室生菜根莖的剪切力學特性研究

陳 健,王新忠,吳又新,承銀輝

(江蘇大學 農(nóng)業(yè)裝備工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

我國是一個蔬菜種植大國,目前的蔬菜面積達到22 328khm2[1],葉菜約占到50%。目前國內(nèi)設施蔬菜收獲機械的普及程度低,采收收獲方式仍主要以人工收獲為主。為了提高蔬菜設施種收的效率和效益,迫切需要開展設施蔬菜機械化,尤其是葉菜機械化收獲的研究[2-4]。國內(nèi)的設施葉菜收獲機械多數(shù)簡單地延用大田相近的收獲機具,還有待于考慮蔬菜本身特性,開展適用的蔬菜收獲機械的設計理論分析,同時開展葉菜收獲力學特性的針對性研究,積累相關的基礎數(shù)據(jù)和理論[5-8]。

作物的切割采收是收獲作業(yè)方式的一個重要的環(huán)節(jié),莖稈的切割過程與莖稈的物理力學特性、割刀的特性、割刀與莖稈的相對位置及割刀的速度等都有密切的關系[9-11]。目前,國內(nèi)外已經(jīng)開展對作物的切割力學研究,與切割過程有關的莖稈物理機械性質包括切割阻力、折斷阻力、彈性模量和摩擦因數(shù)等[12-14]。李小強等人在微機控制多功能試驗機上分析了甘藍根莖的切割力影響因素,并進行了單因素和多因素的切割力學測試試驗[15],但還沒有針對奶油生菜的切割特性的研究。高國華等人自制溫室生菜的切割驗臺,研究了切削速度夾持距離、夾持角度和切割角度對溫室生菜切割力的影響[16],但沒有對刀具類型、切割方式和切割位置對切割特性影響進行研究。國外也有許多作物剪切力學方面的研究。Mcrandal D M[17]發(fā)現(xiàn)不同的切割方式所消耗的切割能量不一樣,速度越高,所消耗的切割能量越低。Johnson P C研究溫室葉菜切割速度和切割角度對切割質量和切割能量的影響,證明了切割速度和切割角度對切割性能參數(shù)有一定正相關的曲線關系[18]。Meng Y等[19]人進行實驗以測量切削力和比較不同條件下桑枝的表面質量。Mathanker S K等探討了切割速度和切割傾斜角度對切割能量的影響[20]。這些研究僅僅針對刀具參數(shù)等單一因素進行分析,并沒有系統(tǒng)性地進行單因素和多因素正交試驗相結合分析作物剪切力學特性。

本文選取設施種植的新鮮生菜,在物性測試儀上開展剪切試驗,以剪切力為指標,分析剪切速度、滑切角度、剪切位置及剪切刀具類別等因素對生菜根莖剪切力的影響,并利用正交試驗的方法尋找生菜剪切過程中的主要影響因素。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設備

試驗所用到的設備是英國出產(chǎn)的TA.XT Plus 物性測試儀,如圖1所示。儀器的試驗量程測試速度范圍為0～40mm/s,測試距離精度為0.001mm,測試力度精度為0.0002%。儀器內(nèi)置探頭傳感器和力學傳感器,與電腦連接,可以將數(shù)據(jù)導出,得到所需要的曲線圖。切割的刀具主要有兩種,即鋸齒刀和光刀,分別如圖2和圖3所示。鋸齒刀片的厚度為1.5mm,刀刃寬度為62mm,刃角約26°,刀具的材料為合金鋼。光刀則選用市場上最常見的普通切割刀片,材料為65Mn,頂端寬度為30mm,刀刃的寬度約為20mm,刃角為20°,刀片厚度1mm。

圖1 TA.XT Plus 物性測試儀Fig.1 TA.XT Plus physical property tester

圖2 鋸齒刀Fig.2 Sawtooth knife

1.2 試驗材料

試驗材料取自江蘇地區(qū)常種的生菜(奶油生菜),種植期選擇在9月,于10月31號成熟收獲。圖4為溫室所種植的奶油生菜,相關尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 成熟期的生菜尺寸參數(shù)Table 1 Mature size parameter at maturity mm

圖4 溫室奶油生菜Fig.4 Greenhouse cream lettuce

1.3 試驗方法

試驗中,設定剪切采樣頻率為10Hz,加載速度為20mm/s,選取的試驗材料是奶油生菜的根莖部位。試驗時,將生菜放在物性測試儀的試驗平臺上,將根莖對準刀具所在平面,根據(jù)物性測試儀的操作手冊,調整好加載速率,裝載好刀片,進行剪切運動,通過設定好試驗周期,然后采集數(shù)據(jù)。分別選取距離生菜底葉尺寸為1.5、3.1、4.42mm的部位作為剪切位置。

先進行剪切刀具的影響因素試驗,取15個奶油生菜根莖,分別用不同的刀具在距離生菜底葉1.5、3.1、4.42mm處做3組剪切試驗,每組試驗重復3次,試驗結果取平均值。

同上面相同的試驗步驟,改變剪切速度進行剪切速度對生菜根莖剪切力學特性的影響試驗,以剪切力大小為影響指標。

結合上面各單因素分析的結論,進行滑切角度、剪切位置和剪切速度多因素正交試驗。多因素的正交試驗方案如表2所示,所選的試驗材料與單因素試驗相同。

表2 不同因素及水平Table 2 Different factors and levels

試驗中需要進行滑切,滑切示意圖,如圖5所示?；薪强梢酝ㄟ^調整刀片裝夾的角度來調整。

圖5 滑切試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of the sliding test

2 試驗結果與分析

2.1 生菜根莖直徑對剪切力的影響

因為所種的生菜根莖直徑尺寸不同,需分析生菜根莖尺寸對切割力大小的影響和方差。選擇4種不同直徑的奶油生菜,根莖直徑分別為4.46、8.64、9.34、12.05mm。試驗工況為：剪切加載速度20mm/s,滑切角度為20°,剪切位置靠近生菜底葉1.5mm處,剪切刀具類型為光刀,在此條件下對這些生菜根莖進行剪切試驗。每種直徑的生菜根莖進行重復3次試驗。不同生菜直徑下的最大剪切力試驗數(shù)據(jù),如表3所示。由表3可以看出：不同直徑的生菜根莖最大剪切力變化不大。

表3 不同直徑生菜根莖的最大剪切力試驗數(shù)據(jù)Table 3 Maximum shear test data of different diameter lettuce stems

將得到剪切力數(shù)據(jù)進一步方差分析得出結果,如表4所示。在0.01水平上進行因素的顯著性檢驗,根據(jù)檢驗法則得出F=0.556

表4 不同直徑生菜根莖的剪切力方差分析表Table 4 Analysis of shear force variance of roots and stems of different diameter lettuce

2.2 剪切速度對生菜根莖剪切力的影響

本次試驗的工況為滑切角度為20°,剪切刀具為鋸齒刀下剪切位置為1.5、3.1、4.42mm3種分析剪切速度對生菜根莖剪切力的影響。根據(jù)物性測試儀的測試速度量程：0～40mm/s,將剪切速度的測試區(qū)間分成0～10mm/s、10～20mm/s、20～40mm/s3個區(qū)間,然后每個區(qū)間選取了一個剪切速度,取值分別為5、15、20mm/s。3個具有代表性的剪切速度下生菜根莖剪切力數(shù)據(jù)曲線圖如圖6所示。

(a) 剪切速度為20mm/s

試驗表明：剪切位置在靠近生菜底葉1.5mm處剪切力最小。其次,剪切速度為5mm/s時,生菜根莖的最大剪切力值為20.22N;剪切速度為15mm/s時,最大剪切力為9.42N;剪切速度為20mm/s時,最大剪切力值為7.12N,由此說明剪切力隨著剪切速度增加而減小。

2.3 剪切位置、剪切刀具對剪切力的影響

圖6(a)是剪切力隨著割刀位移變化之間關系。此試驗工況為：剪切刀具為鋸齒刀,剪切速度為20mm/s,滑切角度為20°,剪切位置為1.5、3.1、4.42mm3種。試驗表明：剪切力隨著剪切位移的增加而增大,越靠近底葉部位莖稈的最大剪切力數(shù)值越小,靠近底葉的3.1mm處,生菜剪切力達到15.2N;在剪切位置靠近底葉的4.42mm處,也就是根莖最底端處,生菜根莖的剪切力達到22.48N;在靠近底葉的1.5mm的剪切力相比其他剪切位置剪切力達到最小值,剪切力達到最小值為7.12N。

圖7為剪切力隨著割刀位移變化之間關系。此試驗工況為：剪切刀具為光刀,剪切速度為20mm/s,滑切角度為20°,剪切位置為1.5、3.1、4.42mm3種。試驗表明：剪切位置在距離生菜底葉4.42mm左右時,最大剪切力會達到為28.52N;距離生菜底葉3.1mm處時,最大剪切力為19.06N;距離生菜底葉的1.5mm處,最大剪切力為8.82N。

圖7 光刀剪切生菜根莖剪切力-位移曲線Fig.7 Light knife cutting shear force-displacement curve of lettuce

綜合圖6(a)和圖7的結論可得：生菜根莖上的每個剪切位置在剪切速度和滑切角度相同的情況下,光刀消耗的剪切力大于鋸齒刀。

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)得到F=23.1。同時,在0.01的水平上進行方差分析,通過方差分析表方差檢驗的原則得出F=23.1>F1-0.01(1.4)=21.2,表明剪切刀具對生菜根莖剪切力學特性的影響顯著。

表5 不同刀具剪切生菜根莖剪切力方差分析Table 5 Analysis of shear stress of roots and stems of lettuce cutting with different cutting tool

2.4 多因素分析

分別進行了剪切速度、剪切位置和剪切刀具的單因素分析后,需要將這幾種因素結合在一起綜合考慮分析多因素對生菜根莖剪切力影響。

以剪切刀具為鋸齒刀進行剪切試驗,根據(jù)不同因素水平進行正交試驗的設計L4(33),如表6所示。通過物性測試儀采集得到的數(shù)據(jù),然后進行整理得到各試驗的剪切力的數(shù)據(jù)及計算的結果,表6中的剪切力均為最大剪切力。

表6 剪切力數(shù)據(jù)及計算結果Table 6 Shear force data and calculation result

根據(jù)極差檢驗法則得到Rj,R1=31.1,R2=56.67,R3=5.51,R2>R1>R3,各因素影響大小是：剪切速度>剪切位置>滑切角度,如表6所示。表7是在0.05水平上的方差分析表。根據(jù)正交試驗方差分析的顯著性檢驗法則得出FA=86.89>F1-0.05(2,2),FB=180.76>F1-0.05(2,2),FC=6.73

表7 剪切力方差分析Table 7 Analysis of shear force variance

3 結論

1)進行剪切力多因素的正交試驗設計,并進行極差分析和方差分析可得到不同影響因素的影響大小,依次是剪切速度>剪切位置>滑切角度。其中,剪切速度和剪切位置對剪切力的影響比較顯著,滑切角對剪切力影響不顯著。

2)利用不同的刀具進行生菜根莖的剪切力分析,根據(jù)剪切力的數(shù)據(jù)關系曲線圖得到鋸齒刀剪切效果比光刀好,相同的工況下,鋸齒刀的最大剪切力要比光刀小1.97N。通過單因素方差分析得到刀具的不同對生菜根莖的剪切力大小影響顯著。隨著剪切速度的增加,剪切力會減小;剪切位置越靠近生菜底葉處,剪切力越小;生菜直徑大小對剪切力影響不顯著。

3)通過單因素剪切試驗和多因素正交試驗分析,綜合考慮可以得出：剪切刀具為鋸齒刀,剪切速度為20mm/s,滑切角度為20°,剪切位置靠近生菜底葉的1.5mm左右處,此時剪切過程中的最大剪切力會達到一個最小值為7.12N。