馬鈴薯切塊機剪切力學特性試驗

孫志江,衣淑娟,陶桂香,毛 欣

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

傳統上認為馬鈴薯是蔬菜,同時還可作為主糧并兼做飼料和工業加工原料[1]。2015年,農業部啟動馬鈴薯主糧化戰略,預測在2020年馬鈴薯將占包括水稻、玉米、小麥這些主要糧食市場的50%左右。目前,中國的馬鈴薯種植總面積和總產量均位居世界第一位[2],但單產較國外發達國家比較低[3],且國內各地區馬鈴薯產業發展不均衡。國內山東省馬鈴薯產業的生產實踐經驗表明:通過提高馬鈴薯產業的機械化程度最薄弱的一個流程就是馬鈴薯切塊工作[4]。目前,主要還是手工切塊,機械化程度低、耗費人力資源大,亟需研發馬鈴薯種薯切塊機械。

本文針對不同的馬鈴薯品種、含水率及薯的3種切塊位姿,利用CTM2050萬能材料試驗機[5]來初步探究影響馬鈴薯的靜剪切力學特性的因素,為整薯切塊提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用馬鈴薯為黑龍江地區市場上常見的馬鈴薯品種[6],分別是尤金885、克新13(也稱黃麻子)、農家自種的馬鈴薯品種3(跟前兩試驗用馬鈴薯品種不一樣),無病蟲害,無損傷。

1.2 試驗條件和方法

試驗用的力學試驗臺為CTM2050萬能材料試驗機,功率0.4kW。設置試驗切刀以定速度為5mm/min工作。

1.電腦 2.控制中心 3.移動式控制器 4.載物架 5.切刀

工作原理:試驗時,馬鈴薯種薯切刀安裝在與試驗機匹配的卡具上,馬鈴薯種薯放置在卡具底座上,卡具底座通過步進電機的帶動以一定的速度向上運動,向上運動的速度可以通過控制臺進行調節;當卡具底座上的種薯和卡具上的種薯切刀相接觸時,開始切塊工作,在控制臺顯示切刀受到力的數值。

選取馬鈴薯品種、馬鈴薯含水率、馬鈴薯在試驗臺的放置位姿3個因素,3種位姿[7]如圖2～圖4所示。將測得的馬鈴薯最大靜剪切力作為試驗指標,馬鈴薯屬于固體粘彈性物料的一種,由于固體農業物料性質的特殊性,同一因素水平組合需進行重復試驗5次。

試驗開始前,取馬鈴薯各個部位的組織塊若干,并將這些馬鈴薯組織塊切成小塊,然后平鋪在KeetMS100糧食谷物水分量儀的托盤上;放下托盤蓋后按啟動按鈕,待測量儀發出滴滴聲,屏幕顯示END,顯示屏上顯示的數字即為馬鈴薯的含水率。

圖2 正放

圖3 側放

圖4 立放

試驗過程中,馬鈴薯放置在載物靜壓盤上,當切刀以5mm/min的速度向下運動、切刀接觸放置在載物盤上的馬鈴薯時,在電腦和萬能試驗機配套的軟件中顯示剪力數據[8];壓力數值逐漸增加,從顯示屏上看到壓力逐漸增加到某一數值,然后趨于平穩,最后數值緩慢減小,記錄這些壓力數值中的最大值;每組試驗進行5次,取平均值。

1.屏顯 2.天平置物架 3.烘干燈絲 4.功能按鈕

2 結果與分析

試驗結果如表1所示。用Origin2017數據分析軟件對試驗數據進行分析,并繪制折線圖。

表1 馬鈴薯最大剪切力

表1中數據是不同含水率、不同品種、不同位姿下的最大靜切力值,每個馬鈴薯品種下設置3個馬鈴薯位姿水平,每個馬鈴薯位姿下設置3個含水率水平,利用EXCEL軟件和Origin數據統計軟件處理這些數據,繪成折線圖直觀地表現切力值和這些因素之間的相關關系。散點折線圖橫坐標為含水率(%),縱坐標為切力大小(N),切力大小是表中對應記錄的5個切力數值的平均值;正方形的小塊表示的是正放位姿時的切力數值大小,圓形的小塊表示的是側放位姿時的切力數值大小,三角形的小塊表示的是立方位姿時的切力數值大小。3個散點圖如圖6～圖8所示。

圖6 尤金885馬鈴薯含水率

圖7 克新13馬鈴薯含水率

圖8 農家品種馬鈴薯含水率

3 核心部件試驗

馬鈴薯種薯切塊機主要以機械式切塊為主(種薯切塊機整機構造見圖9),核心部件之一為連軸切刀。但是,在實際工作過程中,切刀對薯的切力大小數據難以獲得,所以將切刀安裝在設計的卡具中,通過CTM2050萬能材料試驗機進行切力試驗,可方便快捷地測得所需的切力大小。切刀的參數為切刀厚度2.5mm,直徑380mm,最薄處1mm,刃口處打磨4mm。

圖9 馬鈴薯切塊機整機圖

用自制的切刀進行試驗,切刀安裝圖為圖10所示。本試驗馬鈴薯品種為克新13(市場上也稱黃麻子):含水率為77.76%,株型直立,苗期健壯幼苗生長勢強,株高65～70 cm,中晚熟,生育日數95～100天,復葉大小中等, 花冠白色, 結實性較強, 塊莖圓形,黃皮淡黃肉,表皮有網紋,塊莖大而整齊,大中薯率90%以上,芽眼較淺。

圖10 切刀安裝圖

統計后的數據如圖11所示。

圖11 切力值圖

由圖11可以看出:切力的大小和馬鈴薯相對切刀的位置有很大聯系,立放的馬鈴薯的切力值明顯大于正放和側放的馬鈴薯的切力值; 側放的馬鈴薯的切力也比正放的馬鈴薯的切力數值大。原因可能是馬鈴薯是固體粘彈性物料,在馬鈴薯生長過程中內部應力大于外部應力,在馬鈴薯芯部的密實程度大于表層的密實程度,因此在馬鈴薯芯部剪切力達到最大值。

4 結論

1)馬鈴薯靜切試驗表明:含水率對最大靜切力影響較大,細胞含水率比較高,表皮比較脆,切刀進入阻力較小;含水率降低時,表皮含水率下降明顯,因此對切刀進入產生的阻力會快速增加,導致切力增大明顯。

其次是馬鈴薯品種,不同馬鈴薯品種各種物理特性相差較大,主要是其內部馬鈴薯細胞之間的作用力對馬鈴薯靜切試驗的影響較大。

2)馬鈴薯的切力數值和馬鈴薯相對切刀的位置有關,立放的馬鈴薯的切力較正放和側放的切力大,且越靠近馬鈴薯芯部切力數值越大、馬鈴薯物料越密實。