成熟期馬鈴薯秧的單位直徑最大剪切力試驗研究

辛青青,呂釗欽,2,劉理民,程祥勛,張萬枝,2

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院,山東 泰安 271018;2．山東省園藝機械與裝備重點實驗室,山東 泰安 271018)

0 引言

馬鈴薯是我國重要的農作物之一,被農業部認定為繼水稻、小麥、玉米之外第四大糧食作物,對于保障我國糧食安全和生態環境的穩定具有重要作用。“十二五” 以來,我國馬鈴薯生產實現穩定發展,總產量超過9 000萬t[1]。馬鈴薯莖葉單產約18～55.95t/hm2,年產量約1.2～1.8億t,以可轉化率30%和青貯產品得率1∶0.4計算,可產青貯飼料1 440萬t[2]。馬鈴薯的秧藤和薯渣可以經過青貯處理作為牲畜飼料,具有很高的回收利用價值。微生物發酵具有可改善馬鈴薯秧藤和薯渣的粗纖維結構、改善適口性、降低毒素含量、提高營養價值和能穩定貯存等特點[2],研究馬鈴薯秧的力學特性對馬鈴薯殺秧機、割秧機和馬鈴薯秧蔓切割機等農用機械刀具的結構設計和參數優化具有重要的指導意義。馬鈴薯秧的物理特性試驗指標包括:壓縮、剪切、彎曲和拉伸,針對馬鈴薯秧蔓不同的處理方式,需要測定不同的物理特性指標,如對馬鈴薯割秧機的刀具進行設計和優化時,需要測定馬鈴薯秧的密度、剪切強度及彈性模量等。國內外對農作物秸稈的力學特性研究起步較早,辛杰利用萬能試驗機做拉伸試驗對成熟期大蒜的莖稈進行抗拉強度、擠壓強度、起拔力等測試,研究了莖稈直徑大小、含水率多少、加載速度大小對大蒜莖稈抗拉強度的影響[3]。王帥等使用萬能試驗機對玉米鮮秸稈進行力學特性試驗,獲得玉米秸稈的相關力學參數數據[4]。

本文針對成熟期馬鈴薯秧進行多因素分析,主要探討徑向剪切時,取樣部位、含水率和剪切速度對馬鈴薯秧的單位直徑最大剪切力的影響規律,并進行單因素分析和交互作用分析,為馬鈴薯殺秧機和馬鈴薯秧切割機的刀具設計和仿真優化提供技術支持。

1 試驗材料采集與研究方法

1.1 試樣采集

馬鈴薯秧樣本以中薯8號為試驗對象,于2018年6月13日取自山東省泰安市農業科學研究院馬鈴薯種植基地。基地內馬鈴薯種植模式為單壟單行種植,全部采用人工勞動起壟,壟高25cm左右,壟距80cm左右,株距大約25cm。試驗材料取樣時將馬鈴薯連根拔起,取樣后在馬鈴薯秧上撒上礦泉水,用保鮮膜包起來,做好保鮮工作,以保持馬鈴薯秧蔓含水量不因植物呼吸作用而產生較大變化;取樣后在實驗室去除枝葉、分枝,留下主莖部分作為樣本。

1.2 試驗儀器

試驗設備主要包括電子控制式萬能試驗機(WDW-5E型)(見圖1)、水分烘干箱(見圖2)、電子天平、剪刀、游標卡尺和直尺等工具。應力-應變關系圖及載荷-位移關系圖可由計算機通過內置程序計算,最終以描點方式給出關系圖,各點坐標及結構參數由計算機主動生成的文件得出。

圖1 微機控制式電子萬能試驗機

圖2 水分烘干箱

1.3 試驗方法

1.3.1 剪切試驗

剪切試驗前,先對馬鈴薯秧樣本進行處理,去除葉子和側枝,留下主莖稈部分作為試驗對象。從馬鈴薯秧根部向上每5cm進行一次取樣,分別為下部(根部)、中下部、中部、中上部、上部(頂部)取樣,即同一根主莖上共取5次樣本,每個樣本的長度定為5cm。剪切試驗時,將樣本置于 V 型定位塊上,如圖3所示。

根據相關文獻和農作物秸稈粉碎處理回收機械設計優化的需求,以單位直徑最大剪切力和剪切強度為目標值,研究馬鈴薯秧含水率、取樣位置和剪切速率對兩個目標值的影響關系。單位直徑最大剪切力為

(1)

式中Pj—甘薯秧單位直徑最大剪切力(N/cm);Fjmax—最大剪切力(N);

d—甘薯秧莖稈直徑(cm)。

1.3.2 含水率測定試驗

試驗采用干燥法測定馬鈴薯秧的含水率,使用上海第二五金廠生產的202-2型電熱干燥箱進行馬鈴薯秧的烘干試驗。在烘干試驗前,將剪切試驗后的馬鈴薯秧從剪切處兩側各取10mm作為干燥樣本進行含水率測定;烘干時,采用烘干溫度為105℃,每0.5h將馬鈴薯秧樣本從干燥箱中取出,測定其質量,再放回干燥箱進行烘干;當相鄰兩次稱重的馬鈴薯秧樣本的質量不再變化時,即可認其為馬鈴薯秧的干燥質量。含水率為

(2)

式中G—樣本質量(g);

g—樣本的干燥質量(g)。

相信大多數朋友已經對全畫幅數碼相機的技術特點與發展歷程比較熟悉了，今天我們就從一些重要節點入手，來看看全畫幅機型是如何一路走來發展至巔峰的。

1.4 響應面分析法試驗設計

研究馬鈴薯秧的剪切特性時,挑選符合試驗設計要求的馬鈴薯秧的測試結果,采用三元二次回歸正交旋轉組合的設計方案,選取馬鈴薯取樣位置(A)、秧含水率(B)、剪切速率(C)為這3個因素設計方案,利用響應面法分析試驗結果,研究 A、B、 C 3個因素對馬鈴薯秧剪切力學特性的綜合影響,并建立各因素與馬鈴薯秧剪切力學特性之間的數學關系模型。表1為設計方案的編碼值和實際值的對應關系。

表1 設計方案編碼值與實際值對應關系

2 結果與分析

2.1 試驗方案建立

將依據表1中各因素的水平,對表中各組試驗方案進行5次重復,得到平均值后,將結果輸入三元二次回歸正交旋轉組合試驗設計表。馬鈴薯秧莖的單位直徑最大剪切力與3個影響因素的試驗方案及結果,如表2所示。

表2 試驗方案及結果

續表2

2.2 試驗因素對馬鈴薯秧莖的單位直徑最大剪切力的影響分析

利用Design Expert 10軟件對馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力試驗數據進行分析,將表2中的數值輸入到軟件中,利用軟件計算出獲得各因素編碼值與馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力Pj的回歸模型,即

(3)

對各項進行方差分析,結果如表3所示。

表3 馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力回歸模型的方差分析

由表3可知:所建立的馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力與試驗因素之間的關系模型是極顯著的(P<0.01),失擬項不顯著(P>0.05),說明本試驗無其他因素的顯著影響,表明模型是合理的。在單因素效應中取樣位置A的一次項(P<0.01)對馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力影響極顯著;取樣位置A的二次項(P<0.05)對馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力影響顯著;其他項(P>0.05)的影響均不顯著。

在雙因素交互效應中,兩兩因素之間的交互效應也不相同。但是各交互項的影響均不顯著(P>0.05)。

把回歸方程中的3個因素中的任意 2 個因素變成零水平,分別研究取樣部位(A) 、含水率(B) 、加載速度(C) 各自對馬鈴薯秧主莖單位直徑最大剪切力的影響(單因素影響),單因素影響回歸模型如下

取樣部位(A):Pj=0.75-0.37A+0.064A2

(4)

含水率(B):Pj=0.75-0.056B+0.020B2

(5)

加載速度(C):Pj=0.75-0.057C+0.059C2

(6)

由圖4可以看出:當含水率、加載速度固定在零水平(B=0,C=0)時,馬鈴薯秧主莖的單位直徑最大剪切力隨著取樣位置( 從上到下) 的變化表現出逐漸下降的曲線變化。

圖4 不同因素對馬鈴薯秧主莖單位直徑最大剪切力的影響

由此可見:同一株馬鈴薯秧莖底部單位直徑最大剪切力大于中部,中部單位直徑最大剪切力大于上部。由于馬鈴薯秧主莖由下到上的直徑逐漸減小,即所需要的剪切力就越來越小,因此單位直徑最大剪切力就越來越小。當取樣部位、加載速度固定在零水平(A=0,C=0)時,馬鈴薯秧主莖的單位直徑最大剪切力隨著含水率增加呈緩慢下降又逐漸平緩的曲線變化,變化趨勢并不明顯。可能是由于當含水率較小時(<89% ) ,其主莖受植株木質化影響,受到剪切時相對難以切斷;當含水率逐漸升高時(90%～92%),馬鈴薯秧的主莖特性變得很脆,其單位直徑最大剪切力相對降低。當取樣部位和含水率固定在零水平(A=0,B=0)時,馬鈴薯秧的主莖單位直徑最大剪切力隨著加載速度的增加逐漸降低,但變化幅度不明顯,影響不顯著。

2.2.2 雙因素交互作用分析

在雙因素的交互作用中,取樣位置A、含水率B和剪切速度C交互因素對響應值Y1影響的響應面曲線圖如圖5～圖7所示。結合表3中的數據可知,取樣位置和含水率的交互作用(AB)對單位直徑最大剪切力的影響相對其他影響因素的交互作用最大,含水率和剪切速度的交互作用(BC)對單位直徑最大剪切力的影響次之,取樣位置和剪切速度的交互作用(AC)對單位直徑最大剪切力的影響最小。取剪切速度為50 mm/min(C=0)時,得到取樣位置和含水率的交互作用對單位直徑最大剪切力的回歸模型,如式(7)所示,其響應面如圖6所示。

(7)

由圖5可以看出:同一含水率B情況下,隨取樣位置的升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力逐漸減小;同一取樣位置情況下,隨含水率的升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力逐漸減小。

圖5 含水率和取樣位置對馬鈴薯秧主莖單位直徑

由圖6可以看出:同一剪切速度情況下,隨取樣位置的升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力逐漸減小;同一取樣位置情況下,隨剪切速度的升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力逐漸減小。由圖7可以看出:含水率和剪切速度的交互作用對單位直徑最大剪切力的影響不明顯。

圖6 含水率和取樣位置對馬鈴薯秧主莖單位直徑最大

圖7 含水率和剪切速度對馬鈴薯秧主莖單位直徑

3 結論

1)以成熟期品種中薯8號為試驗材料,通過單因素試驗和響應面分析法試驗研究了取樣位置、含水率和剪切速度3個因素對馬鈴薯秧剪切力學特性的單因素影響和雙因素影響,并建立試驗因素與馬鈴薯秧剪切力學特性之間的影響回歸模型。

2)試驗結果表明:在單因素作用中,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力隨著含水率的增加,取樣位置的升高和剪切速度的增加呈降低趨勢;其中,含水率、剪切速度對目標值影響的變化趨勢并不明顯,無顯著性影響。

3)在雙因素交互作用中,取樣位置和含水率的交互作用對馬鈴薯秧主莖的單位直徑最大剪切力的影響最明顯,而其他交互作用的影響不顯著。隨著含水率的增加和取樣位置的逐漸升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力整體上呈現下降的趨勢。當含水率大于90%、剪切速度大于50mm/min時,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力整體變化的幅度不大。