東北大紅蘿卜物理力學特性研究

劉新柱,王玉花,劉明普,鄔萬江,姜慶昌

(佳木斯大學 a.機械工程學院;b.理學院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

東北大紅蘿卜是東北地區冬季儲藏量較大的一種傳統蔬菜[1],又被稱為“紅蘿卜”“大紅蘿卜”“止風參”等,為十字花科蘿卜屬,根肉質,沿生長方向可分為長橢球體和短橢球體,如圖1所示。大紅蘿卜根皮紅色,根肉白色,是我國東北地區的特產之一,由于因氣候及品種等因素形成了其極高的營養價值和藥用價值,在東北地區具有較大的種植面積和較高的年產量[2]。目前,大紅蘿卜的收獲方式主要還是以人工收獲為主,收獲效率較低,勞動強度很大[3-8]。為了解決這種問題,對大紅蘿卜的物理特性和相關力學性能進行了研究,得到了詳實、可靠的數據,為設計大紅蘿卜收獲機械提供了必要的理論基礎和設計依據。

圖1 東北大紅蘿卜Fig. 1 Northeast red radish

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

項目組在黑龍江省濃江農場選擇普通壟作大紅蘿卜作為研究對象,隨機選取了100個大紅蘿卜作為樣本,對其物理特性和力學性能進行了測量、試驗和分析。

1.2 試驗儀器和設備

試驗用儀器和設備主要有:DDL300型電子萬能試驗機,長春試驗機研究所有限公司,最大量程300kN,測量精度為示值的±0.5%;卷尺,最大量程3m,測量精度1mm;ES4100-2型電子天平,沈陽亮衡天平儀器有限公司,最大稱量4100g,測量精度0.01g; HG-500型數顯式拉力計,上海高致精密儀器有限公司,最大負荷500N,測量精度0.1N;1108-150C型數顯式游標卡尺,北京中巽云科技有限公司,最大量程150mm,測量精度0.02mm等。

2 大紅蘿卜的自然生長特性

對100個大紅蘿卜樣本的自然生長特性進行了測量和統計分析,得到了可食用根質量、長度、直徑、土下埋藏深度的分布情況,如表1所示。由表1的統計數據可知:大紅蘿卜的可食用根部質量為[873.6,1644.4]g,可食用根部長度為[102.4,213.6]mm,可食用根部直徑為[92.8,219.2]mm,可食用根部土下埋藏深度為[70.8,133.2]mm。

表1 大紅蘿卜食用根基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of edible root of radish

目前,國內外蘿卜聯合收獲機大都采用拔取式收獲方式[9-13],故大紅蘿卜的莖葉直徑和高度決定了拔取式蘿卜聯合收獲機夾持拔取裝置的主要設計參數[14]。項目組對樣本的測量數據進行了統計,得到了大紅蘿卜莖葉直徑、高度分布直方圖,如圖2、圖3所示。

圖2 距根莖結合部20mm處大紅蘿卜莖葉直徑分布區間Fig.2 The distribution range of stem and leaf diameter of radish at 20mm from the junction of root and stem

圖3 自然狀態下大紅蘿卜莖葉高度分布區間Fig.3 Distribution range of stem and leaf height of red radish in natural state

由圖2可知:自然狀態下,大紅蘿卜距根莖結合部20mm處莖葉直徑為[54.8,60.9],主要分布在40～70mm區間,約占測量樣本總數的73%,最大值為97mm,最小值為26mm,平均值為58mm。

由圖3可知:自然狀態下,大紅蘿卜莖葉高度為[109.7,123.9],主要分布在80～140mm區間,約占測量樣本總數的72%,最大值為257mm,最小值為41mm,平均值為117mm。

以上數據為設計拔取式大紅蘿卜收獲機械夾持拔取裝置提供了必要的理論依據。

3 大紅蘿卜拔取力與相關影響因素關系分析

影響大紅蘿卜拔取力的因素較多,主要有種植大紅蘿卜的土壤類型、堅實度、粘度、濕度[15],大紅蘿卜的質量、體積(與土壤接觸面積)、直徑、土下埋藏深度,以及蘿卜收獲機對大紅蘿卜的拔取速度等。項目組對質量(體積)和拔取速度對拔取力的影響進行了試驗研究,得到了詳實、可靠的試驗數據。

3.1 質量(體積)對拔取力的影響

大紅蘿卜的體積和幾何形狀決定了其與土壤的接觸面積,直接影響著蘿卜和土壤之間的結合力,從而決定了收獲時所需的拔取力[16]。同一地塊種植的大紅蘿卜可以近似認為其密度是相同的,因此體積影響因素可以用質量影響因素進行衡量。以相同的速度拔取大紅蘿卜時,質量(體積)因素對拔取力的影響試驗數據統計如表2所示。

表2 自然土壤狀態下大紅蘿卜質量對拔取力的影響Table 2 Effect of radish mass on extraction ability in natural soil

根據試驗數據可知,大紅蘿卜的拔取力為[174.9,190.2]N,最大值為253N,最小值為137N,平均值為182.6N。

由表2中的試驗數據可以得到大紅蘿卜質量(體積)和拔取力之間的關系曲線圖,如圖4所示。對試驗數據進行曲線擬合,可以得到二次曲線數學模型為y=1.7557×10-5x2+3.7765×10-2x+1.1384×102,其均方差為7.5408。曲線與數據基本吻合,計算結果也具有足夠的精度,說明該算法完全可行有效。

圖4 大紅蘿卜質量對拔取力影響擬合曲線Fig.4 Effect fitting curve of radish mass on extraction force

3.2 拔取速度對莖葉拉斷力的影響

去除不在扶禾器有效工作范圍內的枯葉及倒伏嚴重的莖葉的影響,選取距根莖結合部20mm處,莖葉直徑在(55±10)mm的大紅蘿卜為研究對象,分別以20、30、40、50、60、70、80、90、100mm/min的速度進行拉斷試驗。試驗結果如表3所示。由表3可知:大紅蘿卜的莖葉拉斷力為[164.2,181.6]N,最大值為229N,最小值為117N,平均值為172.9N。

表3 拔取速度對莖葉拉斷力的影響Table 3 Effect of extraction speed on breaking force ofstem and leaf

由表3中的試驗數據可以得到拔取速度分別為20、30、40、50、60、70、80、90、100mm/min時大紅蘿卜拔取速度和莖葉拉斷力關系曲線圖,如圖5所示。對表3中的試驗數據進行曲線擬合,可以得到其曲線數學模型為y=-7.3593×10-4x2-2.3835×10-1x+1.9055×102,均方差為3.3097。由圖5可以看出,擬合曲線與數據基本吻合,說明算法是有效可行的。

圖5 拔取速度對莖葉拉斷力影響擬合曲線Fig.5 Effectfitting curve of extraction speed on breaking force of stem and leaf

根據試驗數據并結合現場收獲試驗可知:拔取速度越慢,拔取力越大,但拔斷現象較少;拔取速度越快,拔取力越小,但拔斷現象增多。由于拔取速度直接影響著收獲速度,因此拔取速度不能太慢。

由試驗數據可知:在自然土壤狀態下,東北大紅蘿卜拔取力的平均值為182.6N,而莖葉拉斷力平均值為172.9N,拔取力的平均值略大于莖葉拉斷力的平均值,因此拔取式大紅蘿卜收獲機需使用松土鏟適當進行松土作業,從而減小拔斷率,提高收獲率。

4 結論

1)采用數理統計方法對東北大紅蘿卜的物理特性進行了統計和分析,得到了大紅蘿卜可食用根質量為[873.6,1644.4]g,長度為[102.4,213.6]mm,直徑為[92.8,219.2]mm,土下埋藏深度為[70.8,133.2]mm,莖葉高度為[109.7,123.9],距根莖結合部20mm處莖葉直徑為[54.8,60.9]。同時,得到相關物理特征的分布區間、分布比例、極值和平均值等數據,為設計大紅蘿卜聯合收獲機械進行了技術儲備。

2)對大紅蘿卜質量(體積)與拔取力的關系進行了試驗研究,得到其拔取力為[174.9,190.2]N。對試驗數據進行擬合,建立了其二次曲線模型為y=1.75574×10-5x2+3.77647×10-2x+1.13842×102。

3)當拔取速度分別為20、30、40、50、60、70、80、90、100mm/min時,對拔取速度對莖葉拉斷力的影響進行了試驗研究,得到莖葉拉斷力為[164.2,181.6]N。對試驗結果進行了擬合,建立了其二次曲線模型為y=-7.3593×10-4x2-2.3835×10-1x+1.9055×102。

4)自然土壤狀態下,東北大紅蘿卜拔取力的平均值略大于莖葉拉斷力的平均值,拔取式大紅蘿卜收獲機需使用松土鏟適當進行松土作業。