生姜植株提拉力學特性的試驗研究

摘要：針對提拉式生姜收獲過程中存在姜稈易斷裂等問題，采用剪切、擠壓、拉伸試驗的方法測定生姜植株的提拉力學特性參數，尋找夾持位置、加載速度等因素對生姜植株力學特性的影響規律。試驗發現：姜稈的剪切強度隨著取樣位置與加載速度的增大而減小；抗壓強度隨著取樣位置的增加而增大，隨著加載速度的增加略微增加后減小，姜稈的平均剪切強度與抗壓強度分別為0.85 MPa、3.29 MPa。生姜塊莖與姜稈結合部位的抗拉強度受到夾持位置的影響顯著，呈二次函數關系，隨著加載速度的增加而呈現先減少后增加的趨勢，且平均抗拉強度為0.6 MPa。通過對姜稈最佳剪切與擠壓位置、最佳提拉位置的尋優，確定剪切與擠壓力較大的位置為結合點以上393.9 mm處、姜稈與姜塊莖結合點受力最大的位置為結合點以上400 mm處。生姜植株最佳的剪切擠壓位置與最佳提拉位置趨于一致，且姜稈的抗壓強度遠大于剪切強度。因此，選用適宜的夾緊方式及位置，可減小姜稈受到的剪切力，達到順利拉拔生姜的效果，為提拉式生姜收獲機的整體設計提供數據支撐。

關鍵詞：生姜植株；姜稈；物理特性；力學特性

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

Experimental study on mechanical properties of ginger plants

Abstract：

In view of the problem of easy fracture of ginger stalk during the harvesting process of pulling ginger， shearing， squeezing and tensile tests were used to determine the mechanical parameters of ginger plant pulling， and factors such as clamping position and loading speed were found to affect ginger plants. It was found that the shear strength of ginger stalks decreased with the increase of sampling position and loading speed; the compressive strength increased with the increase of sampling position， slightly increased and then decreased with the increase of loading speed. The average shear strength and compressive strength of the culm were 0.85 MPa and 3.29 MPa， respectively. The tensile strength of the binding site of ginger tuber and ginger stalk was significantly affected by the clamping position， showing a quadratic function relationship， showing a trend of first decreasing and then increasing with the increase of loading speed， and the average tensile strength was 0.6 MPa. Through the optimization of the best shearing and pressing position and the best lifting position of ginger stalk， it was determined that the position with greater shearing and pressing force was 393.9 mm above the junction point， and the force at the junction point of ginger stalk and ginger tuber was determined. The largest position was 400mm above the junction point. The optimal shearing and pressing positions of ginger plants tended to be consistent with the optimal pulling positions， and the compressive strength of ginger stalks was much greater than the shearing strength. Therefore， choosing the appropriate clamping method and position can reduce the shear force on the ginger stalks， achieve the effect of smooth ginger pulling， and provide data support for the overall design of the pulling type ginger harvester.

Keywords：

ginger plant; ginger stalk; physical characteristics; mechanical property

0 引言

生姜是我國重要的調味品，具有品種多、種植深、易脆斷的特點。目前，生姜收獲主要依靠人工或半機械化完成，機械化收獲水平低［12］。現有的提拉式生姜收獲機采用夾持鏈與挖掘鏟協同作業，存在姜稈易夾斷、姜稈與姜塊莖易斷裂的問題。收獲過程中，生姜植株主要承受夾持鏈給予的剪力、壓力、拉伸力。當剪力或壓力過大時，姜稈斷裂；當拉力過大時，姜稈與姜塊莖脫落，從而影響了生姜收獲機的工作性能。掌握適宜的生姜植株的提拉力學特性對提高挖掘及收獲效果等具有重要的意義［36］。

作物的力學特性是收獲裝備研發及機構優化的基礎［78］。當前，國內外部分專家對甜菜、胡蘿卜和馬鈴薯的關鍵力學參數進行了測定，借助虛擬仿真研究提高了相關農機具的使用性能，可為生姜提拉力學參數的研究提供參考［910］。針對生姜物性參數缺乏、仿真研究數據不足、基礎研究薄弱等問題，只有少部分專家做了物性參數測定，但未對生姜植株的提拉參數進行系統的研究。因此，結合提拉式生姜機械化收獲過程中姜稈剪切力與擠壓力同時存在的工作特點；姜稈與姜塊莖結合點易斷裂的特點，研究姜稈的剪切及擠壓力學特性，分析姜稈與姜塊莖結合點的受載規律，可為后期收獲機具的研發提供數據支撐。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

選取山東的綿姜植株為研究對象。姜稈高度為800～1 000 mm，參照GB 5009.3—2016測定方法進行試驗測定密度、含水率分別為1 097 kg/m3、92.45%［1113］。結合姜稈植株長度及試驗要求，選取150 mm長姜稈為試樣，研究姜稈不同位置的力學特性。選取整個生姜植株為研究對象，研究姜稈與姜塊莖結合點的力學規律。姜稈的取樣位置、生姜植株的夾持位置如圖1所示。

其中：L表示姜稈高度，l表示樣本長度，H1表示取樣高度，H2表示夾持高度，A表示取樣點，B表示夾持點，C表示結合點。

1.2 試驗方法

采用GH2000型微機控制電子萬能試驗機設備（2 000 N， 0.01 N），分別測定不同位置姜稈的剪切強度與抗壓強度，獲得姜稈的剪切與擠壓曲線；測得不同夾持點姜稈與姜塊莖結合點的抗拉強度，獲得姜稈與姜塊莖結合點的受力曲線。

剪切強度［1415］

式中：

Fs——最大剪切力，N；

A——剪切面面積，m2。

抗壓強度

式中：

Fmax——最大擠壓力，N；

A1——試樣橫截面積，m2。

抗拉強度［16］

式中：

Fσmax——斷裂時最大拉力，N；

A2——斷裂處橫截面積，m2。

2 試驗與分析

2.1 試驗方法

通過預試驗，發現整個生姜植株的力學特性存在差異。姜稈與姜塊莖結合點的力學特性分別受加載速度X1、取樣高度X2、夾持高度X3等因素的影響。結合生姜機械化收獲工作環境，探究X1、X2對姜稈剪切強度Y1及抗壓強度Y2的影響，X1及X3對姜稈與姜塊結合點的抗拉強度Y3的影響。參照農業作物姜稈力學特性試驗，選取5 mm/min、10 mm/min、15 mm/min加載速度作為因素水平。其試驗水平如表1、表2所示。采用Desdign-Expert軟件的Central Composite試驗方法進行設計，試驗方案及結果如表3、表4所示。

為保證姜稈在夾持過程中的穩定性，減少姜稈的抖顫，生姜的夾持點不得過高，故在拉伸試驗中姜稈取樣范圍為200～400 mm，保證夾持工作的穩定進行。

2.2 結果分析

2.2.1 姜稈剪切與擠壓試驗

通過Design-Expert進行多元回歸擬合及方差分析得知，X1、X2以及交互項X1X2、X12、X22項對剪切強度的影響顯著，且加載速度對于剪切強度影響程度大于取樣位置；X2、X12、X22項對抗壓強度的影響顯著，且取樣位置對于抗壓強度的影響極其顯著，取樣位置對于抗壓強度影響程度遠大于加載速度，試驗方差分析如表5、表6所示。剔除不顯著項，則回歸方程如式（4）、式（5）所示。

Y1=0.952 0-0.101 7X1-0.091 3X2+1.225X1X2-0.082 9X12-0.082 9X22（4）

Y2=3.66+0.468 8X22-0.320 1X12-0.280 5X22（5）

由圖2可知，姜稈的抗剪強度與抗壓強度受到取樣高度及加載速度的影響顯著。在剪切強度與抗壓強度的響應面中，隨著取樣高度的增加，姜稈剪切強度逐漸減小；隨著加載速度的增加，剪切強度逐漸減小；隨著加載速度的增加，姜稈抗壓強度先略有增大后減小；隨著取樣高度的增大，姜稈抗壓強度逐漸減小。綜合提拉式生姜收獲機的夾持機構對姜稈的剪切及擠壓特性，相同位置姜稈的抗壓強度遠大于抗剪強度。因此，夾持裝置承載截面應盡量增大，避免剪應力的發生。經Design-Expert軟件優化，得最佳參數組合：X1=8.9 mm/min、X2=393.9 mm、Y1=1.0 MPa、Y2=3.6 MPa。由此可見，在收獲過程中，最佳夾持位置不應過高，應控制在距離姜稈與姜塊莖結合點400 mm左右的位置。

2.2.2 姜塊與姜稈的抗拉強度

通過Design-Expert進行多元回歸擬合及方差分析得知，X12、X32項對抗拉強度影響顯著，且加載速度對姜稈與塊莖結合點的抗拉強度的影響較顯著。方差分析如表7所示。剔除去除不顯著項，姜稈與塊莖結合點抗拉強度的回歸方程為

Y3=0.49+0.1X12+0.09X32（6）

由圖3可知，連接強度與取樣高度、加載速度之間呈二次函數關系，且隨夾持高度的增加，抗拉強度先減小后增加；隨加載速度的增加，抗拉強度先減少后增加。經Design-Expert軟件計算得出最優解，X1=15 mm/min、X3=400 mm、Y3=0.78 MPa。故在提拉收獲過程中，最佳夾持提拉位置在距離姜稈與姜塊莖結合點400 mm左右。

3 結論

1）" 生姜姜稈的剪切強度、抗壓強度受到取樣位置與加載速度的影響顯著。剪切強度分別隨著取樣位置與加載速度的增大而減小。隨著加載速度的增加，姜稈的抗壓強度先略有增大后減小；隨著取樣位置的增大，姜稈抗壓強度逐漸增大。姜稈的平均剪切強度及抗壓強度分別為0.85 MPa和3.29 MPa。這表明姜稈下端的位置纖維密集，細胞活性大，抵抗剪切的能力較強。姜稈上端纖維較為松散，含水率較低，纖維細胞彈性大，抵抗擠壓的能力較大。因此，設計提拉式生姜收獲機時，應盡量降低剪應力的產生，保證作業效果。

2）" 生姜塊莖與姜稈結合部位的抗拉強度受到試樣夾持位置的影響顯著，且呈二次函數關系。隨著夾持高度的增加，抗拉強度先減小后增加；隨加載速度的增加，抗拉強度先減少后增加。姜稈與姜塊莖的平均連接強度為0.6 MPa，平均最大受載力為91.6 N。結合每株植株8～10根姜稈的特點，單株生姜塊莖最大承載力為732.8～916 N。

3）" 利用Design-Expert軟件對姜稈最佳剪切及擠壓位置、最佳提拉位置進行尋優，確定剪切與擠壓力較大的位置為393.9 mm，即最佳夾持位置不應過高，應控制在距離姜稈與姜塊莖結合點以上400 mm左右的位置。同時，最佳夾持提拉位置為400 mm，即夾持位置距離姜稈與姜塊莖結合點400 mm時，姜稈與姜塊莖結合點受力最大。由此可見，最佳夾持位置相對集中，對于夾持裝置，選用適宜的夾緊方式，控制其張緊力，可滿足生姜植株的夾持提拉力學特性，避免姜稈拉斷。

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