木薯块根压缩力学特性试验研究

闫 梅 王 涛 李梦林 李 粤

（海南大学机电工程学院，海南 海口 570228）

木薯属于热带作物，原产于亚马逊河流域，是世界三大薯类之一，有“淀粉之王”、“地下粮食”、“能源作物”之称［1］。中国木薯的主产区为广西、广东、海南、云南、福建。木薯用途广泛，其制品如变性淀粉等主要用于化工、淀粉、酒精［2］、医疗、食品（如果葡萄浆［3］）等行业，目前对中国加工业来说，更多的是木薯淀粉和木薯酒精［4］。“十五”国家发展和改革委员会启动了中国的燃料乙醇计划，木薯作为可再生能源作物将势必发挥其优势，木薯能源产业链将成为热带区域经济的重要组分［5］。由于木薯的成本低，淀粉含量高，易于种植，近年来中国对木薯的利用逐渐充分。中国已确定木薯为华南地区的生物质能作物之一，并大力扶持发展。为了优化中国木薯产业的发展，全面提高木薯酒精、淀粉及其深加工产业化。为设计开发木薯压饼机和木薯挖掘机提供理论基础，有必要研究木薯块根的压缩特性。国内专门对木薯力学特性研究的理论与测试方法还很少，郭文斌等［6］对马铃薯的压缩特性与淀粉含量进行了研究；聂毓琴等［7］对薇菜的压缩应力松弛进行了研究；吴海辉等［8］玉米秸秆高密度压缩过程中的压缩及应力松弛特性进行了研究；张旭等［9］对柠条可压缩性的影响因素进行了分析。上述研究，均通过对不同植物品种的不同部位进行处理，获得试样从而展开相关的压缩试验，为本试验中木薯块根试样处理以及对试验中数据采集处理提供了参考。

目前国内并无木薯块根压缩特性方面的研究，造成相关收获、加工机械设计的不科学性。故本试验取木薯块根的含水率、压缩速度、压缩方向为影响因素对其压缩特性进行研究。

1 材料与方法

1.1 材料的处理

木薯块根于2012年12月12日取自海口市海南大学实验田。根据试验要求，把木薯块根处理成长约0.018m，宽约0.015m，高约0.038m的长方形试样，轴向试样的高为沿轴向方向，径向试样的高为沿径向方向。为防止试验中的偶然因素的影响，每组试验准备两个试样。

1.2 试验仪器

电子式万能试验机：WD－200B型，广州试验仪器厂；

干燥箱：DZF－6050型，上海齐欣科学仪器有限公司；

1.3 试验方法

1.3.1 单因素试验设计

（1）干燥时间对压缩力和应力的影响：限于试验设备，含水率用干燥时间衡量，随干燥时间的增大含水率减小，将木薯试样置于恒温40℃的干燥箱中分别干燥0，1，4，10h。

（2）压缩速度对压缩力和应力的影响：压缩速度为10，50，100，250mm／min，测量指标为压缩力和应力。为保证试验测量数据的真实性和可靠性，在试验过程中，应严格控制其他非测试参量变化。

1.3.2 正交试验设计 为保证试验结果准确性，在单因素试验的基础上，进行正交试验，并依照单因素试验结果设计试验因素水平表。正交试验中，选取木薯块根的干燥时间、压缩速度、压缩方向作为影响因素，研究对木薯块根压缩力、应力等指标的影响。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 干燥时间对压缩力和应力的影响 由图1、2可知：①木薯块根径向试样的压缩力和应力都随着含水率的减小而升高，其原因可能是随着含水率的下降，木薯块茎压缩面面积减小，且块茎中纤维组织间隙减小，强度增加从而压缩力和应力都随着含水率减小而增加。② 轴向试样的压缩力和应力随含水率的减小先升高后下降。③ 木薯块根轴向试样的压缩力和应力均比径向试样的小。可能是：试验中，径向压缩时，块根的断裂为错位断裂，即相邻纤维之间错位分开；而轴向压缩时，块根断裂时仅为木薯块茎其余非提供主要强度组织断裂，纤维并未断开。由此可知木薯块茎纤维与周围组织结合力大于周围组织自身之间的结合力。

2.1.2 压缩速度对切割力、应力的影响 由图3、4可知，木薯块根径向试样的压缩力和应力都随着压缩速度的增加先减小后增大。轴向试样的压缩力和应力随压缩速度的增加而升高。同时，在不同压缩速度下，木薯块根轴向试样的压缩力和应力均比径向试样的小。

图1 压缩力随干燥时间的变化Figure 1 Compression force along with the change of the drying time

图2 应力随干燥时间的变化Figure 2 Stress along with the change of the drying time

图3 压缩力随速度的变化Figure 3 Compression force along with the change of the speed

2.2 正交试验结果与分析

2.2.1 正交试验 根据正交试验表中设计的顺序依次进行各组试验。因素水平表见表1，试验表结果见表2。由表2可知：① 对木薯块根压缩力影响的主要因素次序为B＞A＞C，压缩力最优水平组合为A1B4C2，即干燥时间0h、切割速度为250mm／min、径向压缩时压缩力最小。② 对木薯块根应力影响的主要因素次序为A＞B＞C，应力最优水平组合为A1B4C1，干燥时间0h、压缩速度为250mm／min、轴向压缩时应力最小。

2.2.2 验证实验 由表3可知：① 当试验因素组合为A1B4C2时，压缩力出现最小值，为165.2N。② 当试验因素组合为A1B4C1时，压缩应力出现最小值，为821.4kPa。

图4 应力随速度的变化Figure 4 Stress along with the change of the speed

表1 因素水平表Table 1 Test factor in the level of the table

表2 试验方案和结果Table 2 Test program and results

表3 验证实验方案和结果Table 3 Test program and results

3 结论

本试验研究结果表明：木薯块根轴向压缩强度更高；压缩速度对木薯块根压缩力的影响最大，当未干燥、切割速度为250mm／min、径向压缩时压缩力最小；干燥时间对应力影响最大，当未干燥、压缩速度为250mm／min、轴向压缩时应力最小。

本试验对木薯块根的压缩特性参数空白进行了填充，为木薯块根及其类似结构块根的力学特性参数的研究提供了参考。但对于木薯块根的压缩的深层机理机理及其微观结构变化，还有待研究。

1 詹玲，李宁辉，冯献.中国木薯进出口贸易现状及前景展望［J］.农业展望，2010（7）：47～51.

2 杜金宝，黄加军，王国庆，等.木薯酒精废醪液处理工艺研究进展［J］.酿酒科技，2012（1）：89～92.

3 岳哲.木薯制取果葡糖浆［J］.食品与机械，1988（2）：13～14.

4 冯献，詹玲.中国木薯及木薯制成品贸易格局分析［J］.中国热带农业，2009（3）：26～30.

5 王文泉，叶剑秋，李开绵，等.我国木薯酒精生产现状及其产业发展关键技术——广西、海南木薯考察报告［J］.热带农业科学，2006（4）：44～49.

6 郭文斌.马铃薯压缩、应力松弛特性与淀粉含量相关性的研究［D］.内蒙古：内蒙古农业大学，2009.

7 聂毓琴，马洪顺，韩志武.薇菜压缩应力松弛与蠕变力学特性研究［J］.农业机械学报，2005（4）：89～91.

8 吴海辉.玉米秸秆高密度压缩过程中的压缩及应力松弛特性研究［D］.内蒙古：内蒙古农业大学，2010.

9 张旭.柠条可压缩性及应力松弛特性的研究［D］.内蒙古：蒙古农业大学，2009.