温室生菜根茎的剪切力学特性研究

陈 健,王新忠,吴又新,承银辉

(江苏大学 农业装备工程学院,江苏 镇江 212013)

0 引言

我国是一个蔬菜种植大国,目前的蔬菜面积达到22 328khm2[1],叶菜约占到50%。目前国内设施蔬菜收获机械的普及程度低,采收收获方式仍主要以人工收获为主。为了提高蔬菜设施种收的效率和效益,迫切需要开展设施蔬菜机械化,尤其是叶菜机械化收获的研究[2-4]。国内的设施叶菜收获机械多数简单地延用大田相近的收获机具,还有待于考虑蔬菜本身特性,开展适用的蔬菜收获机械的设计理论分析,同时开展叶菜收获力学特性的针对性研究,积累相关的基础数据和理论[5-8]。

作物的切割采收是收获作业方式的一个重要的环节,茎秆的切割过程与茎秆的物理力学特性、割刀的特性、割刀与茎秆的相对位置及割刀的速度等都有密切的关系[9-11]。目前,国内外已经开展对作物的切割力学研究,与切割过程有关的茎秆物理机械性质包括切割阻力、折断阻力、弹性模量和摩擦因数等[12-14]。李小强等人在微机控制多功能试验机上分析了甘蓝根茎的切割力影响因素,并进行了单因素和多因素的切割力学测试试验[15],但还没有针对奶油生菜的切割特性的研究。高国华等人自制温室生菜的切割验台,研究了切削速度夹持距离、夹持角度和切割角度对温室生菜切割力的影响[16],但没有对刀具类型、切割方式和切割位置对切割特性影响进行研究。国外也有许多作物剪切力学方面的研究。Mcrandal D M[17]发现不同的切割方式所消耗的切割能量不一样,速度越高,所消耗的切割能量越低。Johnson P C研究温室叶菜切割速度和切割角度对切割质量和切割能量的影响,证明了切割速度和切割角度对切割性能参数有一定正相关的曲线关系[18]。Meng Y等[19]人进行实验以测量切削力和比较不同条件下桑枝的表面质量。Mathanker S K等探讨了切割速度和切割倾斜角度对切割能量的影响[20]。这些研究仅仅针对刀具参数等单一因素进行分析,并没有系统性地进行单因素和多因素正交试验相结合分析作物剪切力学特性。

本文选取设施种植的新鲜生菜,在物性测试仪上开展剪切试验,以剪切力为指标,分析剪切速度、滑切角度、剪切位置及剪切刀具类别等因素对生菜根茎剪切力的影响,并利用正交试验的方法寻找生菜剪切过程中的主要影响因素。

1 试验材料与方法

1.1 试验设备

试验所用到的设备是英国出产的TA.XT Plus 物性测试仪,如图1所示。仪器的试验量程测试速度范围为0～40mm/s,测试距离精度为0.001mm,测试力度精度为0.0002%。仪器内置探头传感器和力学传感器,与电脑连接,可以将数据导出,得到所需要的曲线图。切割的刀具主要有两种,即锯齿刀和光刀,分别如图2和图3所示。锯齿刀片的厚度为1.5mm,刀刃宽度为62mm,刃角约26°,刀具的材料为合金钢。光刀则选用市场上最常见的普通切割刀片,材料为65Mn,顶端宽度为30mm,刀刃的宽度约为20mm,刃角为20°,刀片厚度1mm。

图1 TA.XT Plus 物性测试仪Fig.1 TA.XT Plus physical property tester

图2 锯齿刀Fig.2 Sawtooth knife

1.2 试验材料

试验材料取自江苏地区常种的生菜(奶油生菜),种植期选择在9月,于10月31号成熟收获。图4为温室所种植的奶油生菜,相关尺寸参数如表1所示。

表1 成熟期的生菜尺寸参数Table 1 Mature size parameter at maturity mm

图4 温室奶油生菜Fig.4 Greenhouse cream lettuce

1.3 试验方法

试验中,设定剪切采样频率为10Hz,加载速度为20mm/s,选取的试验材料是奶油生菜的根茎部位。试验时,将生菜放在物性测试仪的试验平台上,将根茎对准刀具所在平面,根据物性测试仪的操作手册,调整好加载速率,装载好刀片,进行剪切运动,通过设定好试验周期,然后采集数据。分别选取距离生菜底叶尺寸为1.5、3.1、4.42mm的部位作为剪切位置。

先进行剪切刀具的影响因素试验,取15个奶油生菜根茎,分别用不同的刀具在距离生菜底叶1.5、3.1、4.42mm处做3组剪切试验,每组试验重复3次,试验结果取平均值。

同上面相同的试验步骤,改变剪切速度进行剪切速度对生菜根茎剪切力学特性的影响试验,以剪切力大小为影响指标。

结合上面各单因素分析的结论,进行滑切角度、剪切位置和剪切速度多因素正交试验。多因素的正交试验方案如表2所示,所选的试验材料与单因素试验相同。

表2 不同因素及水平Table 2 Different factors and levels

试验中需要进行滑切,滑切示意图,如图5所示。滑切角可以通过调整刀片装夹的角度来调整。

图5 滑切试验示意图Fig.5 Schematic diagram of the sliding test

2 试验结果与分析

2.1 生菜根茎直径对剪切力的影响

因为所种的生菜根茎直径尺寸不同,需分析生菜根茎尺寸对切割力大小的影响和方差。选择4种不同直径的奶油生菜,根茎直径分别为4.46、8.64、9.34、12.05mm。试验工况为：剪切加载速度20mm/s,滑切角度为20°,剪切位置靠近生菜底叶1.5mm处,剪切刀具类型为光刀,在此条件下对这些生菜根茎进行剪切试验。每种直径的生菜根茎进行重复3次试验。不同生菜直径下的最大剪切力试验数据,如表3所示。由表3可以看出：不同直径的生菜根茎最大剪切力变化不大。

表3 不同直径生菜根茎的最大剪切力试验数据Table 3 Maximum shear test data of different diameter lettuce stems

将得到剪切力数据进一步方差分析得出结果,如表4所示。在0.01水平上进行因素的显著性检验,根据检验法则得出F=0.556

表4 不同直径生菜根茎的剪切力方差分析表Table 4 Analysis of shear force variance of roots and stems of different diameter lettuce

2.2 剪切速度对生菜根茎剪切力的影响

本次试验的工况为滑切角度为20°,剪切刀具为锯齿刀下剪切位置为1.5、3.1、4.42mm3种分析剪切速度对生菜根茎剪切力的影响。根据物性测试仪的测试速度量程：0～40mm/s,将剪切速度的测试区间分成0～10mm/s、10～20mm/s、20～40mm/s3个区间,然后每个区间选取了一个剪切速度,取值分别为5、15、20mm/s。3个具有代表性的剪切速度下生菜根茎剪切力数据曲线图如图6所示。

(a) 剪切速度为20mm/s

试验表明：剪切位置在靠近生菜底叶1.5mm处剪切力最小。其次,剪切速度为5mm/s时,生菜根茎的最大剪切力值为20.22N;剪切速度为15mm/s时,最大剪切力为9.42N;剪切速度为20mm/s时,最大剪切力值为7.12N,由此说明剪切力随着剪切速度增加而减小。

2.3 剪切位置、剪切刀具对剪切力的影响

图6(a)是剪切力随着割刀位移变化之间关系。此试验工况为：剪切刀具为锯齿刀,剪切速度为20mm/s,滑切角度为20°,剪切位置为1.5、3.1、4.42mm3种。试验表明：剪切力随着剪切位移的增加而增大,越靠近底叶部位茎秆的最大剪切力数值越小,靠近底叶的3.1mm处,生菜剪切力达到15.2N;在剪切位置靠近底叶的4.42mm处,也就是根茎最底端处,生菜根茎的剪切力达到22.48N;在靠近底叶的1.5mm的剪切力相比其他剪切位置剪切力达到最小值,剪切力达到最小值为7.12N。

图7为剪切力随着割刀位移变化之间关系。此试验工况为：剪切刀具为光刀,剪切速度为20mm/s,滑切角度为20°,剪切位置为1.5、3.1、4.42mm3种。试验表明：剪切位置在距离生菜底叶4.42mm左右时,最大剪切力会达到为28.52N;距离生菜底叶3.1mm处时,最大剪切力为19.06N;距离生菜底叶的1.5mm处,最大剪切力为8.82N。

图7 光刀剪切生菜根茎剪切力-位移曲线Fig.7 Light knife cutting shear force-displacement curve of lettuce

综合图6(a)和图7的结论可得：生菜根茎上的每个剪切位置在剪切速度和滑切角度相同的情况下,光刀消耗的剪切力大于锯齿刀。

根据表5中的数据得到F=23.1。同时,在0.01的水平上进行方差分析,通过方差分析表方差检验的原则得出F=23.1>F1-0.01(1.4)=21.2,表明剪切刀具对生菜根茎剪切力学特性的影响显著。

表5 不同刀具剪切生菜根茎剪切力方差分析Table 5 Analysis of shear stress of roots and stems of lettuce cutting with different cutting tool

2.4 多因素分析

分别进行了剪切速度、剪切位置和剪切刀具的单因素分析后,需要将这几种因素结合在一起综合考虑分析多因素对生菜根茎剪切力影响。

以剪切刀具为锯齿刀进行剪切试验,根据不同因素水平进行正交试验的设计L4(33),如表6所示。通过物性测试仪采集得到的数据,然后进行整理得到各试验的剪切力的数据及计算的结果,表6中的剪切力均为最大剪切力。

表6 剪切力数据及计算结果Table 6 Shear force data and calculation result

根据极差检验法则得到Rj,R1=31.1,R2=56.67,R3=5.51,R2>R1>R3,各因素影响大小是：剪切速度>剪切位置>滑切角度,如表6所示。表7是在0.05水平上的方差分析表。根据正交试验方差分析的显著性检验法则得出FA=86.89>F1-0.05(2,2),FB=180.76>F1-0.05(2,2),FC=6.73

表7 剪切力方差分析Table 7 Analysis of shear force variance

3 结论

1)进行剪切力多因素的正交试验设计,并进行极差分析和方差分析可得到不同影响因素的影响大小,依次是剪切速度>剪切位置>滑切角度。其中,剪切速度和剪切位置对剪切力的影响比较显著,滑切角对剪切力影响不显著。

2)利用不同的刀具进行生菜根茎的剪切力分析,根据剪切力的数据关系曲线图得到锯齿刀剪切效果比光刀好,相同的工况下,锯齿刀的最大剪切力要比光刀小1.97N。通过单因素方差分析得到刀具的不同对生菜根茎的剪切力大小影响显著。随着剪切速度的增加,剪切力会减小;剪切位置越靠近生菜底叶处,剪切力越小;生菜直径大小对剪切力影响不显著。

3)通过单因素剪切试验和多因素正交试验分析,综合考虑可以得出：剪切刀具为锯齿刀,剪切速度为20mm/s,滑切角度为20°,剪切位置靠近生菜底叶的1.5mm左右处,此时剪切过程中的最大剪切力会达到一个最小值为7.12N。