马铃薯切块机剪切力学特性试验

孙志江,衣淑娟,陶桂香,毛 欣

(黑龙江八一农垦大学 工程学院,黑龙江 大庆 163319)

0 引言

传统上认为马铃薯是蔬菜,同时还可作为主粮并兼做饲料和工业加工原料[1]。2015年,农业部启动马铃薯主粮化战略,预测在2020年马铃薯将占包括水稻、玉米、小麦这些主要粮食市场的50%左右。目前,中国的马铃薯种植总面积和总产量均位居世界第一位[2],但单产较国外发达国家比较低[3],且国内各地区马铃薯产业发展不均衡。国内山东省马铃薯产业的生产实践经验表明:通过提高马铃薯产业的机械化程度最薄弱的一个流程就是马铃薯切块工作[4]。目前,主要还是手工切块,机械化程度低、耗费人力资源大,亟需研发马铃薯种薯切块机械。

本文针对不同的马铃薯品种、含水率及薯的3种切块位姿,利用CTM2050万能材料试验机[5]来初步探究影响马铃薯的静剪切力学特性的因素,为整薯切块提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用马铃薯为黑龙江地区市场上常见的马铃薯品种[6],分别是尤金885、克新13(也称黄麻子)、农家自种的马铃薯品种3(跟前两试验用马铃薯品种不一样),无病虫害,无损伤。

1.2 试验条件和方法

试验用的力学试验台为CTM2050万能材料试验机,功率0.4kW。设置试验切刀以定速度为5mm/min工作。

1.电脑 2.控制中心 3.移动式控制器 4.载物架 5.切刀

工作原理:试验时,马铃薯种薯切刀安装在与试验机匹配的卡具上,马铃薯种薯放置在卡具底座上,卡具底座通过步进电机的带动以一定的速度向上运动,向上运动的速度可以通过控制台进行调节;当卡具底座上的种薯和卡具上的种薯切刀相接触时,开始切块工作,在控制台显示切刀受到力的数值。

选取马铃薯品种、马铃薯含水率、马铃薯在试验台的放置位姿3个因素,3种位姿[7]如图2～图4所示。将测得的马铃薯最大静剪切力作为试验指标,马铃薯属于固体粘弹性物料的一种,由于固体农业物料性质的特殊性,同一因素水平组合需进行重复试验5次。

试验开始前,取马铃薯各个部位的组织块若干,并将这些马铃薯组织块切成小块,然后平铺在KeetMS100粮食谷物水分量仪的托盘上;放下托盘盖后按启动按钮,待测量仪发出滴滴声,屏幕显示END,显示屏上显示的数字即为马铃薯的含水率。

图2 正放

图3 侧放

图4 立放

试验过程中,马铃薯放置在载物静压盘上,当切刀以5mm/min的速度向下运动、切刀接触放置在载物盘上的马铃薯时,在电脑和万能试验机配套的软件中显示剪力数据[8];压力数值逐渐增加,从显示屏上看到压力逐渐增加到某一数值,然后趋于平稳,最后数值缓慢减小,记录这些压力数值中的最大值;每组试验进行5次,取平均值。

1.屏显 2.天平置物架 3.烘干灯丝 4.功能按钮

2 结果与分析

试验结果如表1所示。用Origin2017数据分析软件对试验数据进行分析,并绘制折线图。

表1 马铃薯最大剪切力

表1中数据是不同含水率、不同品种、不同位姿下的最大静切力值,每个马铃薯品种下设置3个马铃薯位姿水平,每个马铃薯位姿下设置3个含水率水平,利用EXCEL软件和Origin数据统计软件处理这些数据,绘成折线图直观地表现切力值和这些因素之间的相关关系。散点折线图横坐标为含水率(%),纵坐标为切力大小(N),切力大小是表中对应记录的5个切力数值的平均值;正方形的小块表示的是正放位姿时的切力数值大小,圆形的小块表示的是侧放位姿时的切力数值大小,三角形的小块表示的是立方位姿时的切力数值大小。3个散点图如图6～图8所示。

图6 尤金885马铃薯含水率

图7 克新13马铃薯含水率

图8 农家品种马铃薯含水率

3 核心部件试验

马铃薯种薯切块机主要以机械式切块为主(种薯切块机整机构造见图9),核心部件之一为连轴切刀。但是,在实际工作过程中,切刀对薯的切力大小数据难以获得,所以将切刀安装在设计的卡具中,通过CTM2050万能材料试验机进行切力试验,可方便快捷地测得所需的切力大小。切刀的参数为切刀厚度2.5mm,直径380mm,最薄处1mm,刃口处打磨4mm。

图9 马铃薯切块机整机图

用自制的切刀进行试验,切刀安装图为图10所示。本试验马铃薯品种为克新13(市场上也称黄麻子):含水率为77.76%,株型直立,苗期健壮幼苗生长势强,株高65～70 cm,中晚熟,生育日数95～100天,复叶大小中等, 花冠白色, 结实性较强, 块茎圆形,黄皮淡黄肉,表皮有网纹,块茎大而整齐,大中薯率90%以上,芽眼较浅。

图10 切刀安装图

统计后的数据如图11所示。

图11 切力值图

由图11可以看出:切力的大小和马铃薯相对切刀的位置有很大联系,立放的马铃薯的切力值明显大于正放和侧放的马铃薯的切力值; 侧放的马铃薯的切力也比正放的马铃薯的切力数值大。原因可能是马铃薯是固体粘弹性物料,在马铃薯生长过程中内部应力大于外部应力,在马铃薯芯部的密实程度大于表层的密实程度,因此在马铃薯芯部剪切力达到最大值。

4 结论

1)马铃薯静切试验表明:含水率对最大静切力影响较大,细胞含水率比较高,表皮比较脆,切刀进入阻力较小;含水率降低时,表皮含水率下降明显,因此对切刀进入产生的阻力会快速增加,导致切力增大明显。

其次是马铃薯品种,不同马铃薯品种各种物理特性相差较大,主要是其内部马铃薯细胞之间的作用力对马铃薯静切试验的影响较大。

2)马铃薯的切力数值和马铃薯相对切刀的位置有关,立放的马铃薯的切力较正放和侧放的切力大,且越靠近马铃薯芯部切力数值越大、马铃薯物料越密实。