成熟期菜心茎秆切割力学特性测试

凌燕梅，马稚昱，韦鸿钰，褚 璇，刘洪利

(仲恺农业工程学院机电工程学院，广东 广州510225)

0 引言

我国是蔬菜种植面积最大的国家，2019年蔬菜播种面积2 086.274万hm2，占农作物总播种面积的12.57%，蔬菜年产量达到72 102.56万t，同比增长2.5%[1-4]。叶菜作为我国蔬菜种植的主要品目之一，适应性广、一年四季均可播种，是人们纤维素摄入的重要来源[5-8]。但目前菜心的收获主要以人工收获为主，收获效率低，作业强度高，劳动成本和生产成本高，已不适应蔬菜标准化、规划化、全程机械化发展需求。而切割是叶菜收获装置的主要工序，影响到整个叶菜的收获作业，开展叶菜茎秆切割力学特性的研究，可为叶菜机械化收割装置的研制提供重要的理论依据[9-10]。

目前，国内外对于蔬菜茎秆力学特性的研究很多，主要集中在生菜、油菜、大葱、韭菜、鸡毛菜、甘蓝和上海青等蔬菜茎秆力学特性参数的研究，而对菜心茎秆的力学特性参数及切割力的影响因素鲜有报道，几乎见不到针对菜心的收获装置[11-16]。菜心是一种属于不结球白菜亚种的叶类蔬菜，品种多样，种植面积和消费市场逐年扩大，也是一种相对容易实现机械化收获的蔬菜种类，最有可能利用现有装备和技术实现全程机械化作业，而且在广东利用设施可以实现周年生产供应。因此，本研究通过对不同品种菜心茎秆的切割力学特性及影响其切割力大小的因素进行研究，以期为菜心机械化采收装置设计提供重要的依据。

1 材料与方法

1.1试验材料

试验材料为2020年11—12月在仲恺农业工程学院现代设施农业智能装备实验室的温室内种植的菜心茎秆，菜心种子来自于广东省良种引进服务公司提供的国内3种典型菜心品种青野尖叶、青翠和青崎。试验前期首先进行穴盘育苗，育苗基质配比为泥炭∶蛭石∶珍珠岩=3∶1∶1，播种后每天保持育苗基质湿润；在幼苗长至3叶1心时，选择生长良好的壮苗进行移栽到种植槽内，移栽间距100 mm。移栽25 d左右菜心进入采收期，确保菜心生长良好、无病虫害，随机选取新鲜整株植株为试验样本，共选取450棵直径在(13±2)mm的样本进行试验。为防止蔬菜失水影响试验数据，取回样本后，对样本进行保湿处理，保证在4 h内完成试验。

1.2试验仪器

为了模拟菜心直立生长状态下进行切割，并得到切割过程中的切割曲线及切割力，利用DS2-50N数显推拉力计设计了一台菜心根部茎秆切割试验装置，如图1所示，其中主要结构由运动部分、数显测力计、切割刀具、固定夹具、数据显示、滑轨、底座和调气阀组成。由于叶菜在切割过程中切割位置在根上部1～2 cm位置，因此固定夹具的夹持部分采用软质材料，模拟叶菜在直立生长状态下夹持叶菜根部，露出根上部的切割位置，便于切割。装有切割刀具的测力计被安装在运动底座上，不可自由移动；底座安装在滑轨上，在气缸的带动下可自由移动，气缸的行程为50 mm范围内。测力计采用DS2-50N型数显推拉力计，测量范围为0～50 N，精度±0.5 N，通过调整气缸进出口调气阀控制切割的速度。

1.运动部分 2.数显测力计 3.切割刀具 4.固定夹具 5.数据显示 6.滑轨 7.底座 8.调气阀图1 切割试验装置Fig.1 Cutting experimental device

1.3试验参数

试验过程中直接对3个品种的样品茎秆直径和含水率分别测量，并对试验样品进行编号，每组试验样本10个。以切割刀类型、切割速度及品种为主要影响因素，以切割力为测定指标，分别采用单因素和混合正交试验分析法，对处于收获期的菜心茎秆的切割力学特性进行了对比试验。切割刀类型分别选取斜刀、直刀和圆刀，刀片为厚度0.5 mm的不锈钢。如图2所示，首先将不同类型的刀具固定在测力计的前端，再将样本植株固定在夹具内，而后分别以6、8、10、12和14 m/min的加载速度驱动刀具对菜心茎秆进行切割，直至将茎秆完全切断为止，测取切割过程中的切割曲线及最大切割力。采用SPSS 25、DSP数据处理系统进行数据统计分析和优化设计试验，方差分析中P<0.05具有统计学意义，利用Origin 2018进行绘图。

图2 切割试验与切割刀类型Fig.2 Cutting test and cutter type

2 结果与分析

2.1形态特征参数

3种采收期菜心整株形态如图3所示，青崎植株最高、叶片比较大、节间距离较大；青翠整株比较矮、叶片较小、节间距离短；青野尖叶株高较高、叶片展开比较大、节间长。经测量统计，3种菜心的茎秆直径、鲜质量、干质量及含水率如表1所示。3个菜心品种在茎秆直径、鲜质量和干质量上均存在很明显的差异。青崎茎秆直径、鲜质量和干质量都明显大于其他2个品种，而青野尖叶直径、鲜质量和干质量都最小。3种菜心含水率的差异并不明显。

图3 菜心试验样本Fig.3 Sample of Brassica parachinensis shear test

表1 不同品种菜心收获期物理形态参数

2.2单因素试验

2.2.1不同品种菜心对茎秆切割力的影响

参考高国华等[17]研究结果，试验条件设定为切割刀类型选择滑切方式的斜刀，切割速度为10 m/min，品种选择叶菜种植的3个典型品种青野尖叶、青翠、青崎，每组试验重复10次，试验结果如图4所示。在切割过程中切割刀接触茎秆，对茎秆进行挤压、切割，随着切割位移的增大切割力增大，当切割位移达到茎秆直径一半位置时切割力达到最大，然后随着切割位置的增大切割力开始变小。3个典型菜心品种的茎秆在切割过程中的切割力变化存在极显著差异(P<0.001)，其中青翠茎秆切割中的切割力最大，其次是青崎茎秆，切割力最小是青野尖叶茎秆。

图4 不同品种对切割力的影响Fig.4 Effects of different varieties on shear strength

2.2.2不同切割刀类型对茎秆切割力的影响

以青崎菜心为试验对象，在切割速度为10 m/min的条件下，采用直刀、斜刀、圆刀3种不同切割刀对收获期内菜心茎秆进行切割试验，每组试验重复10次，试验结果如图5所示。在同一切割速度下，不同类型切割刀在茎秆切割过程切割力的变化趋势相似，都是在切割位置达到茎秆直径一半时切割力达到最大。3种类型切割刀对茎秆的最大切割力具有较显著影响(P=0.002)，其中圆刀对茎秆进行切割试验过程中的最大切割力最小，其次是斜刀，而采用直刀进行茎秆切割试验获得的最大切割力是最大的。

图5 不同刀型对切割力的影响Fig.5 Effects of different types of knife on shear strength

2.2.3不同切割速度对茎秆切割力的影响

分别在切割速度为6、8、10、12和14 m/min条件下，采用斜刀对收获期的青崎菜心进行茎秆切割试验，研究不同切割速度对切割力的影响，每组试验重复10次，试验结果如图6所示。不同加载速度下青崎菜心茎秆切割力曲线有明显的差异，随着切割速度的减小，切割时间增加，切割曲线的中心向右移。在整个切割过程，刀具开始接触菜心根茎部到刀刃压迫茎部表皮切入茎秆内部的过程，切割力随着刀具的运动逐渐成非线性增加，直到达到最大值，随后随着割刀运动切割力下降。切割速度显著的(P<0.001)影响最大切割力，随着切割速度的增大，最大茎杆切割力降低。

图6 不同切割速度对切割力的影响Fig.6 Effects of different cutting speed on shear strength

2.3正交试验

叶菜收获过程茎秆切割具有一定复杂性，试验因素与评价指标之间呈现非线性关系，为确定参数最佳组合，根据单因素试验的结果与分析，采用U15(32×51)3因素混合正交试验设计原理，以菜心品种、切割刀类型及切割速度为自变量，切割力为因变量，试验因素水平表如表2所示，每组试验重复10次。

表2 试验因素水平

试验结果如表3所示，各因素极差大小顺序为RA>RB>RC，即切割速度(A)是影响茎秆切割力大小的主要因素，菜心品种(B)次之，切割刀类型(C)对茎秆最大切割力的影响最小。

表3 最大茎秆切割力试验结果及极差分析

由图7可知，切割刀类型的影响曲线较为平整，表示对茎秆切割力的影响不明显。菜心品种的影响曲线较切割刀类型变动范围大，说明对茎秆切割力有一定的影响。切割速度变动范围最大，说明对茎秆切割力的影响最大，即切割速度越大，茎秆切割力越小。综上所述，极差分析获得最佳组合为A4B1C2，即采用斜刀，在切割速度为12 m/min下，对青野尖叶菜心茎秆的最大切割力最小。

图7 最大切割力-因素曲线Fig.7 Relationship of greatest shear strength and factors

在SPSS 25软件中，对所得试验结果进行方差分析，结果如表4所示，切割速度和品种对最大切割力的影响极显著，F值分别为32.463和15.02，P值均小于0.001；切割刀类型对最大切割力影响显著，F值为4.931，P值为0.009。各因素对茎秆最大切割力影响的主次顺序与极差分析结果一致。

表4 最大切割力方差分析结果

3 结论

(1)不同品种的菜心茎秆所需的切断阻力不同，茎秆直径越小所需切割力越小；斜刃切刀所需切割力最小；随着切割速度的增大，茎秆切割力降低。

(2)在切断装置设计时，优先考虑影响切割力的因素由大到小依次是切割速度、品种和切割刀类型。