蔗芽剪切力学特性试验研究

沈中华,董志康,陈万委,夏爱强,曹卫华

(桂林理工大学 机械与控制工程学院,广西 桂林 541000)

0 引言

甘蔗属于多年生禾本科甘蔗属植物,繁殖方式可分为有性繁殖和无性繁殖。其中,有性繁殖依靠甘蔗顶端的花穗进行繁育,是人工进行杂交选育新品种的主要途径,无性繁殖则是通过蔗芽生长发育成完整植株[1-2]。由于甘蔗抽穗开花受纬度、海拔和品种等条件的限制,有性繁殖不适用甘蔗种植产业,农业生产中种植甘蔗一般采用蔗芽无性繁殖的方法。在机械化收获和运输过程中,蔗芽因其凸出的形状容易受到损伤,尤其是在甘蔗剥叶工序中高速旋转的剥叶元件在剥除蔗叶的同时会对蔗芽造成破坏,影响蔗种发芽率。因此,降低蔗种的伤芽率是蔗种收获生产机械的设计目标之一。

目前,国内外学者已经对大豆、稻谷、玉米等农产品种子进行了大量的力学特性研究[3-7]。杨亚洲等[8]对花生仁进行压缩与剪切特性试验,得出不同放置方式与调湿比例下的受力变化规律。邱述金等[9]以含水率、剪切速率、剪切方向为试验因素,对裸燕麦籽进行剪切剖坏力学特性试验,获得各因素对剪切破坏力和剪切破坏能的影响规律。张松等[10]得到的鲜莲子剪切试验结果表明:含水率、放置时间与刀具角度对鲜莲子的剪切破裂力和变形量有显著影响,为鲜莲子去壳机提供参考。张永丽等[11]分析玉米籽不同部位、不同含水率下的剪切特性,结果表明:玉米籽的剪切强度与其组成成分、含水率有关。康启新等[12]对蕌头种子三轴方向进行压缩和剪切试验,结果表明:施力方向和加载速度对蕌头种子的力学特性影响显著,在Y轴方向的抗压抗剪能力较强。张梦月等[13]在不同加载速率、不同加载方向下对芋头进行压缩和剪切试验,测定出芋头的破裂力和剪断力。郭颖杰等[14]测试出参类种子在不同种类、含水率、放置方向、剪切速度下的剪切性能。目前,对上述各类农产品的力学特性研究已经取得了较多成果,但尚没有以蔗芽为研究对象的力学特性研究。为此,通过研究不同甘蔗品种下加载方向、加载速率和取样高度对蔗芽剪切力学特性的影响规律,并结合试验结论设计柔性绳碎叶辊,有效降低蔗种在剥叶过程中的伤芽率,旨在为蔗种相关收获和生产机械的设计研发提供参考。

1 甘蔗剥叶过程受力分析

甘蔗的剥叶系统主要由喂入喂出辊、剥叶辊等组成,为提高剥叶效率且降低含杂率,整个剥叶系统还会加入碎叶辊和除杂辊等机构,起到辅助剥叶的效果。甘蔗在通过高速旋转的辊子时,辊子上的元件接触打击蔗叶,使得蔗叶脱离茎秆以达到剥叶的目的,但由蔗叶包裹的蔗芽同时会受到剥叶元件和碎叶元件的打击作用。现取碎叶辊上的单个碎叶元件与蔗芽的接触点A进行受力分析,如图1所示。

图1 蔗芽受力分析图Fig.1 Force analysis of sugarcane cane buds

辊子在旋转时,离心力F打击蔗芽表面,该力可分解成水平分力Fx和垂直分力Fy,其垂直方向上的分力穿透蔗叶后会对蔗芽造成剪切损伤,剥叶辊上剥叶元件对蔗芽的作用力同理。因此,对蔗芽进行剪切力学试验,有利于分析剥叶过程中蔗芽的损伤机理与蔗种相关机械的研发。

(1)

(2)

(3)

式中F—蔗芽所受打击力(N);

Fx—蔗芽所受水平分力(N);

Fy—蔗芽所受垂直分力(N);

I—碎叶元件转动惯量(kg·m2);

ω—碎叶辊角速度(r/min);

r—接触点至辊子圆心距离(m);

θ—接触点A与辊子圆心之间连线与垂直线之间夹角(°)。

2 材料与方法

2.1 试验材料

侧芽是植物形态构件的重要组成部分,甘蔗的侧芽即称为蔗芽,左右交替着生在蔗节处,且每个茎节只生1个。由于受到顶端优势与外界条件等因素的影响,蔗芽暂处于休眠状态,当顶端优势消失或利于蔗芽发育的基因表达时可生长成完整植株[15-16]。蔗芽属于鳞芽,最外层由几片鳞片状特化叶包裹,可以保护芽的内部抵御寒冷、干旱以及虫害等,内部由生长点、幼叶、叶原基、芽原基、芽轴等组成[17]。对蔗芽沿三轴切割后的结构如图2所示。其中,芽轴与幼叶占据了整个蔗芽的大部分体积。

1.芽鳞 2.幼叶 3.芽轴图2 蔗芽结构图Fig.2 Structure of sugarcane bud

试验选用桂林市农业科学研究中心收获的中蔗14号与桂糖42号。在大量取样过程中发现,甘蔗最低处1～2个茎节上的蔗芽大部分会出现空芽、发芽、烂牙等情况。为了准确区分试样分组,在甘蔗不同高度部位取样时每个部位高度约占甘蔗整体的1/3,且间隔2～3个茎节,以上、中、下代表,并挑取饱满规则、无损伤、无病虫害的蔗芽。由于蔗芽无法像其他农作物产品单个整体进行试验,故以蔗芽所在的茎节为中心,将甘蔗从两端切断成10mm左右的小段,制作成如图3所示样本。为避免水分流失等不确定因素对试验的影响,试样采集制作与剪切试验在3天内完成。

2.2 试验设备

试验在WDW-10微机控制电子万能试验机上进行,为避免试验过程中刀具剪切到茎秆,根据蔗芽平均尺寸采用如图4所示的自制剪切刀头,材质为45钢;数显游标卡尺(精确度0.01mm,量程0～200mm)用于测量蔗芽尺寸;其它辅助类仪器材料包括V型夹具、卷尺及切割刀等。

图3 部分试验样本图Fig.3 Partial test samples

1.剪切刀头 2.蔗芽 3.V型夹具图4 蔗芽剪切示意图Fig.4 Method of sugarcane bud shearing

2.3 试验方法

试验前,将自制剪切刀头安装在万能试验机连接头上,蔗芽试样放置在V型夹具上卡住固定,启动试验机调节刀具高度;当刀具下降与蔗芽刚好相接触时,暂停刀具加载,调整夹具与试样位置,使蔗芽与刀头垂直对齐。试验时,刀具以设定的加载速度竖直向下运动,对蔗芽进行剪切,观察微机控制台中的参数变化,当显示剪切曲线出现明显转折点且剪切力下降时,表明蔗芽已经受到剪切破坏,立即停止当前剪切试验,得到的力-变形曲线如图5所示。

图5 蔗芽剪切破坏力—变形曲线图Fig.5 Shearing force versus displacement curve of sugarcane bud

当剪切力未达到蔗芽屈服点时,力与位移之间近似于线性关系,此时蔗芽受力结构主要是表面的芽鳞。随着刀具的不断切入并达到芽鳞最大破坏极限破坏后,芽鳞被切断,蔗芽结构发生破坏,芽鳞失去对芽内部的保护作用,剪切力急剧下降;此时,蔗芽受力是幼叶与芽轴等结构组织,由于蔗芽内部组织结构的抗剪强度远低于芽鳞,剪切力维持在一定范围内波动,直至蔗芽被完全剪切穿透后,刀头接触到蔗茎,剪切力又开始急剧上升,故将芽鳞屈服点所对应的作用力大小作为蔗芽所能承受的最大剪切力,记录此时最大剪切力数值。

3 试验设计

试验采用3×3×2析因设计来分析取样高度(A)、剪切方向(B)和加载速率(C)及其交互作用对蔗芽剪切破坏力的影响,具体方案如表1所示。其中,A因素与C因素取3个水平,B因素取2个水平。

表1 3×3×2析因设计试验方案表

在中蔗14号与桂糖42号两个品种中,随机挑选长势良好、茎秆直挺、粗细基本一致的甘蔗制成试验样本。以中蔗14号为例,研究加载速率对蔗芽剪切力学性能影响时,取样高度与剪切方向相同,选择加载速率1、2、3mm/min为试验因素。研究不同取样高度下的蔗芽剪切试验时,加载速率与剪切方向相同,以上、中、下为为试验因素;研究不同剪切方向下蔗芽的剪切力学性能时,加载速度与取样高度相同,对蔗芽进行横向与纵向剪切(见图4)。两个品种蔗芽分别进行18组试验,每组重复5次。为防止试验出现异样,每组多设置2个样本备用,共计252个样本。。

4 试验结果与分析

表2 中蔗14号蔗芽剪切破坏力结果

表3 桂糖42号蔗芽剪切破坏力结果

由分析结果可以看出:下部的蔗芽被横向剪切时所受剪切破坏力最大,中蔗14号为21.56N左右,桂糖42号为20.68N左右;上部蔗芽纵向剪切时所受剪切力最小,中蔗14号为10.22N左右,桂糖42号为9.14N左右。两个品种的甘蔗蔗芽剪切力学性能略有差别,但因素影响变化相同。取样高度对剪切破坏力具有极显著影响(P<0.01),在相同的加载速率下,蔗芽的所能承受的最大剪切力随着取样高度的增加而减小。其主要原因是:甘蔗上部(尾梢)的幼芽未发育完全,芽鳞较软,对芽的保护性较低,而靠近下部(根部)的蔗芽表层细胞木质化、栓质化严重,当蔗芽遭到破坏时芽鳞起到一定的支撑保护作用。

剪切方向对蔗芽的剪切破坏力有极显著影响(P<0.01),加载速率相同时,同一部位的蔗芽横向剪切时所受的剪切力大于纵向剪切时所受的剪切力。分析试验过程可知:由于纵向剪切时刀具刃口与蔗芽维管束生长方向平行,蔗芽的破坏形式主要是维管束之间的开裂,薄壁组织受到破坏,而横向剪切时刀具刃口是将维管束横向切断。薄壁组织的力学性能远低于维管束,故蔗芽在横向剪切时的剪切力要大于纵向剪切时的值[18]。

不同加载速率下的剪切破坏力显著性检验结果表明:在1～3mm/min的范围内,加载速率对蔗芽的剪切破坏力无显著影响(P>0.05),即不同加载速率下的蔗芽剪切破坏力差异不大。3个因素之间交互作用的方差结果表明:取样高度与剪切方向之间的交互作用对两个品种的剪切破坏力有显著影响(P<0.05),而与加载速度有关的交互作用对蔗芽的剪切破坏力没有显著影响(P>0.05)。

表4 中蔗14号蔗芽剪切破坏力析因设计方差分析结果

表5 桂糖42号蔗芽剪切破坏力析因设计方差分析结果

根据上述方差分析结果,建立多元线性回归方程。由于取样高度和剪切方向为分类变量,剪切方向为二分类变量,对其赋值编码横向为0,纵向为1,以x3表示;取样高度为多分类变量,需要将其重新编码转变为哑变量,选取“上”水平为参照变量,设置两个哑变量引入回归模型,取值如表6所示。进行多因素虚拟回归,检验分析结果如表7所示。多项式回归拟合的决定系数均接近于1,说明所得多元线性模型拟合效果较优[19-20]。

表6 取样高度与哑变量的对应关系

5 蔗种碎叶机构设计

5.1 结构设计

甘蔗尾梢的蔗叶含水率高且包裹紧实,在剥叶过程中较难处理,部分甘蔗剥叶机型为更好地剥离尾梢蔗叶,内部的碎叶辊采用钢制碎叶元件。当甘蔗整秆经过碎叶辊时,碎叶元件能够沿甘蔗茎秆撕裂蔗叶;但达到较优剥叶效果的同时,会穿透叶鞘对蔗茎和蔗芽产生碰撞、挤压、刮擦等损伤,不利于蔗种剥叶[21-22]。

为减少蔗种在剥叶过程中的损伤,且蔗叶能被有效剥除,根据上述蔗芽力学特性试验结果设计柔性绳碎叶辊,如图6(a)所示。其碎叶元件采用尼龙材料的柔性绳,相较于刚性材料的碎叶元件,柔性绳允许蔗种尾梢部分横向通过柔性绳碎叶辊,在碎叶的同时能大大减少蔗种的伤芽率。

表7 取样高度与剪切方向对蔗芽剪切力的回归模型

5.2 试验设计

为进一步验证柔性绳碎叶辊的工作效果,采用与刚性碎叶辊对比的试验方法。其中,刚性碎叶元件由弹簧钢绕制而成,如图6(b)所示。在刚性碎叶辊的工作过程中,甘蔗由喂入辊输送至刚性碎叶辊,刚性碎叶元件沿着茎秆方向纵切整根甘蔗的蔗叶,将未脱落的蔗叶撕裂成碎条状,后一级剥叶辊将整根甘蔗上的残余蔗叶剥离干净,如图7所示。在柔性碎叶辊的工作过程中,甘蔗尾梢横向通过柔性绳碎叶辊,柔性绳将尾梢的蔗叶打击碎裂,对其他部位蔗叶与蔗芽没有接触,再由喂入辊纵向输送至剥叶辊,将中下部易剥离的干枯蔗叶以及尾梢残余蔗叶剥除。两组试验中各级辊筒的转速相同,采用未断尾处理的甘蔗单根喂入,各重复10次取平均值。

图6 碎叶辊Fig.6 Leaf crushing rollers

含杂率Hz与伤芽率Sy作为此次的试验指标,具体计算公式为

(4)

(5)

式中Hz—含杂率(%);

m1—剥叶后残留在茎秆上的蔗叶等杂质量(kg);

m—剥叶后茎秆与残留在茎秆上杂质的总质量(kg);

Sy—伤芽率(%);

n1—剥叶后破损的蔗芽数量(个);

n—蔗种茎秆上蔗芽的总个数(个)。

图7 蔗种输送方向图Fig.7 Sugarcane seed transport direction diagram

5.3 试验结果

试验结果如表8所示。

表8 对比试验结果

由表8可知:蔗种经柔性绳碎叶辊碎叶后的含杂率要高于刚性碎叶辊,但伤芽率得到降低。由于刚性碎叶元件顺着蔗叶纤维将蔗叶撕开,利于剥叶辊剥叶处理,故含杂率较低;但也因其刚度较大易对蔗芽造成的损伤,导致伤芽率高。因柔性绳碎叶元件只对尾梢蔗叶进行碎叶处理,且刚性要低于弹簧钢碎叶元件,故伤芽率较低。对于蔗种来说,残余过多的蔗叶会影响到甘蔗的播种质量,但含杂率不需要达到榨糖厂要求的含杂率标准(Hz<3%)[23],柔性绳碎叶辊能够达到蔗种剥叶的要求。

6 结论

1)通过析因设计分析中蔗14号与桂糖42号两个甘蔗品种在取样高度、剪切方向与加载速率3个因素影响下蔗芽剪切破坏力的影响规律,并建立了影响因素与蔗芽剪切破坏力之间的力学模型。试验结果表明:两个品种的甘蔗蔗芽力学性能略有差异,但因素影响规律相同。蔗芽在受到剪切破坏时,其主要受力结构是芽鳞,在剪切过程中对蔗芽起到了一定的保护作用;当芽鳞被完全破坏后,蔗芽内部组织开始受到破坏,由于内部组织结构的力学性能低于芽鳞,剪切力迅速下降,故蔗芽最大剪切破坏力主要来源于表面的芽鳞。

2)不同取样高度下的蔗芽剪切破坏力差异较大,随着取样高度的增加,芽鳞的发育程度变低,剪切破坏力逐渐降低。剪切方向对蔗芽剪切破坏力也有较大差异,且与蔗芽维管束生长方向有关,横向剪切时的剪切破坏力要大于纵向剪切时的值。不同加载速率对蔗芽剪切破坏力没有显著影响,在3个因素的交互作用下,取样高度与剪切方向之间的交互作用对蔗芽剪切破坏力影响显著。

3)通过蔗芽剪切力学特性试验所得结论,设计出柔性绳碎叶辊,相较于现有的刚性碎叶辊,柔性绳碎叶辊能够有效降低蔗种伤芽率,且达到碎叶的目的。