北方胡蘿卜的物理力學(xué)特性研究

韓 鳳，陳海濤，任珂珂，頓國強

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

胡蘿卜（Carrot）為傘形科草本植物，原產(chǎn)亞洲西南部，栽培歷史在2000年以上，現(xiàn)栽培于整個溫帶地區(qū)。胡蘿卜的品種很多，按色澤可分為紅、黃、白、紫等數(shù)種。其根供食用、營養(yǎng)豐富，具有很高的食用、美容、藥用等價值。隨著人們生活水平提高，對其需求量越來越大[1]。然而，我國的胡蘿卜生產(chǎn)機械裝備，尤其是收獲機械，卻極為匱乏，無法滿足機械化、規(guī)?；a(chǎn)之需求。

胡蘿卜的基本物理力學(xué)參數(shù)是其生產(chǎn)機械裝備設(shè)計與開發(fā)最根本的依據(jù)，是使機械裝備、工藝和操作規(guī)程達到最大工作效率、最優(yōu)質(zhì)量的基礎(chǔ)[2]。目前，關(guān)于胡蘿卜物理力學(xué)特性的研究主要集中在切片加工工藝和外觀品質(zhì)方面。如郭寬對天津地區(qū)不同品種胡蘿卜切分加工物理性能進行研究[3]；羅國亮在胡蘿卜品種及栽培模式對比試驗初報中對不同品種胡蘿卜的田間性狀、產(chǎn)量和外觀品質(zhì)進行研究[4]；任霄云在胡蘿卜品種比較試驗及綜合性狀評價中對不同品種胡蘿卜的物理性狀和產(chǎn)量進行研究[5]。但這些研究成果還不足以為胡蘿卜收獲機器系統(tǒng)的研發(fā)提供充分的科學(xué)依據(jù)。

本研究以收獲期胡蘿卜為研究對象，通過其基本幾何特性參數(shù)測定，探索其形狀分布規(guī)律；通過其根莖結(jié)合部的抗拉強度測定分析，求得胡蘿卜收獲時可施加的最大拔取力，尋求松土位置對胡蘿卜拔取力的影響規(guī)律，找出理想的松土位置，為胡蘿卜拔取收獲機器系統(tǒng)的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2010年10月8日～10月10日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實驗實習(xí)基地進行。研究對象為北方栽培的胡蘿卜。其種植模式為壟作條播，壟距70 cm，壟高12 cm，壟頂寬度35 cm，壟臺坡度∠67°。

1.2 儀器及裝置

DGG—9070AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海森信試驗儀器有限公司）、土壤硬度儀（0～40 mm，0～500 kg·cm－2）、YB電子天平（上海?？惦娮觾x器廠）、環(huán)切刀、卷尺（量程：3 m；精度：1 mm）、ACS—30電子計價秤（華鷹衡器有限公司）、YB電子天平（上海?？惦娮觾x器廠）、500－181 CD－15CP數(shù)顯式游標(biāo)卡尺（Mitutoyo Copy）、數(shù)碼相機、ScnImage、WDW－5微機電子式萬能試驗機（濟南試驗機廠）、拉力計（量程：50 kg；精度：0.1 kg）、數(shù)顯式拉力計（量程：10 kg；精度：0.01 kg）等。

1.3 方法

1.3.1 土壤環(huán)境的測定

選擇土壤含水率、土壤硬度和土壤容重三個參數(shù)為土壤物理特性指標(biāo)評價[6]。

土壤含水率采用烘干法，參照NY/T 52－1987土壤水分測定法實施；土壤強度采用土壤硬度儀直接測量；土壤容重采用環(huán)刀法，由式（1）計算。三項指標(biāo)均分別隨機在10處采集10份土樣，以其均值作為測量結(jié)果。

式中，dvi－第 i份土樣的土壤容重（g·cm－3）；Mi－第i份土樣的濕土重（g）；V－環(huán)刀容積（cm3）；Wi－土壤含水量（%）。

1.3.2 胡蘿卜幾何特性的測定

參照蘿卜生物學(xué)，結(jié)合拔取式蘿卜收獲機的設(shè)計要求[7－9]，選擇胡蘿卜植株總長度、根部長度、根部最大直徑、根部最小有效直徑、距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑、根部有效重量、自然狀態(tài)下的莖葉高度、最大直徑和1/2高度處直徑等參數(shù)作為蘿卜幾何特征的評價指標(biāo)，分別測量每個樣本的基本幾何特性，用數(shù)理統(tǒng)計的方法，分析預(yù)測其變化區(qū)間及分布規(guī)律。結(jié)合農(nóng)業(yè)物料學(xué)理論，抽象出胡蘿卜的幾何模型為截頭正圓錐體[2]，如圖1所示。其體積和表面積分別用公式（2）和（3）表達。隨機采集100個樣本。

式中，V－胡蘿卜體積（mm3）；S－胡蘿卜表面積（mm2）；D、d－胡蘿卜根部最大和最小有效直徑（mm）；L－胡蘿卜根部長度（mm）。

圖1 胡蘿卜幾何模型Fig.1 Geometric model of the carrot

1.3.3 胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強度的測定

測量胡蘿卜樣本的根莖結(jié)合部拉斷力和根莖結(jié)合部直徑，用結(jié)合部拉斷力與結(jié)合部面積的比值表示根莖結(jié)合部抗拉強度，由式4計算。隨機選取100個樣本。

式中，Pi－第i個胡蘿卜樣本根莖結(jié)合部的抗拉強度（Pa）；Di－第i個胡蘿卜樣本根莖結(jié)合部的直徑（m）；Fi－第i個胡蘿卜樣本根莖結(jié)合部的拉斷力（N）。

1.3.4 胡蘿卜拔取力的測定

1.3.4.1 胡蘿卜自然生長狀態(tài)下拔取力的測定

將繩子通過拉力計系在自然生長狀態(tài)下的胡蘿卜莖葉或根莖上，拔出胡蘿卜，讀取并記錄最大拉力。隨機選取50個樣本。

1.3.4.2 拔取收獲胡蘿卜松土位置的確定

在自然生長狀態(tài)下，胡蘿卜與土壤粘結(jié)力較大。為了順利拔取收獲，對胡蘿卜周邊的土壤進行疏松。需要測定松土位置對胡蘿卜拔取力的影響規(guī)律，尋求松土距離和松土深度參數(shù)優(yōu)化組合。采用因析試驗方法，以胡蘿卜拔取力為目標(biāo)函數(shù)，以松土距離（松土鏟至胡蘿卜邊緣間的距離）和松土深度為影響因素，尋求影響拔取力的規(guī)律和松土位置參數(shù)的優(yōu)化組合[10]。模擬松土鏟對胡蘿卜周邊土壤進行疏松，測量胡蘿卜所需拔取力，試驗方案見表1。每組試驗隨機選取50個樣本，應(yīng)用軟件Design－Expert Version 6.0.10進行數(shù)據(jù)處理。

表1 試驗方案Table 1 Experimental plan

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理參數(shù)

測定結(jié)果見表2。土壤的含水率23.60%±7.35%，土壤強度（12.10±5.07）kg·cm－2，土壤容重（1.17±0.30）g·cm－3，試驗地土壤結(jié)構(gòu)狀況具有代表性。

表2 土壤物理特性參數(shù)Table 2 Physical parameters of the soil

2.2 胡蘿卜幾何特性

胡蘿卜幾何特征評價指標(biāo)的測定統(tǒng)計分析結(jié)果如表3所示。

表3 胡蘿卜基本物理特性參數(shù)Table 3 Basic physical parameters of the carrot

根據(jù)樣本參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差可預(yù)測出胡蘿卜幾何特征評價指標(biāo)的變化區(qū)間[10]。胡蘿卜植株總長度為[416.2，911.8]mm；根部最大直徑為[14.8，74.8]mm；根部最小有效直徑為[12.4，32.8]mm；約有95%根莖有效重量為[9，313]g；莖葉自然狀態(tài)高度為[112.4，599.6]mm；莖葉自然狀態(tài)最大直徑為[129.5，1 038.5]mm；根莖體積的變化區(qū)間為[49 443.26，300 486.26]mm；根莖表面積的變化區(qū)間為[3 529.3，32 503.3]mm2。胡蘿卜根部入土深度、距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑、莖葉1/2高度處直徑三個參數(shù)概率分布直方圖分別如圖2a、2b、2c所示。由圖2a知，胡蘿卜根部入土深度主要分布在（90，190）mm，占總樣本數(shù)的94%，約有98%的胡蘿卜根部入土深度小于等于190 mm；由圖2）知，胡蘿卜距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑主要分布在（4，24）mm，占總樣本數(shù)的96%，約有90%的胡蘿卜距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑大于等于8 mm。由圖2c知，胡蘿卜莖葉1/2高度處直徑主要分布在（30，240）mm，占總樣本數(shù)的94%。約有88%的胡蘿卜莖葉1/2高度處直徑大于等于60 mm。

圖2 胡蘿卜主要物理參數(shù)概率分布直方Fig.2 Distribution probability histogram of main physical parameters of the carrot

2.3 胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強度

測定結(jié)果見表4。約有95%胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強度變化區(qū)間為（4.85，18.69）×105Pa，對應(yīng)的抗拉力為（62.08，239.23）N。

2.4 胡蘿卜拔取力測定結(jié)果及分析

2.4.1 自然狀態(tài)土壤下胡蘿卜拔取力

在自然狀態(tài)土壤下，胡蘿卜被拔出所需拉力測量結(jié)果如表5所示。約有95%胡蘿卜拔取力的變化區(qū)間為（73，247）N。測定過程中，存在蘿卜莖葉被拉斷的現(xiàn)象，這是因為有相當(dāng)數(shù)量的胡蘿卜拔取收獲所需拉力較其根莖結(jié)合部抗拉力大。由此可見，對自然生長狀態(tài)下的胡蘿卜采用直接拔取方式行收獲是困難的。

表4 胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強度Table 4 Anti-tensile strength between the carrot's stem and root

表5 自然狀態(tài)土壤下胡蘿卜拔取力Table 5 Pulling force of the carrot in natural soil

2.4.2 拔取收獲胡蘿卜松土位置的確定

松土深度和距離對胡蘿卜收獲拔取力的影響，經(jīng)軟件Design－Expert 6.0.10分析結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著松土深度的增加，胡蘿卜拔取力呈線性減小的變化趨勢；隨著松土距離的增加，胡蘿卜拔取力呈線性增加的變化趨勢。表明松土深度越大、松土距離越小，松土效果越顯著，拔取收獲胡蘿卜所需拉力越小。按照松土后胡蘿卜的拔取力應(yīng)小于胡蘿卜的根莖抗拉力，即拔取力小于等于60 N的原則，對松土位置進行優(yōu)化分析，結(jié)果見圖4。當(dāng)松土深度為11→20 cm，松土距離為4→14 cm時，拔取收獲胡蘿卜所需拉力為15→60 N。為減少收獲機械的動力消耗，松土鏟應(yīng)在滿足條件下入土深度越小越好；為降低胡蘿卜的損傷率，松土鏟應(yīng)在滿足條件下距胡蘿卜越遠越好；綜合胡蘿卜根部入土深度和蘿卜種植時直線度對松土位置進一步優(yōu)化得出：松土深度15～19 cm，松土距離8～13 cm，此時拔取收獲胡蘿卜所需拉力小于60 N，不會發(fā)生拔斷現(xiàn)象。

圖3 松土位置對胡蘿卜拔取力的影響Fig.3 Influence of the loosen location on pulling force of the carrot

圖4 優(yōu)化分析Fig.4 Optimum analysis plot

3 結(jié)論

在胡蘿卜種植模式為壟作條播，土壤環(huán)境為含水率23.60%±7.35%、強度（11.87±4.97）Pa、容重（1.165±0.29）g·cm－3條件下，對收獲期胡蘿卜的物理力學(xué)特性得出結(jié)論如下：

a.植株總長度（664±247.8）mm，根部最大直徑（44.8±30）mm，根部最小有效直徑（22.6±10.2）mm，莖葉自然狀態(tài)高度（356±243.6）mm，莖葉自然狀態(tài)最大直徑（584±454.5）mm，根部體積（174 964.8±125 521.5）mm3，根部表面積（18 016.3±14 487）mm2；約有98%的胡蘿卜根部入土深度小于等于190 mm；約有90%的胡蘿卜距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑大于等于8 mm；約有88%的胡蘿卜莖葉在其1/2高度處直徑大于等于60 mm。

b.約有95%的胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強度為（11.77±6.92）×105Pa，抗拉力為（150.7±88.6）N；

c.在收獲期胡蘿卜自然生長狀態(tài)下，約有95%胡蘿卜所需拔取力為（160±87）N；

d.對胡蘿卜采用拔取收獲方式必須伴隨松土作業(yè)工藝過程；

e.拔取收獲胡蘿卜松土位置參數(shù)優(yōu)化組合為松土深度15～19 cm，松土距離8～13 cm，所需拔取力小于60 N，不會發(fā)生拔斷漏收現(xiàn)象。

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