平貝母鱗莖力學(xué)特性試驗(yàn)

摘要：針對(duì)平貝母（Fritillaria ussuriensis）鱗莖機(jī)械化篩分中存在破碎損傷問(wèn)題，利用物料分析儀對(duì)平貝母鱗莖進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)和表面硬度試驗(yàn)，測(cè)得平貝母地下鱗莖的力—位移曲線以及最大破壞力，分析了平貝母地下鱗莖的破裂損傷規(guī)律。結(jié)果表明，平貝母鱗莖沿半月形扁圓鱗瓣方向擠壓后破壞形式是破瓣，沿垂直半月形扁圓鱗瓣方向擠壓后破壞形式是裂紋，破裂力差別明顯，屈服力差別不明顯， 最大破裂力為52.25 N；自然干燥過(guò)程中平貝母鱗莖表面變硬，抗摩擦能力增強(qiáng)，果肉變?nèi)?，出現(xiàn)裂紋機(jī)率減小。

關(guān)鍵詞：平貝母（Fritillaria ussuriensis）；鱗莖；力學(xué)特性

中圖分類號(hào)：S567.23+1；S225.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）13-3072-03

平貝母鱗莖機(jī)械篩分過(guò)程中容易產(chǎn)生破碎損傷[1，2]，破碎損傷的平貝母鱗莖不得入藥，留作種子也容易發(fā)生爛種[3]，因此平貝母鱗莖機(jī)械篩分過(guò)程中導(dǎo)致的破碎損傷不容忽視。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)作物篩分破碎損傷機(jī)理進(jìn)行了大量研究，取得了許多成果[4-7]。然而，對(duì)平貝母鱗莖機(jī)械篩分損傷的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。平貝母鱗莖篩分的破碎損傷主要表現(xiàn)為表面刮傷、裂紋和破瓣，造成平貝母鱗莖篩分破碎損傷的主要原因是平貝母鱗莖與等級(jí)篩分機(jī)之間的摩擦、碰撞和擠壓。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)平貝母鱗莖破損強(qiáng)度、表面硬度等物理機(jī)械特性的研究來(lái)探究造成平貝母鱗莖表面刮傷、裂紋和破瓣的內(nèi)在機(jī)理，為減少篩分機(jī)械損傷探索新的控制方法，同時(shí)也為提高篩分質(zhì)量、設(shè)計(jì)篩分機(jī)械提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

選用收獲期試驗(yàn)田的平貝母鱗莖作為試驗(yàn)材料。主要試驗(yàn)設(shè)備有物料分析儀、尼康數(shù)碼相機(jī)、微型計(jì)算機(jī)和游標(biāo)卡尺等。

1.2 方法

1.2.1 平貝母鱗莖破損強(qiáng)度試驗(yàn) 平貝母鱗莖呈扁圓盤狀，由3～4個(gè)半月形扁圓鱗瓣抱合而成[8，9]（圖1）。試驗(yàn)以最小破損力為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)平貝母鱗莖沿x、y、z軸方向進(jìn)行單因素破損強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將平貝母鱗莖置于壓板中心并固定[10]，模擬實(shí)際工作環(huán)境，設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)：最大載荷500 N、加載速度30 mm/min、觸發(fā)力0.3 N、最大變形量85%。

1.2.2 平貝母鱗莖表面硬度試驗(yàn) 試驗(yàn)使用美國(guó)生產(chǎn)的TMS-Touch型物料分析儀，采用 P/2n 針狀探頭（直徑 2 mm），測(cè)前速度60 mm/s，貫入速度1 mm/s[14]，最小感知力 0.3 N。

剛起收的平貝母鱗莖于壟溝攤開(kāi)自然干燥，每隔1 h做一次平貝母鱗莖表面硬度試驗(yàn)，共做4次，每次取平貝母鱗莖最外層3個(gè)部位測(cè)定（取平均值），共隨機(jī)取12個(gè)平貝母鱗莖進(jìn)行測(cè)定[11，12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 平貝母鱗莖破損強(qiáng)度

在設(shè)定的最小破損力下，12個(gè)平貝母鱗莖破損強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，x、y、z軸的破裂力差別明顯，但x、y、z軸的屈服力差別不明顯。以z軸方向平板擠壓為例，得到擠壓力-位移曲線如圖2，a位置表示平貝母鱗莖的屈服力，b位置表示平貝母鱗莖的破裂力，縱坐標(biāo)第一峰值對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)s點(diǎn)是平貝母鱗莖的破裂深度（mm）。試驗(yàn)表明沿z軸方向擠壓后破壞形式是破瓣，其破瓣承受力主要來(lái)自平貝母鱗莖扁圓鱗瓣結(jié)合在一起的根部；沿x軸和y軸擠壓后破壞形式是裂紋，其裂紋承受力主要來(lái)自平貝母鱗莖半月形扁圓鱗瓣自身。

2.2 平貝母鱗莖表面硬度

對(duì)每隔1 h做一次平貝母鱗莖表面硬度試驗(yàn)的曲線疊加，得到平貝母鱗莖的表面硬度曲線（圖3）。圖3中a、b、c、d分別表示從剛起收到自然干燥3 h平貝母鱗莖表面硬度曲線。從圖3可以看到物料分析儀針狀探頭經(jīng)過(guò)平貝母鱗莖時(shí)受力的全過(guò)程。探頭在經(jīng)過(guò)平貝母鱗莖，穿刺力增加到第一個(gè)峰值時(shí)，平貝母鱗莖表面破碎，之后穿刺力發(fā)生突變，隨著探頭繼續(xù)伸入，探頭進(jìn)入平貝母鱗莖內(nèi)部肉部分，其穿刺力逐漸增大。從圖3疊加曲線看，第一個(gè)峰值變化明顯，且隨著時(shí)間變化其值增大，峰值范圍在0.52～1.06 N，表明平貝母鱗莖在自然干燥過(guò)程中表面變硬，增大了平貝母鱗莖的抗摩擦能力；最高點(diǎn)峰值沒(méi)有明顯變化，但最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的最大位移是變化的，隨著時(shí)間變化其最大位移減小，表明平貝母鱗莖在自然干燥過(guò)程中，隨著水分的蒸發(fā)果肉變?nèi)?，減小了平貝母鱗莖出現(xiàn)裂紋的機(jī)會(huì)。

3 小結(jié)

平貝母鱗莖沿扁圓鱗瓣方向擠壓后破壞形式是破瓣，沿垂直半月形扁圓鱗瓣方向擠壓后破壞形式是裂紋，破裂力差別明顯，屈服力差別不明顯， 最大破裂力為52.25 N。平貝母鱗莖從起收到自然干燥3 h，平貝母鱗莖表面變硬，抗摩擦能力增強(qiáng)，表面強(qiáng)度從0.52 N到1.06 N；平貝母鱗莖果肉變?nèi)?，出現(xiàn)裂紋機(jī)率減小，最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的最大位移從1.92 mm減少到1.22 mm。

試驗(yàn)僅對(duì)采自不同地點(diǎn)的平貝母鱗莖進(jìn)行了擠壓強(qiáng)度和表面強(qiáng)度分析，而針對(duì)不同品種的平貝母鱗莖擠壓強(qiáng)度和表面強(qiáng)度尚未分析。通過(guò)平貝母鱗莖擠壓強(qiáng)度和表面強(qiáng)度定性分析造成平貝母機(jī)械損傷的結(jié)論，今后將進(jìn)一步研究造成平貝母機(jī)械損傷的內(nèi)在原因。

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