成熟期大蒜莖稈力學(xué)特性的試驗(yàn)研究

辛 杰，侯加林，李玉華，吳彥強(qiáng)，王后新，姜廣民

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2. 山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；3.金鄉(xiāng)縣通達(dá)機(jī)械制造有限公司，山東 金鄉(xiāng) 272200)

0 引言

我國大蒜行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)查研究顯示，2016年我國大蒜種植面積總計達(dá)到37.9萬～40.5萬hm2，占全球大蒜種植面積的60%以上[1]。目前，我國大蒜的種植和收獲主要依靠人工完成，作業(yè)效率低，強(qiáng)度大，現(xiàn)有的大蒜聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量不高，這些問題已成為制約我國大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[2]。為此，一些農(nóng)學(xué)專家對大蒜幾何特征和營養(yǎng)成分進(jìn)行統(tǒng)計分析，但并未涉及莖稈的力學(xué)特性的分析，因此這些數(shù)據(jù)對大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計指導(dǎo)意義不大。針對上述問題，本研究以山東金鄉(xiāng)縣卜集鎮(zhèn)孫桁村為實(shí)地考察點(diǎn)，采用隨機(jī)性、分類性和對角線原則，不僅對大蒜的物理性能指標(biāo)進(jìn)行田間統(tǒng)計分析[3]，而且對大蒜莖桿的力學(xué)特性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析大蒜莖稈的抗拉強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度、松土前后起拔力等力學(xué)特性，揭示莖稈直徑、含水率、加載速度對拉斷力的影響關(guān)系，以期為進(jìn)一步設(shè)計大蒜聯(lián)合收獲機(jī)提供可靠的理論基礎(chǔ)[4]。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1)試驗(yàn)設(shè)備：測力儀(數(shù)顯式拉力計)、數(shù)顯游標(biāo)卡尺、卷尺、鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、土壤硬度計、土壤容重測試儀(環(huán)刀法)及微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

2)試驗(yàn)材料：成熟期整株大蒜，品種為金鄉(xiāng)白蒜。2017年5月20-23日在金鄉(xiāng)縣卜集鎮(zhèn)孫桁村進(jìn)行了大蒜的物理學(xué)特性試驗(yàn)；2017年5月24日在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大蒜莖稈的拉伸強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3)土壤環(huán)境：試驗(yàn)地土壤為沙土性土壤，含水率(21.09±4.07)%，硬度(12.12±3.24)kg/cm2，容重(1.31±0.26)g/cm3。

2 試驗(yàn)方法

2.1 采樣點(diǎn)的布置

采用隨機(jī)性原則，選取了試驗(yàn)地點(diǎn)3處，每個地塊分別在地頭、地邊和田間進(jìn)行取樣；田間取樣的方法采用對角線原則[3]，隨機(jī)抽取100個樣本，做好標(biāo)記放入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.2 大蒜物理特性的測定

根據(jù)大蒜生物學(xué)特性，結(jié)合收獲機(jī)械的設(shè)計要求[5-7]，隨機(jī)選取100個樣本，測量每個樣本的基本幾何特性。選擇蒜株高度、蒜頭高度、莖稈直徑、蒜頭質(zhì)量、蒜頭直徑、根須群長度、根須群直徑及含水率作為大蒜幾何特征的評價指標(biāo)，并分析預(yù)測其變化區(qū)間及分布規(guī)律[3]。

2.3 大蒜莖稈力學(xué)特性的測定

分別采用萬能試驗(yàn)機(jī)和數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量大蒜莖稈樣本底部(距地面50～130mm)最大拉斷力和拉斷位置直徑，莖稈的抗拉強(qiáng)度由大蒜莖稈拉斷力與拉斷部位直徑的比值表示，即公式(1)。隨機(jī)選取10個樣本進(jìn)行測量，則

(1)

其中，Pi為第i個樣本大蒜莖桿的抗拉強(qiáng)度(MPa)；Di為第i個樣本大蒜莖桿的直徑(mm)；Fi為第i個樣本大蒜莖桿的拉斷力(kN)。

為了研究影響拉斷力的因素以及各因素與拉斷力之間的關(guān)系，在單因素試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)的設(shè)計方案[8]，以大蒜莖稈的拉斷力F作為試驗(yàn)指標(biāo)，對大蒜莖稈直徑A、含水率B、加載速度C等因素展開正交試驗(yàn)研究，對這3個因素選取3個水平，因素水平表如表1所示[9-10]。

表1 因素水平表Table 1 Factor levers

2.4 大蒜起拔力的測定

2.4.1大蒜自然生長狀態(tài)下和經(jīng)過挖掘鏟松土后的起拔力測定

隨機(jī)選取20個樣本，將繩子通過彈簧秤系在自然生長狀態(tài)下和經(jīng)過挖掘鏟在大蒜底部疏松土后的大蒜莖稈底部，拔出大蒜，讀取并記錄最大拉力。

2.4.2 大蒜松土位置的確定

在自然生長狀態(tài)下，大蒜與土壤黏結(jié)力較大。按照挖拔式大蒜聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計方案，為了順利拔取收獲，需要研究仿形松土鏟在大蒜一側(cè)疏松土壤的位置對大蒜起拔力的影響規(guī)律，尋求松土距離和松土深度參數(shù)優(yōu)化組合。采用析因試驗(yàn)方法，以大蒜起拔力為目標(biāo)函數(shù)，以松土距離和松土深度為影響因素，尋求影響起拔力規(guī)律和松土位置參數(shù)優(yōu)化組合[11]。應(yīng)用仿形松土鏟對大蒜一側(cè)土壤進(jìn)行疏松，測量大蒜所需起拔力，松土方法與試驗(yàn)方案如圖 1 和表2所示。每組試驗(yàn)隨機(jī)選取 50 個樣本，應(yīng)用軟件 Design-Expert進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

a-松土距離 b-松土深度 1.大蒜 2.挖掘鏟

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Experimental plans

2.5 大蒜莖稈擠壓強(qiáng)度的測定

取試樣應(yīng)通直，測量試樣的長度和直徑數(shù)據(jù)精確到0.01mm，大蒜徑向壓縮試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣夾具采用平面壓塊，將試樣置于平面支座中心位置，以一定的度加載，記錄破壞載荷。大蒜莖稈抗壓強(qiáng)度計算式為

(2)

其中，σi為第i個樣本大蒜莖桿的擠壓強(qiáng)度(MPa)；Fmax為第i個樣本大蒜莖桿的破壞載荷(kN)；Li為第i個樣本大蒜莖桿的標(biāo)距長度(mm)；Di為第i個樣本大蒜莖桿的標(biāo)距試樣直徑(mm)。

3 結(jié)果與分析

3.1 大蒜物理特性試驗(yàn)分析

根據(jù)測試指標(biāo)，測試項(xiàng)目的匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。同時，對大蒜主要特征指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計研究。

蒜株高度、蒜根群長度、蒜根群直徑、含水率等4個參數(shù)的概率分布直方圖如圖2～圖5所示。由圖2可以看出：株高主要分布在[340，360]mm，占樣本總數(shù)的74%。由圖3可以看出：蒜根群長度主要分布在[78，86]mm，占樣本總數(shù)的69%。由圖4可以看出：蒜根群直徑主要分布在[88，92]mm，占樣本總數(shù)的65%。由圖5可以看出：莖稈含水率主要分布在[82，91]%，占樣本總數(shù)的78%。

表3 大蒜物理學(xué)特性試驗(yàn)的統(tǒng)計參數(shù)Table 3 Basic physical parameters of garlic

圖2 蒜株高度概率分布直方圖Fig.2 Total height probability distribution histogram of garlic

圖3 蒜根群長度概率分布直方圖Fig.3 Height probability distribution histogram of garlic

圖4 蒜根群直徑概率分布直方圖Fig.4 Height probability distribution histogram of garlic

圖5 含水率概率分布直方圖Fig.5 Height probability distribution histogram of garlic

3.2 大蒜莖稈抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)分析

測定結(jié)果如表4所示。大蒜莖稈的抗拉強(qiáng)度為[0.66，0.93]MPa，對應(yīng)的拉斷力為[73.97，157]N，即收獲期大蒜莖稈的最小抗拉力為73.97N。

表4 大蒜莖稈的抗拉強(qiáng)度Table 4 Tensile strength of garlic stalk

3.2.1 單因素試驗(yàn)分析

1)莖稈直徑對大蒜莖稈拉斷力的影響。試驗(yàn)加載速度為10mm/min，取直徑分別為10、12、14、16、18mm的含水率相同的大蒜莖稈試樣做拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：當(dāng)直徑為12mm時，大蒜莖稈的拉斷力為74N；當(dāng)直徑為14mm時，大蒜莖稈的拉斷力上升為141N；當(dāng)直徑為18mm時，大蒜莖稈的拉斷力繼續(xù)上升為176N。

圖6 莖稈直徑對大蒜莖稈拉斷力的影響Fig.6 Effect of stalk diameter on stretching force of garlic stalk

2)含水率對大蒜莖稈拉斷力的影響。試驗(yàn)加載速度為10mm/min，取含水率分別為40.37%、68.37%、80.12%、86.82%、89.37%直徑相同的大蒜莖稈試樣做拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)含水率為40.37%時，大蒜莖稈的拉斷力達(dá)到了213.12N；當(dāng)含水率為68.37%時，大蒜莖稈的拉斷力急劇減小到168.57N；當(dāng)含水率為80.12%時，大蒜莖稈的含水率繼續(xù)呈現(xiàn)下降的趨勢，拉斷力為160.39N；當(dāng)含水率為86.82%和89.37%時，大蒜莖稈的含水率又呈現(xiàn)下降的趨勢，拉斷力分別為153.55N和151.51N，二者相差不大。

圖7 含水率對大蒜莖稈拉斷力的影響Fig.7 Effect of moisture content on pulling capacity of garlicstalk

3)加載速度對大蒜莖稈拉斷力的影響。取含水率為 86.82%直徑相同的大蒜莖稈作為試樣，加載速度分別取10、40、70mm/min 進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：隨著大蒜莖稈試樣加載速度的增加，拉斷力逐漸增大，達(dá)到最大數(shù)值之后，呈現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)加載速度為10mm/min 時，大蒜莖稈的拉斷力達(dá)到168.38N；當(dāng)加載速度為40mm/min 時，大蒜莖稈的拉斷力呈現(xiàn)上升趨勢，達(dá)到 169.68N；當(dāng)加載速度為70mm/min 時，大蒜莖稈的拉斷力又呈現(xiàn)下降的趨勢，達(dá)到167.23 N。

圖8 加載速度對大蒜莖稈拉斷力的影響Fig.8 Effect of loading speed on stretching force of garlic stalk

3.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對大蒜莖稈的拉伸試驗(yàn)選用 L9(34)做3因素3水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)的因素主要選取直徑、含水率、加載速度，試驗(yàn)指標(biāo)選用拉斷力。正交試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 大蒜莖稈拉斷力正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal experimental results of garlic stem breaking force

由表 5可以看出：影響大蒜莖稈拉斷力的因素次序?yàn)榍o稈直徑A>含水率B>加載速度C；拉斷莖稈需要最小力的組合為A1B3C3，即直徑為12mm、加載速度為70mm/min、含水率為86.82%。原因可能是：含水率較高時，莖稈的纖維比較軟，容易被拉斷；含水率低時，纖維的密度相對較大，組織更加細(xì)密，木質(zhì)纖維更硬，抗拉性能更明顯[9]；同時，加載速度越大，沖擊大蒜莖稈的能量也越大，莖稈就更容易斷裂。

3.3 大蒜起拔力學(xué)特性的試驗(yàn)分析

分別對自然生長狀態(tài)下和經(jīng)過松土的大蒜進(jìn)行起拔力的測試，統(tǒng)計分析結(jié)果如表6所示。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析可以看出：經(jīng)挖掘鏟松土后，大蒜起拔力顯著降低。因此，有必要在大蒜收獲工藝中加入挖掘裝置。

表 6 大蒜起拔力統(tǒng)計分析結(jié)果Table 6 statistical analysis results of garlic pulling force

自然生長狀態(tài)下，大蒜起拔力的概率分布直方圖如圖9所示。其中，起拔力主要分布在[120，150]N，大約占70%以上。在實(shí)際試驗(yàn)中，由于一些大蒜起拔力較莖稈的抗拉力大，存在部分大蒜莖稈被拉斷的現(xiàn)象，所以只依靠夾持輸送裝置難以實(shí)現(xiàn)大蒜的拔取。

圖9 大蒜松土前拔取力概率分布直方圖Fig.9 Select force probability distribution histogram before garlic digging

大蒜松土后的拔取力概率分布直方圖如圖 10所示。由圖10可知：經(jīng)挖掘鏟松土以后，大蒜起拔力均主要分布在[24，27]N，約占70%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自然生長狀態(tài)下的起拔力。由此更加證明了在大蒜收獲工藝中利用挖掘鏟進(jìn)行松土、在夾持輸送裝置的作用下可以實(shí)現(xiàn)向上拔取輸送，從而可以大大降低人工作業(yè)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

大蒜起拔力的影響與多種因素有關(guān)，如土壤的濕度、粘度、硬度及大蒜的體積、質(zhì)量、根部長度等都會影響到大蒜的起拔力[12]，但是松過土的大蒜的起拔力明顯降低，因此松土的深度和距離對大蒜起拔力的影響較為明顯。為了驗(yàn)證大蒜起拔力與松土的深度和距離的關(guān)系，以及確定松土的位置，利用軟件Design -Expert分析結(jié)果如圖 11所示。

圖10 大蒜松土后的拔取力概率分布直方圖Fig.10 Select force probability distribution histogram after garlic digging

圖11 松土位置對大蒜拔取力的影響Fig.11 Influence of the loosen locationpulling force of garlic

由圖11可知：隨著松土深度的增加，大蒜起拔力呈線性減小的變化趨勢；隨著松土距離的增加，大蒜起拔力呈線性增大的變化趨勢。這表明，松土深度越大、松土距離越小，松土效果越顯著，拔取大蒜所需拉力越小。按照松土后大蒜起拔力應(yīng)小于大蒜莖稈的拉斷力(即起拔力小于等于53.1N)的原則，對松土位置進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果如圖12所示。

當(dāng)松土深度為9～18cm、松土距離為2～10cm 時，拔取收獲大蒜所需拉力為23～53N。為減少收獲機(jī)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；為降低大蒜的損傷率，松土鏟應(yīng)在滿足條件下距大蒜越遠(yuǎn)越好。綜合大蒜根部入土深度和大蒜種植時直線度對松土位置進(jìn)一步優(yōu)化得出：當(dāng)松土深度9～18cm、松土距離2～10cm時，拔取收獲大蒜所需拉力小于53.1N，且不會發(fā)生拔斷現(xiàn)象。

圖12 大蒜優(yōu)化分析圖Fig.12 Optimization analysis plot of garlic

3.4 大蒜莖稈擠壓強(qiáng)度的試驗(yàn)分析

大蒜莖稈壓縮試驗(yàn)在10mm/min加載速率條件下,測試不同部位大蒜莖稈的抗壓強(qiáng)度，如表7所示。

表7 不同部位的大蒜莖稈試樣抗壓強(qiáng)度分析結(jié)果Table 7 Statistical analysis results of compressive strength of garlic stem samples in different positions

由表7可知：大蒜莖稈的擠壓強(qiáng)度的最大值是0.93MPa，最小值是0.72MPa,平均值是0.78MPa。大蒜莖稈底部的最大破壞載荷高于上部的，但是擠壓強(qiáng)度不一定高于上部，原因是越靠近根部，含水率越高，直徑越大，擠壓力就越大。由式(2)可知：底部擠壓力較大，受力面積也大，但底部抗壓強(qiáng)度卻不一定大[13]。因此，在設(shè)計夾持帶的過程中可以增大帶寬，來降低擠壓強(qiáng)度，從而避免莖稈被夾斷而影響收獲效率。

4 結(jié)論

1)正交試驗(yàn)表明：直徑、含水率、加載速度的不同對大蒜莖稈的拉斷力均有影響，其中直徑的影響最大，含水率次之，加載速度最小。

2)通過對大蒜起拔力與松土過程中挖掘的深度和距離進(jìn)行回歸分析可知：經(jīng)挖掘鏟松土后大蒜起拔力與挖掘的深度和距離有明顯相關(guān)性，影響大蒜起拔力的因素依次是挖掘深度>挖掘距離。同時，得出大蒜最小起拔力的最優(yōu)組合為：挖掘深度9～18cm，挖掘距離2～10cm。此時所需拔取力小于53.1N，不會發(fā)生拔斷漏收現(xiàn)象。

3)大蒜莖稈擠壓試驗(yàn)表明：大蒜莖稈的擠壓強(qiáng)度的最大值是0.93MPa，最小值是0.72MPa，平均值是0.78MPa。所以，在設(shè)計皮帶夾持過程中，擠壓強(qiáng)度最大不能超過0.72MPa，避免將大蒜莖稈夾斷，從而影響大蒜收獲效率。