典型蘿卜力學(xué)特性的對比試驗研究

王方艷，高 升

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

蘿卜在我國種植廣泛，種植面積約為1.2×106hm2，是我國主要的蔬菜之一。其產(chǎn)量較高，容易儲存，種植產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益較大，但生產(chǎn)機械化水平較低，尤其是收獲及加工機械缺乏，嚴(yán)重限制了蘿卜的機械化生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，研究典型蘿卜品種的力學(xué)特性，可為研發(fā)蘿卜生產(chǎn)裝備提供依據(jù)，為降低蘿卜損失、實現(xiàn)機械化收獲提供可靠的技術(shù)支持[1-4]。

白蘿卜和青蘿卜是我國種植面積較大的典型作物，但缺少對其力學(xué)特性的系統(tǒng)研究。隨著蘿卜種植面積及效益的突顯，蘿卜的機械化生產(chǎn)被提上日程。因此，系統(tǒng)研究白蘿卜和青蘿卜的力學(xué)特性，為機械化收獲、加工提供數(shù)據(jù)支撐顯得十分的重要。本研究以收獲期的白蘿卜和青蘿卜為研究對象，參照常用物理及力學(xué)特性的研究方法[5-8]，測定白蘿卜和青蘿卜在不同狀態(tài)下的性能參數(shù)，并分析其各部分結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性，為蘿卜產(chǎn)業(yè)的收獲、運輸、加工及相關(guān)機械的的研發(fā)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 試驗材料

對山東地區(qū)收獲期的白蘿卜(白玉春)和青蘿卜進(jìn)行隨機選取。

1)壓縮試樣。在收獲后存放1、2、3、4天的4批蘿卜中，隨機選取形狀及大小相似的白蘿卜和青蘿卜各4個。采用自制環(huán)形切割刀，對蘿卜芯部進(jìn)行縱向取樣(沿著蘿卜的徑向)，用保鮮袋進(jìn)行編碼封存，依次標(biāo)記為A、B、C、D，并測定試樣的含水率。蘿卜圓柱壓縮試樣尺寸為φ25mm×30mm。

2)拉伸試樣。在收獲后含水率為94.5%±1%的白蘿卜和含水率為92.5%±1%青蘿卜中，隨機選取白蘿卜和青蘿卜各30個，利用環(huán)割的方法，沿著蘿卜的縱向制取蘿卜皮試樣30個。蘿卜皮試樣的尺寸為10.00cm×1.00cm×0.30cm(長×寬×高)。

3)剪切試樣。隨機選取含水率為94.5%±1%的白蘿卜和92.5%±1%的青蘿卜各30個，總長度為18～45cm，質(zhì)量為300～1 200g，中部直徑為5.00～15.00cm。隨機選取30個青蘿卜，總長度為15～40cm，質(zhì)量為200～1 100g，中部直徑為5.00～15.00cm。

1.2 試驗儀器及設(shè)備

DGG-9070AD型立式電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信試驗儀器有限公司)，F(xiàn)A/JA系列電子天平(常州宏衡電子儀器廠)，RGM-4005微機控制全數(shù)字化電子萬能材料試驗機(瑞格爾儀器有限公司)，數(shù)顯游標(biāo)卡尺，自制T12鋼剪切刀具(刃厚0.8mm)。

2 試驗方法

采用DGG-9070AD型立式電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱測定收獲后白蘿卜和青蘿卜樣本的含水率。根據(jù)試驗要求，在加速度為10mm/min條件下，借助RGM-4005微機控制全數(shù)字化電子萬能材料試驗機分別對A、B、C、D試樣進(jìn)行軸向壓縮試驗，對30個蘿卜皮試樣進(jìn)行單軸拉伸試驗,利用自制剪切刀具對蘿卜進(jìn)行整體剪切試驗，并對得到的載荷-位移曲線進(jìn)行擬合和分析[9-17]。采用Origin軟件及物料特性公式計算試樣的彈性模量、最大抗壓強度[18]、最大拉壓強度，分析含水率對蘿卜的力學(xué)特性的影響及規(guī)律，確定蘿卜皮的彈性模量及最大拉壓強度及蘿卜的剪切強度，明確兩種蘿卜的力學(xué)特性差異。

(1)

式中E—彈性模量(Pa)；

ΔF—載荷變化量(N)；

D—試樣直徑(m)；

L—試樣長度(m)；

ΔL—試樣變形量(m)。

(2)

式中σmax—最大抗壓強度(Pa)；

Fmax—最大載荷(N)；

A—壓縮橫截面積(m2)。

(3)

式中τ—剪切強度(Pa)；

Fmax—剪切力峰值(N)；

A0—剪切橫截面積(m2)；

3 結(jié)果與分析

3.1 蘿卜的壓縮力學(xué)特性

對不同含水率的蘿卜試樣進(jìn)性壓縮實驗，得到蘿卜的載荷-位移曲線如圖1所示。

試樣A含水率為95.3% ，試樣B含水率為93.3%，試樣C含水率為92.8%，試樣D含水率為89.9%。

試樣A含水率為93.5% ，試樣B含水率為92.5%，試樣C含水率為91.2%，試樣D含水率為89.3%。

彈性模量及最大抗壓強度如表1所示。

表1 壓縮力學(xué)特性Table 1 Compression characteristic of radish

由圖1及表1可知：含水率對蘿卜的壓縮力學(xué)特性影響比較大,且含水率越高，蘿卜的抗壓性能越好，蘿卜的脆性越好。隨著蘿卜試樣含水率的逐漸減小，蘿卜的彈性模量及最大抗壓強度逐漸減小，且白蘿卜的抗壓性能略低于青蘿卜。因此，在生產(chǎn)及運輸過程中，要合理控制蘿卜的含水率，從而滿足生產(chǎn)裝備的需要。

3.2 蘿卜皮的拉伸力學(xué)特性

借助RGM-4005微機控制全數(shù)字化電子萬能材料試驗機，對30個蘿卜皮試樣進(jìn)行軸向拉伸試驗,得蘿卜皮的彈性模量及最大拉壓強度，如表2所示。

表2 蘿卜皮拉伸試驗結(jié)果Table 2 Result of Turnip skin tensile

由表2可知:在10mm/min的加載速度下，白蘿卜皮試樣能夠承受的最大拉力為(57±4.2)N；彈性模量為(1.89±0.092)MPa，最大抗壓強度為(1.892±0.142)MPa。青蘿卜皮試樣能夠承受的最大拉力為(55±4.5)N；彈性模量為(1.839±0.1)MPa，最大抗壓強度為(1.831±0.15)MPa。由此可見：白蘿卜皮的抗拉力學(xué)特性略大于青蘿卜皮，且彈性模量小于蘿卜內(nèi)部，容易在收獲、運輸中受到損傷。

3.3 蘿卜的剪切力學(xué)特性

通過對隨機選取的30個白蘿卜和青蘿卜的不同位置的剪切試驗，測得白蘿卜和青蘿卜的最大剪切力，并計算得剪切強度。試驗結(jié)果如表3所示，剪切面積與剪切峰值如圖2所示。

表3 蘿卜剪切試驗結(jié)果Table 3 Result of Radish shear

續(xù)表3

圖2 橫截面積-剪切力關(guān)系Fig.2 The relationship between cross-sectional area and the shear stress

由表3可知:白蘿卜的剪切強度為(0.066±0.024)MPa，青蘿卜的剪切強度為(0.082±0.02)MPa，白蘿卜的抗剪切能力略小于青蘿卜，且蘿卜的抗剪切能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蘿卜的抗壓能力。這一結(jié)論進(jìn)一步驗證了蘿卜剪切易斷的事實。由圖3可知：白蘿卜與青蘿卜的剪切面積與蘿卜的最大剪切力呈線性正相關(guān)，白蘿卜的擬合方程為y=9.31x-165.36，判定系數(shù)R2=0.971；青蘿卜的擬合方程為y=9.27x-80.77，判定系數(shù)R2=0.879。

4 結(jié)論

1)在試驗范圍內(nèi)，含水率對蘿卜的力學(xué)特性影響比較大。隨著含水率的增大，蘿卜的抗壓性能越好，且彈性模量、最大抗壓強度及最大載荷逐漸增大。

2)白蘿卜皮試樣能夠承受的最大拉力為(57±4.2)N，彈性模量為(1.89±0.092)MPa，最大抗壓強度為(1.892±0.142)MPa；青蘿卜皮試樣能夠承受的最大拉力為(55±4.5)N，彈性模量為(1.839±0.1)MPa，最大抗壓強度的為(1.831±0.15)MPa。白蘿卜皮的抗拉力學(xué)特性略大于青蘿卜皮，且彈性模量小于蘿卜內(nèi)部。

3)白蘿卜與青蘿卜的剪切面積與蘿卜的最大剪切力呈線性正相關(guān)。白蘿卜的剪切強度為(0.066±0.024)MPa，青蘿卜的剪切強度為(0.082±0.02)MPa，白蘿卜的抗剪切能力略小于青蘿卜，且蘿卜的抗剪切能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蘿卜的抗壓能力。