馬鈴薯碰撞損傷試驗與碰撞加速度特性分析

謝勝仕 王春光 鄧偉剛

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

收獲作業(yè)是馬鈴薯生產(chǎn)過程中勞動強度最大的作業(yè)環(huán)節(jié)，提高馬鈴薯機械化收獲水平已成為我國馬鈴薯行業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素。馬鈴薯機械收獲方式主要分為：挖掘型、挖掘分離型和聯(lián)合收獲型，其中挖掘型收獲效率低、作業(yè)質(zhì)量差[1]，在大規(guī)模馬鈴薯收獲作業(yè)中應(yīng)用較少，而挖掘分離型和聯(lián)合收獲型因其收獲效率高被廣泛采用，但明薯和傷薯的矛盾突出。究其原因，是因為挖掘分離型和聯(lián)合收獲型所采用的薯土分離裝置為桿條抖動鏈或擺動分離篩，這類裝置在增大明薯效果的同時勢必增強馬鈴薯與桿條或篩桿的碰撞，從而增加馬鈴薯的機械損傷。調(diào)查顯示，收獲過程中馬鈴薯的機械損傷占馬鈴薯流通過程總損傷的70%[2]。因此，關(guān)于新鮮馬鈴薯與桿條之間碰撞損傷的研究顯得意義重大。

目前，國外對馬鈴薯碰撞損傷的研究比較廣泛，研究內(nèi)容涵蓋下落高度、碰撞材料、碰撞角度、馬鈴薯質(zhì)量、貯藏溫度等因素對馬鈴薯碰撞損傷特性的影響[3-6]，但試驗所用馬鈴薯均為貯藏1個月甚至更長時間的試樣。馬鈴薯在貯藏期存在呼吸作用，使干物質(zhì)含量和細胞膨壓與新鮮馬鈴薯存在差異，從而導(dǎo)致其碰撞損傷特性與新鮮馬鈴薯不同。國內(nèi)關(guān)于馬鈴薯碰撞損傷的研究多以新鮮馬鈴薯為研究對象，并將試驗與有限元模擬、理論分析相結(jié)合，獲取馬鈴薯與馬鈴薯、馬鈴薯與鋼板之間的碰撞損傷臨界值以及馬鈴薯跌落損傷的臨界值[7-9]。國內(nèi)已有研究側(cè)重于分析馬鈴薯與平板材料碰撞后的損傷特性，關(guān)于馬鈴薯與桿條碰撞特性的研究相對較少；同時，運用數(shù)理統(tǒng)計方法，全面系統(tǒng)地闡述不同試驗因素對新鮮馬鈴薯碰撞損傷特性影響的研究鮮有報道。

本研究擬選取新鮮馬鈴薯為研究對象，與桿條進行碰撞試驗，分析馬鈴薯的碰撞損傷特性與碰撞加速度特性，以期為桿條式薯土分離裝置的設(shè)計和優(yōu)化提供理論支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為內(nèi)蒙古中西部地區(qū)廣泛種植的克新1號馬鈴薯，于2016年10月1—7日人工采收于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)作物種植基地。采收后選取橢球形、無機械損傷和病蟲害的馬鈴薯，冷水洗凈后將單個質(zhì)量為(150±5)、(250±5)、(350±5)和(450±5) g這4種質(zhì)量等級的馬鈴薯放入密封袋內(nèi)，并將樣品放入冰箱中，利用KTJ-TA288指針式溫度計檢測馬鈴薯內(nèi)部溫度，制取溫度為5、15和23 ℃的馬鈴薯樣品。

1.2 試驗設(shè)備

測試所用設(shè)備為馬鈴薯碰撞試驗臺(圖1)。碰撞試驗臺主要包括支架、標(biāo)尺、輕質(zhì)擺桿、夾具、碰撞桿條、數(shù)據(jù)采集與分析儀、1A102E型加速度傳感器(質(zhì)量為6 g，外形尺寸Φ10 mm×22 mm，儀器精度為±10 mV/g)和計算機，其中數(shù)據(jù)采集與分析儀為杭州億恒科技有限公司研制的AVANT-MI7016型數(shù)據(jù)采集與分析儀。

1.機架；2.標(biāo)尺；3.擺桿；4.夾具；5.加速度傳感器；6.馬鈴薯；7.桿條；8.數(shù)據(jù)采集與分析儀；9.計算機 1.Frame; 2.Scale; 3.Swing rod; 4.Fixture; 5.Accelerometer; 6.Potato; 7.Rod; 8.Data acquisition and analysis instrument; 9.Computer
圖1 馬鈴薯碰撞試驗臺
Fig.1 Potato impact test-rig

1.3 馬鈴薯碰撞加速度測試方法

將馬鈴薯(沿寬度方向挖有直徑為12 mm、深度為20 mm的圓形盲孔)沿長軸方向置于夾具中并夾緊，為防止加速度傳感器被水分侵蝕，用泡沫和防水膠帶包裹加速度傳感器后將其植入馬鈴薯盲孔中(圖2)，并用膠帶將傳感器與馬鈴薯纏繞為一體，以防止碰撞過程中傳感器相對馬鈴薯運動；啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)置采樣頻率為5 120 Hz；將裝有傳感器的馬鈴薯提取至規(guī)定初始高度后無初速度釋放使其與豎直固定的桿條碰撞，碰撞1次后快速抓住馬鈴薯防止第2次碰撞，存儲數(shù)據(jù)，完成1次數(shù)據(jù)采集。每個馬鈴薯試驗1次，每次試驗在2 min內(nèi)完成，以避免馬鈴薯塊莖的理化特性因溫度影響出現(xiàn)太大變化而引起試驗誤差[10]。

圖2 加速度傳感器的安裝
Fig.2 Accelerometer installation

2 正交試驗

2.1 試驗因素及水平

根據(jù)已有研究[3-9]可知，初始高度、馬鈴薯溫度、馬鈴薯質(zhì)量和碰撞材料等會對馬鈴薯碰撞損傷產(chǎn)生影響。為明確各因素對馬鈴薯碰撞損傷影響的顯著水平，取馬鈴薯溫度(A)、初始高度(B)、馬鈴薯質(zhì)量(C)和碰撞材料(D)作為試驗因素進行正交試驗。各因素水平取值時，碰撞材料重點考察薯土分離裝置中普遍使用的直徑10 mm的65Mn鋼桿(65Mn)、直徑10 mm的65Mn鋼桿包裹2 mm厚聚氯乙烯塑料(65Mn-塑料)和直徑10 mm的65Mn鋼桿包裹2 mm厚橡膠(65Mn-橡膠)3種典型工程材料[11]；結(jié)合文獻[7]，確定100、300和600 mm 3種初始高度；根據(jù)馬鈴薯等級規(guī)格[12]中馬鈴薯質(zhì)量的劃分標(biāo)準，選取大、中規(guī)格馬鈴薯的3個典型質(zhì)量等級，同一等級質(zhì)量相差控制在10 g以內(nèi)；按生產(chǎn)經(jīng)驗中馬鈴薯收獲日期的溫度變化規(guī)律，確定5、15和23 ℃的馬鈴薯溫度(表1)。正交試驗采用L9(34)無空列方案(表2)，每組試驗重復(fù)20次，將每組20次試驗的結(jié)果分為2小組算出平均值，通過重復(fù)試驗獲得誤差列，利用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)分析[13]。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2.2 試驗指標(biāo)

選取馬鈴薯碰撞損傷體積作為試驗指標(biāo)。試驗完成后，將受損的馬鈴薯置于室溫環(huán)境放置48 h，待其受損部位褐變后，平行于受損表面切開，測試最大受損面積的長軸長度和短軸長度，垂直于受損表面切開，測試受損深度，根據(jù)式(1)計算馬鈴薯損傷體積[14-15]。

(1)

式中：a為最大受損面積的長軸長度，mm；b為最大受損面積的短軸長度，mm；h為受損深度，mm；V為馬鈴薯損傷體積，mm3。

2.3 試驗結(jié)果與分析

通過極差分析(表2)和方差分析(表3)可知：影響馬鈴薯碰撞損傷體積的因素主次順序依次為初始高度、馬鈴薯質(zhì)量、馬鈴薯溫度和碰撞材料，且各因素對馬鈴薯碰撞損傷體積的影響均為極顯著。

初始高度越高馬鈴薯損傷體積越大，馬鈴薯質(zhì)量越大損傷體積越大。主要原因是初始高度越高馬鈴薯與桿條碰撞速度越大，致使碰撞壓力也越大；馬鈴薯質(zhì)量越大，碰撞壓力越大，損傷體積也就越大。馬鈴薯收獲作業(yè)過程中，合理控制馬鈴薯的突變高度或碰撞速度，可有效降低馬鈴薯的碰撞損傷。

損傷體積隨著馬鈴薯溫度的降低而增大，這是因為馬鈴薯干物質(zhì)主要成分為淀粉，淀粉分子在低溫環(huán)境下運動能力小導(dǎo)致其塑性增強，因此碰撞損傷體積就越大。從表2還可以看出，馬鈴薯溫度為5和15 ℃時的損傷體積明顯大于23 ℃時的損傷體積，因此為了降低馬鈴薯的碰撞損傷，盡量在低溫來臨前完成馬鈴薯的收獲。

表2 正交試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 2 Scheme and results of orthogonal experiment

注：Vi表示第i(i=1，2)小組的碰撞損傷體積平均值；ki表示任一列上因素取水平i(i=1，2，3)時所得試驗結(jié)果的算數(shù)平均值；R表示極差。

Note：Videnotes the average volume of impact damage in groupi(i=1，2)；kidenotes the arithmetic mean of the test results when the factor is taken at leveli(i=1，2，3) in either column；Rdenotes range.

表3 馬鈴薯損傷體積方差分析Table 3 Variance analysis of damage volume of potato

注：**表示差異極顯著(P<0.01)；F0.01(2，9)=8.022，F(xiàn)0.05(2，9)=4.265。

Note：**denotes high significance atP<0.01；F0.01(2，9)=8.022，F(xiàn)0.05(2，9)=4.265.

馬鈴薯與65Mn-塑料、65Mn-橡膠碰撞后的損傷體積均小于與鋼桿碰撞后的損傷體積，這是因為塑料和橡膠硬度低、彈性強，可通過緩沖作用增加碰撞時間，從而使碰撞壓力減小，損傷體積隨之減小。由表2還可知，塑料對于減小馬鈴薯的碰撞損傷效果明顯，因此可通過鋼桿表面噴塑的方式降低收獲過程馬鈴薯的碰撞損傷。

3 馬鈴薯碰撞加速度特性分析

3.1 馬鈴薯碰撞過程加速度特性分析

以初始高度為600 mm時馬鈴薯與桿條碰撞過程的典型加速度變化曲線(圖3)為例，分析馬鈴薯與桿條碰撞過程。如果將馬鈴薯與桿條從開始接觸到相互分離作為一個碰撞周期，則這一過程包括以下4個階段[16-18]。

E，馬鈴薯生物屈服點；F，彈塑性壓縮階段加速度最低點；G，馬鈴薯表皮宏觀破裂點；H，馬鈴薯彈性恢復(fù)完成點；I，馬鈴薯與桿條之間的粘附作用而導(dǎo)致的加速度最低點；J，馬鈴薯與桿條分離點。
Eis the biological yield point of potato.Fis the lowest acceleration point in the stage of elastic-plastic compression.Gis the macro-breaking point of potato epidermis.His the completion point of potato elastic recovery.Iis the lowest acceleration point caused by the adhesion between potato and rod.Jis the separation point between potato and rod.
圖3 馬鈴薯碰撞過程加速度的變化
Fig.3 Acceleration curve of potato during collision

粘彈性壓縮階段。馬鈴薯與桿條開始接觸并產(chǎn)生彈性作用力，加速度與時間近似呈線性關(guān)系，加速度隨碰撞時間的增加而逐漸增大，直至加速度增加至E點時馬鈴薯碰撞表面產(chǎn)生生物屈服。本階段結(jié)束的標(biāo)志是馬鈴薯與桿條接觸中心點達到屈服，特點是發(fā)生的變形為粘彈性變形，大部分形變量將在彈性恢復(fù)階段回復(fù)。

彈塑性壓縮階段。馬鈴薯與桿條接觸的表面屈服并產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致加速度逐漸減小，由于馬鈴薯芯部的破壞應(yīng)力高于表皮，馬鈴薯在表皮出現(xiàn)塑性變形而芯部為彈性變形，因此加速度降至F點后由于彈性壓縮而升高，直至馬鈴薯與桿條的相對速度減小為0時加速度達到最大(G點)，G點處馬鈴薯表面產(chǎn)生宏觀破裂。本階段發(fā)生的變形既有塑性變形又有彈性變形，彈性變形會在彈性恢復(fù)階段回復(fù)而塑性變形則保持不變。

彈性恢復(fù)階段。當(dāng)馬鈴薯不再被壓縮時，其彈性形變量逐漸回復(fù)，加速度逐步減小，直至減小為0(H點)完成回復(fù)。

馬鈴薯與桿條分離階段。馬鈴薯彈性形變回復(fù)完全后，由于塑性變形及馬鈴薯粘性影響，馬鈴薯與桿條間存在粘連，加速度隨時間的增大而逐漸減小，減小至最小值I后又逐漸恢復(fù)至0(J點)。

綜合以上分析可知，G點為馬鈴薯表面產(chǎn)生宏觀破裂的點，而G點對應(yīng)的加速度值為馬鈴薯碰撞過程中加速度的峰值。結(jié)合正交試驗結(jié)果可知，初始高度和馬鈴薯質(zhì)量是影響馬鈴薯碰撞損傷最主要的2個因素。因此，著重分析初始高度和馬鈴薯質(zhì)量對馬鈴薯碰撞加速度峰值的影響。

3.2 初始高度對馬鈴薯碰撞加速度峰值的影響

考慮到克新1號單個馬鈴薯質(zhì)量集中在250 g左右，收獲時期內(nèi)蒙古中西部地區(qū)日平均氣溫為 15 ℃ 左右，因此取實際生產(chǎn)應(yīng)用中的65Mn鋼桿，溫度為15 ℃、(250±5) g的馬鈴薯進行試驗。初始高度取100、200、300、400、500、600 mm共6個水平。

碰撞加速度峰值隨初始高度的增加而增加(圖4)，且變化趨勢趨近于二次多項式擬合規(guī)律。這是因為初始高度越高，馬鈴薯與桿條之間的相對碰撞速度越大，從而使二者之間的碰撞力就越大，加速度峰值也就越大。

圖4 初始高度對加速度峰值的影響
Fig.4 Effect of initial height on peak acceleration

3.3 馬鈴薯質(zhì)量對碰撞加速度峰值的影響

取馬鈴薯溫度為15 ℃、初始高度為300 mm，單個質(zhì)量等級為(150±5)、(250±5)、(350±5)和(450±5) g的馬鈴薯與65Mn鋼桿進行碰撞試驗。

加速度峰值隨馬鈴薯質(zhì)量的增加而逐漸降低(圖5)，并且呈二次多項式規(guī)律變化。主要原因是隨著馬鈴薯質(zhì)量的逐漸增大，加速度傳感器與桿條之間的馬鈴薯塊莖組織厚度越厚，緩沖作用越強，從而導(dǎo)致馬鈴薯質(zhì)量越大，碰撞加速度峰值越小[5]。

圖5 馬鈴薯質(zhì)量對加速度峰值的影響
Fig.5 Effect of potato mass on peak acceleration

4 馬鈴薯碰撞損傷臨界值

馬鈴薯碰撞損傷臨界值定義為：馬鈴薯與桿條碰撞后在碰撞表皮產(chǎn)生裂紋時的初始高度、碰撞初速度和碰撞加速度峰值。碰撞損傷臨界值試驗主要考察(150±5)、(250±5)、(350±5)和(450±5) g這4種質(zhì)量等級的馬鈴薯在15 ℃時與65Mn鋼桿碰撞損傷的臨界值，(250±5) g馬鈴薯在5和 23 ℃ 時與65Mn鋼桿碰撞損傷的臨界值，以及(250±5) g馬鈴薯在15 ℃時與65Mn-塑料、65Mn-橡膠碰撞損傷的臨界值，試驗方法同1.3。試驗結(jié)果見表4。

表4 馬鈴薯碰撞損傷臨界值Table 4 Potato impact damage thresholds

5 結(jié) 論

本研究采用馬鈴薯碰撞試驗臺測試了初始高度、馬鈴薯質(zhì)量、馬鈴薯溫度和碰撞材料對馬鈴薯碰撞損傷體積的影響，并結(jié)合碰撞加速度變化曲線分析了馬鈴薯與桿條的碰撞過程，最后測試了馬鈴薯碰撞損傷的臨界值。主要結(jié)論如下：

1)影響馬鈴薯碰撞損傷程度的因素主次順序依次為初始高度、馬鈴薯質(zhì)量、馬鈴薯溫度和碰撞材料，且4個因素對損傷體積的影響均為極顯著。

2)馬鈴薯與桿條碰撞經(jīng)歷了粘彈性壓縮、彈塑性壓縮、彈性恢復(fù)、與桿條分離等4個階段；初始高度對碰撞加速度峰值的影響趨勢符合二次多項式擬合，且加速度峰值隨初始高度的增加而增加，決定系數(shù)為0.996；馬鈴薯質(zhì)量對碰撞加速度峰值的影響符合二次多項式擬合，且加速度峰值隨馬鈴薯質(zhì)量的增加而減小，決定系數(shù)為0.988。

3)馬鈴薯溫度分別為5、15、23 ℃時與65Mn鋼桿碰撞產(chǎn)生損傷的臨界高度分別為50、80和250 mm，對應(yīng)的碰撞速度和加速度峰值分別為0.99、1.253、2.506 m/s和434.154、674.437、1 249.794 m/s2；馬鈴薯溫度為15 ℃時與65Mn-塑料和65Mn-橡膠碰撞產(chǎn)生損傷的臨界高度分別為320和280 mm，對應(yīng)的碰撞速度和加速度峰值分別為2.506、2.344 m/s和1 589.528、1 409.697 m/s2。