芋頭壓縮和剪切特性試驗(yàn)研究

張夢月，周勇，張國忠，劉德柱，柯燴彬，陳行,馮闖闖

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

近年來，芋頭作為一種重要的水生蔬菜品種，種植面積不斷增加，規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速[1]，其出口量和出口額均占水生蔬菜總出口的60%以上[2].2016年主產(chǎn)省市有福建省、山東省、湖南省等，種植面積總計(jì)1.18×105hm2，總產(chǎn)量為335.26萬t，其中山東省芋頭種植面積為2萬hm2，產(chǎn)量78萬t，排名第1.芋頭在收獲和運(yùn)輸過程中會產(chǎn)生一定的機(jī)械損傷，剪切力和壓力是造成芋頭機(jī)械損傷的重要原因.在芋頭的機(jī)械化收獲過程中，挖掘鏟在入土?xí)r，剪切力過大，易切斷芋頭；在芋頭的運(yùn)輸過程中，易對底部的芋頭造成擠壓損傷.目前，國內(nèi)外學(xué)者對馬鈴薯、蘿卜、蓮藕、荸薺等產(chǎn)品進(jìn)行了大量的力學(xué)研究[3-12]，吳曼等[2]對芋頭產(chǎn)業(yè)存在的問題及發(fā)展思路作了總結(jié)，但對芋頭的力學(xué)特性研究甚少.芋頭作為一種水生蔬菜，研究其力學(xué)特性，設(shè)計(jì)收獲機(jī)械，對水生蔬菜生產(chǎn)和農(nóng)機(jī)研究具有重要意義.應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀對芋頭樣品壓縮，可以在PC端準(zhǔn)確地顯示縱向的變化量，易求解芋頭的彈性模量；運(yùn)用萬能試驗(yàn)機(jī)對芋頭做壓縮和剪切試驗(yàn)，得出芋頭損壞的破裂力和切斷力對減小芋頭機(jī)械損傷具有重要意義.本文在4種不同加載速率條件下，對山東小芋頭分別進(jìn)行了X、Y、Z軸3個(gè)方向的壓縮試驗(yàn)與X、Y軸兩個(gè)方向的剪切試驗(yàn)，獲得加載力-位移曲線，結(jié)合SPSS軟件分析加載速率與加載方向兩個(gè)因素對破裂力的影響程度.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的樣品為個(gè)頭大小、尺寸相似的一批山東小芋頭‘8520’，質(zhì)量在50～70 g,長度63.23 mm，寬度46.53 mm，高度45.91 mm，濕基含水率77.73%，無損傷，無蟲害，飽滿均勻，皮薄果大.常溫狀態(tài)下存儲，為避免樣品存放時(shí)間過長而發(fā)芽以及呼吸作用消耗，試驗(yàn)將在室溫條件下兩周內(nèi)完成.

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用美國TFC公司研制的TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀，精度為±1%，量程在0～1 000 N；浙江賽德儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SDH-1202快速鹵素水分測定儀，精度為0.002 g,量程在0～120 g；上海美耐特實(shí)業(yè)有限公司的數(shù)顯電子游標(biāo)卡尺，精度為0.02 mm,量程為0～150 mm；瑞格爾儀器有限公司的RGM-6050微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),最大試驗(yàn)力為50 kN,精度在示值的±0.5%以內(nèi)，試驗(yàn)速度在0.01～500 mm/min.

1.3 芋頭3軸的確定

選取芋頭樣品，將其放在3個(gè)坐標(biāo)軸相互垂直的三維坐標(biāo)系中，定義芋頭的X、Y、Z方向[13]，芋頭自然狀態(tài)下平放時(shí)在水平面上投影面積最大的為YZ平面，其中尺寸最長的為Z軸，垂直于YZ平面即高度方向的為X軸，垂直與XZ平面即寬度方向?yàn)閅軸，確定X、Y、Z軸為整塊芋頭的壓縮和剪切確定方向，如圖1所示.通過電子游標(biāo)卡尺測取芋頭的3軸尺寸.

圖1 芋頭的三軸Figure 1 Three axes of the taro

1.4 芋頭濕基含水率測定

隨機(jī)選取芋頭樣品，通過鹵素?zé)艏訜醄14]使樣品因受熱水分揮發(fā).設(shè)置烘干溫度為105 ℃，當(dāng)干燥結(jié)束，質(zhì)量不再發(fā)生變化時(shí)，屏幕顯示干燥后的質(zhì)量以及濕基含水率.試驗(yàn)重復(fù)10組，最后求得平均濕基含水率.

1.5 芋頭壓縮力學(xué)參數(shù)測定

1.5.1 芋頭彈性模量測定 彈性模量的測量需要依據(jù)縱向位移的變化量，縱向數(shù)據(jù)的采集由質(zhì)構(gòu)儀和PC端完成，質(zhì)構(gòu)儀上的剛性壓板作為加載探頭對芋頭樣品進(jìn)行壓縮，PC端顯示縱向位移的變化.

采用直徑為23 mm、高度為30 mm的圓柱形取樣器，如圖2所示.隨機(jī)切取圓柱形樣本，重復(fù)10次.在TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀上，采用剛性壓板作為加載裝置對芋頭樣本進(jìn)行壓縮，如圖3所示.因壓縮深度約為20 mm時(shí)，芋頭發(fā)生宏觀破裂，故將加載位移設(shè)為25 mm，加載速度為15 mm/min,對10個(gè)樣本進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，利用公式(1)[15]可以求得芋頭的彈性模量,取樣本平均值作為芋頭的彈性模量.

圖2 取樣器Figure 2 Sampler

圖3 質(zhì)構(gòu)儀Figure 3 Texture analyzer

彈性模量E的計(jì)算公式

(1)

式中，σ為芋頭圓柱體試驗(yàn)樣本所受的應(yīng)力，MPa；ε1為縱向應(yīng)變；F為壓縮時(shí)加載力,N;S為芋頭圓柱體試驗(yàn)樣本橫截面積，mm2；ΔL為芋頭圓柱體試驗(yàn)樣本壓縮后高度變化量，mm；L為芋頭圓柱體試驗(yàn)樣本原始高度，mm.

1.5.2 整塊芋頭壓縮力學(xué)特性測定方法 隨機(jī)選取60個(gè)芋頭樣品，以加載速率(70、80、90、100 mm/min)[16]和加載方向(X、Y、Z軸)為試驗(yàn)因素.該加載速率參考文獻(xiàn)[17].芋頭形狀呈卵形，試驗(yàn)時(shí)，采用平板壓頭加載，下端壓板固定不動，芋頭自然狀態(tài)平放時(shí)，它的X軸和Y軸方向可保持穩(wěn)定；當(dāng)進(jìn)行Z軸壓縮時(shí)，被試驗(yàn)的芋頭在下壓板上用一蠟盤中的熔蠟冷凝后固定.每組試驗(yàn)重復(fù)5次.在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)壓縮底板固定，回程速率設(shè)置為100 mm/min,記錄壓縮時(shí)加載力-位移曲線圖，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 4所示.

1.5.3 整塊芋頭剪切力學(xué)特性測定方法 隨機(jī)選取40個(gè)芋頭樣品，以加載方向(X、Y軸)和加載速率(70、80、90、100 mm/min)為試驗(yàn)因素[18]，以加載力為試驗(yàn)結(jié)果，對整塊芋頭開展全因素剪切試驗(yàn)[19]，刀片厚度為10 mm,長度為80 mm,在對芋頭

圖4 芋頭的壓縮Figure 4 Compression of taro

X軸和Y軸方向進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，芋頭可在下剪切板保持穩(wěn)定狀態(tài)下，對Z軸進(jìn)行剪切試驗(yàn)，需要添加輔助支撐裝置，進(jìn)行四周穩(wěn)固，此時(shí)加載刀具所受到的力并非僅僅芋頭Z軸方向的剪切力；若對芋頭兩頭削平進(jìn)行剪切試驗(yàn)，則不是完整的芋頭.故只對其進(jìn)行X、Y方向的剪切試驗(yàn).每組試驗(yàn)重復(fù)5次，在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)剪切底板固定，回程速率設(shè)置為100 mm/min,記錄壓縮時(shí)加載力-位移曲線圖，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 5所示.

圖5 芋頭的剪切Figure 5 Shearing of taro

2 結(jié)果與分析

2.1 芋頭的彈性模量

用圓柱形取樣器截取10個(gè)芋頭樣本，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)(表1)，用公式(1)可求得芋頭的彈性模量(表2).

2.2 整塊芋頭的壓縮力學(xué)特性

表3為不同加載速率、不同加載方向下芋頭被壓縮時(shí)的破裂力.

表1 芋頭破碎時(shí)各指標(biāo)數(shù)據(jù)

表2 芋頭的物理機(jī)械參數(shù)與擠壓力學(xué)參數(shù)

表3 壓縮時(shí)的破裂力與速度和方向

圖6為整塊芋頭壓縮時(shí)加載力與變形量曲線圖.可以看到在起始加載階段，芋頭內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)抵抗擠壓應(yīng)力與剪切應(yīng)力較為明顯，加載力與位移近似呈線性關(guān)系，隨著變形量的增大，加載力也在增加，芋頭內(nèi)部組織開始分裂，細(xì)胞內(nèi)部的組織液開始流出，芋頭抗剪切應(yīng)力逐漸下降，直至芋頭破裂，此時(shí)最大的加載力即為破裂力.由圖6可以看出，Z方向的破裂力最小，當(dāng)加載速度為70 mm/min時(shí)，最小破裂力為433.7 N；當(dāng)加載速度為80 mm/min時(shí)，最小破裂力為460.9 N；當(dāng)加載速度為90 mm/min時(shí)，最小破裂力為622.2 N；當(dāng)加載速度為100 mm/min時(shí)，最小破裂力為673.5 N.隨后芋頭破裂加劇，芋頭壓縮過程中，并沒有出現(xiàn)明顯的生物屈服點(diǎn).最小破裂力提供了芋頭在運(yùn)輸過程中被損傷的邊界條件.

對比圖6的4個(gè)曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載速率不變，對整塊芋頭進(jìn)行不同加載方向下的壓縮試驗(yàn)時(shí)，芋頭的加載力-變形量曲線不相同，但大致表現(xiàn)為X方向加載力-位移曲線高于Y方向，Y方向加載力-變形量曲線圖高于Z方向，這與芋頭不同軸向的幾何形狀、組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等有關(guān).

應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件[20-21],分析試驗(yàn)結(jié)果，由表4可知試驗(yàn)因素加載速率和加載方向?qū)υ囼?yàn)指標(biāo)破裂力具有極顯著影響(P<0.01)，交互作用對破裂力影響不顯著.

2.3 整塊芋頭的剪切力學(xué)特性

表5為不同加載速率、不同加載方向下芋頭被剪切時(shí)的切斷力.

圖6 加載力-變形量曲線Figure 6 Loading force-deformation curve

表4 壓縮力學(xué)參數(shù)方差分析

表5 剪切時(shí)的切斷力與速率和方向表

圖7 加載力-變形量曲線Figure 7 Loading force-deformation curve

整塊芋頭剪切時(shí)的加載力-變形量曲線如圖7所示.通過對整塊芋頭進(jìn)行剪切試驗(yàn)，可以觀察出，芋頭在初始加載階段，加載力隨著位移的增大而增大，呈非線性關(guān)系，無明顯的生物屈服點(diǎn).隨著變形量的增加，加載力也隨之增大，內(nèi)部抗剪切應(yīng)力較為明顯，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，芋頭被切斷，此時(shí)達(dá)到的最大剪切力為芋頭的切斷力.當(dāng)加載速度為70 mm/min時(shí)，最小切斷力為342.9 N；當(dāng)加載速度為80 mm/min時(shí)，最小切斷力為352.9 N；當(dāng)加載速度為90 mm/min時(shí)，最小切斷力328.4 N；當(dāng)加載速度為100 mm/min時(shí)，最小切斷力為364.5 N.隨后加載力緩緩減小.最小切斷力提供了芋頭在機(jī)械化收獲時(shí)被損傷的邊界條件.

由表6的方差分析結(jié)果可知，試驗(yàn)因素加載速率和加載方向?qū)υ囼?yàn)指標(biāo)切斷力無顯著性影響.

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，濕基含水率為77.73%的山東小芋頭，彈性模量為3.78 MPa,整塊芋頭壓縮過程中，芋頭加載速率和加載方向?qū)τ箢^破裂力有極顯著影響(P<0.01)，X方向壓縮破壞力為896.3～1 185.0 N，Y方向壓縮破壞力為600.8～1 018.5 N,Z方向壓縮破壞力為433.7～1 055.7 N.即得芋頭損壞的最小破裂力為433.7N,在長途運(yùn)輸過程中，芋頭的層層積壓也易使底端的芋頭壓傷，因此應(yīng)將芋頭分層放置，并在芋頭間加入緩沖包裝材料以減小壓力，減少運(yùn)輸過程中的損傷.芋頭壓縮過程中，不同加載方向下芋頭的加載力-變形量曲線不相同，但大致表現(xiàn)為在加載速率相同時(shí)，X方向加載力-位移曲線高于Y方向，Y方向曲線高于Z方向.整塊芋頭剪切過程中，芋頭加載速率和加載方向?qū)τ箢^切斷力無顯著性影響，X方向剪切破壞力為367.1～619.7 N，Y方向剪切破壞力為328.4～545.5 N，即芋頭損傷的最小切斷力為328.4 N.在芋頭的機(jī)械化收獲中，在挖掘鏟部分增添彈性回轉(zhuǎn)裝置，當(dāng)加載力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，挖掘鏟可改變角度，減少芋頭的機(jī)械損傷.

表6 剪切力學(xué)參數(shù)方差分析