成熟期菜心莖稈切割力學(xué)特性測(cè)試

凌燕梅，馬稚昱，韋鴻鈺，褚 璇，劉洪利

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州510225)

0 引言

我國是蔬菜種植面積最大的國家，2019年蔬菜播種面積2 086.274萬hm2，占農(nóng)作物總播種面積的12.57%，蔬菜年產(chǎn)量達(dá)到72 102.56萬t，同比增長2.5%[1-4]。葉菜作為我國蔬菜種植的主要品目之一，適應(yīng)性廣、一年四季均可播種，是人們纖維素?cái)z入的重要來源[5-8]。但目前菜心的收獲主要以人工收獲為主，收獲效率低，作業(yè)強(qiáng)度高，勞動(dòng)成本和生產(chǎn)成本高，已不適應(yīng)蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)劃化、全程機(jī)械化發(fā)展需求。而切割是葉菜收獲裝置的主要工序，影響到整個(gè)葉菜的收獲作業(yè)，開展葉菜莖稈切割力學(xué)特性的研究，可為葉菜機(jī)械化收割裝置的研制提供重要的理論依據(jù)[9-10]。

目前，國內(nèi)外對(duì)于蔬菜莖稈力學(xué)特性的研究很多，主要集中在生菜、油菜、大蔥、韭菜、雞毛菜、甘藍(lán)和上海青等蔬菜莖稈力學(xué)特性參數(shù)的研究，而對(duì)菜心莖稈的力學(xué)特性參數(shù)及切割力的影響因素鮮有報(bào)道，幾乎見不到針對(duì)菜心的收獲裝置[11-16]。菜心是一種屬于不結(jié)球白菜亞種的葉類蔬菜，品種多樣，種植面積和消費(fèi)市場(chǎng)逐年擴(kuò)大，也是一種相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲的蔬菜種類，最有可能利用現(xiàn)有裝備和技術(shù)實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化作業(yè)，而且在廣東利用設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)供應(yīng)。因此，本研究通過對(duì)不同品種菜心莖稈的切割力學(xué)特性及影響其切割力大小的因素進(jìn)行研究，以期為菜心機(jī)械化采收裝置設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2020年11—12月在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)智能裝備實(shí)驗(yàn)室的溫室內(nèi)種植的菜心莖稈，菜心種子來自于廣東省良種引進(jìn)服務(wù)公司提供的國內(nèi)3種典型菜心品種青野尖葉、青翠和青崎。試驗(yàn)前期首先進(jìn)行穴盤育苗，育苗基質(zhì)配比為泥炭∶蛭石∶珍珠巖=3∶1∶1，播種后每天保持育苗基質(zhì)濕潤；在幼苗長至3葉1心時(shí)，選擇生長良好的壯苗進(jìn)行移栽到種植槽內(nèi)，移栽間距100 mm。移栽25 d左右菜心進(jìn)入采收期，確保菜心生長良好、無病蟲害，隨機(jī)選取新鮮整株植株為試驗(yàn)樣本，共選取450棵直徑在(13±2)mm的樣本進(jìn)行試驗(yàn)。為防止蔬菜失水影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取回樣本后，對(duì)樣本進(jìn)行保濕處理，保證在4 h內(nèi)完成試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)儀器

為了模擬菜心直立生長狀態(tài)下進(jìn)行切割，并得到切割過程中的切割曲線及切割力，利用DS2-50N數(shù)顯推拉力計(jì)設(shè)計(jì)了一臺(tái)菜心根部莖稈切割試驗(yàn)裝置，如圖1所示，其中主要結(jié)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)部分、數(shù)顯測(cè)力計(jì)、切割刀具、固定夾具、數(shù)據(jù)顯示、滑軌、底座和調(diào)氣閥組成。由于葉菜在切割過程中切割位置在根上部1～2 cm位置，因此固定夾具的夾持部分采用軟質(zhì)材料，模擬葉菜在直立生長狀態(tài)下夾持葉菜根部，露出根上部的切割位置，便于切割。裝有切割刀具的測(cè)力計(jì)被安裝在運(yùn)動(dòng)底座上，不可自由移動(dòng)；底座安裝在滑軌上，在氣缸的帶動(dòng)下可自由移動(dòng)，氣缸的行程為50 mm范圍內(nèi)。測(cè)力計(jì)采用DS2-50N型數(shù)顯推拉力計(jì)，測(cè)量范圍為0～50 N，精度±0.5 N，通過調(diào)整氣缸進(jìn)出口調(diào)氣閥控制切割的速度。

1.運(yùn)動(dòng)部分 2.數(shù)顯測(cè)力計(jì) 3.切割刀具 4.固定夾具 5.數(shù)據(jù)顯示 6.滑軌 7.底座 8.調(diào)氣閥圖1 切割試驗(yàn)裝置Fig.1 Cutting experimental device

1.3試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)過程中直接對(duì)3個(gè)品種的樣品莖稈直徑和含水率分別測(cè)量，并對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行編號(hào)，每組試驗(yàn)樣本10個(gè)。以切割刀類型、切割速度及品種為主要影響因素，以切割力為測(cè)定指標(biāo)，分別采用單因素和混合正交試驗(yàn)分析法，對(duì)處于收獲期的菜心莖稈的切割力學(xué)特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。切割刀類型分別選取斜刀、直刀和圓刀，刀片為厚度0.5 mm的不銹鋼。如圖2所示，首先將不同類型的刀具固定在測(cè)力計(jì)的前端，再將樣本植株固定在夾具內(nèi)，而后分別以6、8、10、12和14 m/min的加載速度驅(qū)動(dòng)刀具對(duì)菜心莖稈進(jìn)行切割，直至將莖稈完全切斷為止，測(cè)取切割過程中的切割曲線及最大切割力。采用SPSS 25、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)，方差分析中P<0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，利用Origin 2018進(jìn)行繪圖。

圖2 切割試驗(yàn)與切割刀類型Fig.2 Cutting test and cutter type

2 結(jié)果與分析

2.1形態(tài)特征參數(shù)

3種采收期菜心整株形態(tài)如圖3所示，青崎植株最高、葉片比較大、節(jié)間距離較大；青翠整株比較矮、葉片較小、節(jié)間距離短；青野尖葉株高較高、葉片展開比較大、節(jié)間長。經(jīng)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，3種菜心的莖稈直徑、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及含水率如表1所示。3個(gè)菜心品種在莖稈直徑、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量上均存在很明顯的差異。青崎莖稈直徑、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量都明顯大于其他2個(gè)品種，而青野尖葉直徑、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量都最小。3種菜心含水率的差異并不明顯。

圖3 菜心試驗(yàn)樣本Fig.3 Sample of Brassica parachinensis shear test

表1 不同品種菜心收獲期物理形態(tài)參數(shù)

2.2單因素試驗(yàn)

2.2.1不同品種菜心對(duì)莖稈切割力的影響

參考高國華等[17]研究結(jié)果，試驗(yàn)條件設(shè)定為切割刀類型選擇滑切方式的斜刀，切割速度為10 m/min，品種選擇葉菜種植的3個(gè)典型品種青野尖葉、青翠、青崎，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在切割過程中切割刀接觸莖稈，對(duì)莖稈進(jìn)行擠壓、切割，隨著切割位移的增大切割力增大，當(dāng)切割位移達(dá)到莖稈直徑一半位置時(shí)切割力達(dá)到最大，然后隨著切割位置的增大切割力開始變小。3個(gè)典型菜心品種的莖稈在切割過程中的切割力變化存在極顯著差異(P<0.001)，其中青翠莖稈切割中的切割力最大，其次是青崎莖稈，切割力最小是青野尖葉莖稈。

圖4 不同品種對(duì)切割力的影響Fig.4 Effects of different varieties on shear strength

2.2.2不同切割刀類型對(duì)莖稈切割力的影響

以青崎菜心為試驗(yàn)對(duì)象，在切割速度為10 m/min的條件下，采用直刀、斜刀、圓刀3種不同切割刀對(duì)收獲期內(nèi)菜心莖稈進(jìn)行切割試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在同一切割速度下，不同類型切割刀在莖稈切割過程切割力的變化趨勢(shì)相似，都是在切割位置達(dá)到莖稈直徑一半時(shí)切割力達(dá)到最大。3種類型切割刀對(duì)莖稈的最大切割力具有較顯著影響(P=0.002)，其中圓刀對(duì)莖稈進(jìn)行切割試驗(yàn)過程中的最大切割力最小，其次是斜刀，而采用直刀進(jìn)行莖稈切割試驗(yàn)獲得的最大切割力是最大的。

圖5 不同刀型對(duì)切割力的影響Fig.5 Effects of different types of knife on shear strength

2.2.3不同切割速度對(duì)莖稈切割力的影響

分別在切割速度為6、8、10、12和14 m/min條件下，采用斜刀對(duì)收獲期的青崎菜心進(jìn)行莖稈切割試驗(yàn)，研究不同切割速度對(duì)切割力的影響，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。不同加載速度下青崎菜心莖稈切割力曲線有明顯的差異，隨著切割速度的減小，切割時(shí)間增加，切割曲線的中心向右移。在整個(gè)切割過程，刀具開始接觸菜心根莖部到刀刃壓迫莖部表皮切入莖稈內(nèi)部的過程，切割力隨著刀具的運(yùn)動(dòng)逐漸成非線性增加，直到達(dá)到最大值，隨后隨著割刀運(yùn)動(dòng)切割力下降。切割速度顯著的(P<0.001)影響最大切割力，隨著切割速度的增大，最大莖桿切割力降低。

圖6 不同切割速度對(duì)切割力的影響Fig.6 Effects of different cutting speed on shear strength

2.3正交試驗(yàn)

葉菜收獲過程莖稈切割具有一定復(fù)雜性，試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，為確定參數(shù)最佳組合，根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果與分析，采用U15(32×51)3因素混合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以菜心品種、切割刀類型及切割速度為自變量，切割力為因變量，試驗(yàn)因素水平表如表2所示，每組試驗(yàn)重復(fù)10次。

表2 試驗(yàn)因素水平

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，各因素極差大小順序?yàn)镽A>RB>RC，即切割速度(A)是影響莖稈切割力大小的主要因素，菜心品種(B)次之，切割刀類型(C)對(duì)莖稈最大切割力的影響最小。

表3 最大莖稈切割力試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

由圖7可知，切割刀類型的影響曲線較為平整，表示對(duì)莖稈切割力的影響不明顯。菜心品種的影響曲線較切割刀類型變動(dòng)范圍大，說明對(duì)莖稈切割力有一定的影響。切割速度變動(dòng)范圍最大，說明對(duì)莖稈切割力的影響最大，即切割速度越大，莖稈切割力越小。綜上所述，極差分析獲得最佳組合為A4B1C2，即采用斜刀，在切割速度為12 m/min下，對(duì)青野尖葉菜心莖稈的最大切割力最小。

圖7 最大切割力-因素曲線Fig.7 Relationship of greatest shear strength and factors

在SPSS 25軟件中，對(duì)所得試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，切割速度和品種對(duì)最大切割力的影響極顯著，F(xiàn)值分別為32.463和15.02，P值均小于0.001；切割刀類型對(duì)最大切割力影響顯著，F(xiàn)值為4.931，P值為0.009。各因素對(duì)莖稈最大切割力影響的主次順序與極差分析結(jié)果一致。

表4 最大切割力方差分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)不同品種的菜心莖稈所需的切斷阻力不同，莖稈直徑越小所需切割力越?。恍比星械端枨懈盍ψ钚。浑S著切割速度的增大，莖稈切割力降低。

(2)在切斷裝置設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先考慮影響切割力的因素由大到小依次是切割速度、品種和切割刀類型。