榨菜縮短莖的切割力學特性

鄭 航， 薛向磊， 俞國紅

(浙江省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)裝備研究所，浙江 杭州 310021)

榨菜又名莖瘤芥，其莖可分為縮短莖和膨大莖2段，其中，膨大莖又被稱為莖瘤，可供食用。榨菜種植在我國主要分布于重慶、浙江、江蘇、福建等地，其中，以重慶涪陵和浙江余姚兩地的種植和加工規(guī)模最大。目前，我國榨菜年產(chǎn)量達400萬t，直接經(jīng)濟效益200億元[1-2]。作為農(nóng)特產(chǎn)品之一，我國的榨菜與歐洲的酸黃瓜、德國的甜酸甘藍同為世界三大名腌菜，也是我國對外出口的三大名菜之一[3]。但目前，榨菜的收獲完全依靠人工，隨著農(nóng)村勞動力短缺和人力成本升高，榨菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迫切需要提升收獲的機械化水平。作物的力學特性是研究機械化收獲的基礎，也是設計收獲裝備的重要依據(jù)。

國內(nèi)外學者針對甘藍、生菜、蘆蒿、甘蔗等作物根莖部位的切割力學特性開展了大量的研究[4-9]。杜冬冬等[10]在萬能試驗機上研究了夾持方式、切割方式、切割方向和切割速度對甘藍根莖切割力的影響[10]；陳健[11]在物性測試儀上分析了影響生菜根莖切割力的因素，并開展單因素和多因素切割力測試試驗；康峰等[12]利用自制的往復式枝條切割試驗臺探究了枝條直徑、平均切割速度、切割間隙和刀具滑切角對枝條峰值切割力的影響，并以切割力為目標進行各因素的優(yōu)化試驗，得到了最優(yōu)的切割因素組合。

切割裝置是榨菜收獲機的重要部件，對榨菜收獲機的整機性能和作業(yè)質量影響很大。榨菜縮短莖的切割力學特性是設計切割裝置的基本依據(jù)，但在本研究檢索范圍內(nèi)，尚未見對榨菜縮短莖切割力及其相關參數(shù)進行研究的文獻報道。因此，有必要就此開展試驗研究。

本文以榨菜為研究對象，在TMS-Pro質構儀(美國FTC公司)上開展榨菜縮短莖切割試驗，以最大切割力和平均切割力為評價指標，分析刀刃類型、切割速度、滑切角度、切割方式對切割力的影響，通過正交試驗尋求主要影響因素，并選取最佳的切割參數(shù)組合，以期為榨菜收獲機中切割裝置的設計提供試驗依據(jù)與理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

本研究的主要試驗設備為TMS-Pro質構儀，利用自制的切割試驗臺完成榨菜縮短莖切割試驗(圖1)。儀器的最大檢測力為2 500 N，速度測量范圍在0.1～500 mm·min-1；檢測位移行程300 mm，精度0.001 mm，內(nèi)設力傳感器和速度傳感器，分別檢測豎直方向的切割力和速度數(shù)值，并通過數(shù)據(jù)線與電腦相連，繪制切割力-位移曲線。切割試驗用的刀片材料為高速鋼，刀片厚度1.3 mm，刀刃寬度60 mm，刃角25°，共設3種滑切角度(0、10°、20°)的刀型，以及齒形刃和光刃2種刀刃類型(圖2)。

1.2 試驗材料

試驗材料系浙江省余姚市種植的榨菜品種縮頭種。隨機選取成熟期一致的若干榨菜進行試驗。觀察發(fā)現(xiàn)：榨菜葉、葉柄、莖瘤位于地表以上，主根、須根位于地表以下，而榨菜的縮短莖同時位于地表和地下(圖3)。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：莖瘤的縱向高度H在70～110 mm，莖瘤的橫向直徑L在80～120 mm，縮短莖長度l在5～30 mm，縮短莖直徑D在15～30 mm。將榨菜莖瘤處和根部帶須根部位切斷，選取中間部位，即榨菜縮短莖作為切割試驗材料，其含水率在85%～95%。

1.3 試驗方法

影響作物根莖切割力的因素主要包括切割部位、切割速度、滑切角度、刀刃類型、切割方式等[13-15]。榨菜的切割部位必須控制在縮短莖部分，切得太高，損傷莖瘤造成浪費；切得過低，后續(xù)還需人工補修切根。因此，本試驗選取榨菜縮短莖部位進行切割試驗。根據(jù)切割刀具切入莖稈方向的不同，大體可以分為正切和滑切2種方式。當切割刀具的絕對運動方向與其刃口方向垂直時為正切。正切又可分為橫切、斜切和削切(圖4)：橫切是莖稈被切面與刀具運動方向、莖稈軸線都垂直；斜切是莖稈被切面與莖稈軸線偏斜，與刀具運動方向平行；削切是莖稈被切面與刀具運動方向、莖稈軸線都偏斜。當切割刀具的絕對運動方向和刀具刃口既不平行也不垂直時為滑切(圖5)。由滑切理論知，滑切角度增大，則切割長度增長，在一定范圍內(nèi)，切割力隨著滑切角的增大而減小，當滑切角過大時，作物莖稈會出現(xiàn)沿刀刃邊外滑的現(xiàn)象[16-17]，影響切割質量。經(jīng)試驗，榨菜縮短莖切割試驗的滑切角度取值范圍宜在0～20°。考慮到TMS-Pro質構儀加載速度的調(diào)節(jié)范圍和試驗臺操作的安全性，分別在0～50、50～100、100～150 mm·min-1共3個速度區(qū)間進行切割試驗，每個區(qū)間分別選定1個速度(30、80、120 mm·min-1)用于試驗。此外，切割方式(向上切削、橫向切削、向下切削)同樣也是影響作物莖稈切割力的重要因素[15]。

在TMS-Pro質構儀上用自制的切割試驗臺完成榨菜縮短莖切割試驗(圖6)，試驗因素包括切割速度、滑切角度、切割方式、刀刃類型等。試驗時，將榨菜縮短莖固定在專用夾具上，安裝好切割刀片，設定好加載速度，完成切割運動。通過設置加載速度改變刀片切割速度；通過更換不同的切割刀片來實現(xiàn)滑切角度和刀刃類型的改變。試驗時，將榨菜縮短莖在水平平面內(nèi)斜放置于前后2個U形座的凹槽上，U形座1固定在機架上方，通過選用不同高度的U形座2實現(xiàn)榨菜縮短莖在豎直平面內(nèi)水平與傾斜放置狀態(tài)的調(diào)整，從而實現(xiàn)對榨菜縮短莖切割方式的改變：當選用的U形座2高度低于U形座1時，可以實現(xiàn)刀片的向上切削；當選用的U形座2高度和U形座1一致時，可以實現(xiàn)刀片的橫向切削；當選用的U形座2高度高于U形座1時，可以實現(xiàn)刀片的向下切削。

選取榨菜的縮短莖部位進行試驗，由質構儀記錄切割力-位移曲線，記錄切割過程中的最大切割力。將切割力-位移試驗數(shù)據(jù)導入到Excel 2016軟件中，計算每次試驗的平均切割力。

1.4 試驗設計

1.4.1 單因素試驗

按照每種設定的試驗條件分別做10組榨菜縮短莖切割試驗(每組試驗使用1個榨菜縮短莖)，記錄最大切割力，計算平均切割力，對試驗結果取平均值，分別考查刀刃類型、切割速度、滑切角度和切割方式對榨菜縮短莖切割過程中切割力的影響。其中，刀刃類型分為鋸齒刃和光刃，切割速度分別設定為30、80、120 mm·min-1，滑切角度分別設定為0、10°、20°，切割方式分別設定為向上切削、橫向切削、向下切削。

1.4.2 正交試驗

選取刀刃類型(A)、滑切角度(B)、切割速度(C)進行正交試驗[18-22](表1)，以切割過程中的最大切割力和平均切割力作為評價指標，分別按照設定的試驗條件進行試驗，具體的試驗方法與材料同單因素試驗一致。

表1 正交試驗的因素與水平

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 刀刃類型對切割力的影響

設定試驗工況：滑切角度0，切割速度30 mm·min-1，切割方式為橫向切削。分別選用光刃和鋸齒刃進行榨菜縮短莖切割試驗，結果表明：2種刀刃類型下，榨菜縮短莖切割過程中的切割力變化趨勢一致(圖7)：切割力先隨著切割位移的增加而增大，達到某一峰值后緩慢下降，然后保持一定的切割力波動，直到出現(xiàn)另一峰值后榨菜縮短莖被切斷，切割力降為0。這一過程主要與榨菜縮短莖的結構有關：榨菜縮短莖的外側被一層環(huán)狀纖維包裹，其單位切割力要大于內(nèi)側芯部的單位切割力，當?shù)镀瑒傞_始切入纖維層時，切割力急劇增大，切斷上纖維層后，刀片進入根莖芯部，所受到的阻力較為均勻，切割力變化平穩(wěn)，最后刀片進入下纖維層，切割力再次增大直到切斷縮短莖根部。光刃刀片切割時，最大切割力為131.6 N，平均切割力為84.2 N；鋸齒刃刀片切割時，最大切割力為123.8 N，平均切割力為70.3 N。在切割位置、滑切角度、切割速度和切割方式都相同的情況下，要切斷榨菜縮短莖，光刃刀片消耗的切割力大于鋸齒刃刀片。

2.1.2 滑切角度對切割力的影響

設定試驗工況：刀刃類型為光刃，切割速度30 mm·min-1，切割方式為橫向切削。分別以不同的刀片滑切角度進行榨菜縮短莖切割試驗，結果顯示：滑切角度為0時，最大切割力為128.6 N，平均切割力為83.3 N；滑切角度為10°時，最大切割力為117.9 N，平均切割力為78.4 N；滑切角度為20°時，最大切割力為105.1 N，平均切割力為64.3 N(圖8)。在切割位置、刀刃類型、切割速度和切割方式都相同的情況下，0～20°范圍內(nèi)滑切角度的增大有利于降低切斷榨菜縮短莖所消耗的切割力。

2.1.3 切割速度對切割力的影響

設定試驗工況：刀刃類型為光刃，切割方式為橫向切削，滑切角度20°。分別以不同的切割速度進行榨菜縮短莖切割試驗，結果顯示：切割速度為30 mm·min-1時，最大切割力為108.7 N，平均切割力為67.7 N；切割速度為80 mm·min-1時，最大切割力為102.9 N，平均切割力為63.7 N；切割速度為120 mm·min-1時，最大切割力為100.9 N，平均切割力為60.3 N(圖9)。在切割位置、刀刃類型、滑切角度和切割方式都相同的情況下，隨著切割速度的增大(30～120 mm·min-1范圍內(nèi))，最大切割力和平均切割力降低，但總體差異不明顯。

2.1.4 切割方式對切割力的影響

設定試驗工況：刀刃類型為光刃，滑切角度20°，切割速度120 mm·min-1。分別以不同的切割方式進行榨菜縮短莖切割試驗，結果顯示：向下切削時，最大切割力為105.8 N，平均切割力為61.2 N；橫向切削時，最大切割力為108.9 N，平均切割力為61.2 N；向上切削時，最大切割力為102.6 N，平均切割力為60.5 N。可以看出，切割方式對榨菜縮短莖切割過程中的切割力影響不大。

2.2 正交試驗結果與分析

將正交試驗的結果整理于表2。由極差檢驗可知，各因素對榨菜縮短莖最大切割力和平均切割力的影響從高到低均依次為滑切角度>刀刃類型>切割速度。

表2 正交試驗設計與結果

方差分析結果顯示，滑切角度對最大切割力影響顯著(P<0.05)，滑切角度和刀刃類型對平均切割力影響顯著(P<0.05)。

根據(jù)正交試驗結果，為有效降低榨菜縮短莖切割過程中的最大切割力和平均切割力，試驗參數(shù)組合宜確定為A2B3C2，即刀刃類型為鋸齒刃，滑切角度20°，切割速度80 mm·min-1。按該參數(shù)組合開展驗證試驗(平行測定3次)，得到的最大切割力的平均值為86.2 N，平均切割力的平均值為53.1 N，說明分析結果可靠。

3 討論與結論

以最大切割力和平均切割力為試驗指標，開展單因素試驗，探究刀刃類型、滑切角度、切割速度、切割方式對榨菜縮短莖切割過程中切割力的影響。結果表明：相同工況下，鋸齒刃要比光刃省力；在本試驗設定的條件下，隨著滑切角度和切割速度的增加，切割力會減?。磺懈罘绞綄η懈盍o明顯影響。

以刀刃類型、切割速度、滑切角度為試驗因素，進行正交試驗，結果表明：滑切角度對榨菜縮短莖切割過程中切割力的影響最大，刀刃類型的影響次之，切割速度的影響最小。綜合考慮最大切割力和平均切割力，為降低切割能耗，確定最佳切割參數(shù)如下：刀刃類型為鋸齒型，滑切角度為20°，切割速度為80 mm·min-1。但要注意的是，本文給出的切割速度僅為50～100 mm·min-1區(qū)間的代表值，在具體的切割速度設置與優(yōu)化中，應與割后菜頭的輸送裝置，以及機器底盤行走速度匹配，以防影響作業(yè)效率。