馬鈴薯整莖壓縮力學(xué)特性研究

石林榕，吳建民，孫 偉，趙武云，王麗娟，張鋒偉

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

在馬鈴薯挖掘機收獲、卡車運輸包裝、深加工、倉庫長時間存放等流通的各個環(huán)節(jié)中，馬鈴薯與機器、工具、設(shè)備發(fā)生的碰撞、摩擦、壓縮等均會對馬鈴薯造成一定程度的機械損傷。馬鈴薯損傷不僅會造成巨額的經(jīng)濟損失，而且損傷的馬鈴薯會嚴重影響正常馬鈴薯的存放。機械損傷是馬鈴薯損傷的最主要成因，為了最大限度地減少馬鈴薯損傷率，需重點研究馬鈴薯力學(xué)特性和機械損傷機理。壓縮損傷是造成馬鈴薯機械損傷的主要因素[1-4]，深入研究馬鈴薯的壓縮特性可為減少儲運損傷、指導(dǎo)機具設(shè)計、評定和檢測馬鈴薯品質(zhì)提供重要的依據(jù)和參考。

劉春香[5]研究了壓縮對圓柱形馬鈴薯試樣及整莖馬鈴薯破壞性的影響，并建立了馬鈴薯流變力學(xué)模型；龐玉等[6]借助ANSYS對圓柱形馬鈴薯模型進行了有限元壓縮數(shù)值模擬，指出剪切應(yīng)變是造成馬鈴薯組織損傷的最主要因素之一；楊晨升[7]通過馬鈴薯動態(tài)壓縮試驗得到了馬鈴薯力學(xué)性能的基本參數(shù)，表明不同品種馬鈴薯在相同試驗條件下的動態(tài)特性參數(shù)差異明顯；藏楠[8]通過馬鈴薯蠕變模型確定了馬鈴薯不同品種、不同采樣點的蠕變特性參數(shù)；郭文斌等[9]通過馬鈴薯應(yīng)力松弛試驗得到在不同壓力下的松弛參數(shù)，通過壓縮試驗得到了不同壓縮面積時馬鈴薯的壓縮應(yīng)力曲線；雷得天等[10]通過建立流變學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)同一品種馬鈴薯不同部位(芯部和表皮)的失效應(yīng)力、失效應(yīng)變具有顯著的差異，且不同品種馬鈴薯在壓縮過程中的松弛曲線也明顯不同。但綜觀現(xiàn)有研究成果，關(guān)于不同加載速率、加載方向以及馬鈴薯品種時的壓縮力學(xué)特性研究尚比較少。

由于在馬鈴薯挖掘、運輸和加工時，一般其是在完整狀態(tài)下承受各種外力的作用。因此，馬鈴薯完整狀態(tài)下的力學(xué)測定可以客觀地提供工程分析和機具設(shè)計中的有用數(shù)據(jù)。本研究分別對甘肅常見的新大坪和隴薯3號2個品種鮮薯進行壓縮力學(xué)特性研究，旨在為馬鈴薯的收獲、貯藏及加工裝備的設(shè)計等研究提供必要的力學(xué)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，馬鈴薯塊莖的解剖結(jié)構(gòu)自外向里包括周皮、皮層、維管束環(huán)、外髓和內(nèi)髓。其中周皮具有保護塊莖，防止水分散失，減少養(yǎng)分消耗，避免病菌侵入的作用。周皮以內(nèi)的薯肉從外向內(nèi)包括皮層、維管束和髓部。其中皮層和髓部由薄壁細胞組成，里面充滿著淀粉粒[11-12]。

圖1 馬鈴薯內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

本試驗所用馬鈴薯為產(chǎn)自甘肅定西市的新大坪和隴薯3號2個品種，分別挑選質(zhì)量為74.8～327.6 g、直徑50～90 cm、含水率56.8%左右且形狀相似、無病蟲害、無孔洞、無損傷的馬鈴薯整莖作為試驗材料。

1.2 試驗儀器及其測定指標

1)游標卡尺、刻度尺和電子天平。利用游標卡尺和刻度尺量取馬鈴薯試樣x、y、z方向(其中x向為馬鈴薯塊莖的臍部與頂點連線方向；y向為塊莖徑向截面的短軸方向；z向為塊莖徑向截面的長軸方向)的外形尺寸，用天平稱量馬鈴薯質(zhì)量；2)CMT2502型電子萬能試驗機。本研究壓縮試驗采用深圳SANS公司制造的CMT2502型電子萬能試驗機，該試驗機可實時動態(tài)顯示擠壓力、位移、變形、加載速度及試驗曲線，并具有曲線高級分析功能，能自動計算彈性模量、屈服強度、破碎負載力、最大變形等參數(shù)，其最大試驗力不能超過500 N，力分辨率為0.01 N，位移分辨率為0.001 mm[13]；3)烘箱和粉碎機。為了測定馬鈴薯含水率，壓縮試驗前稱量馬鈴薯的質(zhì)量并記錄，試驗后將供試馬鈴薯于烘箱中烘干，用粉碎機制粉后稱質(zhì)量并記錄，最后對馬鈴薯進行濕基含水率計算。

1.3 壓縮試驗設(shè)計及試驗裝置

以馬鈴薯整莖為壓縮對象，分別沿圖2所示的x、y、z3軸方向進行壓縮。壓縮過程中，試驗機下壓頭固定不動，上壓頭選取5種不同的加載速率[14-15](15，25，35，45，55 mm/min)垂直緩慢勻速下壓。由于馬鈴薯外形很不規(guī)則，為保證試驗馬鈴薯在下壓板上的穩(wěn)定放置，需對試驗馬鈴薯3軸方向兩端進行少許切除操作，以方便利用3 s快干膠對其進行固定。

圖2 馬鈴薯加載方向示意圖

由于采用平板壓頭加載時受壓面積變化較大，且馬鈴薯塊莖形狀不規(guī)則，導(dǎo)致平板壓頭對試驗參數(shù)的影響較為復(fù)雜[16]。同時參考常見果實硬度計檢測果實硬度時的加載方式，本研究對馬鈴薯進行的壓縮破壞試驗采用圓柱壓頭進行加載，其試驗裝置簡圖如圖3所示。

1.4 試驗因素與指標

本研究選用馬鈴薯品種、加載方向和速率3個試驗因素。其中馬鈴薯品種有新大坪和隴薯3號2個品種水平，壓縮方向有x、y、z3個方向水平，加載速率有15，25，35，45和55 mm/min 5個速率水平。馬鈴薯壓縮試驗的因素水平如表1所示。以馬鈴薯壓縮過程中上壓頭的加載力(F)為試驗指標。

圖3 馬鈴薯壓縮試驗的加載方式

2 結(jié)果與分析

通過圓柱壓頭對馬鈴薯進行壓縮時，加載初始階段馬鈴薯內(nèi)部組織抗擠壓應(yīng)力及剪切應(yīng)力均較大，加載力隨時間增加上升較快，近似呈線性關(guān)系。隨著加載的繼續(xù)，由于馬鈴薯表皮內(nèi)部微觀組織先于表皮發(fā)生破壞，植物細胞內(nèi)液體滲流，表皮層內(nèi)部組織的抗剪切應(yīng)力逐漸減小，發(fā)生黏性流動，因此加載力隨時間增加上升緩慢，直至破裂點馬鈴薯表皮發(fā)生破壞。在馬鈴薯壓縮過程中，加載力與時間的關(guān)系為非線性關(guān)系，并未出現(xiàn)明顯的屈服點[17-18]。

2.1 各因素對馬鈴薯破裂力與變形量影響的顯著性分析

在馬鈴薯壓縮試驗過程中，不同品種、加載方向、加載速率下馬鈴薯的壓縮破裂力和變形量的測定結(jié)果如表2所示。應(yīng)用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件多變量差異分析過程中的SCHEFFE方法，對2個馬鈴薯品種在不同加載速率和3個加載方向時的破裂力與變形量均值進行顯著性分析，結(jié)果見表3和表4。

表2 不同品種、加載方向和加載速率下馬鈴薯的壓縮破裂力和變形量

表3 馬鈴薯壓縮時各因素對破裂力影響的顯著性分析

表4 馬鈴薯壓縮時各因素對變形量影響的顯著性分析

由表3可以看出，馬鈴薯品種對壓縮破裂力影響不顯著，加載方向?qū)ζ屏蚜τ绊戯@著(差異顯著概率>0.05)，加載速率對破裂力影響極顯著；由表4各個因素對馬鈴薯壓縮變形量的顯著性分析可知，只有品種對馬鈴薯壓縮變形量影響顯著，加載方向和加載速率對馬鈴薯壓縮變形量影響不顯著。因此，后文連續(xù)分析對馬鈴薯壓縮破裂力、變形量影響極顯著和顯著的因素，不顯著因素將被剔除。

2.2 加載方向?qū)︸R鈴薯壓縮破裂力和變形量影響的差異性分析

圖4為加載速率一定時3個不同加載方向下馬鈴薯的加載力-時間曲線。由圖4可以看出，同一加載速率下，3個不同加載方向時的加載力-時間曲線并不相同，但均表現(xiàn)為x向加載力-時間曲線走勢高于y向，y向高于z向。在加載速率為15，25和55 mm/min時，馬鈴薯壓縮破裂力(曲線拐點值)的大小表現(xiàn)為x向>y向>z向；加載速率為35 mm/min 時，破裂力大小表現(xiàn)為y向>x向>z向；加載速率為45 mm/min時，破裂力表現(xiàn)為y向>z向>x向。

圖4 不同加載速率和加載方向時馬鈴薯的加載力-時間曲線

應(yīng)用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件的單變量分析平均數(shù)比較法(DUNCAN)分析加載方向的差異性對破裂力和變形量影響的顯著性，由表5和表6可知，加載方向的差異性對破裂力影響不顯著。由表6不同加載方向?qū)ζ屏蚜Φ挠绊懽蛹芍?個加載方向?qū)ζ屏蚜Φ挠绊懽蛹瘮?shù)值相差不大，差異性不明顯。

表5 馬鈴薯壓縮試驗中不同加載方向的差異性對破裂力影響的顯著性分析

表6 加載方向?qū)︸R鈴薯壓縮破裂力影響子集的差異性分析

由表7可知，加載方向的差異性對變形量有極顯著影響；由表8加載方向子集的顯著性比較發(fā)現(xiàn)，z向加載對馬鈴薯變形量的影響較x、y向大。

2.3 加載速率對馬鈴薯壓縮破裂力影響的差異性分析

由表9可知，加載速率的差異性對破裂力有極顯著影響。由表10加載速率子集的差異性比較發(fā)現(xiàn)：加載速率為15，25和35 mm/min時，其對破裂力影響的差異性屬于不同子集，對破裂力均有顯著影響；加載速率為45和55 mm/min時，二者對破裂力影響的差異性同屬于第1子集，對破裂力影響的顯著性表現(xiàn)一致。

表7 加載方向?qū)︸R鈴薯壓縮變形量的顯著性分析

表8 加載方向?qū)︸R鈴薯壓縮變形量影響子集的差異性分析

表9 馬鈴薯壓縮試驗中加載速率的差異性對破裂力影響的顯著性分析

表10 加載速率對馬鈴薯壓縮破裂力影響子集的差異性分析

2.4 品種對馬鈴薯壓縮變形量影響的差異性分析

由表11可知，馬鈴薯品種的差異性對壓縮變形量有顯著影響。

表11 品種差異性對馬鈴薯壓縮變形量影響的顯著性分析

3 結(jié) 論

1)對馬鈴薯壓縮試驗中壓縮破裂力和變形量的顯著性分析可知：馬鈴薯品種對壓縮破裂力影響不顯著，加載方向?qū)ζ屏蚜τ绊戯@著，加載速率對破裂力影響極顯著；馬鈴薯品種對馬鈴薯壓縮變形量影響顯著，加載方向和加載速率對馬鈴薯壓縮變形量影響不顯著。

2)由加載方向?qū)︸R鈴薯壓縮破裂力和變形量的差異性分析可知：加載速率為15，25和55 mm/min時，壓縮破裂力均表現(xiàn)為x向>y向>z向；對加載速率為35 mm/min時，破裂力大小表現(xiàn)為y向>x向>z向；加載速率為45 mm/min時，破裂力表現(xiàn)為y向>z向>x向。對加載方向子集的顯著性比較發(fā)現(xiàn)，加載方向?qū)ζ屏蚜τ绊懖伙@著，但z向加載對馬鈴薯變形量的影響較x向與y向大。

3)由不同加載速率對馬鈴薯壓縮破裂力的差異性分析可知：加載速率為15，25和35 mm/min時，其對破裂力影響的差異性屬于不同子集，且對破裂力均有顯著的影響；加載速率為45和55 mm/min時，二者對壓縮破裂力影響的差異性同屬第1子集，且對破裂力影響的顯著性表現(xiàn)一致；馬鈴薯品種的差異性對壓縮變形量有顯著的影響。

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