施力方向與加載速率對藠頭種子力學(xué)特性的影響

康啟新，張國忠,2，鄭侃,2，鄢錢，劉浩，陳亞欣

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070; 2.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，武漢 430070

藠頭(AlliumchinenseG.Don)又名薤，俗名藠子、蕎頭、茭頭，原產(chǎn)于中國，現(xiàn)在朝鮮、日本以及東南亞等地均可見到，國內(nèi)以江西、湖南、湖北等地栽培較多，并不斷以良好的地理環(huán)境、獨(dú)特風(fēng)味逐步占據(jù)日韓等市場，外貿(mào)出口穩(wěn)步增長。藠頭富含營養(yǎng)物質(zhì)，具有一定食療和保健作用[1-2]。國內(nèi)學(xué)者對藠頭的相關(guān)研究主要集中于生物活性、種植農(nóng)藝以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如吳琦等[3]提取并分析了藠頭揮發(fā)油中主要成分，其主要包括含硫化合物以及其他有價(jià)值的噻吩類、烷烴類化合物；陳學(xué)軍等[4]、陸裕華等[5]考察了藠頭的耕、種、管、收、留種等豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)；張曉玲[6]研究了危害分析與關(guān)鍵控制點(diǎn)(HACCP)體系在出口甜酸藠頭生產(chǎn)加工中的應(yīng)用。

研究考察影響物料力學(xué)特性的因素及規(guī)律，有助于物料的采摘、加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、包裝及相關(guān)機(jī)械的研究設(shè)計(jì)。張夢月等[7]研究了芋頭壓縮和剪切特性，結(jié)果表明，方向和速率對整個(gè)芋頭的擠壓破裂力有極顯著影響。侯群喜等[8]研究表明，蓮籽垂直方向彈性模量小于水平方向彈性模量。國內(nèi)學(xué)者還對甘薯[9]、大蔥[10]、甜高粱[11]、嫁接蔬菜[12]等物料展開力學(xué)特性的研究。Cakir等[13]和Sagsoz等[14]采用壓縮試驗(yàn)研究了洋蔥的泊松比及彈性模量。Nikara等[15]利用掃描電鏡對馬鈴薯組織和細(xì)胞在貯藏過程中對沖擊試驗(yàn)響應(yīng)的微觀力學(xué)變化進(jìn)行了有限元模擬。Caglayan等[16]對馬鈴薯塊莖掉落的應(yīng)力分布進(jìn)行了測定。目前關(guān)于藠頭種子物理力學(xué)特性研究的報(bào)道較少。本研究以大葉藠為研究對象，對不同方向、不同加載速率下的擠壓及剪切進(jìn)行相關(guān)研究，分析施力方向、加載速率對藠頭種子力學(xué)特性的影響及藠頭種子的抗損傷性能，以期為藠頭的播種、收獲、運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)研究與機(jī)具設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1)試驗(yàn)材料。試驗(yàn)藠頭(AlliumchinenseG.Don)品種為廣泛種植的大葉藠，選取無損傷、無病蟲害的藠頭25 kg。隨機(jī)選取了5組藠頭種子樣本進(jìn)行含水率測試，結(jié)果顯示藠頭種子平均濕基含水率為57.65%±3.50%。由于試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長，為避免樣品因存放時(shí)間過長發(fā)生腐壞、營養(yǎng)流失和水分流失，將藠頭種子用密封袋封裝在4 ℃冰箱保鮮室保存。

2)試驗(yàn)設(shè)備。藠頭種子壓縮與剪切試驗(yàn)選用美國TFC公司生產(chǎn)的TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行，儀器精度為±1%，量程為0～1 000 N；含水率測定選用浙江賽德儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SDH-1202快速鹵素水分測定儀進(jìn)行，儀器精度為0.002 g；種子尺寸選用艾瑞澤公司生產(chǎn)的數(shù)字顯示電子游標(biāo)卡尺測定，精度為0.01 mm，量程為0～300 mm。

1.2 藠頭種子三軸尺寸測定

建立以藠頭種子根部為原點(diǎn)O，種子根部指向種子鱗芽方向?yàn)閄軸向，整顆種子的對稱面為面XOY且Z軸過點(diǎn)O垂直于對稱面XOY的直角坐標(biāo)系，選取500顆藠頭種子測定三軸尺寸。如圖1所示，藠頭種子沿X軸向的最大尺寸為長(L)，在Y軸上的最大尺寸為寬(B)，在Z軸上的最大尺寸為厚度(H)。測得藠頭種子質(zhì)量為7.19±3.50 g；長、寬、厚分別為43.47±9.40、21.68±4.20、18.28±3.50 mm，其中，寬度為20～25 mm種子占總數(shù)的43.4%。因此，根據(jù)寬度尺寸分布進(jìn)行分級，寬度18～20 mm為A級，20～23 mm為B級，23～27 mm為C級。

圖1 藠頭種子三軸及尺寸示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

藠頭種子壓縮、剪切試驗(yàn)均在質(zhì)構(gòu)儀上進(jìn)行。壓縮試驗(yàn)為加載方向分為X、Y、Z的單因素三水平試驗(yàn)；藠頭種子彈性模量的測定和剪切試驗(yàn)采用雙因素試驗(yàn)，因素水平如表1所示。

表1 因素水平表 Table 1 Factors and levels of compression and shearing test

1.4 試驗(yàn)方法

1)藠頭種子極限載荷與其對應(yīng)形變測定。在TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀上，用直徑為60 mm的圓盤壓頭進(jìn)行壓縮試驗(yàn)(圖2)。農(nóng)產(chǎn)品壓縮速率一般為10～75 mm/min[17]。本試驗(yàn)壓縮速率為60 mm/min。隨機(jī)選取B級種子15顆，測定其X、Y、Z3個(gè)軸向的極限載荷及其對應(yīng)形變，每個(gè)軸向的壓縮試驗(yàn)重復(fù)5次。設(shè)置位移觸發(fā)起點(diǎn)為壓縮力F=0.1 N，當(dāng)壓縮過程中，載荷突然下降、藠頭種子發(fā)出碎裂聲時(shí)停止加載，記錄最大加載力與其對應(yīng)的形變。

1.圓盤壓頭 Disc pressure head; 2.藠頭種子 Allium chinense seed.

2)藠頭種子彈性模量測定。藠頭種子形狀大小不一，壓縮截面積難以測量，故將藠頭種子處理為邊長為1 cm的正立方體。在種子處理過程中區(qū)分X、Y、Z3個(gè)軸向，并按20、40、60、80、100 mm/min共5組不同加載速率和3個(gè)壓縮方向(X、Y、Z)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)5次。壓縮過程及物料放置如圖3所示。設(shè)置位移觸發(fā)起點(diǎn)為壓縮力F=0.1 N，壓縮過程中，載荷突然下降、藠頭種子發(fā)出碎裂聲時(shí)停止加載。利用公式(1)求藠頭種子各軸向彈性模量E。

A:藠頭種子試樣壓縮 Compression of Allium chinense seed sample; B:藠頭種子試樣示意圖 Allium chinense seed sample.

(1)

式(1)中：E為藠頭種子彈性模量，MPa；σ為藠頭種子試樣所受的應(yīng)力，MPa；ε為沿壓縮方向的應(yīng)變；F為加載力，N；L為試樣有效長度，mm；A為試樣有效截面積，mm2；ΔL為形變量，mm。

圖4為加載速率60 mm/min時(shí)藠頭試樣的Y軸壓縮載荷位移曲線。以此為例，截取曲線中彈性變化的一線段進(jìn)行直線擬合，R2為0.99，可認(rèn)為所取線段為線性的彈性形變段。利用所取線段的始末點(diǎn)A、B計(jì)算彈性模量，兩點(diǎn)的加載力分別為FA、FB，加載位移分別為LA、LB。ΔL為LA與LB的差值，F(xiàn)為FA與FB的差值，L為10 mm，A為100 mm2，將上述值代入式(1)可得彈性模量。

圖4 藠頭種子試樣壓縮的載荷-位移曲線

3)藠頭種子剪切試驗(yàn)。隨機(jī)選取75顆藠頭種子在質(zhì)構(gòu)儀上分別以剪切速率20、40、60、80、100 mm/min和X、Y、Z3個(gè)軸向進(jìn)行全面剪切試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)5次。剪切試驗(yàn)所用刀具為長100 mm、厚0.55 mm的美工刀片。在進(jìn)行剪切試驗(yàn)前，利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作了刀架與支撐臺[8]，并在質(zhì)構(gòu)儀上搭建了試驗(yàn)裝置(圖5)。試驗(yàn)過程中，當(dāng)?shù)镀袛嗨婎^種子后立即停止加載，位移和加載力數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)記錄，后導(dǎo)出進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

A:剪切試驗(yàn)裝置 Shearing tester; B:刀片剖面示意圖 Blade profile diagram; 1. 3D打印刀架 3D-printed tool rest; 2.刀片 Blade; 3.藠頭種子 Allium chinense seed; 4.3D打印種子支座 3D-printed seed supports.

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS數(shù)據(jù)處理軟件分析顯著性，采用方差分析法(ANOVA)和多重比較最小顯著性差異法(LSD)比較指標(biāo)差異，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮極限載荷及藠頭種子形變

藠頭種子不同方向壓潰后剖面結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖6可知，不同的施力方向?qū)?nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞形式不同，但均造成藠頭種子的多層結(jié)構(gòu)表皮破裂，組織液滲出，其中X軸向壓潰后藠頭種子層次分離情況明顯。加載速率為60 mm/min時(shí)，各向極限載荷與其對應(yīng)形變試驗(yàn)結(jié)果顯示，平均極限載荷Y軸方向最大，為211.76±80.40 N，X、Z軸方向分別為 116.32±20.68、139.54±36.35 N；平均對應(yīng)形變Y軸方向最小，為6.86±1.24 mm；X、Z軸方向分別為22.50±3.16、7.94±1.38 mm。X、Y、Z方向的壓縮極限載荷分別為89.20～139.20、120.70～294.70、101.40～184.60 N。由表2可知，不同壓縮方向?qū)λ婎^種子極限載荷影響顯著(P<0.05)；不同壓縮方向?qū)O限載荷對應(yīng)形變影響極顯著(P<0.01)。

A:X方向X direction; B:Y方向Y direction; C:Z方向 Z direction.

2.2 不同加載速率與壓縮方向?qū)椥阅Ａ康挠绊?/h3>

表3的方差分析表明，修正模型F值為9.97，說明此模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。壓縮方向F值為38.87，表明壓縮方向?qū)椥阅Ａ康挠绊懢鶚O為顯著(P<0.01)；速率F值為4.68，表明速率對彈性模量的影響顯著(P<0.05)。速率和方向的交互作用F值為5.34，表明交互作用影響顯著(P<0.05)。

表2 不同壓縮方向?qū)O限載荷的影響方差分析 Table 2 Variance analysis of the effect of different compression direction on the limit load

表3 不同壓縮方向和加載速率對彈性模量影響的方差分析 Table 3 Variance analysis of different compression direction and loading speed on elastic modulus

1)壓縮方向?qū)椥阅Ａ康挠绊憽、Y、Z3個(gè)方向平均彈性模量分別為2.65±1.23、1.30±0.59、1.13±0.67 MPa，其中壓縮方向?yàn)閄時(shí)的邊際平均彈性模量最大，為2.66 MPa。壓縮方向X與Y、Z間均有顯著性差異(P<0.05)，不同的方向上彈性模量不同，Y、Z之間無顯著性差異(P>0.05)。

2)加載速率對彈性模量的影響。加載速率為20、40、60、80、100 mm/min時(shí)，平均彈性模量分別為1.65±1.74、1.07±0.55、1.89±0.74、2.01±0.96、1.85±1.02 MPa(圖7)，其中加載速率為80 mm/min時(shí)的邊際平均彈性模量最大，為2.02 MPa。加載速率40和80 mm/min有顯著性差異(P<0.05)，其他因素兩兩間均無顯著性差異(P>0.05)。

a、b、c表示LSD多重比較結(jié)果，具有相同字母的水平間在0.05水平上無顯著性差異，下同。a,b and c represent multiple comparison results of LSD,and there is no significant difference between levels with the same letter at the 0.05 level,the same as below.

3)交互作用對彈性模量的影響。壓縮方向、加載速率的交互作用對彈性模量影響顯著(P<0.05)。加載速率分別為20、40、60、80、100 mm/min時(shí)，平均彈性模量估算值在壓縮方向?yàn)閄時(shí)，分別為3.88、1.26、2.64、2.68、2.84 MPa；在壓縮方向?yàn)閅時(shí)，分別為0.58、1.00、1.40、1.70、1.84 MPa；在壓縮方向?yàn)閆時(shí)，分別為0.52、0.94、1.64、1.68、0.86 MPa。結(jié)合因素的成對比較發(fā)現(xiàn)，在X軸加載方向上，加載速率為40 mm/min時(shí)，平均彈性模量顯著小于20 mm/min時(shí)的彈性模量，Y、Z方向上各加載速率間的彈性模量均無顯著差異，在每個(gè)固定加載方向上，加載速率為60、80、100 mm/min對彈性模量沒有影響。由圖8可知，當(dāng)加載方向一定時(shí)，彈性模量隨著加載速率的增加而增加；在加載速率相同時(shí)，X方向的彈性模量略大于其他方向，彈性模量較高的因素水平集中在X、Y方向的高加載速率區(qū)域。

圖8 不同因素水平下的彈性模量分布

2.3 不同加載速率與剪切方向?qū)η袛嗔Φ挠绊?/h3>

由表4可知，修正模型F值為8.40，說明此模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。剪切方向F值為20.35，表明方向?qū)η袛嗔τ绊憳O為顯著(P<0.01)，加載速率F值為11.68，表明速率對切斷力影響極為顯著(P<0.01)，速率和方向交互作用的F值為3.78，說明二者交互作用影響極顯著(P<0.01)。

1)剪切方向?qū)η袛嗔Φ挠绊憽Ｋ婎^種子剪切試驗(yàn)表明，初始加載階段的力與位移成正相關(guān)，加載力隨著變形量的增大而增大。隨著變形量進(jìn)一步增大，刀片切斷種子外皮，開始切入種子內(nèi)部，加載力呈現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的下降，隨后加載力隨著剪切深度增大、剪切阻力增大而繼續(xù)增大，此時(shí)種子內(nèi)部的抗剪切應(yīng)力較為明顯，達(dá)到一定程度后藠頭種子被切斷，此時(shí)的最大剪切力為切斷力，隨后加載力緩慢減小。試驗(yàn)結(jié)果顯示，X、Y、Z方向切斷力分別為6.12～19.72、8.66～30.77、6.57～28.98 N，平均切斷力分別為11.06±3.67、18.07±6.39、15.73±5.91 N，最小切斷力為6.12 N。LSD多重比較表明，剪切方向Y、Z上的切斷力沒有顯著性差異(P>0.05)。

表4 剪切方向和加載速率對切斷力的影響方差分析 Table 4 Variance analysis of shear direction and loading speed

2)加載速率對切斷力的影響。由圖9可知,加載速率分別為20、40、60、80、100 mm/min時(shí)，對應(yīng)的平均切斷力分別為20.05±7.43、12.74±3.33、11.23±4.23、14.02±4.80、16.72±6.24 N，最小切斷力分別為7.77、7.77、6.12、6.27、7.32 N。LSD多重比較可知，加載速率為20、100 mm/min之間，40、60和80 mm/min之間及40、80和100 mm/min之間的切斷力均無顯著性差異(P>0.05)。剪切速率為20 mm/min時(shí),平均切斷力最大，為20.05 N。

圖9 不同加載速率下的平均切斷力

3)交互作用對切斷力的影響。剪切方向、加載(剪切)速率的交互作用對切斷力的影響顯著(P<0.01)。加載速率分別為20、40、60、80、100 mm/min時(shí),平均切斷力估算值在X剪切方向時(shí)分別為16.16、8.85、7.34、10.13、12.83 N；在Y剪切方向時(shí)分別為23.16、15.85、14.35、17.13、19.84 N；在Z剪切方向時(shí)分別為20.82、13.51、12.01、14.79、17.50 N；估算值標(biāo)準(zhǔn)誤差為1.39。結(jié)合因素的成對比較發(fā)現(xiàn)3個(gè)方向上，加載速率為20 mm/min時(shí)的平均切斷力均顯著大于40和60 mm/min，這與單因素分析的部分結(jié)果相同。在每個(gè)固定加載方向上，加載速率60、80、100 mm/min對平均切斷力沒有影響。由圖10可知，當(dāng)加載方向一定時(shí)，剪切力隨著加載速率先減小后增加；在加載速率相同時(shí)，Y、Z方向的剪切力略大于其他方向，剪切力較高的因素水平集中在Y方向的高、低加載速率區(qū)域。

圖10 不同因素水平下切斷力分布

3 討 論

不同加載方向上力學(xué)特性的不同表示組織結(jié)構(gòu)在方向上具有差異性，Y軸向施加載荷，多層結(jié)構(gòu)正面受壓，且受力面積較大，故有較好的抗壓強(qiáng)度；X軸向施加載荷，多層結(jié)構(gòu)側(cè)面受壓，且受力面積較小，故抗壓強(qiáng)度較差。藠頭種子不是連續(xù)性結(jié)構(gòu)，彈性形變的傳遞速率可能會(huì)受到加載速率的影響，故加載速率對彈性模量具有顯著影響。彈性模量為采用藠頭種子試樣情況下所得結(jié)果，藠頭種子的多層結(jié)構(gòu)在試樣壓縮過程中存在滑移現(xiàn)象，故藠頭種子彈性模量的測定還需進(jìn)一步研究。

在剪切時(shí)，由于Y、Z方向上結(jié)構(gòu)相似，故切斷力無顯著性差異。在藠頭種子的多層結(jié)構(gòu)中，每層都存在包裹內(nèi)部組織的表皮，Y、Z方向上的剪切可能需要不斷破壞表皮，故其切斷力較大。Y、Z方向以較小速率(40、60 mm/min)剪切時(shí)，加載速率對切斷力沒有顯著影響，且切斷力小于高速率剪切。推測在正切多層結(jié)構(gòu)，加載速率較小時(shí)，層間存在間隙，抗剪切作用力不能快速傳遞，故切斷力較小，加載速率達(dá)到一定程度時(shí)，抗剪切作用力不斷疊加，切斷力明顯增加。X方向剪切不需要連續(xù)破壞多層結(jié)構(gòu)表皮，推測加載速率較小時(shí)，藠頭種子對刀具的摩擦阻力較大，隨著加載速率增加，摩擦阻力減小，當(dāng)加載速率繼續(xù)增加時(shí)可能存在一定沖擊作用導(dǎo)致切斷力增加，因此，X剪切方向上存在切斷力最小的加載速率。

藠頭種子的多層結(jié)構(gòu)類似于洋蔥，與芋頭[7]、甘薯[9]等常見塊狀類物料相比，自身各向結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性有明顯不同，應(yīng)認(rèn)為是各向異性材料。對比Cakir等[13]對洋蔥彈性模量的研究，藠頭種子的最大平均彈性模量與洋蔥相差約2.6 MPa，但由于試驗(yàn)方法不同，藠頭種子整體的彈性模量還需進(jìn)一步研究。

濕基含水率為57.65%±3.5%的大葉藠，不同的施力方向和加載速率對藠頭種子的極限載荷、極限載荷對應(yīng)形變、彈性模量、切斷力均有顯著影響。Y軸方向的平均極限載荷最大，為211.76 N。根據(jù)壓縮試驗(yàn)平均彈性模量，X、Y、Z方向分別為2.65、1.30、1.13 MPa。加載速率為80 mm/min時(shí)的平均彈性模量最大，為2.01 MPa。由剪切試驗(yàn)測得藠頭種子的最小切斷力為6.12 N。在變形量相同時(shí)，Y、Z方向的剪切力有大于X方向的趨勢，剪切方向Y、Z的切斷力沒有顯著性差異(P>0.05)。Y方向的平均切斷力最大，為18.07 N。生產(chǎn)實(shí)踐中多以完整藠種為作業(yè)對象，綜合判斷藠頭種子Y方向的抗破壞能力最優(yōu)。

在裝備設(shè)計(jì)及貯藏、運(yùn)輸時(shí)應(yīng)盡可能避免X軸向的擠壓，收獲后注意堆放方向，以提高貯藏質(zhì)量。在設(shè)計(jì)機(jī)具時(shí)，應(yīng)充分考慮藠頭種子的剪切條件，可以通過彈性裝置或柔性材料及適當(dāng)減小加載速率以降低藠頭種子的機(jī)械損傷。影響藠頭種子性能的因素較多，藠頭種子的損傷機(jī)制等特性還需要結(jié)合植物學(xué)原理進(jìn)一步深入研究。