娃娃菜根莖部切割力學特性的測量分析

黃雨柔，李富財，王子恒，譚 娜，王蓮珍，馮 哲

（西北民族大學 生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730000）

甘肅省蘭州市是全國傳統(tǒng)農業(yè)主產(chǎn)區(qū)之一。近年來，以娃娃菜、甘藍等為代表的高原夏菜成為發(fā)展龍頭，帶動了當?shù)剞r業(yè)發(fā)展。娃娃菜成熟后需經(jīng)過采收、分揀、運輸、加工、貯藏和銷售等作業(yè)環(huán)節(jié)，但目前采收及分揀作業(yè)主要依靠人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低，因此設計完成一臺娃娃菜自動收獲機是亟待解決的問題。為了在設計娃娃菜自動收獲機時獲得較佳的切割效果，需對娃娃菜根莖部切割力學特性展開研究。

目前，國內外對作物根莖部力學特性的研究主要集中在甘蔗、玉米、水稻等農作物[1-4]，而關于娃娃菜根莖部力學特性的研究卻罕見報道。甘藍的外形、生理特性與娃娃菜相近，因此甘藍收獲機械的設計原理亦可借鑒。李小強等[5]為了合理設計甘藍收獲機切割裝置，使其對甘藍根莖切割效果更好，進行了單因素和多因素正交甘藍根莖切割力試驗；李天華等[6]研究了切刀轉速、切割位置、行走速度、切刀重疊量和俯仰角度對最大切根反作用力的影響；杜冬冬等[7]分析了甘藍根莖部不同直徑處的最大切割力、平均切割力、平均含水率和粗纖維含量的分布及相互關系。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

娃娃菜試驗樣品于2020 年10 月6 日（娃娃菜成熟期）采自甘肅省蘭州市榆中縣農戶田地，隨機選取了成熟度相似、大小相近的娃娃菜。在取樣時將娃娃菜連根挖起，保留其完整根莖部，如圖1 所示。表1 所示為隨機選取的200 棵娃娃菜物理參數(shù)測量統(tǒng)計結果。

圖1 娃娃菜示意圖

表1 娃娃菜基本物理參數(shù)

夾持樣品制備過程為：測量選取的娃娃菜樣品，得到物理參數(shù)；保留娃娃菜完整根部，并以根莖為中心，切割娃娃菜頂部成40 mm×40 mm×60 mm 的長方體，以便于進行切割試驗時穩(wěn)定夾持。

1.2 試驗因素及水平確定

娃娃菜根莖部切割力受諸多因素的影響，如切割位置、夾持方式、刀片類型、切割角度、切割速度和含水率等。杜冬冬等在研究甘藍根莖部切割試驗時得出，平均含水率對最大切割力和平均切割力的影響均不顯著[7]，因此本文選取切割位置、夾持方式、刀片類型、切割角度、切割速度作為試驗因素。試驗因素及水平見表2。

表2 試驗因素及水平統(tǒng)計表

1.3 試驗設備

切割試驗裝置原理圖如圖2 所示。夾持裝置由2 對直角型鋼組成，通過蝴蝶螺桿固定于正方體支座的上表面平臺，平臺上開有活動槽以方便調節(jié)開度，實現(xiàn)根莖部單點或兩點夾持。切割裝置由直角調節(jié)梁和切割刀具組成，通過改變切割刀具與直角調節(jié)梁之間的裝配角度來改變切割角度。直角調節(jié)梁中部開有內螺紋，連接于萬能材料試驗機。切割刀具配有光刀和鋸齒刀兩種。

圖2 切割試驗裝置原理圖

試驗前，調定夾持方式和切割速度，確定切割位置和切割角度，選擇切割刀具類型，通過手持遙控器將切割刀具靠近試樣，歸零并開始試驗；試驗時，萬能材料試驗機上搭載的載荷傳感器和配套的NEXYGEN Plus 3.0 軟件會自動繪制出切割力隨加載時間變化曲線，如圖3 所示，并統(tǒng)計最大切割力Fmax、平均切割力等指標。

圖3 切割力隨加載時間變化曲線圖

1.4 最佳切割位置的確定

切割位置是影響切割力的獨立因素，是只與根莖部自身組成成分有關的因素，這與杜冬冬等吻合[7]。因此在進行切割力正交試驗前，需首先確定娃娃菜根莖部最佳切割位置。選取30 棵娃娃菜夾持樣品，分別標定hi為0，10，20 mm 處并測量該處根莖部直徑。采用單點夾持、刀片類型為光刀、切割角度為30°、切割速度為150 mm/min 的組合方式進行切割試驗，統(tǒng)計分析不同切割位置時切割力指標變化情況。

1.5 最佳夾持方式的確定

各選5 棵夾持試樣采用不同夾持方式固定，如圖2（c）所示，單點夾持時固定頂部長方體部分，兩點夾持時頂部及底部均固定。選用光刀、切割角度0°、切割速度100 mm/min 的組合方式，在距離娃娃菜頂層著葉0～20 mm 處進行切割對比試驗，并對最大切割力Fmax進行統(tǒng)計分析。

1.6 正交試驗

確定最佳切割位置及夾持方式后，將刀片類型A、切割速度B 和切割角度C 作為正交試驗的三個影響因素，采用混合水平法進行正交試驗，試驗因素和水平見表3。以最大切割力作為切割力指標，每組進行重復試驗4 次。

表3 正交試驗因素水平表

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 切割位置分析 圖4 所示為采用切割組合方式光刀、單點夾持、切割角度30°，切割速度150 mm/min 時，不同切割位置對應的最大切割力變化情況。從圖中可以看出，隨著切割位置的增大，最大切割力先減小后增大，因此，距離娃娃菜頂層著葉10 mm 左右為最佳切割區(qū)間，其原因是切割力的大小與粗纖維含量成正相關，此范圍內的根莖部粗纖維含量最少[7]。根據(jù)統(tǒng)計，此區(qū)間內根莖部直徑范圍為（25±3）mm。

圖4 不同切割位置時最大切割力的變化圖

2.1.2 夾持方式分析 圖5 對比了相同切割條件下，不同夾持方式時最大切割力的變化情況。從圖中可以看出，在相同條件下單點夾持切割娃娃菜根莖部時最大切割力要明顯小于兩點夾持，因為單點夾持使得根莖部在受力時產(chǎn)生彎曲變形，切割方式由滑切變成削切（滑切是指刀刃垂線與切割方向呈一定角度的切割方式；削切是指切割面和切割方向均與莖稈橫截面呈一定角度的切割方式），從而降低了切割力和切割損耗。

圖5 最大切割力變化情況

2.2 正交試驗結果分析

在上述研究的最佳切割位置處采用單點夾持，進行A（刀具類型）、B（切割速度）、C（切割角度）3 種影響因素的正交試驗，得出最佳切割組合。根據(jù)試驗因素與水平表進行了25 組試驗，每組試驗重復4次，結果如表4 所示。

表4 正交試驗結果表

對表4 的數(shù)據(jù)進行方差分析，結果如表5 所示，因素A 和因素C 對最大切割力的影響顯著，而因素B 對最大切割力的影響極不顯著。

表5 最大切割力方差分析

對表4 數(shù)據(jù)進行極差分析，結果如圖6 所示，極差最小的是因素B，極差最大的是因素C。其中因素B 在100 mm/min 時的切割力最??；因素C 在切割角度為30°時的切割力最??；因素A 中，鋸齒刀的切割力明顯小于光刀。根據(jù)圖6 可得出：最佳切割組合為A2B2C3（切割刀具選用鋸齒刀，切割速度為100 mm/min，切割角度為30°）。

3 結論

（1）距離娃娃菜頂層著葉10 mm 左右處所需的切割力最小，此區(qū)間內根莖部直徑范圍為（25±3）mm。

（2）單點夾持切割時，切割方式由滑切轉為削切，切割力明顯減小。

（3）切割刀具和切割角度對最大切割力有顯著影響，而切割速度的影響不顯著。

（4）最佳切割方式組合為：距離娃娃菜頂層著葉10 mm 處，采用單點夾持、鋸齒刀、切割速度為100 mm/min、切割角度為30°進行切割。