韓 鳳，陳海濤，任珂珂，頓國(guó)強(qiáng)

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

胡蘿卜（Carrot）為傘形科草本植物，原產(chǎn)亞洲西南部，栽培歷史在2000年以上，現(xiàn)栽培于整個(gè)溫帶地區(qū)。胡蘿卜的品種很多，按色澤可分為紅、黃、白、紫等數(shù)種。其根供食用、營(yíng)養(yǎng)豐富，具有很高的食用、美容、藥用等價(jià)值。隨著人們生活水平提高，對(duì)其需求量越來越大[1]。然而，我國(guó)的胡蘿卜生產(chǎn)機(jī)械裝備，尤其是收獲機(jī)械，卻極為匱乏，無法滿足機(jī)械化、規(guī)?；a(chǎn)之需求。

胡蘿卜的基本物理力學(xué)參數(shù)是其生產(chǎn)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)與開發(fā)最根本的依據(jù)，是使機(jī)械裝備、工藝和操作規(guī)程達(dá)到最大工作效率、最優(yōu)質(zhì)量的基礎(chǔ)[2]。目前，關(guān)于胡蘿卜物理力學(xué)特性的研究主要集中在切片加工工藝和外觀品質(zhì)方面。如郭寬對(duì)天津地區(qū)不同品種胡蘿卜切分加工物理性能進(jìn)行研究[3]；羅國(guó)亮在胡蘿卜品種及栽培模式對(duì)比試驗(yàn)初報(bào)中對(duì)不同品種胡蘿卜的田間性狀、產(chǎn)量和外觀品質(zhì)進(jìn)行研究[4]；任霄云在胡蘿卜品種比較試驗(yàn)及綜合性狀評(píng)價(jià)中對(duì)不同品種胡蘿卜的物理性狀和產(chǎn)量進(jìn)行研究[5]。但這些研究成果還不足以為胡蘿卜收獲機(jī)器系統(tǒng)的研發(fā)提供充分的科學(xué)依據(jù)。

本研究以收獲期胡蘿卜為研究對(duì)象，通過其基本幾何特性參數(shù)測(cè)定，探索其形狀分布規(guī)律；通過其根莖結(jié)合部的抗拉強(qiáng)度測(cè)定分析，求得胡蘿卜收獲時(shí)可施加的最大拔取力，尋求松土位置對(duì)胡蘿卜拔取力的影響規(guī)律，找出理想的松土位置，為胡蘿卜拔取收獲機(jī)器系統(tǒng)的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2010年10月8日～10月10日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行。研究對(duì)象為北方栽培的胡蘿卜。其種植模式為壟作條播，壟距70 cm，壟高12 cm，壟頂寬度35 cm，壟臺(tái)坡度∠67°。

1.2 儀器及裝置

DGG—9070AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海森信試驗(yàn)儀器有限公司）、土壤硬度儀（0～40 mm，0～500 kg·cm－2）、YB電子天平（上海?？惦娮觾x器廠）、環(huán)切刀、卷尺（量程：3 m；精度：1 mm）、ACS—30電子計(jì)價(jià)秤（華鷹衡器有限公司）、YB電子天平（上海?？惦娮觾x器廠）、500－181 CD－15CP數(shù)顯式游標(biāo)卡尺（Mitutoyo Copy）、數(shù)碼相機(jī)、ScnImage、WDW－5微機(jī)電子式萬能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠）、拉力計(jì)（量程：50 kg；精度：0.1 kg）、數(shù)顯式拉力計(jì)（量程：10 kg；精度：0.01 kg）等。

1.3 方法

1.3.1 土壤環(huán)境的測(cè)定

選擇土壤含水率、土壤硬度和土壤容重三個(gè)參數(shù)為土壤物理特性指標(biāo)評(píng)價(jià)[6]。

土壤含水率采用烘干法，參照NY/T 52－1987土壤水分測(cè)定法實(shí)施；土壤強(qiáng)度采用土壤硬度儀直接測(cè)量；土壤容重采用環(huán)刀法，由式（1）計(jì)算。三項(xiàng)指標(biāo)均分別隨機(jī)在10處采集10份土樣，以其均值作為測(cè)量結(jié)果。

式中，dvi－第 i份土樣的土壤容重（g·cm－3）；Mi－第i份土樣的濕土重（g）；V－環(huán)刀容積（cm3）；Wi－土壤含水量（%）。

1.3.2 胡蘿卜幾何特性的測(cè)定

參照蘿卜生物學(xué)，結(jié)合拔取式蘿卜收獲機(jī)的設(shè)計(jì)要求[7－9]，選擇胡蘿卜植株總長(zhǎng)度、根部長(zhǎng)度、根部最大直徑、根部最小有效直徑、距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑、根部有效重量、自然狀態(tài)下的莖葉高度、最大直徑和1/2高度處直徑等參數(shù)作為蘿卜幾何特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別測(cè)量每個(gè)樣本的基本幾何特性，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，分析預(yù)測(cè)其變化區(qū)間及分布規(guī)律。結(jié)合農(nóng)業(yè)物料學(xué)理論，抽象出胡蘿卜的幾何模型為截頭正圓錐體[2]，如圖1所示。其體積和表面積分別用公式（2）和（3）表達(dá)。隨機(jī)采集100個(gè)樣本。

式中，V－胡蘿卜體積（mm3）；S－胡蘿卜表面積（mm2）；D、d－胡蘿卜根部最大和最小有效直徑（mm）；L－胡蘿卜根部長(zhǎng)度（mm）。

圖1 胡蘿卜幾何模型Fig.1 Geometric model of the carrot

1.3.3 胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強(qiáng)度的測(cè)定

測(cè)量胡蘿卜樣本的根莖結(jié)合部拉斷力和根莖結(jié)合部直徑，用結(jié)合部拉斷力與結(jié)合部面積的比值表示根莖結(jié)合部抗拉強(qiáng)度，由式4計(jì)算。隨機(jī)選取100個(gè)樣本。

式中，Pi－第i個(gè)胡蘿卜樣本根莖結(jié)合部的抗拉強(qiáng)度（Pa）；Di－第i個(gè)胡蘿卜樣本根莖結(jié)合部的直徑（m）；Fi－第i個(gè)胡蘿卜樣本根莖結(jié)合部的拉斷力（N）。

1.3.4 胡蘿卜拔取力的測(cè)定

1.3.4.1 胡蘿卜自然生長(zhǎng)狀態(tài)下拔取力的測(cè)定

將繩子通過拉力計(jì)系在自然生長(zhǎng)狀態(tài)下的胡蘿卜莖葉或根莖上，拔出胡蘿卜，讀取并記錄最大拉力。隨機(jī)選取50個(gè)樣本。

1.3.4.2 拔取收獲胡蘿卜松土位置的確定

在自然生長(zhǎng)狀態(tài)下，胡蘿卜與土壤粘結(jié)力較大。為了順利拔取收獲，對(duì)胡蘿卜周邊的土壤進(jìn)行疏松。需要測(cè)定松土位置對(duì)胡蘿卜拔取力的影響規(guī)律，尋求松土距離和松土深度參數(shù)優(yōu)化組合。采用因析試驗(yàn)方法，以胡蘿卜拔取力為目標(biāo)函數(shù)，以松土距離（松土鏟至胡蘿卜邊緣間的距離）和松土深度為影響因素，尋求影響拔取力的規(guī)律和松土位置參數(shù)的優(yōu)化組合[10]。模擬松土鏟對(duì)胡蘿卜周邊土壤進(jìn)行疏松，測(cè)量胡蘿卜所需拔取力，試驗(yàn)方案見表1。每組試驗(yàn)隨機(jī)選取50個(gè)樣本，應(yīng)用軟件Design－Expert Version 6.0.10進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Experimental plan

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理參數(shù)

測(cè)定結(jié)果見表2。土壤的含水率23.60%±7.35%，土壤強(qiáng)度（12.10±5.07）kg·cm－2，土壤容重（1.17±0.30）g·cm－3，試驗(yàn)地土壤結(jié)構(gòu)狀況具有代表性。

表2 土壤物理特性參數(shù)Table 2 Physical parameters of the soil

2.2 胡蘿卜幾何特性

胡蘿卜幾何特征評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)定統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3所示。

表3 胡蘿卜基本物理特性參數(shù)Table 3 Basic physical parameters of the carrot

根據(jù)樣本參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差可預(yù)測(cè)出胡蘿卜幾何特征評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化區(qū)間[10]。胡蘿卜植株總長(zhǎng)度為[416.2，911.8]mm；根部最大直徑為[14.8，74.8]mm；根部最小有效直徑為[12.4，32.8]mm；約有95%根莖有效重量為[9，313]g；莖葉自然狀態(tài)高度為[112.4，599.6]mm；莖葉自然狀態(tài)最大直徑為[129.5，1 038.5]mm；根莖體積的變化區(qū)間為[49 443.26，300 486.26]mm；根莖表面積的變化區(qū)間為[3 529.3，32 503.3]mm2。胡蘿卜根部入土深度、距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑、莖葉1/2高度處直徑三個(gè)參數(shù)概率分布直方圖分別如圖2a、2b、2c所示。由圖2a知，胡蘿卜根部入土深度主要分布在（90，190）mm，占總樣本數(shù)的94%，約有98%的胡蘿卜根部入土深度小于等于190 mm；由圖2）知，胡蘿卜距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑主要分布在（4，24）mm，占總樣本數(shù)的96%，約有90%的胡蘿卜距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑大于等于8 mm。由圖2c知，胡蘿卜莖葉1/2高度處直徑主要分布在（30，240）mm，占總樣本數(shù)的94%。約有88%的胡蘿卜莖葉1/2高度處直徑大于等于60 mm。

圖2 胡蘿卜主要物理參數(shù)概率分布直方Fig.2 Distribution probability histogram of main physical parameters of the carrot

2.3 胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強(qiáng)度

測(cè)定結(jié)果見表4。約有95%胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強(qiáng)度變化區(qū)間為（4.85，18.69）×105Pa，對(duì)應(yīng)的抗拉力為（62.08，239.23）N。

2.4 胡蘿卜拔取力測(cè)定結(jié)果及分析

2.4.1 自然狀態(tài)土壤下胡蘿卜拔取力

在自然狀態(tài)土壤下，胡蘿卜被拔出所需拉力測(cè)量結(jié)果如表5所示。約有95%胡蘿卜拔取力的變化區(qū)間為（73，247）N。測(cè)定過程中，存在蘿卜莖葉被拉斷的現(xiàn)象，這是因?yàn)橛邢喈?dāng)數(shù)量的胡蘿卜拔取收獲所需拉力較其根莖結(jié)合部抗拉力大。由此可見，對(duì)自然生長(zhǎng)狀態(tài)下的胡蘿卜采用直接拔取方式行收獲是困難的。

表4 胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強(qiáng)度Table 4 Anti-tensile strength between the carrot's stem and root

表5 自然狀態(tài)土壤下胡蘿卜拔取力Table 5 Pulling force of the carrot in natural soil

2.4.2 拔取收獲胡蘿卜松土位置的確定

松土深度和距離對(duì)胡蘿卜收獲拔取力的影響，經(jīng)軟件Design－Expert 6.0.10分析結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著松土深度的增加，胡蘿卜拔取力呈線性減小的變化趨勢(shì)；隨著松土距離的增加，胡蘿卜拔取力呈線性增加的變化趨勢(shì)。表明松土深度越大、松土距離越小，松土效果越顯著，拔取收獲胡蘿卜所需拉力越小。按照松土后胡蘿卜的拔取力應(yīng)小于胡蘿卜的根莖抗拉力，即拔取力小于等于60 N的原則，對(duì)松土位置進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果見圖4。當(dāng)松土深度為11→20 cm，松土距離為4→14 cm時(shí)，拔取收獲胡蘿卜所需拉力為15→60 N。為減少收獲機(jī)械的動(dòng)力消耗，松土鏟應(yīng)在滿足條件下入土深度越小越好；為降低胡蘿卜的損傷率，松土鏟應(yīng)在滿足條件下距胡蘿卜越遠(yuǎn)越好；綜合胡蘿卜根部入土深度和蘿卜種植時(shí)直線度對(duì)松土位置進(jìn)一步優(yōu)化得出：松土深度15～19 cm，松土距離8～13 cm，此時(shí)拔取收獲胡蘿卜所需拉力小于60 N，不會(huì)發(fā)生拔斷現(xiàn)象。

圖3 松土位置對(duì)胡蘿卜拔取力的影響Fig.3 Influence of the loosen location on pulling force of the carrot

圖4 優(yōu)化分析Fig.4 Optimum analysis plot

3 結(jié)論

在胡蘿卜種植模式為壟作條播，土壤環(huán)境為含水率23.60%±7.35%、強(qiáng)度（11.87±4.97）Pa、容重（1.165±0.29）g·cm－3條件下，對(duì)收獲期胡蘿卜的物理力學(xué)特性得出結(jié)論如下：

a.植株總長(zhǎng)度（664±247.8）mm，根部最大直徑（44.8±30）mm，根部最小有效直徑（22.6±10.2）mm，莖葉自然狀態(tài)高度（356±243.6）mm，莖葉自然狀態(tài)最大直徑（584±454.5）mm，根部體積（174 964.8±125 521.5）mm3，根部表面積（18 016.3±14 487）mm2；約有98%的胡蘿卜根部入土深度小于等于190 mm；約有90%的胡蘿卜距根莖結(jié)合部2 cm處莖葉直徑大于等于8 mm；約有88%的胡蘿卜莖葉在其1/2高度處直徑大于等于60 mm。

b.約有95%的胡蘿卜根莖結(jié)合部抗拉強(qiáng)度為（11.77±6.92）×105Pa，抗拉力為（150.7±88.6）N；

c.在收獲期胡蘿卜自然生長(zhǎng)狀態(tài)下，約有95%胡蘿卜所需拔取力為（160±87）N；

d.對(duì)胡蘿卜采用拔取收獲方式必須伴隨松土作業(yè)工藝過程；

e.拔取收獲胡蘿卜松土位置參數(shù)優(yōu)化組合為松土深度15～19 cm，松土距離8～13 cm，所需拔取力小于60 N，不會(huì)發(fā)生拔斷漏收現(xiàn)象。

[1]劉李峰.我國(guó)胡蘿卜產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].上海蔬菜,2006(2):4－6.

[2]周祖鍔.農(nóng)業(yè)物料學(xué)[M].農(nóng)業(yè)出版社,1994.

[3]郭寬,胡云峰,等.不同品種胡蘿卜切分加工物理性能研究[J].食品科學(xué),2004,3(11):184－185.

[4]羅國(guó)亮,努爾比燕.胡蘿卜品種及栽培模式對(duì)比試驗(yàn)初報(bào)[J].長(zhǎng)江蔬菜,2008(16):46－48.

[5]任霄云,王勇,等.胡蘿卜品種比較試驗(yàn)及綜合性狀評(píng)價(jià)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技,1993(5):18－20.

[6]邵明安,王全九,黃明斌.土壤物理學(xué)[M].高等教育出版社,2006.

[7]汪隆植,何奇?zhèn)?中國(guó)蘿卜[M].科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2005.

[8]付威,陳海濤,等.蘿卜收獲機(jī)的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件仿真優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(11):101－103.

[9]中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2007.

[10]袁志發(fā),周靜芋.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].高等教育出版社,2000.