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(jī)收獲、卡車運(yùn)輸包裝、深加工、倉(cāng)庫(kù)長(zhǎng)時(shí)間存放等流通的各個(gè)環(huán)節(jié)中，馬鈴薯與機(jī)器、工具、設(shè)備發(fā)生的碰撞、摩擦、壓縮等均會(huì)對(duì)馬鈴薯造成一定程度的機(jī)械損傷。馬鈴薯?yè)p傷不僅會(huì)造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失，而且損傷的馬鈴薯會(huì)嚴(yán)重影響正常馬鈴薯的存放。機(jī)械損傷是馬鈴薯?yè)p傷的最主要成因，為了最大限度地減少馬鈴薯?yè)p傷率，需重點(diǎn)研究馬鈴薯力學(xué)特性和機(jī)械損傷機(jī)理。壓縮損傷是造成馬鈴薯機(jī)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(chǔ)運(yùn)損傷、指導(dǎo)機(jī)具設(shè)計(jì)、評(píng)定和檢測(cè)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(duì)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(duì)圓柱形馬鈴薯模型進(jìn)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(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)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(yàn)條件下的動(dòng)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(diǎn)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(yàn)得到在不同壓力下的松弛參數(shù)，通過壓縮試驗(yàn)得到了不同壓縮面積時(shí)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(shí)的壓縮力學(xué)特性研究尚比較少。

由于在馬鈴薯挖掘、運(yùn)輸和加工時(shí)，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(cè)定可以客觀地提供工程分析和機(jī)具設(shè)計(jì)中的有用數(shù)據(jù)。本研究分別對(duì)甘肅常見的新大坪和隴薯3號(hào)2個(gè)品種鮮薯進(jìn)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(jì)等研究提供必要的力學(xué)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(hù)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(xì)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(yàn)所用馬鈴薯為產(chǎn)自甘肅定西市的新大坪和隴薯3號(hào)2個(gè)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(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)儀器及其測(cè)定指標(biāo)

1)游標(biāo)卡尺、刻度尺和電子天平。利用游標(biāo)卡尺和刻度尺量取馬鈴薯試樣x、y、z方向(其中x向?yàn)轳R鈴薯塊莖的臍部與頂點(diǎn)連線方向；y向?yàn)閴K莖徑向截面的短軸方向；z向?yàn)閴K莖徑向截面的長(zhǎng)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(yàn)機(jī)。本研究壓縮試驗(yàn)采用深圳SANS公司制造的CMT2502型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示擠壓力、位移、變形、加載速度及試驗(yàn)曲線，并具有曲線高級(jí)分析功能，能自動(dòng)計(jì)算彈性模量、屈服強(qiáng)度、破碎負(fù)載力、最大變形等參數(shù)，其最大試驗(yàn)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(jī)。為了測(cè)定馬鈴薯含水率，壓縮試驗(yàn)前稱量馬鈴薯的質(zhì)量并記錄，試驗(yàn)后將供試馬鈴薯于烘箱中烘干，用粉碎機(jī)制粉后稱質(zhì)量并記錄，最后對(duì)馬鈴薯進(jìn)行濕基含水率計(jì)算。

1.3 壓縮試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)裝置

以馬鈴薯整莖為壓縮對(duì)象，分別沿圖2所示的x、y、z3軸方向進(jìn)行壓縮。壓縮過程中，試驗(yàn)機(jī)下壓頭固定不動(dòng)，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(yàn)馬鈴薯在下壓板上的穩(wěn)定放置，需對(duì)試驗(yàn)馬鈴薯3軸方向兩端進(jìn)行少許切除操作，以方便利用3 s快干膠對(duì)其進(jìn)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(shí)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(duì)試驗(yàn)參數(shù)的影響較為復(fù)雜[16]。同時(shí)參考常見果實(shí)硬度計(jì)檢測(cè)果實(shí)硬度時(shí)的加載方式，本研究對(duì)馬鈴薯進(jìn)行的壓縮破壞試驗(yàn)采用圓柱壓頭進(jìn)行加載，其試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖3所示。

1.4 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

本研究選用馬鈴薯品種、加載方向和速率3個(gè)試驗(yàn)因素。其中馬鈴薯品種有新大坪和隴薯3號(hào)2個(gè)品種水平，壓縮方向有x、y、z3個(gè)方向水平，加載速率有15，25，35，45和55 mm/min 5個(gè)速率水平。馬鈴薯壓縮試驗(yàn)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(yàn)指標(biāo)。

圖3 馬鈴薯壓縮試驗(yàn)的加載方式

2 結(jié)果與分析

通過圓柱壓頭對(duì)馬鈴薯進(jìn)行壓縮時(shí)，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(shí)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(xì)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(dòng)，因此加載力隨時(shí)間增加上升緩慢，直至破裂點(diǎn)馬鈴薯表皮發(fā)生破壞。在馬鈴薯壓縮過程中，加載力與時(shí)間的關(guān)系為非線性關(guān)系，并未出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)[17-18]。

2.1 各因素對(duì)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(yàn)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(cè)定結(jié)果如表2所示。應(yīng)用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件多變量差異分析過程中的SCHEFFE方法，對(duì)2個(gè)馬鈴薯品種在不同加載速率和3個(gè)加載方向時(shí)的破裂力與變形量均值進(jìn)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(shí)各因素對(duì)破裂力影響的顯著性分析

表4 馬鈴薯壓縮時(shí)各因素對(duì)變形量影響的顯著性分析

由表3可以看出，馬鈴薯品種對(duì)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(duì)破裂力影響極顯著；由表4各個(gè)因素對(duì)馬鈴薯壓縮變形量的顯著性分析可知，只有品種對(duì)馬鈴薯壓縮變形量影響顯著，加載方向和加載速率對(duì)馬鈴薯壓縮變形量影響不顯著。因此，后文連續(xù)分析對(duì)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(shí)3個(gè)不同加載方向下馬鈴薯的加載力-時(shí)間曲線。由圖4可以看出，同一加載速率下，3個(gè)不同加載方向時(shí)的加載力-時(shí)間曲線并不相同，但均表現(xiàn)為x向加載力-時(shí)間曲線走勢(shì)高于y向，y向高于z向。在加載速率為15，25和55 mm/min時(shí)，馬鈴薯壓縮破裂力(曲線拐點(diǎn)值)的大小表現(xiàn)為x向>y向>z向；加載速率為35 mm/min 時(shí)，破裂力大小表現(xiàn)為y向>x向>z向；加載速率為45 mm/min時(shí)，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(shí)馬鈴薯的加載力-時(shí)間曲線

應(yīng)用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(duì)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(duì)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(gè)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(yàn)中不同加載方向的差異性對(duì)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(duì)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(duì)馬鈴薯變形量的影響較x、y向大。

2.3 加載速率對(duì)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(duì)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(shí)，其對(duì)破裂力影響的差異性屬于不同子集，對(duì)破裂力均有顯著影響；加載速率為45和55 mm/min時(shí)，二者對(duì)破裂力影響的差異性同屬于第1子集，對(duì)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(yàn)中加載速率的差異性對(duì)破裂力影響的顯著性分析

表10 加載速率對(duì)馬鈴薯壓縮破裂力影響子集的差異性分析

2.4 品種對(duì)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(duì)壓縮變形量有顯著影響。

表11 品種差異性對(duì)馬鈴薯壓縮變形量影響的顯著性分析

3 結(jié) 論

1)對(duì)馬鈴薯壓縮試驗(yàn)中壓縮破裂力和變形量的顯著性分析可知：馬鈴薯品種對(duì)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(duì)破裂力影響極顯著；馬鈴薯品種對(duì)馬鈴薯壓縮變形量影響顯著，加載方向和加載速率對(duì)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(shí)，壓縮破裂力均表現(xiàn)為x向>y向>z向；對(duì)加載速率為35 mm/min時(shí)，破裂力大小表現(xiàn)為y向>x向>z向；加載速率為45 mm/min時(shí)，破裂力表現(xiàn)為y向>z向>x向。對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，其對(duì)破裂力影響的差異性屬于不同子集，且對(duì)破裂力均有顯著的影響；加載速率為45和55 mm/min時(shí)，二者對(duì)壓縮破裂力影響的差異性同屬第1子集，且對(duì)破裂力影響的顯著性表現(xiàn)一致；馬鈴薯品種的差異性對(duì)壓縮變形量有顯著的影響。

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