孫志江,衣淑娟,陶桂香,毛 欣

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

傳統(tǒng)上認(rèn)為馬鈴薯是蔬菜,同時(shí)還可作為主糧并兼做飼料和工業(yè)加工原料[1]。2015年,農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,預(yù)測(cè)在2020年馬鈴薯將占包括水稻、玉米、小麥這些主要糧食市場(chǎng)的50%左右。目前,中國(guó)的馬鈴薯種植總面積和總產(chǎn)量均位居世界第一位[2],但單產(chǎn)較國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家比較低[3],且國(guó)內(nèi)各地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡。國(guó)內(nèi)山東省馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:通過提高馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化程度最薄弱的一個(gè)流程就是馬鈴薯切塊工作[4]。目前,主要還是手工切塊,機(jī)械化程度低、耗費(fèi)人力資源大,亟需研發(fā)馬鈴薯種薯切塊機(jī)械。

本文針對(duì)不同的馬鈴薯品種、含水率及薯的3種切塊位姿,利用CTM2050萬能材料試驗(yàn)機(jī)[5]來初步探究影響馬鈴薯的靜剪切力學(xué)特性的因素,為整薯切塊提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用馬鈴薯為黑龍江地區(qū)市場(chǎng)上常見的馬鈴薯品種[6],分別是尤金885、克新13(也稱黃麻子)、農(nóng)家自種的馬鈴薯品種3(跟前兩試驗(yàn)用馬鈴薯品種不一樣),無病蟲害,無損傷。

1.2 試驗(yàn)條件和方法

試驗(yàn)用的力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)為CTM2050萬能材料試驗(yàn)機(jī),功率0.4kW。設(shè)置試驗(yàn)切刀以定速度為5mm/min工作。

1.電腦 2.控制中心 3.移動(dòng)式控制器 4.載物架 5.切刀

工作原理:試驗(yàn)時(shí),馬鈴薯種薯切刀安裝在與試驗(yàn)機(jī)匹配的卡具上,馬鈴薯種薯放置在卡具底座上,卡具底座通過步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)以一定的速度向上運(yùn)動(dòng),向上運(yùn)動(dòng)的速度可以通過控制臺(tái)進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)卡具底座上的種薯和卡具上的種薯切刀相接觸時(shí),開始切塊工作,在控制臺(tái)顯示切刀受到力的數(shù)值。

選取馬鈴薯品種、馬鈴薯含水率、馬鈴薯在試驗(yàn)臺(tái)的放置位姿3個(gè)因素,3種位姿[7]如圖2～圖4所示。將測(cè)得的馬鈴薯最大靜剪切力作為試驗(yàn)指標(biāo),馬鈴薯屬于固體粘彈性物料的一種,由于固體農(nóng)業(yè)物料性質(zhì)的特殊性,同一因素水平組合需進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)5次。

試驗(yàn)開始前,取馬鈴薯各個(gè)部位的組織塊若干,并將這些馬鈴薯組織塊切成小塊,然后平鋪在KeetMS100糧食谷物水分量?jī)x的托盤上;放下托盤蓋后按啟動(dòng)按鈕,待測(cè)量?jī)x發(fā)出滴滴聲,屏幕顯示END,顯示屏上顯示的數(shù)字即為馬鈴薯的含水率。

圖2 正放

圖3 側(cè)放

圖4 立放

試驗(yàn)過程中,馬鈴薯放置在載物靜壓盤上,當(dāng)切刀以5mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)、切刀接觸放置在載物盤上的馬鈴薯時(shí),在電腦和萬能試驗(yàn)機(jī)配套的軟件中顯示剪力數(shù)據(jù)[8];壓力數(shù)值逐漸增加,從顯示屏上看到壓力逐漸增加到某一數(shù)值,然后趨于平穩(wěn),最后數(shù)值緩慢減小,記錄這些壓力數(shù)值中的最大值;每組試驗(yàn)進(jìn)行5次,取平均值。

1.屏顯 2.天平置物架 3.烘干燈絲 4.功能按鈕

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。用Origin2017數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并繪制折線圖。

表1 馬鈴薯最大剪切力

表1中數(shù)據(jù)是不同含水率、不同品種、不同位姿下的最大靜切力值,每個(gè)馬鈴薯品種下設(shè)置3個(gè)馬鈴薯位姿水平,每個(gè)馬鈴薯位姿下設(shè)置3個(gè)含水率水平,利用EXCEL軟件和Origin數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件處理這些數(shù)據(jù),繪成折線圖直觀地表現(xiàn)切力值和這些因素之間的相關(guān)關(guān)系。散點(diǎn)折線圖橫坐標(biāo)為含水率(%),縱坐標(biāo)為切力大小(N),切力大小是表中對(duì)應(yīng)記錄的5個(gè)切力數(shù)值的平均值;正方形的小塊表示的是正放位姿時(shí)的切力數(shù)值大小,圓形的小塊表示的是側(cè)放位姿時(shí)的切力數(shù)值大小,三角形的小塊表示的是立方位姿時(shí)的切力數(shù)值大小。3個(gè)散點(diǎn)圖如圖6～圖8所示。

圖6 尤金885馬鈴薯含水率

圖7 克新13馬鈴薯含水率

圖8 農(nóng)家品種馬鈴薯含水率

3 核心部件試驗(yàn)

馬鈴薯種薯切塊機(jī)主要以機(jī)械式切塊為主(種薯切塊機(jī)整機(jī)構(gòu)造見圖9),核心部件之一為連軸切刀。但是,在實(shí)際工作過程中,切刀對(duì)薯的切力大小數(shù)據(jù)難以獲得,所以將切刀安裝在設(shè)計(jì)的卡具中,通過CTM2050萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行切力試驗(yàn),可方便快捷地測(cè)得所需的切力大小。切刀的參數(shù)為切刀厚度2.5mm,直徑380mm,最薄處1mm,刃口處打磨4mm。

圖9 馬鈴薯切塊機(jī)整機(jī)圖

用自制的切刀進(jìn)行試驗(yàn),切刀安裝圖為圖10所示。本試驗(yàn)馬鈴薯品種為克新13(市場(chǎng)上也稱黃麻子):含水率為77.76%,株型直立,苗期健壯幼苗生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng),株高65～70 cm,中晚熟,生育日數(shù)95～100天,復(fù)葉大小中等, 花冠白色, 結(jié)實(shí)性較強(qiáng), 塊莖圓形,黃皮淡黃肉,表皮有網(wǎng)紋,塊莖大而整齊,大中薯率90%以上,芽眼較淺。

圖10 切刀安裝圖

統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 切力值圖

由圖11可以看出:切力的大小和馬鈴薯相對(duì)切刀的位置有很大聯(lián)系,立放的馬鈴薯的切力值明顯大于正放和側(cè)放的馬鈴薯的切力值; 側(cè)放的馬鈴薯的切力也比正放的馬鈴薯的切力數(shù)值大。原因可能是馬鈴薯是固體粘彈性物料,在馬鈴薯生長(zhǎng)過程中內(nèi)部應(yīng)力大于外部應(yīng)力,在馬鈴薯芯部的密實(shí)程度大于表層的密實(shí)程度,因此在馬鈴薯芯部剪切力達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

1)馬鈴薯靜切試驗(yàn)表明:含水率對(duì)最大靜切力影響較大,細(xì)胞含水率比較高,表皮比較脆,切刀進(jìn)入阻力較小;含水率降低時(shí),表皮含水率下降明顯,因此對(duì)切刀進(jìn)入產(chǎn)生的阻力會(huì)快速增加,導(dǎo)致切力增大明顯。

其次是馬鈴薯品種,不同馬鈴薯品種各種物理特性相差較大,主要是其內(nèi)部馬鈴薯細(xì)胞之間的作用力對(duì)馬鈴薯靜切試驗(yàn)的影響較大。

2)馬鈴薯的切力數(shù)值和馬鈴薯相對(duì)切刀的位置有關(guān),立放的馬鈴薯的切力較正放和側(cè)放的切力大,且越靠近馬鈴薯芯部切力數(shù)值越大、馬鈴薯物料越密實(shí)。