辛青青,呂釗欽,2,劉理民,程祥勛,張萬枝,2

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2．山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018)

0 引言

馬鈴薯是我國重要的農(nóng)作物之一,被農(nóng)業(yè)部認(rèn)定為繼水稻、小麥、玉米之外第四大糧食作物,對(duì)于保障我國糧食安全和生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定具有重要作用。“十二五” 以來,我國馬鈴薯生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展,總產(chǎn)量超過9 000萬t[1]。馬鈴薯莖葉單產(chǎn)約18～55.95t/hm2,年產(chǎn)量約1.2～1.8億t,以可轉(zhuǎn)化率30%和青貯產(chǎn)品得率1∶0.4計(jì)算,可產(chǎn)青貯飼料1 440萬t[2]。馬鈴薯的秧藤和薯渣可以經(jīng)過青貯處理作為牲畜飼料,具有很高的回收利用價(jià)值。微生物發(fā)酵具有可改善馬鈴薯秧藤和薯渣的粗纖維結(jié)構(gòu)、改善適口性、降低毒素含量、提高營養(yǎng)價(jià)值和能穩(wěn)定貯存等特點(diǎn)[2],研究馬鈴薯秧的力學(xué)特性對(duì)馬鈴薯殺秧機(jī)、割秧機(jī)和馬鈴薯秧蔓切割機(jī)等農(nóng)用機(jī)械刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。馬鈴薯秧的物理特性試驗(yàn)指標(biāo)包括:壓縮、剪切、彎曲和拉伸,針對(duì)馬鈴薯秧蔓不同的處理方式,需要測(cè)定不同的物理特性指標(biāo),如對(duì)馬鈴薯割秧機(jī)的刀具進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí),需要測(cè)定馬鈴薯秧的密度、剪切強(qiáng)度及彈性模量等。國內(nèi)外對(duì)農(nóng)作物秸稈的力學(xué)特性研究起步較早,辛杰利用萬能試驗(yàn)機(jī)做拉伸試驗(yàn)對(duì)成熟期大蒜的莖稈進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度、起拔力等測(cè)試,研究了莖稈直徑大小、含水率多少、加載速度大小對(duì)大蒜莖稈抗拉強(qiáng)度的影響[3]。王帥等使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)玉米鮮秸稈進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn),獲得玉米秸稈的相關(guān)力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)[4]。

本文針對(duì)成熟期馬鈴薯秧進(jìn)行多因素分析,主要探討徑向剪切時(shí),取樣部位、含水率和剪切速度對(duì)馬鈴薯秧的單位直徑最大剪切力的影響規(guī)律,并進(jìn)行單因素分析和交互作用分析,為馬鈴薯殺秧機(jī)和馬鈴薯秧切割機(jī)的刀具設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料采集與研究方法

1.1 試樣采集

馬鈴薯秧樣本以中薯8號(hào)為試驗(yàn)對(duì)象,于2018年6月13日取自山東省泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院馬鈴薯種植基地?；貎?nèi)馬鈴薯種植模式為單壟單行種植,全部采用人工勞動(dòng)起壟,壟高25cm左右,壟距80cm左右,株距大約25cm。試驗(yàn)材料取樣時(shí)將馬鈴薯連根拔起,取樣后在馬鈴薯秧上撒上礦泉水,用保鮮膜包起來,做好保鮮工作,以保持馬鈴薯秧蔓含水量不因植物呼吸作用而產(chǎn)生較大變化;取樣后在實(shí)驗(yàn)室去除枝葉、分枝,留下主莖部分作為樣本。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)設(shè)備主要包括電子控制式萬能試驗(yàn)機(jī)(WDW-5E型)(見圖1)、水分烘干箱(見圖2)、電子天平、剪刀、游標(biāo)卡尺和直尺等工具。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖及載荷-位移關(guān)系圖可由計(jì)算機(jī)通過內(nèi)置程序計(jì)算,最終以描點(diǎn)方式給出關(guān)系圖,各點(diǎn)坐標(biāo)及結(jié)構(gòu)參數(shù)由計(jì)算機(jī)主動(dòng)生成的文件得出。

圖1 微機(jī)控制式電子萬能試驗(yàn)機(jī)

圖2 水分烘干箱

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 剪切試驗(yàn)

剪切試驗(yàn)前,先對(duì)馬鈴薯秧樣本進(jìn)行處理,去除葉子和側(cè)枝,留下主莖稈部分作為試驗(yàn)對(duì)象。從馬鈴薯秧根部向上每5cm進(jìn)行一次取樣,分別為下部(根部)、中下部、中部、中上部、上部(頂部)取樣,即同一根主莖上共取5次樣本,每個(gè)樣本的長度定為5cm。剪切試驗(yàn)時(shí),將樣本置于 V 型定位塊上,如圖3所示。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和農(nóng)作物秸稈粉碎處理回收機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化的需求,以單位直徑最大剪切力和剪切強(qiáng)度為目標(biāo)值,研究馬鈴薯秧含水率、取樣位置和剪切速率對(duì)兩個(gè)目標(biāo)值的影響關(guān)系。單位直徑最大剪切力為

(1)

式中Pj—甘薯秧單位直徑最大剪切力(N/cm);Fjmax—最大剪切力(N);

d—甘薯秧莖稈直徑(cm)。

1.3.2 含水率測(cè)定試驗(yàn)

試驗(yàn)采用干燥法測(cè)定馬鈴薯秧的含水率,使用上海第二五金廠生產(chǎn)的202-2型電熱干燥箱進(jìn)行馬鈴薯秧的烘干試驗(yàn)。在烘干試驗(yàn)前,將剪切試驗(yàn)后的馬鈴薯秧從剪切處兩側(cè)各取10mm作為干燥樣本進(jìn)行含水率測(cè)定;烘干時(shí),采用烘干溫度為105℃,每0.5h將馬鈴薯秧樣本從干燥箱中取出,測(cè)定其質(zhì)量,再放回干燥箱進(jìn)行烘干;當(dāng)相鄰兩次稱重的馬鈴薯秧樣本的質(zhì)量不再變化時(shí),即可認(rèn)其為馬鈴薯秧的干燥質(zhì)量。含水率為

(2)

式中G—樣本質(zhì)量(g);

g—樣本的干燥質(zhì)量(g)。

相信大多數(shù)朋友已經(jīng)對(duì)全畫幅數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展歷程比較熟悉了，今天我們就從一些重要節(jié)點(diǎn)入手，來看看全畫幅機(jī)型是如何一路走來發(fā)展至巔峰的。

1.4 響應(yīng)面分析法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究馬鈴薯秧的剪切特性時(shí),挑選符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的馬鈴薯秧的測(cè)試結(jié)果,采用三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合的設(shè)計(jì)方案,選取馬鈴薯取樣位置(A)、秧含水率(B)、剪切速率(C)為這3個(gè)因素設(shè)計(jì)方案,利用響應(yīng)面法分析試驗(yàn)結(jié)果,研究 A、B、 C 3個(gè)因素對(duì)馬鈴薯秧剪切力學(xué)特性的綜合影響,并建立各因素與馬鈴薯秧剪切力學(xué)特性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。表1為設(shè)計(jì)方案的編碼值和實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 設(shè)計(jì)方案編碼值與實(shí)際值對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)方案建立

將依據(jù)表1中各因素的水平,對(duì)表中各組試驗(yàn)方案進(jìn)行5次重復(fù),得到平均值后,將結(jié)果輸入三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)表。馬鈴薯秧莖的單位直徑最大剪切力與3個(gè)影響因素的試驗(yàn)方案及結(jié)果,如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

續(xù)表2

2.2 試驗(yàn)因素對(duì)馬鈴薯秧莖的單位直徑最大剪切力的影響分析

利用Design Expert 10軟件對(duì)馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將表2中的數(shù)值輸入到軟件中,利用軟件計(jì)算出獲得各因素編碼值與馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力Pj的回歸模型,即

(3)

對(duì)各項(xiàng)進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表3所示。

表3 馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力回歸模型的方差分析

由表3可知:所建立的馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力與試驗(yàn)因素之間的關(guān)系模型是極顯著的(P<0.01),失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05),說明本試驗(yàn)無其他因素的顯著影響,表明模型是合理的。在單因素效應(yīng)中取樣位置A的一次項(xiàng)(P<0.01)對(duì)馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力影響極顯著;取樣位置A的二次項(xiàng)(P<0.05)對(duì)馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力影響顯著;其他項(xiàng)(P>0.05)的影響均不顯著。

在雙因素交互效應(yīng)中,兩兩因素之間的交互效應(yīng)也不相同。但是各交互項(xiàng)的影響均不顯著(P>0.05)。

把回歸方程中的3個(gè)因素中的任意 2 個(gè)因素變成零水平,分別研究取樣部位(A) 、含水率(B) 、加載速度(C) 各自對(duì)馬鈴薯秧主莖單位直徑最大剪切力的影響(單因素影響),單因素影響回歸模型如下

取樣部位(A):Pj=0.75-0.37A+0.064A2

(4)

含水率(B):Pj=0.75-0.056B+0.020B2

(5)

加載速度(C):Pj=0.75-0.057C+0.059C2

(6)

由圖4可以看出:當(dāng)含水率、加載速度固定在零水平(B=0,C=0)時(shí),馬鈴薯秧主莖的單位直徑最大剪切力隨著取樣位置( 從上到下) 的變化表現(xiàn)出逐漸下降的曲線變化。

圖4 不同因素對(duì)馬鈴薯秧主莖單位直徑最大剪切力的影響

由此可見:同一株馬鈴薯秧莖底部單位直徑最大剪切力大于中部,中部單位直徑最大剪切力大于上部。由于馬鈴薯秧主莖由下到上的直徑逐漸減小,即所需要的剪切力就越來越小,因此單位直徑最大剪切力就越來越小。當(dāng)取樣部位、加載速度固定在零水平(A=0,C=0)時(shí),馬鈴薯秧主莖的單位直徑最大剪切力隨著含水率增加呈緩慢下降又逐漸平緩的曲線變化,變化趨勢(shì)并不明顯。可能是由于當(dāng)含水率較小時(shí)(<89% ) ,其主莖受植株木質(zhì)化影響,受到剪切時(shí)相對(duì)難以切斷;當(dāng)含水率逐漸升高時(shí)(90%～92%),馬鈴薯秧的主莖特性變得很脆,其單位直徑最大剪切力相對(duì)降低。當(dāng)取樣部位和含水率固定在零水平(A=0,B=0)時(shí),馬鈴薯秧的主莖單位直徑最大剪切力隨著加載速度的增加逐漸降低,但變化幅度不明顯,影響不顯著。

2.2.2 雙因素交互作用分析

在雙因素的交互作用中,取樣位置A、含水率B和剪切速度C交互因素對(duì)響應(yīng)值Y1影響的響應(yīng)面曲線圖如圖5～圖7所示。結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)可知,取樣位置和含水率的交互作用(AB)對(duì)單位直徑最大剪切力的影響相對(duì)其他影響因素的交互作用最大,含水率和剪切速度的交互作用(BC)對(duì)單位直徑最大剪切力的影響次之,取樣位置和剪切速度的交互作用(AC)對(duì)單位直徑最大剪切力的影響最小。取剪切速度為50 mm/min(C=0)時(shí),得到取樣位置和含水率的交互作用對(duì)單位直徑最大剪切力的回歸模型,如式(7)所示,其響應(yīng)面如圖6所示。

(7)

由圖5可以看出:同一含水率B情況下,隨取樣位置的升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力逐漸減小;同一取樣位置情況下,隨含水率的升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力逐漸減小。

圖5 含水率和取樣位置對(duì)馬鈴薯秧主莖單位直徑

由圖6可以看出:同一剪切速度情況下,隨取樣位置的升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力逐漸減小;同一取樣位置情況下,隨剪切速度的升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力逐漸減小。由圖7可以看出:含水率和剪切速度的交互作用對(duì)單位直徑最大剪切力的影響不明顯。

圖6 含水率和取樣位置對(duì)馬鈴薯秧主莖單位直徑最大

圖7 含水率和剪切速度對(duì)馬鈴薯秧主莖單位直徑

3 結(jié)論

1)以成熟期品種中薯8號(hào)為試驗(yàn)材料,通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法試驗(yàn)研究了取樣位置、含水率和剪切速度3個(gè)因素對(duì)馬鈴薯秧剪切力學(xué)特性的單因素影響和雙因素影響,并建立試驗(yàn)因素與馬鈴薯秧剪切力學(xué)特性之間的影響回歸模型。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明:在單因素作用中,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力隨著含水率的增加,取樣位置的升高和剪切速度的增加呈降低趨勢(shì);其中,含水率、剪切速度對(duì)目標(biāo)值影響的變化趨勢(shì)并不明顯,無顯著性影響。

3)在雙因素交互作用中,取樣位置和含水率的交互作用對(duì)馬鈴薯秧主莖的單位直徑最大剪切力的影響最明顯,而其他交互作用的影響不顯著。隨著含水率的增加和取樣位置的逐漸升高,馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力整體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)含水率大于90%、剪切速度大于50mm/min時(shí),馬鈴薯秧單位直徑最大剪切力整體變化的幅度不大。