收獲期甘薯秧蔓的力學(xué)特性試驗＊

（泰安市計量科學(xué)研究所, 山東 泰安 271000）

甘薯起源于南美洲熱帶地區(qū)，又稱紅薯、地瓜、山芋等，是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料、優(yōu)質(zhì)抗癌保健食品及新型的能源用料[1]。甘薯在世界上廣大地區(qū)都得到種植，而中國是世界上最大的甘薯生產(chǎn)國，常年甘薯種植面積為600余萬hm2，占中國耕地總面積的4.2%，約占世界的60%，總產(chǎn)量約1.2億t，約占世界甘薯總產(chǎn)量的86%[2]。

甘薯是長藤蔓作物，其秧蔓產(chǎn)量高，秧蔓上長有須根，并貼地生長，可將整個壟及地面覆蓋[3]。因此甘薯收獲機(jī)械化必須考慮甘薯秧蔓的處理問題，甘薯挖掘收獲前必須清除秧蔓，否則后續(xù)挖掘收獲無法開展[4]。目前，國外甘薯秧蔓的處理主要以秧蔓直接粉碎還田為主、以收集運(yùn)出作飼料為輔。我國機(jī)械化處理甘薯秧蔓也是主要采用秧蔓直接碎粉還田技術(shù)，但現(xiàn)有的甘薯秧蔓處理機(jī)仍然存在很大的局限性，如工作阻力大、留茬長度長、粉碎合格率低、傷薯率高等問題一直以來都未得到有效的解決，這些問題嚴(yán)重制約著該項技術(shù)的應(yīng)用和推廣[5]。

收獲期甘薯秧的力學(xué)特性是影響甘薯秧粉碎處理機(jī)的秧蔓粉碎長度合格率、壟頂留茬長度等主要作業(yè)指標(biāo)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要因素，因此研究甘薯秧力學(xué)性能不僅對甘薯秧粉碎處理機(jī)切割裝置的設(shè)計及作業(yè)參數(shù)確定提供理論依據(jù)，而且對于選擇合理的甘薯收獲期也有一定指導(dǎo)意義[6-7]。

1.試驗材料與方法

1.1 試樣采集

甘薯秧樣本取自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)甘薯種植基地。以商薯19號為試驗對象，收獲期的甘薯秧蔓如圖1所示，5月初栽，10月中上旬收獲，一年一季種植，種植模式為單壟單行種植，壟距為900mm，株距為250mm。甘薯塊常年經(jīng)驗收獲時間從10月13日開始，為使研究更充分，本次采樣時間從10月7日開始，10月28日結(jié)束，每3d取樣一次，共采樣9批次。采樣時從距離地面2cm的根管處剪斷，取樣后在實驗室去除分枝、枝葉，留下主莖桿部分作為試驗對象。采集的商薯19號的秧蔓直徑在0.58cm～0.96cm。

1.2 試驗儀器

該試驗用到的試驗設(shè)備主要包括：微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)、電熱干燥箱、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院研發(fā)的甘薯秧粉碎處理機(jī)、電子天平以及游標(biāo)卡尺、卷尺等。

1.3 試驗方法

1.3.1 甘薯秧剪切試驗

甘薯秧剪切試驗在WDW-5E微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，其力傳感器和位移傳感器精度分別在±1%以內(nèi)。取甘薯秧長度50mm，將試樣置于V型定位塊上，在WDW-5E型微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)上分別以10mm/min和20mm/min的加載速度對每次采集的試樣進(jìn)行2組剪切試驗，如圖2所示。每次試驗測試5次，最后取平均值，比較加載速度的不同對剪切力的影響變化規(guī)律。

圖2 甘薯秧剪切試驗

1.3.2 含水率測定

對測量完剪切特性的試樣，立即進(jìn)行含水率測量試驗。含水率測量試驗中，將做完試驗的樣本進(jìn)行標(biāo)號與稱量，然后放入電熱干燥箱以100℃～105℃的溫度下干燥8h后，從中選2～3個試樣進(jìn)行第1次稱量。以后每隔2h稱量一次，至最后兩次稱量之差不超過0.002g時，即認(rèn)為試樣達(dá)到全干。取出后放至干燥皿中恢復(fù)室溫即可稱量。甘薯秧含水率按下式進(jìn)行計算：

式中：w—含水率，%；m—樣品重，g；ms—烘干后的質(zhì)量，g。

2.試驗結(jié)果與分析

2.1 含水率試驗結(jié)果

甘薯秧含水率試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 甘薯秧含水率隨時間變化

從圖3可以看出：10月7日采樣時的含水率為85.82%，10月28日采樣時的含水率為70.21%，21d內(nèi)甘薯秧含水率下降了15.61%，甘薯收獲期甘薯秧含水率隨著生長時間的增長而降低。經(jīng)驗收獲期10月13日的甘薯秧含水率為83.28%。

2.2 剪切試驗結(jié)果

在剪切試驗中，萬能試驗機(jī)刀具加載速度分別為10mm/min和20mm/min時，得到剪切力數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 甘薯秧剪切力隨時間變化

由圖4可以看出：當(dāng)加載速度為10mm/min時，10月7日采樣時的剪切力為68.9N，10月28日采樣時的剪切力為118.4N，21天內(nèi)甘薯秧剪切力增加了39.5N，經(jīng)驗收獲期10月13日的甘薯秧剪切力為72.1N。甘薯收獲期甘薯秧剪切力隨著生長時間的增長而增加，實質(zhì)上是隨著含水率的降低而增加。因為隨著生長期的增長，甘薯秧的含水率下降，由于水分的減少，甘薯秧逐漸老化而失去活性，秧蔓韌性不斷增強(qiáng)，故剪切力呈增加趨勢。當(dāng)加載速度為20mm/min時，10月7日采樣時的剪切力為79.6N，10月28日采樣時的剪切力為121.9N，21d內(nèi)甘薯秧剪切力增加了43.8N，經(jīng)驗收獲期10月13日的甘薯秧剪切力為82.7N。對比曲線圖可以看出切割速度增大，產(chǎn)生的剪切力增大。

3.結(jié)論

利用電熱干燥箱、電子萬能試驗機(jī)對收獲期品種商薯19號甘薯秧進(jìn)行了剪切試驗和含水率的測定，研究了甘薯秧含水率、刀片加載速度對剪切力的影響變化規(guī)律。

（1）10月7日采樣時的含水率為85.82%，10月28日采樣時的含水率為70.21%，21d內(nèi)甘薯秧含水率下降了15.61%，說明甘薯收獲期甘薯秧含水率隨著生長時間的增長而降低。

（2）進(jìn)行剪切試驗時，當(dāng)加載速度為10mm/min和20mm/min時，剪切力均呈上升趨勢，說明甘薯收獲期甘薯秧剪切力隨著生長時間的增長而增加，即隨著含水率的降低而增加；加載速度為20mm/min時的剪切力比加載速度為10mm/min的剪切力要大，說明甘薯秧剪切力隨著切割速度的增加而增大。