成熟期菜心莖稈切割力學特性測試

凌燕梅，馬稚昱，韋鴻鈺，褚 璇，劉洪利

(仲愷農業工程學院機電工程學院，廣東 廣州510225)

0 引言

我國是蔬菜種植面積最大的國家，2019年蔬菜播種面積2 086.274萬hm2，占農作物總播種面積的12.57%，蔬菜年產量達到72 102.56萬t，同比增長2.5%[1-4]。葉菜作為我國蔬菜種植的主要品目之一，適應性廣、一年四季均可播種，是人們纖維素攝入的重要來源[5-8]。但目前菜心的收獲主要以人工收獲為主，收獲效率低，作業強度高，勞動成本和生產成本高，已不適應蔬菜標準化、規劃化、全程機械化發展需求。而切割是葉菜收獲裝置的主要工序，影響到整個葉菜的收獲作業，開展葉菜莖稈切割力學特性的研究，可為葉菜機械化收割裝置的研制提供重要的理論依據[9-10]。

目前，國內外對于蔬菜莖稈力學特性的研究很多，主要集中在生菜、油菜、大蔥、韭菜、雞毛菜、甘藍和上海青等蔬菜莖稈力學特性參數的研究，而對菜心莖稈的力學特性參數及切割力的影響因素鮮有報道，幾乎見不到針對菜心的收獲裝置[11-16]。菜心是一種屬于不結球白菜亞種的葉類蔬菜，品種多樣，種植面積和消費市場逐年擴大，也是一種相對容易實現機械化收獲的蔬菜種類，最有可能利用現有裝備和技術實現全程機械化作業，而且在廣東利用設施可以實現周年生產供應。因此，本研究通過對不同品種菜心莖稈的切割力學特性及影響其切割力大小的因素進行研究，以期為菜心機械化采收裝置設計提供重要的依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料

試驗材料為2020年11—12月在仲愷農業工程學院現代設施農業智能裝備實驗室的溫室內種植的菜心莖稈，菜心種子來自于廣東省良種引進服務公司提供的國內3種典型菜心品種青野尖葉、青翠和青崎。試驗前期首先進行穴盤育苗，育苗基質配比為泥炭∶蛭石∶珍珠巖=3∶1∶1，播種后每天保持育苗基質濕潤；在幼苗長至3葉1心時，選擇生長良好的壯苗進行移栽到種植槽內，移栽間距100 mm。移栽25 d左右菜心進入采收期，確保菜心生長良好、無病蟲害，隨機選取新鮮整株植株為試驗樣本，共選取450棵直徑在(13±2)mm的樣本進行試驗。為防止蔬菜失水影響試驗數據，取回樣本后，對樣本進行保濕處理，保證在4 h內完成試驗。

1.2試驗儀器

為了模擬菜心直立生長狀態下進行切割，并得到切割過程中的切割曲線及切割力，利用DS2-50N數顯推拉力計設計了一臺菜心根部莖稈切割試驗裝置，如圖1所示，其中主要結構由運動部分、數顯測力計、切割刀具、固定夾具、數據顯示、滑軌、底座和調氣閥組成。由于葉菜在切割過程中切割位置在根上部1～2 cm位置，因此固定夾具的夾持部分采用軟質材料，模擬葉菜在直立生長狀態下夾持葉菜根部，露出根上部的切割位置，便于切割。裝有切割刀具的測力計被安裝在運動底座上，不可自由移動；底座安裝在滑軌上，在氣缸的帶動下可自由移動，氣缸的行程為50 mm范圍內。測力計采用DS2-50N型數顯推拉力計，測量范圍為0～50 N，精度±0.5 N，通過調整氣缸進出口調氣閥控制切割的速度。

1.運動部分 2.數顯測力計 3.切割刀具 4.固定夾具 5.數據顯示 6.滑軌 7.底座 8.調氣閥圖1 切割試驗裝置Fig.1 Cutting experimental device

1.3試驗參數

試驗過程中直接對3個品種的樣品莖稈直徑和含水率分別測量，并對試驗樣品進行編號，每組試驗樣本10個。以切割刀類型、切割速度及品種為主要影響因素，以切割力為測定指標，分別采用單因素和混合正交試驗分析法，對處于收獲期的菜心莖稈的切割力學特性進行了對比試驗。切割刀類型分別選取斜刀、直刀和圓刀，刀片為厚度0.5 mm的不銹鋼。如圖2所示，首先將不同類型的刀具固定在測力計的前端，再將樣本植株固定在夾具內，而后分別以6、8、10、12和14 m/min的加載速度驅動刀具對菜心莖稈進行切割，直至將莖稈完全切斷為止，測取切割過程中的切割曲線及最大切割力。采用SPSS 25、DSP數據處理系統進行數據統計分析和優化設計試驗，方差分析中P<0.05具有統計學意義，利用Origin 2018進行繪圖。

圖2 切割試驗與切割刀類型Fig.2 Cutting test and cutter type

2 結果與分析

2.1形態特征參數

3種采收期菜心整株形態如圖3所示，青崎植株最高、葉片比較大、節間距離較大；青翠整株比較矮、葉片較小、節間距離短；青野尖葉株高較高、葉片展開比較大、節間長。經測量統計，3種菜心的莖稈直徑、鮮質量、干質量及含水率如表1所示。3個菜心品種在莖稈直徑、鮮質量和干質量上均存在很明顯的差異。青崎莖稈直徑、鮮質量和干質量都明顯大于其他2個品種，而青野尖葉直徑、鮮質量和干質量都最小。3種菜心含水率的差異并不明顯。

圖3 菜心試驗樣本Fig.3 Sample of Brassica parachinensis shear test

表1 不同品種菜心收獲期物理形態參數

2.2單因素試驗

2.2.1不同品種菜心對莖稈切割力的影響

參考高國華等[17]研究結果，試驗條件設定為切割刀類型選擇滑切方式的斜刀，切割速度為10 m/min，品種選擇葉菜種植的3個典型品種青野尖葉、青翠、青崎，每組試驗重復10次，試驗結果如圖4所示。在切割過程中切割刀接觸莖稈，對莖稈進行擠壓、切割，隨著切割位移的增大切割力增大，當切割位移達到莖稈直徑一半位置時切割力達到最大，然后隨著切割位置的增大切割力開始變小。3個典型菜心品種的莖稈在切割過程中的切割力變化存在極顯著差異(P<0.001)，其中青翠莖稈切割中的切割力最大，其次是青崎莖稈，切割力最小是青野尖葉莖稈。

圖4 不同品種對切割力的影響Fig.4 Effects of different varieties on shear strength

2.2.2不同切割刀類型對莖稈切割力的影響

以青崎菜心為試驗對象，在切割速度為10 m/min的條件下，采用直刀、斜刀、圓刀3種不同切割刀對收獲期內菜心莖稈進行切割試驗，每組試驗重復10次，試驗結果如圖5所示。在同一切割速度下，不同類型切割刀在莖稈切割過程切割力的變化趨勢相似，都是在切割位置達到莖稈直徑一半時切割力達到最大。3種類型切割刀對莖稈的最大切割力具有較顯著影響(P=0.002)，其中圓刀對莖稈進行切割試驗過程中的最大切割力最小，其次是斜刀，而采用直刀進行莖稈切割試驗獲得的最大切割力是最大的。

圖5 不同刀型對切割力的影響Fig.5 Effects of different types of knife on shear strength

2.2.3不同切割速度對莖稈切割力的影響

分別在切割速度為6、8、10、12和14 m/min條件下，采用斜刀對收獲期的青崎菜心進行莖稈切割試驗，研究不同切割速度對切割力的影響，每組試驗重復10次，試驗結果如圖6所示。不同加載速度下青崎菜心莖稈切割力曲線有明顯的差異，隨著切割速度的減小，切割時間增加，切割曲線的中心向右移。在整個切割過程，刀具開始接觸菜心根莖部到刀刃壓迫莖部表皮切入莖稈內部的過程，切割力隨著刀具的運動逐漸成非線性增加，直到達到最大值，隨后隨著割刀運動切割力下降。切割速度顯著的(P<0.001)影響最大切割力，隨著切割速度的增大，最大莖桿切割力降低。

圖6 不同切割速度對切割力的影響Fig.6 Effects of different cutting speed on shear strength

2.3正交試驗

葉菜收獲過程莖稈切割具有一定復雜性，試驗因素與評價指標之間呈現非線性關系，為確定參數最佳組合，根據單因素試驗的結果與分析，采用U15(32×51)3因素混合正交試驗設計原理，以菜心品種、切割刀類型及切割速度為自變量，切割力為因變量，試驗因素水平表如表2所示，每組試驗重復10次。

表2 試驗因素水平

試驗結果如表3所示，各因素極差大小順序為RA>RB>RC，即切割速度(A)是影響莖稈切割力大小的主要因素，菜心品種(B)次之，切割刀類型(C)對莖稈最大切割力的影響最小。

表3 最大莖稈切割力試驗結果及極差分析

由圖7可知，切割刀類型的影響曲線較為平整，表示對莖稈切割力的影響不明顯。菜心品種的影響曲線較切割刀類型變動范圍大，說明對莖稈切割力有一定的影響。切割速度變動范圍最大，說明對莖稈切割力的影響最大，即切割速度越大，莖稈切割力越小。綜上所述，極差分析獲得最佳組合為A4B1C2，即采用斜刀，在切割速度為12 m/min下，對青野尖葉菜心莖稈的最大切割力最小。

圖7 最大切割力-因素曲線Fig.7 Relationship of greatest shear strength and factors

在SPSS 25軟件中，對所得試驗結果進行方差分析，結果如表4所示，切割速度和品種對最大切割力的影響極顯著，F值分別為32.463和15.02，P值均小于0.001；切割刀類型對最大切割力影響顯著，F值為4.931，P值為0.009。各因素對莖稈最大切割力影響的主次順序與極差分析結果一致。

表4 最大切割力方差分析結果

3 結論

(1)不同品種的菜心莖稈所需的切斷阻力不同，莖稈直徑越小所需切割力越小；斜刃切刀所需切割力最小；隨著切割速度的增大，莖稈切割力降低。

(2)在切斷裝置設計時，優先考慮影響切割力的因素由大到小依次是切割速度、品種和切割刀類型。