蔗芽剪切力學特性試驗研究

沈中華,董志康,陳萬委,夏愛強,曹衛(wèi)華

(桂林理工大學 機械與控制工程學院,廣西 桂林 541000)

0 引言

甘蔗屬于多年生禾本科甘蔗屬植物,繁殖方式可分為有性繁殖和無性繁殖。其中,有性繁殖依靠甘蔗頂端的花穗進行繁育,是人工進行雜交選育新品種的主要途徑,無性繁殖則是通過蔗芽生長發(fā)育成完整植株[1-2]。由于甘蔗抽穗開花受緯度、海拔和品種等條件的限制,有性繁殖不適用甘蔗種植產(chǎn)業(yè),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中種植甘蔗一般采用蔗芽無性繁殖的方法。在機械化收獲和運輸過程中,蔗芽因其凸出的形狀容易受到損傷,尤其是在甘蔗剝?nèi)~工序中高速旋轉(zhuǎn)的剝?nèi)~元件在剝除蔗葉的同時會對蔗芽造成破壞,影響蔗種發(fā)芽率。因此,降低蔗種的傷芽率是蔗種收獲生產(chǎn)機械的設計目標之一。

目前,國內(nèi)外學者已經(jīng)對大豆、稻谷、玉米等農(nóng)產(chǎn)品種子進行了大量的力學特性研究[3-7]。楊亞洲等[8]對花生仁進行壓縮與剪切特性試驗,得出不同放置方式與調(diào)濕比例下的受力變化規(guī)律。邱述金等[9]以含水率、剪切速率、剪切方向為試驗因素,對裸燕麥籽進行剪切剖壞力學特性試驗,獲得各因素對剪切破壞力和剪切破壞能的影響規(guī)律。張松等[10]得到的鮮蓮子剪切試驗結(jié)果表明:含水率、放置時間與刀具角度對鮮蓮子的剪切破裂力和變形量有顯著影響,為鮮蓮子去殼機提供參考。張永麗等[11]分析玉米籽不同部位、不同含水率下的剪切特性,結(jié)果表明:玉米籽的剪切強度與其組成成分、含水率有關?？祮⑿碌萚12]對蕌頭種子三軸方向進行壓縮和剪切試驗,結(jié)果表明:施力方向和加載速度對蕌頭種子的力學特性影響顯著,在Y軸方向的抗壓抗剪能力較強。張夢月等[13]在不同加載速率、不同加載方向下對芋頭進行壓縮和剪切試驗,測定出芋頭的破裂力和剪斷力。郭穎杰等[14]測試出參類種子在不同種類、含水率、放置方向、剪切速度下的剪切性能。目前,對上述各類農(nóng)產(chǎn)品的力學特性研究已經(jīng)取得了較多成果,但尚沒有以蔗芽為研究對象的力學特性研究。為此,通過研究不同甘蔗品種下加載方向、加載速率和取樣高度對蔗芽剪切力學特性的影響規(guī)律,并結(jié)合試驗結(jié)論設計柔性繩碎葉輥,有效降低蔗種在剝?nèi)~過程中的傷芽率,旨在為蔗種相關收獲和生產(chǎn)機械的設計研發(fā)提供參考。

1 甘蔗剝?nèi)~過程受力分析

甘蔗的剝?nèi)~系統(tǒng)主要由喂入喂出輥、剝?nèi)~輥等組成,為提高剝?nèi)~效率且降低含雜率,整個剝?nèi)~系統(tǒng)還會加入碎葉輥和除雜輥等機構(gòu),起到輔助剝?nèi)~的效果。甘蔗在通過高速旋轉(zhuǎn)的輥子時,輥子上的元件接觸打擊蔗葉,使得蔗葉脫離莖稈以達到剝?nèi)~的目的,但由蔗葉包裹的蔗芽同時會受到剝?nèi)~元件和碎葉元件的打擊作用。現(xiàn)取碎葉輥上的單個碎葉元件與蔗芽的接觸點A進行受力分析,如圖1所示。

圖1 蔗芽受力分析圖Fig.1 Force analysis of sugarcane cane buds

輥子在旋轉(zhuǎn)時,離心力F打擊蔗芽表面,該力可分解成水平分力Fx和垂直分力Fy,其垂直方向上的分力穿透蔗葉后會對蔗芽造成剪切損傷,剝?nèi)~輥上剝?nèi)~元件對蔗芽的作用力同理。因此,對蔗芽進行剪切力學試驗,有利于分析剝?nèi)~過程中蔗芽的損傷機理與蔗種相關機械的研發(fā)。

(1)

(2)

(3)

式中F—蔗芽所受打擊力(N);

Fx—蔗芽所受水平分力(N);

Fy—蔗芽所受垂直分力(N);

I—碎葉元件轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2);

ω—碎葉輥角速度(r/min);

r—接觸點至輥子圓心距離(m);

θ—接觸點A與輥子圓心之間連線與垂直線之間夾角(°)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

側(cè)芽是植物形態(tài)構(gòu)件的重要組成部分,甘蔗的側(cè)芽即稱為蔗芽,左右交替著生在蔗節(jié)處,且每個莖節(jié)只生1個。由于受到頂端優(yōu)勢與外界條件等因素的影響,蔗芽暫處于休眠狀態(tài),當頂端優(yōu)勢消失或利于蔗芽發(fā)育的基因表達時可生長成完整植株[15-16]。蔗芽屬于鱗芽,最外層由幾片鱗片狀特化葉包裹,可以保護芽的內(nèi)部抵御寒冷、干旱以及蟲害等,內(nèi)部由生長點、幼葉、葉原基、芽原基、芽軸等組成[17]。對蔗芽沿三軸切割后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,芽軸與幼葉占據(jù)了整個蔗芽的大部分體積。

1.芽鱗 2.幼葉 3.芽軸圖2 蔗芽結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of sugarcane bud

試驗選用桂林市農(nóng)業(yè)科學研究中心收獲的中蔗14號與桂糖42號。在大量取樣過程中發(fā)現(xiàn),甘蔗最低處1～2個莖節(jié)上的蔗芽大部分會出現(xiàn)空芽、發(fā)芽、爛牙等情況。為了準確區(qū)分試樣分組,在甘蔗不同高度部位取樣時每個部位高度約占甘蔗整體的1/3,且間隔2～3個莖節(jié),以上、中、下代表,并挑取飽滿規(guī)則、無損傷、無病蟲害的蔗芽。由于蔗芽無法像其他農(nóng)作物產(chǎn)品單個整體進行試驗,故以蔗芽所在的莖節(jié)為中心,將甘蔗從兩端切斷成10mm左右的小段,制作成如圖3所示樣本。為避免水分流失等不確定因素對試驗的影響,試樣采集制作與剪切試驗在3天內(nèi)完成。

2.2 試驗設備

試驗在WDW-10微機控制電子萬能試驗機上進行,為避免試驗過程中刀具剪切到莖稈,根據(jù)蔗芽平均尺寸采用如圖4所示的自制剪切刀頭,材質(zhì)為45鋼;數(shù)顯游標卡尺(精確度0.01mm,量程0～200mm)用于測量蔗芽尺寸;其它輔助類儀器材料包括V型夾具、卷尺及切割刀等。

圖3 部分試驗樣本圖Fig.3 Partial test samples

1.剪切刀頭 2.蔗芽 3.V型夾具圖4 蔗芽剪切示意圖Fig.4 Method of sugarcane bud shearing

2.3 試驗方法

試驗前,將自制剪切刀頭安裝在萬能試驗機連接頭上,蔗芽試樣放置在V型夾具上卡住固定,啟動試驗機調(diào)節(jié)刀具高度;當?shù)毒呦陆蹬c蔗芽剛好相接觸時,暫停刀具加載,調(diào)整夾具與試樣位置,使蔗芽與刀頭垂直對齊。試驗時,刀具以設定的加載速度豎直向下運動,對蔗芽進行剪切,觀察微機控制臺中的參數(shù)變化,當顯示剪切曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點且剪切力下降時,表明蔗芽已經(jīng)受到剪切破壞,立即停止當前剪切試驗,得到的力-變形曲線如圖5所示。

圖5 蔗芽剪切破壞力—變形曲線圖Fig.5 Shearing force versus displacement curve of sugarcane bud

當剪切力未達到蔗芽屈服點時,力與位移之間近似于線性關系,此時蔗芽受力結(jié)構(gòu)主要是表面的芽鱗。隨著刀具的不斷切入并達到芽鱗最大破壞極限破壞后,芽鱗被切斷,蔗芽結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,芽鱗失去對芽內(nèi)部的保護作用,剪切力急劇下降;此時,蔗芽受力是幼葉與芽軸等結(jié)構(gòu)組織,由于蔗芽內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的抗剪強度遠低于芽鱗,剪切力維持在一定范圍內(nèi)波動,直至蔗芽被完全剪切穿透后,刀頭接觸到蔗莖,剪切力又開始急劇上升,故將芽鱗屈服點所對應的作用力大小作為蔗芽所能承受的最大剪切力,記錄此時最大剪切力數(shù)值。

3 試驗設計

試驗采用3×3×2析因設計來分析取樣高度(A)、剪切方向(B)和加載速率(C)及其交互作用對蔗芽剪切破壞力的影響,具體方案如表1所示。其中,A因素與C因素取3個水平,B因素取2個水平。

表1 3×3×2析因設計試驗方案表

在中蔗14號與桂糖42號兩個品種中,隨機挑選長勢良好、莖稈直挺、粗細基本一致的甘蔗制成試驗樣本。以中蔗14號為例,研究加載速率對蔗芽剪切力學性能影響時,取樣高度與剪切方向相同,選擇加載速率1、2、3mm/min為試驗因素。研究不同取樣高度下的蔗芽剪切試驗時,加載速率與剪切方向相同,以上、中、下為為試驗因素;研究不同剪切方向下蔗芽的剪切力學性能時,加載速度與取樣高度相同,對蔗芽進行橫向與縱向剪切(見圖4)。兩個品種蔗芽分別進行18組試驗,每組重復5次。為防止試驗出現(xiàn)異樣,每組多設置2個樣本備用,共計252個樣本。。

4 試驗結(jié)果與分析

表2 中蔗14號蔗芽剪切破壞力結(jié)果

表3 桂糖42號蔗芽剪切破壞力結(jié)果

由分析結(jié)果可以看出:下部的蔗芽被橫向剪切時所受剪切破壞力最大,中蔗14號為21.56N左右,桂糖42號為20.68N左右;上部蔗芽縱向剪切時所受剪切力最小,中蔗14號為10.22N左右,桂糖42號為9.14N左右。兩個品種的甘蔗蔗芽剪切力學性能略有差別,但因素影響變化相同。取樣高度對剪切破壞力具有極顯著影響(P<0.01),在相同的加載速率下,蔗芽的所能承受的最大剪切力隨著取樣高度的增加而減小。其主要原因是:甘蔗上部(尾梢)的幼芽未發(fā)育完全,芽鱗較軟,對芽的保護性較低,而靠近下部(根部)的蔗芽表層細胞木質(zhì)化、栓質(zhì)化嚴重,當蔗芽遭到破壞時芽鱗起到一定的支撐保護作用。

剪切方向?qū)φ嵫康募羟衅茐牧τ袠O顯著影響(P<0.01),加載速率相同時,同一部位的蔗芽橫向剪切時所受的剪切力大于縱向剪切時所受的剪切力。分析試驗過程可知:由于縱向剪切時刀具刃口與蔗芽維管束生長方向平行,蔗芽的破壞形式主要是維管束之間的開裂,薄壁組織受到破壞,而橫向剪切時刀具刃口是將維管束橫向切斷。薄壁組織的力學性能遠低于維管束,故蔗芽在橫向剪切時的剪切力要大于縱向剪切時的值[18]。

不同加載速率下的剪切破壞力顯著性檢驗結(jié)果表明:在1～3mm/min的范圍內(nèi),加載速率對蔗芽的剪切破壞力無顯著影響(P>0.05),即不同加載速率下的蔗芽剪切破壞力差異不大。3個因素之間交互作用的方差結(jié)果表明:取樣高度與剪切方向之間的交互作用對兩個品種的剪切破壞力有顯著影響(P<0.05),而與加載速度有關的交互作用對蔗芽的剪切破壞力沒有顯著影響(P>0.05)。

表4 中蔗14號蔗芽剪切破壞力析因設計方差分析結(jié)果

表5 桂糖42號蔗芽剪切破壞力析因設計方差分析結(jié)果

根據(jù)上述方差分析結(jié)果,建立多元線性回歸方程。由于取樣高度和剪切方向為分類變量,剪切方向為二分類變量,對其賦值編碼橫向為0,縱向為1,以x3表示;取樣高度為多分類變量,需要將其重新編碼轉(zhuǎn)變?yōu)閱∽兞?選取“上”水平為參照變量,設置兩個啞變量引入回歸模型,取值如表6所示。進行多因素虛擬回歸,檢驗分析結(jié)果如表7所示。多項式回歸擬合的決定系數(shù)均接近于1,說明所得多元線性模型擬合效果較優(yōu)[19-20]。

表6 取樣高度與啞變量的對應關系

5 蔗種碎葉機構(gòu)設計

5.1 結(jié)構(gòu)設計

甘蔗尾梢的蔗葉含水率高且包裹緊實,在剝?nèi)~過程中較難處理,部分甘蔗剝?nèi)~機型為更好地剝離尾梢蔗葉,內(nèi)部的碎葉輥采用鋼制碎葉元件。當甘蔗整稈經(jīng)過碎葉輥時,碎葉元件能夠沿甘蔗莖稈撕裂蔗葉;但達到較優(yōu)剝?nèi)~效果的同時,會穿透葉鞘對蔗莖和蔗芽產(chǎn)生碰撞、擠壓、刮擦等損傷,不利于蔗種剝?nèi)~[21-22]。

為減少蔗種在剝?nèi)~過程中的損傷,且蔗葉能被有效剝除,根據(jù)上述蔗芽力學特性試驗結(jié)果設計柔性繩碎葉輥,如圖6(a)所示。其碎葉元件采用尼龍材料的柔性繩,相較于剛性材料的碎葉元件,柔性繩允許蔗種尾梢部分橫向通過柔性繩碎葉輥,在碎葉的同時能大大減少蔗種的傷芽率。

表7 取樣高度與剪切方向?qū)φ嵫考羟辛Φ幕貧w模型

5.2 試驗設計

為進一步驗證柔性繩碎葉輥的工作效果,采用與剛性碎葉輥對比的試驗方法。其中,剛性碎葉元件由彈簧鋼繞制而成,如圖6(b)所示。在剛性碎葉輥的工作過程中,甘蔗由喂入輥輸送至剛性碎葉輥,剛性碎葉元件沿著莖稈方向縱切整根甘蔗的蔗葉,將未脫落的蔗葉撕裂成碎條狀,后一級剝?nèi)~輥將整根甘蔗上的殘余蔗葉剝離干凈,如圖7所示。在柔性碎葉輥的工作過程中,甘蔗尾梢橫向通過柔性繩碎葉輥,柔性繩將尾梢的蔗葉打擊碎裂,對其他部位蔗葉與蔗芽沒有接觸,再由喂入輥縱向輸送至剝?nèi)~輥,將中下部易剝離的干枯蔗葉以及尾梢殘余蔗葉剝除。兩組試驗中各級輥筒的轉(zhuǎn)速相同,采用未斷尾處理的甘蔗單根喂入,各重復10次取平均值。

圖6 碎葉輥Fig.6 Leaf crushing rollers

含雜率Hz與傷芽率Sy作為此次的試驗指標,具體計算公式為

(4)

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式中Hz—含雜率(%);

m1—剝?nèi)~后殘留在莖稈上的蔗葉等雜質(zhì)量(kg);

m—剝?nèi)~后莖稈與殘留在莖稈上雜質(zhì)的總質(zhì)量(kg);

Sy—傷芽率(%);

n1—剝?nèi)~后破損的蔗芽數(shù)量(個);

n—蔗種莖稈上蔗芽的總個數(shù)(個)。

圖7 蔗種輸送方向圖Fig.7 Sugarcane seed transport direction diagram

5.3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表8所示。

表8 對比試驗結(jié)果

由表8可知:蔗種經(jīng)柔性繩碎葉輥碎葉后的含雜率要高于剛性碎葉輥,但傷芽率得到降低。由于剛性碎葉元件順著蔗葉纖維將蔗葉撕開,利于剝?nèi)~輥剝?nèi)~處理,故含雜率較低;但也因其剛度較大易對蔗芽造成的損傷,導致傷芽率高。因柔性繩碎葉元件只對尾梢蔗葉進行碎葉處理,且剛性要低于彈簧鋼碎葉元件,故傷芽率較低。對于蔗種來說,殘余過多的蔗葉會影響到甘蔗的播種質(zhì)量,但含雜率不需要達到榨糖廠要求的含雜率標準(Hz<3%)[23],柔性繩碎葉輥能夠達到蔗種剝?nèi)~的要求。

6 結(jié)論

1)通過析因設計分析中蔗14號與桂糖42號兩個甘蔗品種在取樣高度、剪切方向與加載速率3個因素影響下蔗芽剪切破壞力的影響規(guī)律,并建立了影響因素與蔗芽剪切破壞力之間的力學模型。試驗結(jié)果表明:兩個品種的甘蔗蔗芽力學性能略有差異,但因素影響規(guī)律相同。蔗芽在受到剪切破壞時,其主要受力結(jié)構(gòu)是芽鱗,在剪切過程中對蔗芽起到了一定的保護作用;當芽鱗被完全破壞后,蔗芽內(nèi)部組織開始受到破壞,由于內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的力學性能低于芽鱗,剪切力迅速下降,故蔗芽最大剪切破壞力主要來源于表面的芽鱗。

2)不同取樣高度下的蔗芽剪切破壞力差異較大,隨著取樣高度的增加,芽鱗的發(fā)育程度變低,剪切破壞力逐漸降低。剪切方向?qū)φ嵫考羟衅茐牧σ灿休^大差異,且與蔗芽維管束生長方向有關,橫向剪切時的剪切破壞力要大于縱向剪切時的值。不同加載速率對蔗芽剪切破壞力沒有顯著影響,在3個因素的交互作用下,取樣高度與剪切方向之間的交互作用對蔗芽剪切破壞力影響顯著。

3)通過蔗芽剪切力學特性試驗所得結(jié)論,設計出柔性繩碎葉輥,相較于現(xiàn)有的剛性碎葉輥,柔性繩碎葉輥能夠有效降低蔗種傷芽率,且達到碎葉的目的。