北方胡萝卜的物理力学特性研究

2012-02-20陈海涛任珂珂顿国强

东北农业大学学报 2012年5期

韩凤，陈海涛，任珂珂，顿国强

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

胡萝卜（Carrot）为伞形科草本植物，原产亚洲西南部，栽培历史在2000年以上，现栽培于整个温带地区。胡萝卜的品种很多，按色泽可分为红、黄、白、紫等数种。其根供食用、营养丰富，具有很高的食用、美容、药用等价值。随着人们生活水平提高，对其需求量越来越大[1]。然而，我国的胡萝卜生产机械装备，尤其是收获机械，却极为匮乏，无法满足机械化、规模化生产之需求。

胡萝卜的基本物理力学参数是其生产机械装备设计与开发最根本的依据，是使机械装备、工艺和操作规程达到最大工作效率、最优质量的基础[2]。目前，关于胡萝卜物理力学特性的研究主要集中在切片加工工艺和外观品质方面。如郭宽对天津地区不同品种胡萝卜切分加工物理性能进行研究[3]；罗国亮在胡萝卜品种及栽培模式对比试验初报中对不同品种胡萝卜的田间性状、产量和外观品质进行研究[4]；任霄云在胡萝卜品种比较试验及综合性状评价中对不同品种胡萝卜的物理性状和产量进行研究[5]。但这些研究成果还不足以为胡萝卜收获机器系统的研发提供充分的科学依据。

本研究以收获期胡萝卜为研究对象，通过其基本几何特性参数测定，探索其形状分布规律；通过其根茎结合部的抗拉强度测定分析，求得胡萝卜收获时可施加的最大拔取力，寻求松土位置对胡萝卜拔取力的影响规律，找出理想的松土位置，为胡萝卜拔取收获机器系统的开发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2010年10月8日～10月10日在东北农业大学香坊实验实习基地进行。研究对象为北方栽培的胡萝卜。其种植模式为垄作条播，垄距70 cm，垄高12 cm，垄顶宽度35 cm，垄台坡度∠67°。

1.2 仪器及装置

DGG—9070AD型电热恒温鼓风干燥箱（上海森信试验仪器有限公司）、土壤硬度仪（0～40 mm，0～500 kg·cm－2）、YB电子天平（上海海康电子仪器厂）、环切刀、卷尺（量程：3 m；精度：1 mm）、ACS—30电子计价秤（华鹰衡器有限公司）、YB电子天平（上海海康电子仪器厂）、500－181 CD－15CP数显式游标卡尺（Mitutoyo Copy）、数码相机、ScnImage、WDW－5微机电子式万能试验机（济南试验机厂）、拉力计（量程：50 kg；精度：0.1 kg）、数显式拉力计（量程：10 kg；精度：0.01 kg）等。

1.3 方法

1.3.1 土壤环境的测定

选择土壤含水率、土壤硬度和土壤容重三个参数为土壤物理特性指标评价[6]。

土壤含水率采用烘干法，参照NY/T 52－1987土壤水分测定法实施；土壤强度采用土壤硬度仪直接测量；土壤容重采用环刀法，由式（1）计算。三项指标均分别随机在10处采集10份土样，以其均值作为测量结果。

式中，dvi－第 i份土样的土壤容重（g·cm－3）；Mi－第i份土样的湿土重（g）；V－环刀容积（cm3）；Wi－土壤含水量（%）。

1.3.2 胡萝卜几何特性的测定

参照萝卜生物学，结合拔取式萝卜收获机的设计要求[7－9]，选择胡萝卜植株总长度、根部长度、根部最大直径、根部最小有效直径、距根茎结合部2 cm处茎叶直径、根部有效重量、自然状态下的茎叶高度、最大直径和1/2高度处直径等参数作为萝卜几何特征的评价指标，分别测量每个样本的基本几何特性，用数理统计的方法，分析预测其变化区间及分布规律。结合农业物料学理论，抽象出胡萝卜的几何模型为截头正圆锥体[2]，如图1所示。其体积和表面积分别用公式（2）和（3）表达。随机采集100个样本。

式中，V－胡萝卜体积（mm3）；S－胡萝卜表面积（mm2）；D、d－胡萝卜根部最大和最小有效直径（mm）；L－胡萝卜根部长度（mm）。

图1 胡萝卜几何模型Fig.1 Geometric model of the carrot

1.3.3 胡萝卜根茎结合部抗拉强度的测定

测量胡萝卜样本的根茎结合部拉断力和根茎结合部直径，用结合部拉断力与结合部面积的比值表示根茎结合部抗拉强度，由式4计算。随机选取100个样本。

式中，Pi－第i个胡萝卜样本根茎结合部的抗拉强度（Pa）；Di－第i个胡萝卜样本根茎结合部的直径（m）；Fi－第i个胡萝卜样本根茎结合部的拉断力（N）。

1.3.4 胡萝卜拔取力的测定

1.3.4.1 胡萝卜自然生长状态下拔取力的测定

将绳子通过拉力计系在自然生长状态下的胡萝卜茎叶或根茎上，拔出胡萝卜，读取并记录最大拉力。随机选取50个样本。

1.3.4.2 拔取收获胡萝卜松土位置的确定

在自然生长状态下，胡萝卜与土壤粘结力较大。为了顺利拔取收获，对胡萝卜周边的土壤进行疏松。需要测定松土位置对胡萝卜拔取力的影响规律，寻求松土距离和松土深度参数优化组合。采用因析试验方法，以胡萝卜拔取力为目标函数，以松土距离（松土铲至胡萝卜边缘间的距离）和松土深度为影响因素，寻求影响拔取力的规律和松土位置参数的优化组合[10]。模拟松土铲对胡萝卜周边土壤进行疏松，测量胡萝卜所需拔取力，试验方案见表1。每组试验随机选取50个样本，应用软件Design－Expert Version 6.0.10进行数据处理。

表1 试验方案Table 1 Experimental plan

2 结果与分析

2.1 土壤物理参数

测定结果见表2。土壤的含水率23.60%±7.35%，土壤强度（12.10±5.07）kg·cm－2，土壤容重（1.17±0.30）g·cm－3，试验地土壤结构状况具有代表性。

表2 土壤物理特性参数Table 2 Physical parameters of the soil

2.2 胡萝卜几何特性

胡萝卜几何特征评价指标的测定统计分析结果如表3所示。

表3 胡萝卜基本物理特性参数Table 3 Basic physical parameters of the carrot

根据样本参数的平均值和标准偏差可预测出胡萝卜几何特征评价指标的变化区间[10]。胡萝卜植株总长度为[416.2，911.8]mm；根部最大直径为[14.8，74.8]mm；根部最小有效直径为[12.4，32.8]mm；约有95%根茎有效重量为[9，313]g；茎叶自然状态高度为[112.4，599.6]mm；茎叶自然状态最大直径为[129.5，1 038.5]mm；根茎体积的变化区间为[49 443.26，300 486.26]mm；根茎表面积的变化区间为[3 529.3，32 503.3]mm2。胡萝卜根部入土深度、距根茎结合部2 cm处茎叶直径、茎叶1/2高度处直径三个参数概率分布直方图分别如图2a、2b、2c所示。由图2a知，胡萝卜根部入土深度主要分布在（90，190）mm，占总样本数的94%，约有98%的胡萝卜根部入土深度小于等于190 mm；由图2）知，胡萝卜距根茎结合部2 cm处茎叶直径主要分布在（4，24）mm，占总样本数的96%，约有90%的胡萝卜距根茎结合部2 cm处茎叶直径大于等于8 mm。由图2c知，胡萝卜茎叶1/2高度处直径主要分布在（30，240）mm，占总样本数的94%。约有88%的胡萝卜茎叶1/2高度处直径大于等于60 mm。

图2 胡萝卜主要物理参数概率分布直方Fig.2 Distribution probability histogram of main physical parameters of the carrot

2.3 胡萝卜根茎结合部抗拉强度

测定结果见表4。约有95%胡萝卜根茎结合部抗拉强度变化区间为（4.85，18.69）×105Pa，对应的抗拉力为（62.08，239.23）N。

2.4 胡萝卜拔取力测定结果及分析

2.4.1 自然状态土壤下胡萝卜拔取力

在自然状态土壤下，胡萝卜被拔出所需拉力测量结果如表5所示。约有95%胡萝卜拔取力的变化区间为（73，247）N。测定过程中，存在萝卜茎叶被拉断的现象，这是因为有相当数量的胡萝卜拔取收获所需拉力较其根茎结合部抗拉力大。由此可见，对自然生长状态下的胡萝卜采用直接拔取方式行收获是困难的。

表4 胡萝卜根茎结合部抗拉强度Table 4 Anti-tensile strength between the carrot's stem and root

表5 自然状态土壤下胡萝卜拔取力Table 5 Pulling force of the carrot in natural soil

2.4.2 拔取收获胡萝卜松土位置的确定

松土深度和距离对胡萝卜收获拔取力的影响，经软件Design－Expert 6.0.10分析结果见图3。由图3可知，随着松土深度的增加，胡萝卜拔取力呈线性减小的变化趋势；随着松土距离的增加，胡萝卜拔取力呈线性增加的变化趋势。表明松土深度越大、松土距离越小，松土效果越显著，拔取收获胡萝卜所需拉力越小。按照松土后胡萝卜的拔取力应小于胡萝卜的根茎抗拉力，即拔取力小于等于60 N的原则，对松土位置进行优化分析，结果见图4。当松土深度为11→20 cm，松土距离为4→14 cm时，拔取收获胡萝卜所需拉力为15→60 N。为减少收获机械的动力消耗，松土铲应在满足条件下入土深度越小越好；为降低胡萝卜的损伤率，松土铲应在满足条件下距胡萝卜越远越好；综合胡萝卜根部入土深度和萝卜种植时直线度对松土位置进一步优化得出：松土深度15～19 cm，松土距离8～13 cm，此时拔取收获胡萝卜所需拉力小于60 N，不会发生拔断现象。

图3 松土位置对胡萝卜拔取力的影响Fig.3 Influence of the loosen location on pulling force of the carrot

图4 优化分析Fig.4 Optimum analysis plot

3 结论

在胡萝卜种植模式为垄作条播，土壤环境为含水率23.60%±7.35%、强度（11.87±4.97）Pa、容重（1.165±0.29）g·cm－3条件下，对收获期胡萝卜的物理力学特性得出结论如下：

a.植株总长度（664±247.8）mm，根部最大直径（44.8±30）mm，根部最小有效直径（22.6±10.2）mm，茎叶自然状态高度（356±243.6）mm，茎叶自然状态最大直径（584±454.5）mm，根部体积（174 964.8±125 521.5）mm3，根部表面积（18 016.3±14 487）mm2；约有98%的胡萝卜根部入土深度小于等于190 mm；约有90%的胡萝卜距根茎结合部2 cm处茎叶直径大于等于8 mm；约有88%的胡萝卜茎叶在其1/2高度处直径大于等于60 mm。

b.约有95%的胡萝卜根茎结合部抗拉强度为（11.77±6.92）×105Pa，抗拉力为（150.7±88.6）N；

c.在收获期胡萝卜自然生长状态下，约有95%胡萝卜所需拔取力为（160±87）N；

d.对胡萝卜采用拔取收获方式必须伴随松土作业工艺过程；

e.拔取收获胡萝卜松土位置参数优化组合为松土深度15～19 cm，松土距离8～13 cm，所需拔取力小于60 N，不会发生拔断漏收现象。

[1]刘李峰.我国胡萝卜产业发展现状分析[J].上海蔬菜,2006(2):4－6.

[2]周祖锷.农业物料学[M].农业出版社,1994.

[3]郭宽,胡云峰,等.不同品种胡萝卜切分加工物理性能研究[J].食品科学,2004,3(11):184－185.

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[6]邵明安,王全九,黄明斌.土壤物理学[M].高等教育出版社,2006.

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