白萝卜常规力学特性试验

!吕俊龙 杨 薇 郭 徽（昆明理工大学现代农业工程学院，云南省 昆明 650500）

白萝卜作为根菜类蔬菜，储藏量大、营养价值高，是中国的主要蔬菜之一［1］。现代医学研究［2］证实，白萝卜有促进消化、降低血脂、软化血管等众多功效，所以白萝卜及其提取物，在调节冬春蔬菜供应上有着重要的作用。在云南，白萝卜产业的发展促进了其蔬菜产业化的开发及农民的增收；但是其生产效率低、卫生条件差；这使得云南的白萝卜很少进入国内外的终端市场［3］。在国外，萝卜的生产加工已有很大发展，主要是腌渍干萝卜、萝卜丝等加工［4］。

目前，国内外对农业物料力学特性的研究逐渐增多，如Martin、Bajema、雷得天、徐树等［5－8］均对马铃薯进行了力学特性的相关研究，建立了力—变形关系曲线，计算出了其破损应力、弹性模量等力学指标，并分析了影响其力学特性指标的各种因素；王荣等［9］对葡萄和番茄的力学特性进行了试验研究，对整体葡萄和番茄的力—位移、刚度与变形的关系进行了试验测定与分析；张洪霞等［10］通过对萝卜的力学性质的试验研究，获得其常规的力学参数，为其加工处理提供必要的理论依据。

国内外针对白萝卜加工的研究进展缓慢，相关文献［10］较少且所考察的因素不够全面。本研究拟以加载部位、方向、速度和含水率为影响因素进行试验，以弹性模量为试验指标，分析各因素对白萝卜常规力学特性的影响，为白萝卜的采收分级、运输储藏、质量检测和实际生产加工提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料

白萝卜：品种为春白玉，购于云南市场。选取大小基本一致，无病虫害的新鲜白萝卜进行试验。

1.1.2 主要仪器设备

电热鼓风干燥箱：101－2型，上海试验仪器厂有限公司；

电子式拉力试验机：WDS－2C型，济南思达测试技术有限公司；

电子分析天平：BL310型，精度0.001g，德国赛多利斯集团；

游标卡尺：量程0～150mm，精度0.02mm，成都成量工具有限公司。

1.2 试验方法

白萝卜样品初始湿基含水率按照中国GB 5009.3—2010《食品安全国家标准 食品中水分的测定》标准进行测定，其范围为93.90～96.34g/100g，平均值为95.12g/100g。每组试验取6个样品，结果取平均值。

白萝卜力学特性试验采用单因素试验［11］：① 在其它参数固定的情况下对加载部位（上部、中部、下部）进行试验，并对其结果进行分析，找出最具代表性的部位作为下次试验的样品；② 加载方向的试验，方法同上，依此类推。试验样品的尺寸为40mm×40mm×40mm，每个样品试验后可在电子式拉力试验机的显示屏上观察到试样的力—变形曲线，见图1。

图1 白萝卜压缩的力—变形曲线Figure 1 The compressional force－deformation curve of white radish

由图1可知，图中ab段表示力值随变形量的增大而增大，在变形达到b点时，力值达到最大，即峰值或破裂力Fmax的值，b点对应下的变形量即是达到破裂力时对应的变形量ΔL，此时可观察到试样有一道明显的裂缝和出水现象，说明白萝卜已经破损；此后设备仍对白萝卜进行压缩，力值随着变形量的增大而减小，这一点可以从图1中bc段看出；cd段则表明压缩到c点时，试样已被破坏，设备便停止继续压缩开始自动返回，这一返回的过程，力急剧变小直到为零，而变形量则为c点所对应的变形量。

弹性模量按式（1）计算：

式中：

E——弹性模量，MPa；

σ——应力，MPa；

ε——应变；

Fmax——试样受到的破裂力，N；

A——试样受力面积，mm2；

L——试样初始长度，mm；

ΔL——试样破裂时对应的变形量，mm。

2 结果与分析

白萝卜的力学特性试验条件如未特殊注明，试验样品的含水率均是初始湿基含水率（95.12g/100g），加载速度均为10mm/min，加载方向均为轴向。

2.1 加载部位对白萝卜弹性模量的影响

图2 白萝卜不同部位的弹性模量Figure 2 The elastic modulus in different parts of white radish

由图2可知，白萝卜中部的平均弹性模量为2.16MPa，上部为2.11MPa，下部为2.07MPa；说明白萝卜不同部位的力学性能存在差异，其中部的抗压能力较强，下部较弱，故后续试验均采用白萝卜的中部作为样品。

2.2 加载方向对白萝卜弹性模量的影响

由图3可知，白萝卜轴向压缩时弹性模量为2.19MPa，径向弹性模量为1.98MPa，差异较明显；这与张洪霞等［10］研究所得的萝卜不同方向存在差异的结果是一致的；由此可以得出，白萝卜是各向异性的，且白萝卜轴向抗压能力比径向抗压能力强，故后面均按轴向施力的加载方式进行试验。

图3 白萝卜在不同加载方向的弹性模量Figure 3 The elastic modulus in different loading directions of white radish

2.3 加载速度对白萝卜应力、弹性模量的影响

由表1可知，加载速度的改变会对应力、弹性模量等力学性质产生影响，但其影响没有加载方向对力学性质的影响大。由表2可知，在α为0.05的情况下，F＝0.715＜Fcrit＝2.759，说明加载速度对弹性模量的影响不显著。

表1 白萝卜在不同加载速度的应力、弹性模量Table 1 The stress，elastic modulus in different loading speeds of white radish

表2 加载速度对弹性模量的方差分析Table 2 The ANOVA of loading speeds to the elastic modulus

2.4 不同含水率下白萝卜的应力、弹性模量

由表3可知，含水率的变化会对白萝卜的力学性质产生影响。由图4可知，弹性模量、应力值随含水率的降低呈线性增大，这与前人［12，13］得出的一些农业物料弹性模量随着含水率降低而增大的结果一致。究其原因，随着含水率降低，白萝卜逐渐变干、变硬甚至脆化，使干物质变得更加紧凑坚固，其抗压能力变得越来越强，弹性模量也越来越大。由表4可知，含水率与应力、弹性模量呈明显的线性关系。

表3 白萝卜在不同含水率下的应力、弹性模量Table 3 The stress，elastic modulus in different moisture content of white radish

图4 白萝卜应力、弹性模量随湿基含水率的拟合曲线Figure 4 The fitting curves of elastic modulus and stress of white radish with moisture content on wet basis

表4 白萝卜不同含水率下应力、弹性模量的回归方程Table 4 The regression equation of stress，elastic modulus in different moisture content of white radish

3 结论

（1）白萝卜中部的弹性模量最大，即其抗压能力最强，上部次之，下部最弱；白萝卜是各向异性的，且轴向抗压能力比径向抗压能力强。

（2）含水率与弹性模量、应力呈明显的线性关系，均随着含水率的减小而增大。

（3）白萝卜在分级装箱、运输及储藏过程中建议竖着装箱，避免其径向受力。

1 朱信阳，李军民.白萝卜的开发价值及其栽培技术［J］.中国果菜，2010（3）：28～29.

2 尹显锋，刘丹.浅谈白萝卜的开发利用现状［J］.中国果菜，2011（26）：139～142.

3 长戈.云南萝卜产业的崛起与前瞻［J］.致富天地，2006（4）：43.

4 王春丽，张贵生.萝卜的研究价值及开发应用前景［J］.长江蔬菜，2011（10）：57～59.

5 Martin G，Alison E.Fracture strengths of potato tissue under compression and tension at two rates of loading［J］.Food Research International，1995，28（4）：397～402.

6 Bajema R W，Hyde G M，Baritelle A L.Turgur and temperature effects on dynamic failure properties of potato tuber tissue［J］.Transactions of the ASAE，1998，41（3）：741～746.

7 雷得天，马小愚.马铃薯组织破坏时的力学性能及其流变学模型［J］.农机机械学报，1991（2）：63～67.

8 徐树来，魏晓东，刘磊，等.固体农业物料力学特性的研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，1998，10（3）：40～44.

9 王荣，焦群英，魏德强，等.葡萄与番茄宏观力学特性参数的确定［J］.农机工程学报，2004，20（2）：54～57.

10 张洪霞，许昌龙，曾明.萝卜的常规力学性质的试验研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2003，15（2）：79～81.

11 潘丽军，陈锦权.试验设计与数据处理［M］.南京：东南大学出版社，2007.

12 李季成，权龙哲，罗立娜.稻米含水率对其弹性模量的影响［J］.东北农业大学学报，2008，39（4）：1～4.

13 吴明清，郭文松，李传峰.红枣含水率对其弹性模量的影响分析［J］.塔里木大学学报，2013，25（3）：14～17.