成熟期大蒜茎秆力学特性的试验研究

辛 杰，侯加林，李玉华，吴彦强，王后新，姜广民

(1. 山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018；2. 山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018；3.金乡县通达机械制造有限公司，山东 金乡 272200)

0 引言

我国大蒜行业现状调查研究显示，2016年我国大蒜种植面积总计达到37.9万～40.5万hm2，占全球大蒜种植面积的60%以上[1]。目前，我国大蒜的种植和收获主要依靠人工完成，作业效率低，强度大，现有的大蒜联合收获机作业质量不高，这些问题已成为制约我国大蒜产业发展的瓶颈[2]。为此，一些农学专家对大蒜几何特征和营养成分进行统计分析，但并未涉及茎秆的力学特性的分析，因此这些数据对大蒜联合收获机的设计指导意义不大。针对上述问题，本研究以山东金乡县卜集镇孙桁村为实地考察点，采用随机性、分类性和对角线原则，不仅对大蒜的物理性能指标进行田间统计分析[3]，而且对大蒜茎杆的力学特性进行室内试验，分析大蒜茎秆的抗拉强度和挤压强度、松土前后起拔力等力学特性，揭示茎秆直径、含水率、加载速度对拉断力的影响关系，以期为进一步设计大蒜联合收获机提供可靠的理论基础[4]。

1 试验准备

1)试验设备：测力仪(数显式拉力计)、数显游标卡尺、卷尺、鼓风干燥箱、电子天平、土壤硬度计、土壤容重测试仪(环刀法)及微机控制电子万能试验机。

2)试验材料：成熟期整株大蒜，品种为金乡白蒜。2017年5月20-23日在金乡县卜集镇孙桁村进行了大蒜的物理学特性试验；2017年5月24日在山东农业大学机电学院实验室进行大蒜茎秆的拉伸强度和挤压强度试验。

3)土壤环境：试验地土壤为沙土性土壤，含水率(21.09±4.07)%，硬度(12.12±3.24)kg/cm2，容重(1.31±0.26)g/cm3。

2 试验方法

2.1 采样点的布置

采用随机性原则，选取了试验地点3处，每个地块分别在地头、地边和田间进行取样；田间取样的方法采用对角线原则[3]，随机抽取100个样本，做好标记放入密封袋，带回实验室进行统计分析。

2.2 大蒜物理特性的测定

根据大蒜生物学特性，结合收获机械的设计要求[5-7]，随机选取100个样本，测量每个样本的基本几何特性。选择蒜株高度、蒜头高度、茎秆直径、蒜头质量、蒜头直径、根须群长度、根须群直径及含水率作为大蒜几何特征的评价指标，并分析预测其变化区间及分布规律[3]。

2.3 大蒜茎秆力学特性的测定

分别采用万能试验机和数显游标卡尺测量大蒜茎秆样本底部(距地面50～130mm)最大拉断力和拉断位置直径，茎秆的抗拉强度由大蒜茎秆拉断力与拉断部位直径的比值表示，即公式(1)。随机选取10个样本进行测量，则

(1)

其中，Pi为第i个样本大蒜茎杆的抗拉强度(MPa)；Di为第i个样本大蒜茎杆的直径(mm)；Fi为第i个样本大蒜茎杆的拉断力(kN)。

为了研究影响拉断力的因素以及各因素与拉断力之间的关系，在单因素试验研究的基础上，采用正交试验的设计方案[8]，以大蒜茎秆的拉断力F作为试验指标，对大蒜茎秆直径A、含水率B、加载速度C等因素展开正交试验研究，对这3个因素选取3个水平，因素水平表如表1所示[9-10]。

表1 因素水平表Table 1 Factor levers

2.4 大蒜起拔力的测定

2.4.1大蒜自然生长状态下和经过挖掘铲松土后的起拔力测定

随机选取20个样本，将绳子通过弹簧秤系在自然生长状态下和经过挖掘铲在大蒜底部疏松土后的大蒜茎秆底部，拔出大蒜，读取并记录最大拉力。

2.4.2 大蒜松土位置的确定

在自然生长状态下，大蒜与土壤黏结力较大。按照挖拔式大蒜联合收获机设计方案，为了顺利拔取收获，需要研究仿形松土铲在大蒜一侧疏松土壤的位置对大蒜起拔力的影响规律，寻求松土距离和松土深度参数优化组合。采用析因试验方法，以大蒜起拔力为目标函数，以松土距离和松土深度为影响因素，寻求影响起拔力规律和松土位置参数优化组合[11]。应用仿形松土铲对大蒜一侧土壤进行疏松，测量大蒜所需起拔力，松土方法与试验方案如图 1 和表2所示。每组试验随机选取 50 个样本，应用软件 Design-Expert进行数据处理。

a-松土距离 b-松土深度 1.大蒜 2.挖掘铲

表2 试验方案Table 2 Experimental plans

2.5 大蒜茎秆挤压强度的测定

取试样应通直，测量试样的长度和直径数据精确到0.01mm，大蒜径向压缩试验在万能试验机上进行。试样夹具采用平面压块，将试样置于平面支座中心位置，以一定的度加载，记录破坏载荷。大蒜茎秆抗压强度计算式为

(2)

其中，σi为第i个样本大蒜茎杆的挤压强度(MPa)；Fmax为第i个样本大蒜茎杆的破坏载荷(kN)；Li为第i个样本大蒜茎杆的标距长度(mm)；Di为第i个样本大蒜茎杆的标距试样直径(mm)。

3 结果与分析

3.1 大蒜物理特性试验分析

根据测试指标，测试项目的汇总统计数据如表3所示。同时，对大蒜主要特征指标进行了统计研究。

蒜株高度、蒜根群长度、蒜根群直径、含水率等4个参数的概率分布直方图如图2～图5所示。由图2可以看出：株高主要分布在[340，360]mm，占样本总数的74%。由图3可以看出：蒜根群长度主要分布在[78，86]mm，占样本总数的69%。由图4可以看出：蒜根群直径主要分布在[88，92]mm，占样本总数的65%。由图5可以看出：茎秆含水率主要分布在[82，91]%，占样本总数的78%。

表3 大蒜物理学特性试验的统计参数Table 3 Basic physical parameters of garlic

图2 蒜株高度概率分布直方图Fig.2 Total height probability distribution histogram of garlic

图3 蒜根群长度概率分布直方图Fig.3 Height probability distribution histogram of garlic

图4 蒜根群直径概率分布直方图Fig.4 Height probability distribution histogram of garlic

图5 含水率概率分布直方图Fig.5 Height probability distribution histogram of garlic

3.2 大蒜茎秆抗拉强度的试验分析

测定结果如表4所示。大蒜茎秆的抗拉强度为[0.66，0.93]MPa，对应的拉断力为[73.97，157]N，即收获期大蒜茎秆的最小抗拉力为73.97N。

表4 大蒜茎秆的抗拉强度Table 4 Tensile strength of garlic stalk

3.2.1 单因素试验分析

1)茎秆直径对大蒜茎秆拉断力的影响。试验加载速度为10mm/min，取直径分别为10、12、14、16、18mm的含水率相同的大蒜茎秆试样做拉伸试验，结果如图6所示。由图6可知：当直径为12mm时，大蒜茎秆的拉断力为74N；当直径为14mm时，大蒜茎秆的拉断力上升为141N；当直径为18mm时，大蒜茎秆的拉断力继续上升为176N。

图6 茎秆直径对大蒜茎秆拉断力的影响Fig.6 Effect of stalk diameter on stretching force of garlic stalk

2)含水率对大蒜茎秆拉断力的影响。试验加载速度为10mm/min，取含水率分别为40.37%、68.37%、80.12%、86.82%、89.37%直径相同的大蒜茎秆试样做拉伸试验，结果如图7所示。由图7可知：当含水率为40.37%时，大蒜茎秆的拉断力达到了213.12N；当含水率为68.37%时，大蒜茎秆的拉断力急剧减小到168.57N；当含水率为80.12%时，大蒜茎秆的含水率继续呈现下降的趋势，拉断力为160.39N；当含水率为86.82%和89.37%时，大蒜茎秆的含水率又呈现下降的趋势，拉断力分别为153.55N和151.51N，二者相差不大。

图7 含水率对大蒜茎秆拉断力的影响Fig.7 Effect of moisture content on pulling capacity of garlicstalk

3)加载速度对大蒜茎秆拉断力的影响。取含水率为 86.82%直径相同的大蒜茎秆作为试样，加载速度分别取10、40、70mm/min 进行拉伸试验，结果如图8所示。由图8可知：随着大蒜茎秆试样加载速度的增加，拉断力逐渐增大，达到最大数值之后，呈现下降趋势；当加载速度为10mm/min 时，大蒜茎秆的拉断力达到168.38N；当加载速度为40mm/min 时，大蒜茎秆的拉断力呈现上升趋势，达到 169.68N；当加载速度为70mm/min 时，大蒜茎秆的拉断力又呈现下降的趋势，达到167.23 N。

图8 加载速度对大蒜茎秆拉断力的影响Fig.8 Effect of loading speed on stretching force of garlic stalk

3.2.2 正交试验结果分析

对大蒜茎秆的拉伸试验选用 L9(34)做3因素3水平正交试验。试验的因素主要选取直径、含水率、加载速度，试验指标选用拉断力。正交试验结果如表5所示。

表5 大蒜茎秆拉断力正交试验结果Table 5 Orthogonal experimental results of garlic stem breaking force

由表 5可以看出：影响大蒜茎秆拉断力的因素次序为茎秆直径A>含水率B>加载速度C；拉断茎秆需要最小力的组合为A1B3C3，即直径为12mm、加载速度为70mm/min、含水率为86.82%。原因可能是：含水率较高时，茎秆的纤维比较软，容易被拉断；含水率低时，纤维的密度相对较大，组织更加细密，木质纤维更硬，抗拉性能更明显[9]；同时，加载速度越大，冲击大蒜茎秆的能量也越大，茎秆就更容易断裂。

3.3 大蒜起拔力学特性的试验分析

分别对自然生长状态下和经过松土的大蒜进行起拔力的测试，统计分析结果如表6所示。对试验结果进行比较分析可以看出：经挖掘铲松土后，大蒜起拔力显著降低。因此，有必要在大蒜收获工艺中加入挖掘装置。

表 6 大蒜起拔力统计分析结果Table 6 statistical analysis results of garlic pulling force

自然生长状态下，大蒜起拔力的概率分布直方图如图9所示。其中，起拔力主要分布在[120，150]N，大约占70%以上。在实际试验中，由于一些大蒜起拔力较茎秆的抗拉力大，存在部分大蒜茎秆被拉断的现象，所以只依靠夹持输送装置难以实现大蒜的拔取。

图9 大蒜松土前拔取力概率分布直方图Fig.9 Select force probability distribution histogram before garlic digging

大蒜松土后的拔取力概率分布直方图如图 10所示。由图10可知：经挖掘铲松土以后，大蒜起拔力均主要分布在[24，27]N，约占70%以上，远远小于自然生长状态下的起拔力。由此更加证明了在大蒜收获工艺中利用挖掘铲进行松土、在夹持输送装置的作用下可以实现向上拔取输送，从而可以大大降低人工作业强度，提高作业效率。

大蒜起拔力的影响与多种因素有关，如土壤的湿度、粘度、硬度及大蒜的体积、质量、根部长度等都会影响到大蒜的起拔力[12]，但是松过土的大蒜的起拔力明显降低，因此松土的深度和距离对大蒜起拔力的影响较为明显。为了验证大蒜起拔力与松土的深度和距离的关系，以及确定松土的位置，利用软件Design -Expert分析结果如图 11所示。

图10 大蒜松土后的拔取力概率分布直方图Fig.10 Select force probability distribution histogram after garlic digging

图11 松土位置对大蒜拔取力的影响Fig.11 Influence of the loosen locationpulling force of garlic

由图11可知：随着松土深度的增加，大蒜起拔力呈线性减小的变化趋势；随着松土距离的增加，大蒜起拔力呈线性增大的变化趋势。这表明，松土深度越大、松土距离越小，松土效果越显著，拔取大蒜所需拉力越小。按照松土后大蒜起拔力应小于大蒜茎秆的拉断力(即起拔力小于等于53.1N)的原则，对松土位置进行优化分析，结果如图12所示。

当松土深度为9～18cm、松土距离为2～10cm 时，拔取收获大蒜所需拉力为23～53N。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；为降低大蒜的损伤率，松土铲应在满足条件下距大蒜越远越好。综合大蒜根部入土深度和大蒜种植时直线度对松土位置进一步优化得出：当松土深度9～18cm、松土距离2～10cm时，拔取收获大蒜所需拉力小于53.1N，且不会发生拔断现象。

图12 大蒜优化分析图Fig.12 Optimization analysis plot of garlic

3.4 大蒜茎秆挤压强度的试验分析

大蒜茎秆压缩试验在10mm/min加载速率条件下,测试不同部位大蒜茎秆的抗压强度，如表7所示。

表7 不同部位的大蒜茎秆试样抗压强度分析结果Table 7 Statistical analysis results of compressive strength of garlic stem samples in different positions

由表7可知：大蒜茎秆的挤压强度的最大值是0.93MPa，最小值是0.72MPa,平均值是0.78MPa。大蒜茎秆底部的最大破坏载荷高于上部的，但是挤压强度不一定高于上部，原因是越靠近根部，含水率越高，直径越大，挤压力就越大。由式(2)可知：底部挤压力较大，受力面积也大，但底部抗压强度却不一定大[13]。因此，在设计夹持带的过程中可以增大带宽，来降低挤压强度，从而避免茎秆被夹断而影响收获效率。

4 结论

1)正交试验表明：直径、含水率、加载速度的不同对大蒜茎秆的拉断力均有影响，其中直径的影响最大，含水率次之，加载速度最小。

2)通过对大蒜起拔力与松土过程中挖掘的深度和距离进行回归分析可知：经挖掘铲松土后大蒜起拔力与挖掘的深度和距离有明显相关性，影响大蒜起拔力的因素依次是挖掘深度>挖掘距离。同时，得出大蒜最小起拔力的最优组合为：挖掘深度9～18cm，挖掘距离2～10cm。此时所需拔取力小于53.1N，不会发生拔断漏收现象。

3)大蒜茎秆挤压试验表明：大蒜茎秆的挤压强度的最大值是0.93MPa，最小值是0.72MPa，平均值是0.78MPa。所以，在设计皮带夹持过程中，挤压强度最大不能超过0.72MPa，避免将大蒜茎秆夹断，从而影响大蒜收获效率。