收获期甘薯秧蔓的力学特性试验＊

2020-03-15

中国科技纵横 2020年18期

（泰安市计量科学研究所, 山东泰安 271000）

甘薯起源于南美洲热带地区，又称红薯、地瓜、山芋等，是重要的粮食、饲料、工业原料、优质抗癌保健食品及新型的能源用料[1]。甘薯在世界上广大地区都得到种植，而中国是世界上最大的甘薯生产国，常年甘薯种植面积为600余万hm2，占中国耕地总面积的4.2%，约占世界的60%，总产量约1.2亿t，约占世界甘薯总产量的86%[2]。

甘薯是长藤蔓作物，其秧蔓产量高，秧蔓上长有须根，并贴地生长，可将整个垄及地面覆盖[3]。因此甘薯收获机械化必须考虑甘薯秧蔓的处理问题，甘薯挖掘收获前必须清除秧蔓，否则后续挖掘收获无法开展[4]。目前，国外甘薯秧蔓的处理主要以秧蔓直接粉碎还田为主、以收集运出作饲料为辅。我国机械化处理甘薯秧蔓也是主要采用秧蔓直接碎粉还田技术，但现有的甘薯秧蔓处理机仍然存在很大的局限性，如工作阻力大、留茬长度长、粉碎合格率低、伤薯率高等问题一直以来都未得到有效的解决，这些问题严重制约着该项技术的应用和推广[5]。

收获期甘薯秧的力学特性是影响甘薯秧粉碎处理机的秧蔓粉碎长度合格率、垄顶留茬长度等主要作业指标及其结构设计的重要因素，因此研究甘薯秧力学性能不仅对甘薯秧粉碎处理机切割装置的设计及作业参数确定提供理论依据，而且对于选择合理的甘薯收获期也有一定指导意义[6-7]。

1.试验材料与方法

1.1 试样采集

甘薯秧样本取自山东农业大学甘薯种植基地。以商薯19号为试验对象，收获期的甘薯秧蔓如图1所示，5月初栽，10月中上旬收获，一年一季种植，种植模式为单垄单行种植，垄距为900mm，株距为250mm。甘薯块常年经验收获时间从10月13日开始，为使研究更充分，本次采样时间从10月7日开始，10月28日结束，每3d取样一次，共采样9批次。采样时从距离地面2cm的根管处剪断，取样后在实验室去除分枝、枝叶，留下主茎杆部分作为试验对象。采集的商薯19号的秧蔓直径在0.58cm～0.96cm。

1.2 试验仪器

该试验用到的试验设备主要包括：微机控制电子式万能试验机、电热干燥箱、山东农业大学机电学院研发的甘薯秧粉碎处理机、电子天平以及游标卡尺、卷尺等。

1.3 试验方法

1.3.1 甘薯秧剪切试验

甘薯秧剪切试验在WDW-5E微机控制电子式万能试验机上进行，其力传感器和位移传感器精度分别在±1%以内。取甘薯秧长度50mm，将试样置于V型定位块上，在WDW-5E型微机控制电子式万能试验机上分别以10mm/min和20mm/min的加载速度对每次采集的试样进行2组剪切试验，如图2所示。每次试验测试5次，最后取平均值，比较加载速度的不同对剪切力的影响变化规律。

图2 甘薯秧剪切试验

1.3.2 含水率测定

对测量完剪切特性的试样，立即进行含水率测量试验。含水率测量试验中，将做完试验的样本进行标号与称量，然后放入电热干燥箱以100℃～105℃的温度下干燥8h后，从中选2～3个试样进行第1次称量。以后每隔2h称量一次，至最后两次称量之差不超过0.002g时，即认为试样达到全干。取出后放至干燥皿中恢复室温即可称量。甘薯秧含水率按下式进行计算：

式中：w—含水率，%；m—样品重，g；ms—烘干后的质量，g。

2.试验结果与分析

2.1 含水率试验结果

甘薯秧含水率试验结果如图3所示。

图3 甘薯秧含水率随时间变化

从图3可以看出：10月7日采样时的含水率为85.82%，10月28日采样时的含水率为70.21%，21d内甘薯秧含水率下降了15.61%，甘薯收获期甘薯秧含水率随着生长时间的增长而降低。经验收获期10月13日的甘薯秧含水率为83.28%。

2.2 剪切试验结果

在剪切试验中，万能试验机刀具加载速度分别为10mm/min和20mm/min时，得到剪切力数据如图4所示。

图4 甘薯秧剪切力随时间变化

由图4可以看出：当加载速度为10mm/min时，10月7日采样时的剪切力为68.9N，10月28日采样时的剪切力为118.4N，21天内甘薯秧剪切力增加了39.5N，经验收获期10月13日的甘薯秧剪切力为72.1N。甘薯收获期甘薯秧剪切力随着生长时间的增长而增加，实质上是随着含水率的降低而增加。因为随着生长期的增长，甘薯秧的含水率下降，由于水分的减少，甘薯秧逐渐老化而失去活性，秧蔓韧性不断增强，故剪切力呈增加趋势。当加载速度为20mm/min时，10月7日采样时的剪切力为79.6N，10月28日采样时的剪切力为121.9N，21d内甘薯秧剪切力增加了43.8N，经验收获期10月13日的甘薯秧剪切力为82.7N。对比曲线图可以看出切割速度增大，产生的剪切力增大。