芋头压缩和剪切特性试验研究

张梦月，周勇，张国忠，刘德柱，柯烩彬，陈行,冯闯闯

(华中农业大学工学院，农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，湖北 武汉 430070)

近年来，芋头作为一种重要的水生蔬菜品种，种植面积不断增加，规模化、产业化发展迅速[1]，其出口量和出口额均占水生蔬菜总出口的60%以上[2].2016年主产省市有福建省、山东省、湖南省等，种植面积总计1.18×105hm2，总产量为335.26万t，其中山东省芋头种植面积为2万hm2，产量78万t，排名第1.芋头在收获和运输过程中会产生一定的机械损伤，剪切力和压力是造成芋头机械损伤的重要原因.在芋头的机械化收获过程中，挖掘铲在入土时，剪切力过大，易切断芋头；在芋头的运输过程中，易对底部的芋头造成挤压损伤.目前，国内外学者对马铃薯、萝卜、莲藕、荸荠等产品进行了大量的力学研究[3-12]，吴曼等[2]对芋头产业存在的问题及发展思路作了总结，但对芋头的力学特性研究甚少.芋头作为一种水生蔬菜，研究其力学特性，设计收获机械，对水生蔬菜生产和农机研究具有重要意义.应用质构仪对芋头样品压缩，可以在PC端准确地显示纵向的变化量，易求解芋头的弹性模量；运用万能试验机对芋头做压缩和剪切试验，得出芋头损坏的破裂力和切断力对减小芋头机械损伤具有重要意义.本文在4种不同加载速率条件下，对山东小芋头分别进行了X、Y、Z轴3个方向的压缩试验与X、Y轴两个方向的剪切试验，获得加载力-位移曲线，结合SPSS软件分析加载速率与加载方向两个因素对破裂力的影响程度.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用的样品为个头大小、尺寸相似的一批山东小芋头‘8520’，质量在50～70 g,长度63.23 mm，宽度46.53 mm，高度45.91 mm，湿基含水率77.73%，无损伤，无虫害，饱满均匀，皮薄果大.常温状态下存储，为避免样品存放时间过长而发芽以及呼吸作用消耗，试验将在室温条件下两周内完成.

1.2 试验装置

试验采用美国TFC公司研制的TMS-PRO质构仪，精度为±1%，量程在0～1 000 N；浙江赛德仪器设备有限公司生产的SDH-1202快速卤素水分测定仪，精度为0.002 g,量程在0～120 g；上海美耐特实业有限公司的数显电子游标卡尺，精度为0.02 mm,量程为0～150 mm；瑞格尔仪器有限公司的RGM-6050微机控制电子万能试验机,最大试验力为50 kN,精度在示值的±0.5%以内，试验速度在0.01～500 mm/min.

1.3 芋头3轴的确定

选取芋头样品，将其放在3个坐标轴相互垂直的三维坐标系中，定义芋头的X、Y、Z方向[13]，芋头自然状态下平放时在水平面上投影面积最大的为YZ平面，其中尺寸最长的为Z轴，垂直于YZ平面即高度方向的为X轴，垂直与XZ平面即宽度方向为Y轴，确定X、Y、Z轴为整块芋头的压缩和剪切确定方向，如图1所示.通过电子游标卡尺测取芋头的3轴尺寸.

图1 芋头的三轴Figure 1 Three axes of the taro

1.4 芋头湿基含水率测定

随机选取芋头样品，通过卤素灯加热[14]使样品因受热水分挥发.设置烘干温度为105 ℃，当干燥结束，质量不再发生变化时，屏幕显示干燥后的质量以及湿基含水率.试验重复10组，最后求得平均湿基含水率.

1.5 芋头压缩力学参数测定

1.5.1 芋头弹性模量测定 弹性模量的测量需要依据纵向位移的变化量，纵向数据的采集由质构仪和PC端完成，质构仪上的刚性压板作为加载探头对芋头样品进行压缩，PC端显示纵向位移的变化.

采用直径为23 mm、高度为30 mm的圆柱形取样器，如图2所示.随机切取圆柱形样本，重复10次.在TMS-PRO质构仪上，采用刚性压板作为加载装置对芋头样本进行压缩，如图3所示.因压缩深度约为20 mm时，芋头发生宏观破裂，故将加载位移设为25 mm，加载速度为15 mm/min,对10个样本进行静态压缩试验，利用公式(1)[15]可以求得芋头的弹性模量,取样本平均值作为芋头的弹性模量.

图2 取样器Figure 2 Sampler

图3 质构仪Figure 3 Texture analyzer

弹性模量E的计算公式

(1)

式中，σ为芋头圆柱体试验样本所受的应力，MPa；ε1为纵向应变；F为压缩时加载力,N;S为芋头圆柱体试验样本横截面积，mm2；ΔL为芋头圆柱体试验样本压缩后高度变化量，mm；L为芋头圆柱体试验样本原始高度，mm.

1.5.2 整块芋头压缩力学特性测定方法 随机选取60个芋头样品，以加载速率(70、80、90、100 mm/min)[16]和加载方向(X、Y、Z轴)为试验因素.该加载速率参考文献[17].芋头形状呈卵形，试验时，采用平板压头加载，下端压板固定不动，芋头自然状态平放时，它的X轴和Y轴方向可保持稳定；当进行Z轴压缩时，被试验的芋头在下压板上用一蜡盘中的熔蜡冷凝后固定.每组试验重复5次.在试验过程中，试验机压缩底板固定，回程速率设置为100 mm/min,记录压缩时加载力-位移曲线图，实验装置如图 4所示.

1.5.3 整块芋头剪切力学特性测定方法 随机选取40个芋头样品，以加载方向(X、Y轴)和加载速率(70、80、90、100 mm/min)为试验因素[18]，以加载力为试验结果，对整块芋头开展全因素剪切试验[19]，刀片厚度为10 mm,长度为80 mm,在对芋头

图4 芋头的压缩Figure 4 Compression of taro

X轴和Y轴方向进行剪切试验时，芋头可在下剪切板保持稳定状态下，对Z轴进行剪切试验，需要添加辅助支撑装置，进行四周稳固，此时加载刀具所受到的力并非仅仅芋头Z轴方向的剪切力；若对芋头两头削平进行剪切试验，则不是完整的芋头.故只对其进行X、Y方向的剪切试验.每组试验重复5次，在试验过程中，试验机剪切底板固定，回程速率设置为100 mm/min,记录压缩时加载力-位移曲线图，实验装置如图 5所示.

图5 芋头的剪切Figure 5 Shearing of taro

2 结果与分析

2.1 芋头的弹性模量

用圆柱形取样器截取10个芋头样本，进行压缩试验，记录数据(表1)，用公式(1)可求得芋头的弹性模量(表2).

2.2 整块芋头的压缩力学特性

表3为不同加载速率、不同加载方向下芋头被压缩时的破裂力.

表1 芋头破碎时各指标数据

表2 芋头的物理机械参数与挤压力学参数

表3 压缩时的破裂力与速度和方向

图6为整块芋头压缩时加载力与变形量曲线图.可以看到在起始加载阶段，芋头内部组织结构抵抗挤压应力与剪切应力较为明显，加载力与位移近似呈线性关系，随着变形量的增大，加载力也在增加，芋头内部组织开始分裂，细胞内部的组织液开始流出，芋头抗剪切应力逐渐下降，直至芋头破裂，此时最大的加载力即为破裂力.由图6可以看出，Z方向的破裂力最小，当加载速度为70 mm/min时，最小破裂力为433.7 N；当加载速度为80 mm/min时，最小破裂力为460.9 N；当加载速度为90 mm/min时，最小破裂力为622.2 N；当加载速度为100 mm/min时，最小破裂力为673.5 N.随后芋头破裂加剧，芋头压缩过程中，并没有出现明显的生物屈服点.最小破裂力提供了芋头在运输过程中被损伤的边界条件.

对比图6的4个曲线图，可以发现，当加载速率不变，对整块芋头进行不同加载方向下的压缩试验时，芋头的加载力-变形量曲线不相同，但大致表现为X方向加载力-位移曲线高于Y方向，Y方向加载力-变形量曲线图高于Z方向，这与芋头不同轴向的几何形状、组织结构、化学成分等有关.

应用SPSS统计软件[20-21],分析试验结果，由表4可知试验因素加载速率和加载方向对试验指标破裂力具有极显著影响(P<0.01)，交互作用对破裂力影响不显著.

2.3 整块芋头的剪切力学特性

表5为不同加载速率、不同加载方向下芋头被剪切时的切断力.

图6 加载力-变形量曲线Figure 6 Loading force-deformation curve

表4 压缩力学参数方差分析

表5 剪切时的切断力与速率和方向表

图7 加载力-变形量曲线Figure 7 Loading force-deformation curve

整块芋头剪切时的加载力-变形量曲线如图7所示.通过对整块芋头进行剪切试验，可以观察出，芋头在初始加载阶段，加载力随着位移的增大而增大，呈非线性关系，无明显的生物屈服点.随着变形量的增加，加载力也随之增大，内部抗剪切应力较为明显，当达到一定程度时，芋头被切断，此时达到的最大剪切力为芋头的切断力.当加载速度为70 mm/min时，最小切断力为342.9 N；当加载速度为80 mm/min时，最小切断力为352.9 N；当加载速度为90 mm/min时，最小切断力328.4 N；当加载速度为100 mm/min时，最小切断力为364.5 N.随后加载力缓缓减小.最小切断力提供了芋头在机械化收获时被损伤的边界条件.

由表6的方差分析结果可知，试验因素加载速率和加载方向对试验指标切断力无显著性影响.

3 结论

试验结果表明，湿基含水率为77.73%的山东小芋头，弹性模量为3.78 MPa,整块芋头压缩过程中，芋头加载速率和加载方向对芋头破裂力有极显著影响(P<0.01)，X方向压缩破坏力为896.3～1 185.0 N，Y方向压缩破坏力为600.8～1 018.5 N,Z方向压缩破坏力为433.7～1 055.7 N.即得芋头损坏的最小破裂力为433.7N,在长途运输过程中，芋头的层层积压也易使底端的芋头压伤，因此应将芋头分层放置，并在芋头间加入缓冲包装材料以减小压力，减少运输过程中的损伤.芋头压缩过程中，不同加载方向下芋头的加载力-变形量曲线不相同，但大致表现为在加载速率相同时，X方向加载力-位移曲线高于Y方向，Y方向曲线高于Z方向.整块芋头剪切过程中，芋头加载速率和加载方向对芋头切断力无显著性影响，X方向剪切破坏力为367.1～619.7 N，Y方向剪切破坏力为328.4～545.5 N，即芋头损伤的最小切断力为328.4 N.在芋头的机械化收获中，在挖掘铲部分增添弹性回转装置，当加载力达到一定数值时，挖掘铲可改变角度，减少芋头的机械损伤.

表6 剪切力学参数方差分析