娃娃菜根茎部切割力学特性的测量分析

黄雨柔，李富财，王子恒，谭 娜，王莲珍，冯 哲

（西北民族大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730000）

甘肃省兰州市是全国传统农业主产区之一。近年来，以娃娃菜、甘蓝等为代表的高原夏菜成为发展龙头，带动了当地农业发展。娃娃菜成熟后需经过采收、分拣、运输、加工、贮藏和销售等作业环节，但目前采收及分拣作业主要依靠人工完成，劳动强度大、生产效率低，因此设计完成一台娃娃菜自动收获机是亟待解决的问题。为了在设计娃娃菜自动收获机时获得较佳的切割效果，需对娃娃菜根茎部切割力学特性展开研究。

目前，国内外对作物根茎部力学特性的研究主要集中在甘蔗、玉米、水稻等农作物[1-4]，而关于娃娃菜根茎部力学特性的研究却罕见报道。甘蓝的外形、生理特性与娃娃菜相近，因此甘蓝收获机械的设计原理亦可借鉴。李小强等[5]为了合理设计甘蓝收获机切割装置，使其对甘蓝根茎切割效果更好，进行了单因素和多因素正交甘蓝根茎切割力试验；李天华等[6]研究了切刀转速、切割位置、行走速度、切刀重叠量和俯仰角度对最大切根反作用力的影响；杜冬冬等[7]分析了甘蓝根茎部不同直径处的最大切割力、平均切割力、平均含水率和粗纤维含量的分布及相互关系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

娃娃菜试验样品于2020 年10 月6 日（娃娃菜成熟期）采自甘肃省兰州市榆中县农户田地，随机选取了成熟度相似、大小相近的娃娃菜。在取样时将娃娃菜连根挖起，保留其完整根茎部，如图1 所示。表1 所示为随机选取的200 棵娃娃菜物理参数测量统计结果。

图1 娃娃菜示意图

表1 娃娃菜基本物理参数

夹持样品制备过程为：测量选取的娃娃菜样品，得到物理参数；保留娃娃菜完整根部，并以根茎为中心，切割娃娃菜顶部成40 mm×40 mm×60 mm 的长方体，以便于进行切割试验时稳定夹持。

1.2 试验因素及水平确定

娃娃菜根茎部切割力受诸多因素的影响，如切割位置、夹持方式、刀片类型、切割角度、切割速度和含水率等。杜冬冬等在研究甘蓝根茎部切割试验时得出，平均含水率对最大切割力和平均切割力的影响均不显著[7]，因此本文选取切割位置、夹持方式、刀片类型、切割角度、切割速度作为试验因素。试验因素及水平见表2。

表2 试验因素及水平统计表

1.3 试验设备

切割试验装置原理图如图2 所示。夹持装置由2 对直角型钢组成，通过蝴蝶螺杆固定于正方体支座的上表面平台，平台上开有活动槽以方便调节开度，实现根茎部单点或两点夹持。切割装置由直角调节梁和切割刀具组成，通过改变切割刀具与直角调节梁之间的装配角度来改变切割角度。直角调节梁中部开有内螺纹，连接于万能材料试验机。切割刀具配有光刀和锯齿刀两种。

图2 切割试验装置原理图

试验前，调定夹持方式和切割速度，确定切割位置和切割角度，选择切割刀具类型，通过手持遥控器将切割刀具靠近试样，归零并开始试验；试验时，万能材料试验机上搭载的载荷传感器和配套的NEXYGEN Plus 3.0 软件会自动绘制出切割力随加载时间变化曲线，如图3 所示，并统计最大切割力Fmax、平均切割力等指标。

图3 切割力随加载时间变化曲线图

1.4 最佳切割位置的确定

切割位置是影响切割力的独立因素，是只与根茎部自身组成成分有关的因素，这与杜冬冬等吻合[7]。因此在进行切割力正交试验前，需首先确定娃娃菜根茎部最佳切割位置。选取30 棵娃娃菜夹持样品，分别标定hi为0，10，20 mm 处并测量该处根茎部直径。采用单点夹持、刀片类型为光刀、切割角度为30°、切割速度为150 mm/min 的组合方式进行切割试验，统计分析不同切割位置时切割力指标变化情况。

1.5 最佳夹持方式的确定

各选5 棵夹持试样采用不同夹持方式固定，如图2（c）所示，单点夹持时固定顶部长方体部分，两点夹持时顶部及底部均固定。选用光刀、切割角度0°、切割速度100 mm/min 的组合方式，在距离娃娃菜顶层着叶0～20 mm 处进行切割对比试验，并对最大切割力Fmax进行统计分析。

1.6 正交试验

确定最佳切割位置及夹持方式后，将刀片类型A、切割速度B 和切割角度C 作为正交试验的三个影响因素，采用混合水平法进行正交试验，试验因素和水平见表3。以最大切割力作为切割力指标，每组进行重复试验4 次。

表3 正交试验因素水平表

2 结果与分析

2.1 单因素试验分析

2.1.1 切割位置分析 图4 所示为采用切割组合方式光刀、单点夹持、切割角度30°，切割速度150 mm/min 时，不同切割位置对应的最大切割力变化情况。从图中可以看出，随着切割位置的增大，最大切割力先减小后增大，因此，距离娃娃菜顶层着叶10 mm 左右为最佳切割区间，其原因是切割力的大小与粗纤维含量成正相关，此范围内的根茎部粗纤维含量最少[7]。根据统计，此区间内根茎部直径范围为（25±3）mm。

图4 不同切割位置时最大切割力的变化图

2.1.2 夹持方式分析 图5 对比了相同切割条件下，不同夹持方式时最大切割力的变化情况。从图中可以看出，在相同条件下单点夹持切割娃娃菜根茎部时最大切割力要明显小于两点夹持，因为单点夹持使得根茎部在受力时产生弯曲变形，切割方式由滑切变成削切（滑切是指刀刃垂线与切割方向呈一定角度的切割方式；削切是指切割面和切割方向均与茎秆横截面呈一定角度的切割方式），从而降低了切割力和切割损耗。

图5 最大切割力变化情况

2.2 正交试验结果分析

在上述研究的最佳切割位置处采用单点夹持，进行A（刀具类型）、B（切割速度）、C（切割角度）3 种影响因素的正交试验，得出最佳切割组合。根据试验因素与水平表进行了25 组试验，每组试验重复4次，结果如表4 所示。

表4 正交试验结果表

对表4 的数据进行方差分析，结果如表5 所示，因素A 和因素C 对最大切割力的影响显著，而因素B 对最大切割力的影响极不显著。

表5 最大切割力方差分析

对表4 数据进行极差分析，结果如图6 所示，极差最小的是因素B，极差最大的是因素C。其中因素B 在100 mm/min 时的切割力最小；因素C 在切割角度为30°时的切割力最小；因素A 中，锯齿刀的切割力明显小于光刀。根据图6 可得出：最佳切割组合为A2B2C3（切割刀具选用锯齿刀，切割速度为100 mm/min，切割角度为30°）。

3 结论

（1）距离娃娃菜顶层着叶10 mm 左右处所需的切割力最小，此区间内根茎部直径范围为（25±3）mm。

（2）单点夹持切割时，切割方式由滑切转为削切，切割力明显减小。

（3）切割刀具和切割角度对最大切割力有显著影响，而切割速度的影响不显著。

（4）最佳切割方式组合为：距离娃娃菜顶层着叶10 mm 处，采用单点夹持、锯齿刀、切割速度为100 mm/min、切割角度为30°进行切割。