东北大红萝卜物理力学特性研究

刘新柱,王玉花,刘明普,邬万江,姜庆昌

(佳木斯大学 a.机械工程学院;b.理学院,黑龙江 佳木斯 154007)

0 引言

东北大红萝卜是东北地区冬季储藏量较大的一种传统蔬菜[1],又被称为“红萝卜”“大红萝卜”“止风参”等,为十字花科萝卜属,根肉质,沿生长方向可分为长椭球体和短椭球体,如图1所示。大红萝卜根皮红色,根肉白色,是我国东北地区的特产之一,由于因气候及品种等因素形成了其极高的营养价值和药用价值,在东北地区具有较大的种植面积和较高的年产量[2]。目前,大红萝卜的收获方式主要还是以人工收获为主,收获效率较低,劳动强度很大[3-8]。为了解决这种问题,对大红萝卜的物理特性和相关力学性能进行了研究,得到了详实、可靠的数据,为设计大红萝卜收获机械提供了必要的理论基础和设计依据。

图1 东北大红萝卜Fig. 1 Northeast red radish

1 试验材料及设备

1.1 试验材料

项目组在黑龙江省浓江农场选择普通垄作大红萝卜作为研究对象,随机选取了100个大红萝卜作为样本,对其物理特性和力学性能进行了测量、试验和分析。

1.2 试验仪器和设备

试验用仪器和设备主要有:DDL300型电子万能试验机,长春试验机研究所有限公司,最大量程300kN,测量精度为示值的±0.5%;卷尺,最大量程3m,测量精度1mm;ES4100-2型电子天平,沈阳亮衡天平仪器有限公司,最大称量4100g,测量精度0.01g; HG-500型数显式拉力计,上海高致精密仪器有限公司,最大负荷500N,测量精度0.1N;1108-150C型数显式游标卡尺,北京中巽云科技有限公司,最大量程150mm,测量精度0.02mm等。

2 大红萝卜的自然生长特性

对100个大红萝卜样本的自然生长特性进行了测量和统计分析,得到了可食用根质量、长度、直径、土下埋藏深度的分布情况,如表1所示。由表1的统计数据可知:大红萝卜的可食用根部质量为[873.6,1644.4]g,可食用根部长度为[102.4,213.6]mm,可食用根部直径为[92.8,219.2]mm,可食用根部土下埋藏深度为[70.8,133.2]mm。

表1 大红萝卜食用根基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of edible root of radish

目前,国内外萝卜联合收获机大都采用拔取式收获方式[9-13],故大红萝卜的茎叶直径和高度决定了拔取式萝卜联合收获机夹持拔取装置的主要设计参数[14]。项目组对样本的测量数据进行了统计,得到了大红萝卜茎叶直径、高度分布直方图,如图2、图3所示。

图2 距根茎结合部20mm处大红萝卜茎叶直径分布区间Fig.2 The distribution range of stem and leaf diameter of radish at 20mm from the junction of root and stem

图3 自然状态下大红萝卜茎叶高度分布区间Fig.3 Distribution range of stem and leaf height of red radish in natural state

由图2可知:自然状态下,大红萝卜距根茎结合部20mm处茎叶直径为[54.8,60.9],主要分布在40～70mm区间,约占测量样本总数的73%,最大值为97mm,最小值为26mm,平均值为58mm。

由图3可知:自然状态下,大红萝卜茎叶高度为[109.7,123.9],主要分布在80～140mm区间,约占测量样本总数的72%,最大值为257mm,最小值为41mm,平均值为117mm。

以上数据为设计拔取式大红萝卜收获机械夹持拔取装置提供了必要的理论依据。

3 大红萝卜拔取力与相关影响因素关系分析

影响大红萝卜拔取力的因素较多,主要有种植大红萝卜的土壤类型、坚实度、粘度、湿度[15],大红萝卜的质量、体积(与土壤接触面积)、直径、土下埋藏深度,以及萝卜收获机对大红萝卜的拔取速度等。项目组对质量(体积)和拔取速度对拔取力的影响进行了试验研究,得到了详实、可靠的试验数据。

3.1 质量(体积)对拔取力的影响

大红萝卜的体积和几何形状决定了其与土壤的接触面积,直接影响着萝卜和土壤之间的结合力,从而决定了收获时所需的拔取力[16]。同一地块种植的大红萝卜可以近似认为其密度是相同的,因此体积影响因素可以用质量影响因素进行衡量。以相同的速度拔取大红萝卜时,质量(体积)因素对拔取力的影响试验数据统计如表2所示。

表2 自然土壤状态下大红萝卜质量对拔取力的影响Table 2 Effect of radish mass on extraction ability in natural soil

根据试验数据可知,大红萝卜的拔取力为[174.9,190.2]N,最大值为253N,最小值为137N,平均值为182.6N。

由表2中的试验数据可以得到大红萝卜质量(体积)和拔取力之间的关系曲线图,如图4所示。对试验数据进行曲线拟合,可以得到二次曲线数学模型为y=1.7557×10-5x2+3.7765×10-2x+1.1384×102,其均方差为7.5408。曲线与数据基本吻合,计算结果也具有足够的精度,说明该算法完全可行有效。

图4 大红萝卜质量对拔取力影响拟合曲线Fig.4 Effect fitting curve of radish mass on extraction force

3.2 拔取速度对茎叶拉断力的影响

去除不在扶禾器有效工作范围内的枯叶及倒伏严重的茎叶的影响,选取距根茎结合部20mm处,茎叶直径在(55±10)mm的大红萝卜为研究对象,分别以20、30、40、50、60、70、80、90、100mm/min的速度进行拉断试验。试验结果如表3所示。由表3可知:大红萝卜的茎叶拉断力为[164.2,181.6]N,最大值为229N,最小值为117N,平均值为172.9N。

表3 拔取速度对茎叶拉断力的影响Table 3 Effect of extraction speed on breaking force ofstem and leaf

由表3中的试验数据可以得到拔取速度分别为20、30、40、50、60、70、80、90、100mm/min时大红萝卜拔取速度和茎叶拉断力关系曲线图,如图5所示。对表3中的试验数据进行曲线拟合,可以得到其曲线数学模型为y=-7.3593×10-4x2-2.3835×10-1x+1.9055×102,均方差为3.3097。由图5可以看出,拟合曲线与数据基本吻合,说明算法是有效可行的。

图5 拔取速度对茎叶拉断力影响拟合曲线Fig.5 Effectfitting curve of extraction speed on breaking force of stem and leaf

根据试验数据并结合现场收获试验可知:拔取速度越慢,拔取力越大,但拔断现象较少;拔取速度越快,拔取力越小,但拔断现象增多。由于拔取速度直接影响着收获速度,因此拔取速度不能太慢。

由试验数据可知:在自然土壤状态下,东北大红萝卜拔取力的平均值为182.6N,而茎叶拉断力平均值为172.9N,拔取力的平均值略大于茎叶拉断力的平均值,因此拔取式大红萝卜收获机需使用松土铲适当进行松土作业,从而减小拔断率,提高收获率。

4 结论

1)采用数理统计方法对东北大红萝卜的物理特性进行了统计和分析,得到了大红萝卜可食用根质量为[873.6,1644.4]g,长度为[102.4,213.6]mm,直径为[92.8,219.2]mm,土下埋藏深度为[70.8,133.2]mm,茎叶高度为[109.7,123.9],距根茎结合部20mm处茎叶直径为[54.8,60.9]。同时,得到相关物理特征的分布区间、分布比例、极值和平均值等数据,为设计大红萝卜联合收获机械进行了技术储备。

2)对大红萝卜质量(体积)与拔取力的关系进行了试验研究,得到其拔取力为[174.9,190.2]N。对试验数据进行拟合,建立了其二次曲线模型为y=1.75574×10-5x2+3.77647×10-2x+1.13842×102。

3)当拔取速度分别为20、30、40、50、60、70、80、90、100mm/min时,对拔取速度对茎叶拉断力的影响进行了试验研究,得到茎叶拉断力为[164.2,181.6]N。对试验结果进行了拟合,建立了其二次曲线模型为y=-7.3593×10-4x2-2.3835×10-1x+1.9055×102。

4)自然土壤状态下,东北大红萝卜拔取力的平均值略大于茎叶拉断力的平均值,拔取式大红萝卜收获机需使用松土铲适当进行松土作业。