高 升，王方艷

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

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紅心蘿卜力學(xué)特性試驗(yàn)研究

高 升，王方艷

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)紅心蘿卜試樣進(jìn)行壓縮、剪切及拉伸試驗(yàn)，研究了加載速度、位置對(duì)紅心蘿卜的彈性模量及抗壓強(qiáng)度的影響，探索了紅心蘿卜力學(xué)結(jié)構(gòu)，得到了紅心蘿卜皮的彈性模量和最大抗壓強(qiáng)度，確定了紅心蘿卜的剪切特性。試驗(yàn)表明：加速度對(duì)彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度的影響顯著，隨著加載速度的增大，紅心蘿卜的彈性模量逐漸增加，而最大抗壓強(qiáng)度先增大、后減?。划?dāng)加載速度為10mm/mim時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，紅心蘿卜頭部彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度最大，中部次之，尾部最小；紅心蘿卜縱向試樣的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度大于橫向試樣的數(shù)值,紅心蘿卜芯部彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度大于蘿卜外部試樣的數(shù)值，紅心蘿卜皮的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度比蘿卜內(nèi)部的??；紅心蘿卜的平均剪切強(qiáng)度為0.058MPa，剪切力峰值與試樣的橫截面積呈線性相關(guān)。

紅心蘿卜；力學(xué)特性；彈性模量；最大抗壓強(qiáng)度

0 引言

紅心蘿卜是我國(guó)重要的根莖類作物及創(chuàng)匯產(chǎn)品，其種植廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)，可鮮食，又可加工為膨化食品，具有廣闊的市場(chǎng)前景。目前，隨著紅心蘿卜種植面積的增大，機(jī)械化生產(chǎn)已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。研究紅心蘿卜的力學(xué)特性，可為紅心蘿卜的收獲、加工機(jī)具的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)，對(duì)研發(fā)蘿卜生產(chǎn)機(jī)械具有重要的意義[1-3]。

目前，關(guān)于蘿卜特性的研究主要集中在白蘿卜及胡蘿卜的外形特征、品質(zhì)、塊根力學(xué)特性等方面，對(duì)紅心蘿卜的研究較少。本研究以收獲期的紅心蘿卜為研究對(duì)象，參照國(guó)內(nèi)玉米和甘蔗等作物的研究方法[4-11]，借助萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)紅心蘿卜試樣進(jìn)行壓縮及拉伸試驗(yàn)，得到紅心蘿卜的力學(xué)特性參數(shù)，為紅心蘿卜生產(chǎn)機(jī)具的研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1)壓縮試樣。任選“心里美”紅心蘿卜一批，進(jìn)行圓柱蘿卜試樣(φ25mm×30mm)制作，并用保鮮袋進(jìn)行編碼封存?zhèn)溆?。在紅心蘿卜的頭部、中部、尾部進(jìn)行橫向取樣，標(biāo)記為試樣A1、A2、A3；在紅心蘿卜的頭部、中部、尾部進(jìn)行縱向取樣，編碼標(biāo)記B1、B2、B3；在紅心蘿卜芯部(蘿卜中心半徑R=20mm范圍內(nèi)的區(qū)域)及外部(蘿卜中心半徑R=20mm范圍之外的區(qū)域)取樣，標(biāo)號(hào)為C1、C2。試樣取樣位置如圖1所示。

圖1 取樣位置

2)拉伸試樣。利用環(huán)割的方法，制取紅心蘿卜皮試樣10個(gè)。紅心蘿卜皮試樣的尺寸為7.00cm×2.00cm×0.40cm(長(zhǎng)×寬×高)。

3)剪切試樣。選取30個(gè)紅心蘿卜，長(zhǎng)度為12～22cm，質(zhì)量為300～620g，直徑為9.22～20.43cm，含水率為(90±2%)。

1.2 試驗(yàn)儀器及裝備

DGG-9070AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、電子天平(500g/0.01g)、卷尺(3m/1mm)、瑞格爾儀器有限公司的RGM-4005微機(jī)控制全數(shù)字化電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(5kN/1N)、游標(biāo)卡尺(150mm/0.02mm)。自制T12鋼剪切刀具(刃厚0.8mm)，如圖2所示。

圖2 剪切刀具

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 壓縮試驗(yàn)

在RGM-4005微機(jī)控制全數(shù)字化電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試樣單軸壓縮試驗(yàn)，研究加速度和位置對(duì)紅心蘿卜力學(xué)特性的影響。試驗(yàn)所采用的加載壓頭為直徑100mm的平板壓頭。根據(jù)試驗(yàn)所得到的載荷-位移曲線，確定試樣的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度。彈性模量用E表示，最大抗壓強(qiáng)度用σmax表示，計(jì)算公式為

(1)

其中，E為彈性模量(Pa)；ΔF為載荷變化量(N)；D為試樣直徑(m)；L為試樣長(zhǎng)度(m)；ΔL為試樣變形量(m)。

σmax=Fmax/A

(2)

其中，σmax為最大抗壓強(qiáng)度(Pa)；Fmax為最大載荷(N)；A為壓縮橫截面積(m2)；。

1.3.2 拉伸試驗(yàn)

采用全數(shù)字化電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行紅心蘿卜皮試樣的單軸拉伸試驗(yàn)，確定紅心蘿卜的拉伸力學(xué)特性。拉伸試驗(yàn)中試樣長(zhǎng)度為試樣夾緊后兩個(gè)夾具之間的距離，本試驗(yàn)中取拉伸長(zhǎng)度L=10mm。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的載荷-位移曲線，確定試樣的彈性模量及最大拉壓強(qiáng)度。

1.3.3 剪切試驗(yàn)

在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，借助自制剪切刀具對(duì)紅心蘿卜進(jìn)行剪切試驗(yàn)。依據(jù)試驗(yàn)所得到的載荷-位移曲線，確定試樣的剪切強(qiáng)度，用τ表示，則

τ=Fmax/A0

(3)

其中，τ為剪切強(qiáng)度(Pa)；Fmax為剪切力峰值(N)；A0為剪切橫截面積(m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 加載速度和位置對(duì)紅心蘿卜力學(xué)特性的影響

在加載速度分別為5、10、20、30mm/min的條件下，對(duì)紅心蘿卜不同位置縱向取樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。試樣的載荷-位移曲線如圖3所示。

圖3 蘿卜力學(xué)特性曲線

由圖3可知：紅心蘿卜頭部的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度最大，尾部的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度最小。當(dāng)加速度為5mm/min時(shí)，B1、B2、B3試樣的最大抗壓強(qiáng)度分別為1.671、1.589、0.938MPa，且B1試樣的最大；彈性模量為5.005、4.778、2.759MPa，且B1試樣的最大，與最大抗壓強(qiáng)度一致。當(dāng)加速度為10mm/min時(shí)，B1、B2、B3試樣的最大抗壓強(qiáng)度分別為1.692、1.651、1.040MPa，且B1試樣的最大；彈性模量為5.332、5.203、3.800MPa，且B1試樣的最大，與最大抗壓強(qiáng)度一致。當(dāng)加速度為20mm/min時(shí)，B1、B2、B3試樣的最大抗壓強(qiáng)度分別為1.671、1.466、1.039MPa，且B1試樣的最大；彈性模量為5.409、5.318、3.896MPa，且B1試樣的最大，與最大抗壓強(qiáng)度一致。當(dāng)加速度為30mm/min時(shí)，B1、B2、B3試樣的最大抗壓強(qiáng)度分別為1.508、1.426、1.019MPa，且B1試樣的最大；彈性模量為5.654、5.384、4.074MPa。由此可見：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，加速度對(duì)彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度的影響明顯，隨著加載速度的增大，紅心蘿卜的彈性模量逐漸增加，最大抗壓強(qiáng)度先增大、后減小。當(dāng)加載速度為10mm/mim時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，受載的位置對(duì)彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度的影響明顯。頭部的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度最大，中部次之，尾部最小。當(dāng)加載速度為30mm/min時(shí)，紅心蘿卜頭部的彈性模量最大，為5.654MPa；加載速度為5mm/min時(shí)，紅心蘿卜尾部的彈性模量最小為2.759MPa。

2.2 紅心蘿卜內(nèi)部均勻性的測(cè)定

在加速度為10mm/min下，對(duì)紅心蘿卜的中部位置試樣進(jìn)行橫向、縱向、外部及芯部進(jìn)性壓縮試驗(yàn)，測(cè)定紅心蘿卜不同方向的力學(xué)特性及其結(jié)構(gòu)的均勻性。試樣的載荷-位移曲線如圖4所示[12-13]。

圖4 蘿卜均勻性力學(xué)特性曲線

由圖4可知：紅心蘿卜中心位置的橫向及縱向試樣的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度分別為4.291、5.722和1.646、1.793MPa，兩者的差值較明顯，這與張洪霞[14-15]等研究所得的蘿卜不同方向存在差異的結(jié)果是一致的；縱向試樣的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度大于橫向試樣的數(shù)值。紅心蘿卜的外部及芯部試樣的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度分別為5.983、6.933和1.793、2.047MPa，差值大于5%，兩者相差較大。由此可見：方向?qū)Φ挚棺冃蔚哪芰τ绊戄^大，縱向的抗壓能力及抗壓性能大于橫向。紅心蘿卜芯部的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度大于蘿卜外部試樣的數(shù)值。由于紅心蘿卜內(nèi)部的環(huán)狀組織結(jié)構(gòu)，紅心蘿卜的外部抵抗變形的能力小于芯部的能力，差值大于5%，而紅心蘿卜抗壓性能一致，即最大抗壓強(qiáng)度相同。紅心蘿卜的方向和位置對(duì)彈性及抗壓性能有較大影響，運(yùn)輸時(shí)盡量避免蘿卜橫向受載，以減少損傷。

2.3 紅心蘿卜皮的拉伸試驗(yàn)

在加速度為10mm/min條件下，利用數(shù)字化電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行紅心蘿卜皮試樣的單軸拉伸試驗(yàn)，得到紅心蘿卜皮試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 紅心蘿卜皮拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：在10mm/min的加載速度下，紅心蘿卜皮試樣能夠承受的最大拉力為131N，最小拉力為108，變異系數(shù)為0.04；蘿卜皮的彈性模量平均值為1.752MPa，最大抗壓強(qiáng)度的平均值為1.449MPa。蘿卜皮的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度與蘿卜內(nèi)部數(shù)值相比較小，容易在收獲、運(yùn)輸中受到損傷。

2.4 紅心蘿卜的剪切試驗(yàn)

在加速度為10mm/min條件下，對(duì)紅心蘿卜的頭部、中部、尾部分別進(jìn)行剪切試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，剪切面積與剪切峰值如圖5所示。

表2 剪切試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

圖5 試樣橫截面積與最大剪切力之間的關(guān)系

由表2及圖5可知：蘿卜的平均剪切強(qiáng)度為0.058MPa。在試樣橫截面積66.96～169.45cm2范圍內(nèi)，峰值的剪切力與試樣的橫截面積呈線性正相關(guān)。蘿卜試樣的剪切面積與蘿卜的最大剪切力的擬合方程為y=3.76x+82.64,判定系數(shù)R2=0.955。

3 結(jié)論

1)加速度對(duì)彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度的影響明顯，隨著加載速度的增大，紅心蘿卜的彈性模量逐漸增加，最大抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)加載速度為10mm/mim時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。受載的位置對(duì)彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度的影響明顯：頭部的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度最大，中部次之，尾部最小。

2)縱向試樣的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度大于橫向試樣的數(shù)值。蘿卜芯部的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度大于蘿卜外部試樣的數(shù)值。蘿卜的維系管結(jié)構(gòu)使芯部的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度比外部的大，運(yùn)輸盡時(shí)量保持蘿卜的縱向擺放，減少損傷。

3)蘿卜皮的彈性模量平均值為1.752MPa，最大抗壓強(qiáng)度的平均值為1.449MPa。蘿卜皮的彈性模量及最大抗壓強(qiáng)度與蘿卜內(nèi)部的相比較小，容易在收獲、運(yùn)輸中受到損傷。

4)蘿卜的平均剪切強(qiáng)度為0.058MPa。在試樣橫截面積66.96～169.45cm2范圍內(nèi)，峰值的剪切力與試樣的橫截面積呈線性相關(guān)。擬合方程為y=3.76x+82.64,判定系數(shù)R2=0.955。

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The Experimental Research on Physical and Mechanical Characteristics of Red Heart Radish

Gao Sheng, Wang Fangyan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

We experimented with compression, shear and tensile of red heart radish by using a universal testing machine. We had draw the conclusion of Radishs’ elastic modulus and maximum compressive strength by respectively researched on the loading speed and position of radish to the elastic modulus and compressive strength's impact. The results showed that accelerated velocity has obvious influence to the elasticity modulus and maximum compression strength: With the increasing of accelerated velocity, the red heart radish elasticity modulus increases gradually, and the maximum compression strength increases at first and then decreases. When the loading rate was 10mm/min, compression strength was maximum. The header of red heart radish has the maximal elasticity modulus and maximum compression strength, the middle part of radish comes second, the stern is minimum. To the elasticity modulus and maximum compression strength, the longitudinal test piece of radish is larger than the transverse sample, the core radish was larger than the radish external figure, the radish peel is less than the inner of radishs’. The radishs’ average shear strength is 0.058MPa, then there is significant linear correlation between the peak value of shear stress and the cross-sectional area of the sample.

the red heart radish; mechanical properties; elastic modulus; the maximum compressive strength

2016-07-05

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J15LB06)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505246)

高 升(1988-),男，山東臨朐人，碩士研究生，(E-mail) 401116575@qq.com。

王方艷(1979-)，女，山東淄博人，副教授，工學(xué)博士, (E-mail) wfy_66@163.com。

S183

A

1003-188X(2017)08-0170-05