鄭 航， 薛向磊， 俞國(guó)紅

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)裝備研究所，浙江 杭州 310021)

榨菜又名莖瘤芥，其莖可分為縮短莖和膨大莖2段，其中，膨大莖又被稱(chēng)為莖瘤，可供食用。榨菜種植在我國(guó)主要分布于重慶、浙江、江蘇、福建等地，其中，以重慶涪陵和浙江余姚兩地的種植和加工規(guī)模最大。目前，我國(guó)榨菜年產(chǎn)量達(dá)400萬(wàn)t，直接經(jīng)濟(jì)效益200億元[1-2]。作為農(nóng)特產(chǎn)品之一，我國(guó)的榨菜與歐洲的酸黃瓜、德國(guó)的甜酸甘藍(lán)同為世界三大名腌菜，也是我國(guó)對(duì)外出口的三大名菜之一[3]。但目前，榨菜的收獲完全依靠人工，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力短缺和人力成本升高，榨菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迫切需要提升收獲的機(jī)械化水平。作物的力學(xué)特性是研究機(jī)械化收獲的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)收獲裝備的重要依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)甘藍(lán)、生菜、蘆蒿、甘蔗等作物根莖部位的切割力學(xué)特性開(kāi)展了大量的研究[4-9]。杜冬冬等[10]在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上研究了夾持方式、切割方式、切割方向和切割速度對(duì)甘藍(lán)根莖切割力的影響[10]；陳健[11]在物性測(cè)試儀上分析了影響生菜根莖切割力的因素，并開(kāi)展單因素和多因素切割力測(cè)試試驗(yàn)；康峰等[12]利用自制的往復(fù)式枝條切割試驗(yàn)臺(tái)探究了枝條直徑、平均切割速度、切割間隙和刀具滑切角對(duì)枝條峰值切割力的影響，并以切割力為目標(biāo)進(jìn)行各因素的優(yōu)化試驗(yàn)，得到了最優(yōu)的切割因素組合。

切割裝置是榨菜收獲機(jī)的重要部件，對(duì)榨菜收獲機(jī)的整機(jī)性能和作業(yè)質(zhì)量影響很大。榨菜縮短莖的切割力學(xué)特性是設(shè)計(jì)切割裝置的基本依據(jù)，但在本研究檢索范圍內(nèi)，尚未見(jiàn)對(duì)榨菜縮短莖切割力及其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究的文獻(xiàn)報(bào)道。因此，有必要就此開(kāi)展試驗(yàn)研究。

本文以榨菜為研究對(duì)象，在TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀(美國(guó)FTC公司)上開(kāi)展榨菜縮短莖切割試驗(yàn)，以最大切割力和平均切割力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析刀刃類(lèi)型、切割速度、滑切角度、切割方式對(duì)切割力的影響，通過(guò)正交試驗(yàn)尋求主要影響因素，并選取最佳的切割參數(shù)組合，以期為榨菜收獲機(jī)中切割裝置的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)與理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究的主要試驗(yàn)設(shè)備為T(mén)MS-Pro質(zhì)構(gòu)儀，利用自制的切割試驗(yàn)臺(tái)完成榨菜縮短莖切割試驗(yàn)(圖1)。儀器的最大檢測(cè)力為2 500 N，速度測(cè)量范圍在0.1～500 mm·min-1；檢測(cè)位移行程300 mm，精度0.001 mm，內(nèi)設(shè)力傳感器和速度傳感器，分別檢測(cè)豎直方向的切割力和速度數(shù)值，并通過(guò)數(shù)據(jù)線與電腦相連，繪制切割力-位移曲線。切割試驗(yàn)用的刀片材料為高速鋼，刀片厚度1.3 mm，刀刃寬度60 mm，刃角25°，共設(shè)3種滑切角度(0、10°、20°)的刀型，以及齒形刃和光刃2種刀刃類(lèi)型(圖2)。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料系浙江省余姚市種植的榨菜品種縮頭種。隨機(jī)選取成熟期一致的若干榨菜進(jìn)行試驗(yàn)。觀察發(fā)現(xiàn)：榨菜葉、葉柄、莖瘤位于地表以上，主根、須根位于地表以下，而榨菜的縮短莖同時(shí)位于地表和地下(圖3)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：莖瘤的縱向高度H在70～110 mm，莖瘤的橫向直徑L在80～120 mm，縮短莖長(zhǎng)度l在5～30 mm，縮短莖直徑D在15～30 mm。將榨菜莖瘤處和根部帶須根部位切斷，選取中間部位，即榨菜縮短莖作為切割試驗(yàn)材料，其含水率在85%～95%。

1.3 試驗(yàn)方法

影響作物根莖切割力的因素主要包括切割部位、切割速度、滑切角度、刀刃類(lèi)型、切割方式等[13-15]。榨菜的切割部位必須控制在縮短莖部分，切得太高，損傷莖瘤造成浪費(fèi)；切得過(guò)低，后續(xù)還需人工補(bǔ)修切根。因此，本試驗(yàn)選取榨菜縮短莖部位進(jìn)行切割試驗(yàn)。根據(jù)切割刀具切入莖稈方向的不同，大體可以分為正切和滑切2種方式。當(dāng)切割刀具的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與其刃口方向垂直時(shí)為正切。正切又可分為橫切、斜切和削切(圖4)：橫切是莖稈被切面與刀具運(yùn)動(dòng)方向、莖稈軸線都垂直；斜切是莖稈被切面與莖稈軸線偏斜，與刀具運(yùn)動(dòng)方向平行；削切是莖稈被切面與刀具運(yùn)動(dòng)方向、莖稈軸線都偏斜。當(dāng)切割刀具的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向和刀具刃口既不平行也不垂直時(shí)為滑切(圖5)。由滑切理論知，滑切角度增大，則切割長(zhǎng)度增長(zhǎng)，在一定范圍內(nèi)，切割力隨著滑切角的增大而減小，當(dāng)滑切角過(guò)大時(shí)，作物莖稈會(huì)出現(xiàn)沿刀刃邊外滑的現(xiàn)象[16-17]，影響切割質(zhì)量。經(jīng)試驗(yàn)，榨菜縮短莖切割試驗(yàn)的滑切角度取值范圍宜在0～20°?？紤]到TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀加載速度的調(diào)節(jié)范圍和試驗(yàn)臺(tái)操作的安全性，分別在0～50、50～100、100～150 mm·min-1共3個(gè)速度區(qū)間進(jìn)行切割試驗(yàn)，每個(gè)區(qū)間分別選定1個(gè)速度(30、80、120 mm·min-1)用于試驗(yàn)。此外，切割方式(向上切削、橫向切削、向下切削)同樣也是影響作物莖稈切割力的重要因素[15]。

在TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀上用自制的切割試驗(yàn)臺(tái)完成榨菜縮短莖切割試驗(yàn)(圖6)，試驗(yàn)因素包括切割速度、滑切角度、切割方式、刀刃類(lèi)型等。試驗(yàn)時(shí)，將榨菜縮短莖固定在專(zhuān)用夾具上，安裝好切割刀片，設(shè)定好加載速度，完成切割運(yùn)動(dòng)。通過(guò)設(shè)置加載速度改變刀片切割速度；通過(guò)更換不同的切割刀片來(lái)實(shí)現(xiàn)滑切角度和刀刃類(lèi)型的改變。試驗(yàn)時(shí)，將榨菜縮短莖在水平平面內(nèi)斜放置于前后2個(gè)U形座的凹槽上，U形座1固定在機(jī)架上方，通過(guò)選用不同高度的U形座2實(shí)現(xiàn)榨菜縮短莖在豎直平面內(nèi)水平與傾斜放置狀態(tài)的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)榨菜縮短莖切割方式的改變：當(dāng)選用的U形座2高度低于U形座1時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)刀片的向上切削；當(dāng)選用的U形座2高度和U形座1一致時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)刀片的橫向切削；當(dāng)選用的U形座2高度高于U形座1時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)刀片的向下切削。

選取榨菜的縮短莖部位進(jìn)行試驗(yàn)，由質(zhì)構(gòu)儀記錄切割力-位移曲線，記錄切割過(guò)程中的最大切割力。將切割力-位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel 2016軟件中，計(jì)算每次試驗(yàn)的平均切割力。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 單因素試驗(yàn)

按照每種設(shè)定的試驗(yàn)條件分別做10組榨菜縮短莖切割試驗(yàn)(每組試驗(yàn)使用1個(gè)榨菜縮短莖)，記錄最大切割力，計(jì)算平均切割力，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值，分別考查刀刃類(lèi)型、切割速度、滑切角度和切割方式對(duì)榨菜縮短莖切割過(guò)程中切割力的影響。其中，刀刃類(lèi)型分為鋸齒刃和光刃，切割速度分別設(shè)定為30、80、120 mm·min-1，滑切角度分別設(shè)定為0、10°、20°，切割方式分別設(shè)定為向上切削、橫向切削、向下切削。

1.4.2 正交試驗(yàn)

選取刀刃類(lèi)型(A)、滑切角度(B)、切割速度(C)進(jìn)行正交試驗(yàn)[18-22](表1)，以切割過(guò)程中的最大切割力和平均切割力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別按照設(shè)定的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)方法與材料同單因素試驗(yàn)一致。

表1 正交試驗(yàn)的因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 刀刃類(lèi)型對(duì)切割力的影響

設(shè)定試驗(yàn)工況：滑切角度0，切割速度30 mm·min-1，切割方式為橫向切削。分別選用光刃和鋸齒刃進(jìn)行榨菜縮短莖切割試驗(yàn)，結(jié)果表明：2種刀刃類(lèi)型下，榨菜縮短莖切割過(guò)程中的切割力變化趨勢(shì)一致(圖7)：切割力先隨著切割位移的增加而增大，達(dá)到某一峰值后緩慢下降，然后保持一定的切割力波動(dòng)，直到出現(xiàn)另一峰值后榨菜縮短莖被切斷，切割力降為0。這一過(guò)程主要與榨菜縮短莖的結(jié)構(gòu)有關(guān)：榨菜縮短莖的外側(cè)被一層環(huán)狀纖維包裹，其單位切割力要大于內(nèi)側(cè)芯部的單位切割力，當(dāng)?shù)镀瑒傞_(kāi)始切入纖維層時(shí)，切割力急劇增大，切斷上纖維層后，刀片進(jìn)入根莖芯部，所受到的阻力較為均勻，切割力變化平穩(wěn)，最后刀片進(jìn)入下纖維層，切割力再次增大直到切斷縮短莖根部。光刃刀片切割時(shí)，最大切割力為131.6 N，平均切割力為84.2 N；鋸齒刃刀片切割時(shí)，最大切割力為123.8 N，平均切割力為70.3 N。在切割位置、滑切角度、切割速度和切割方式都相同的情況下，要切斷榨菜縮短莖，光刃刀片消耗的切割力大于鋸齒刃刀片。

2.1.2 滑切角度對(duì)切割力的影響

設(shè)定試驗(yàn)工況：刀刃類(lèi)型為光刃，切割速度30 mm·min-1，切割方式為橫向切削。分別以不同的刀片滑切角度進(jìn)行榨菜縮短莖切割試驗(yàn)，結(jié)果顯示：滑切角度為0時(shí)，最大切割力為128.6 N，平均切割力為83.3 N；滑切角度為10°時(shí)，最大切割力為117.9 N，平均切割力為78.4 N；滑切角度為20°時(shí)，最大切割力為105.1 N，平均切割力為64.3 N(圖8)。在切割位置、刀刃類(lèi)型、切割速度和切割方式都相同的情況下，0～20°范圍內(nèi)滑切角度的增大有利于降低切斷榨菜縮短莖所消耗的切割力。

2.1.3 切割速度對(duì)切割力的影響

設(shè)定試驗(yàn)工況：刀刃類(lèi)型為光刃，切割方式為橫向切削，滑切角度20°。分別以不同的切割速度進(jìn)行榨菜縮短莖切割試驗(yàn)，結(jié)果顯示：切割速度為30 mm·min-1時(shí)，最大切割力為108.7 N，平均切割力為67.7 N；切割速度為80 mm·min-1時(shí)，最大切割力為102.9 N，平均切割力為63.7 N；切割速度為120 mm·min-1時(shí)，最大切割力為100.9 N，平均切割力為60.3 N(圖9)。在切割位置、刀刃類(lèi)型、滑切角度和切割方式都相同的情況下，隨著切割速度的增大(30～120 mm·min-1范圍內(nèi))，最大切割力和平均切割力降低，但總體差異不明顯。

2.1.4 切割方式對(duì)切割力的影響

設(shè)定試驗(yàn)工況：刀刃類(lèi)型為光刃，滑切角度20°，切割速度120 mm·min-1。分別以不同的切割方式進(jìn)行榨菜縮短莖切割試驗(yàn)，結(jié)果顯示：向下切削時(shí)，最大切割力為105.8 N，平均切割力為61.2 N；橫向切削時(shí)，最大切割力為108.9 N，平均切割力為61.2 N；向上切削時(shí)，最大切割力為102.6 N，平均切割力為60.5 N?？梢钥闯?，切割方式對(duì)榨菜縮短莖切割過(guò)程中的切割力影響不大。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

將正交試驗(yàn)的結(jié)果整理于表2。由極差檢驗(yàn)可知，各因素對(duì)榨菜縮短莖最大切割力和平均切割力的影響從高到低均依次為滑切角度>刀刃類(lèi)型>切割速度。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

方差分析結(jié)果顯示，滑切角度對(duì)最大切割力影響顯著(P<0.05)，滑切角度和刀刃類(lèi)型對(duì)平均切割力影響顯著(P<0.05)。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，為有效降低榨菜縮短莖切割過(guò)程中的最大切割力和平均切割力，試驗(yàn)參數(shù)組合宜確定為A2B3C2，即刀刃類(lèi)型為鋸齒刃，滑切角度20°，切割速度80 mm·min-1。按該參數(shù)組合開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)(平行測(cè)定3次)，得到的最大切割力的平均值為86.2 N，平均切割力的平均值為53.1 N，說(shuō)明分析結(jié)果可靠。

3 討論與結(jié)論

以最大切割力和平均切割力為試驗(yàn)指標(biāo)，開(kāi)展單因素試驗(yàn)，探究刀刃類(lèi)型、滑切角度、切割速度、切割方式對(duì)榨菜縮短莖切割過(guò)程中切割力的影響。結(jié)果表明：相同工況下，鋸齒刃要比光刃省力；在本試驗(yàn)設(shè)定的條件下，隨著滑切角度和切割速度的增加，切割力會(huì)減小；切割方式對(duì)切割力無(wú)明顯影響。

以刀刃類(lèi)型、切割速度、滑切角度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果表明：滑切角度對(duì)榨菜縮短莖切割過(guò)程中切割力的影響最大，刀刃類(lèi)型的影響次之，切割速度的影響最小。綜合考慮最大切割力和平均切割力，為降低切割能耗，確定最佳切割參數(shù)如下：刀刃類(lèi)型為鋸齒型，滑切角度為20°，切割速度為80 mm·min-1。但要注意的是，本文給出的切割速度僅為50～100 mm·min-1區(qū)間的代表值，在具體的切割速度設(shè)置與優(yōu)化中，應(yīng)與割后菜頭的輸送裝置，以及機(jī)器底盤(pán)行走速度匹配，以防影響作業(yè)效率。