康啟新，張國忠,2，鄭侃,2，鄢錢，劉浩，陳亞欣

1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院，武漢 430070; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070

藠頭(AlliumchinenseG.Don)又名薤，俗名藠子、蕎頭、茭頭，原產(chǎn)于中國，現(xiàn)在朝鮮、日本以及東南亞等地均可見到，國內(nèi)以江西、湖南、湖北等地栽培較多，并不斷以良好的地理環(huán)境、獨特風味逐步占據(jù)日韓等市場，外貿(mào)出口穩(wěn)步增長。藠頭富含營養(yǎng)物質(zhì)，具有一定食療和保健作用[1-2]。國內(nèi)學者對藠頭的相關研究主要集中于生物活性、種植農(nóng)藝以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如吳琦等[3]提取并分析了藠頭揮發(fā)油中主要成分，其主要包括含硫化合物以及其他有價值的噻吩類、烷烴類化合物；陳學軍等[4]、陸裕華等[5]考察了藠頭的耕、種、管、收、留種等豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培技術；張曉玲[6]研究了危害分析與關鍵控制點(HACCP)體系在出口甜酸藠頭生產(chǎn)加工中的應用。

研究考察影響物料力學特性的因素及規(guī)律，有助于物料的采摘、加工、運輸、儲存、包裝及相關機械的研究設計。張夢月等[7]研究了芋頭壓縮和剪切特性，結果表明，方向和速率對整個芋頭的擠壓破裂力有極顯著影響。侯群喜等[8]研究表明，蓮籽垂直方向彈性模量小于水平方向彈性模量。國內(nèi)學者還對甘薯[9]、大蔥[10]、甜高粱[11]、嫁接蔬菜[12]等物料展開力學特性的研究。Cakir等[13]和Sagsoz等[14]采用壓縮試驗研究了洋蔥的泊松比及彈性模量。Nikara等[15]利用掃描電鏡對馬鈴薯組織和細胞在貯藏過程中對沖擊試驗響應的微觀力學變化進行了有限元模擬。Caglayan等[16]對馬鈴薯塊莖掉落的應力分布進行了測定。目前關于藠頭種子物理力學特性研究的報道較少。本研究以大葉藠為研究對象，對不同方向、不同加載速率下的擠壓及剪切進行相關研究，分析施力方向、加載速率對藠頭種子力學特性的影響及藠頭種子的抗損傷性能，以期為藠頭的播種、收獲、運輸?shù)认嚓P研究與機具設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

1)試驗材料。試驗藠頭(AlliumchinenseG.Don)品種為廣泛種植的大葉藠，選取無損傷、無病蟲害的藠頭25 kg。隨機選取了5組藠頭種子樣本進行含水率測試，結果顯示藠頭種子平均濕基含水率為57.65%±3.50%。由于試驗持續(xù)時間較長，為避免樣品因存放時間過長發(fā)生腐壞、營養(yǎng)流失和水分流失，將藠頭種子用密封袋封裝在4 ℃冰箱保鮮室保存。

2)試驗設備。藠頭種子壓縮與剪切試驗選用美國TFC公司生產(chǎn)的TMS-PRO質(zhì)構儀進行，儀器精度為±1%，量程為0～1 000 N；含水率測定選用浙江賽德儀器設備有限公司生產(chǎn)的SDH-1202快速鹵素水分測定儀進行，儀器精度為0.002 g；種子尺寸選用艾瑞澤公司生產(chǎn)的數(shù)字顯示電子游標卡尺測定，精度為0.01 mm，量程為0～300 mm。

1.2 藠頭種子三軸尺寸測定

建立以藠頭種子根部為原點O，種子根部指向種子鱗芽方向為X軸向，整顆種子的對稱面為面XOY且Z軸過點O垂直于對稱面XOY的直角坐標系，選取500顆藠頭種子測定三軸尺寸。如圖1所示，藠頭種子沿X軸向的最大尺寸為長(L)，在Y軸上的最大尺寸為寬(B)，在Z軸上的最大尺寸為厚度(H)。測得藠頭種子質(zhì)量為7.19±3.50 g；長、寬、厚分別為43.47±9.40、21.68±4.20、18.28±3.50 mm，其中，寬度為20～25 mm種子占總數(shù)的43.4%。因此，根據(jù)寬度尺寸分布進行分級，寬度18～20 mm為A級，20～23 mm為B級，23～27 mm為C級。

圖1 藠頭種子三軸及尺寸示意圖

1.3 試驗設計

藠頭種子壓縮、剪切試驗均在質(zhì)構儀上進行。壓縮試驗為加載方向分為X、Y、Z的單因素三水平試驗；藠頭種子彈性模量的測定和剪切試驗采用雙因素試驗，因素水平如表1所示。

表1 因素水平表 Table 1 Factors and levels of compression and shearing test

1.4 試驗方法

1)藠頭種子極限載荷與其對應形變測定。在TMS-PRO質(zhì)構儀上，用直徑為60 mm的圓盤壓頭進行壓縮試驗(圖2)。農(nóng)產(chǎn)品壓縮速率一般為10～75 mm/min[17]。本試驗壓縮速率為60 mm/min。隨機選取B級種子15顆，測定其X、Y、Z3個軸向的極限載荷及其對應形變，每個軸向的壓縮試驗重復5次。設置位移觸發(fā)起點為壓縮力F=0.1 N，當壓縮過程中，載荷突然下降、藠頭種子發(fā)出碎裂聲時停止加載，記錄最大加載力與其對應的形變。

1.圓盤壓頭 Disc pressure head; 2.藠頭種子 Allium chinense seed.

2)藠頭種子彈性模量測定。藠頭種子形狀大小不一，壓縮截面積難以測量，故將藠頭種子處理為邊長為1 cm的正立方體。在種子處理過程中區(qū)分X、Y、Z3個軸向，并按20、40、60、80、100 mm/min共5組不同加載速率和3個壓縮方向(X、Y、Z)進行壓縮試驗，每次試驗重復5次。壓縮過程及物料放置如圖3所示。設置位移觸發(fā)起點為壓縮力F=0.1 N，壓縮過程中，載荷突然下降、藠頭種子發(fā)出碎裂聲時停止加載。利用公式(1)求藠頭種子各軸向彈性模量E。

A:藠頭種子試樣壓縮 Compression of Allium chinense seed sample; B:藠頭種子試樣示意圖 Allium chinense seed sample.

(1)

式(1)中：E為藠頭種子彈性模量，MPa；σ為藠頭種子試樣所受的應力，MPa；ε為沿壓縮方向的應變；F為加載力，N；L為試樣有效長度，mm；A為試樣有效截面積，mm2；ΔL為形變量，mm。

圖4為加載速率60 mm/min時藠頭試樣的Y軸壓縮載荷位移曲線。以此為例，截取曲線中彈性變化的一線段進行直線擬合，R2為0.99，可認為所取線段為線性的彈性形變段。利用所取線段的始末點A、B計算彈性模量，兩點的加載力分別為FA、FB，加載位移分別為LA、LB。ΔL為LA與LB的差值，F(xiàn)為FA與FB的差值，L為10 mm，A為100 mm2，將上述值代入式(1)可得彈性模量。

圖4 藠頭種子試樣壓縮的載荷-位移曲線

3)藠頭種子剪切試驗。隨機選取75顆藠頭種子在質(zhì)構儀上分別以剪切速率20、40、60、80、100 mm/min和X、Y、Z3個軸向進行全面剪切試驗。每個試驗重復5次。剪切試驗所用刀具為長100 mm、厚0.55 mm的美工刀片。在進行剪切試驗前，利用3D打印技術設計制作了刀架與支撐臺[8]，并在質(zhì)構儀上搭建了試驗裝置(圖5)。試驗過程中，當?shù)镀袛嗨婎^種子后立即停止加載，位移和加載力數(shù)據(jù)由計算機軟件自動記錄，后導出進行數(shù)據(jù)處理。

A:剪切試驗裝置 Shearing tester; B:刀片剖面示意圖 Blade profile diagram; 1. 3D打印刀架 3D-printed tool rest; 2.刀片 Blade; 3.藠頭種子 Allium chinense seed; 4.3D打印種子支座 3D-printed seed supports.

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS數(shù)據(jù)處理軟件分析顯著性，采用方差分析法(ANOVA)和多重比較最小顯著性差異法(LSD)比較指標差異，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 壓縮極限載荷及藠頭種子形變

藠頭種子不同方向壓潰后剖面結構如圖6所示。由圖6可知，不同的施力方向?qū)?nèi)部結構的破壞形式不同，但均造成藠頭種子的多層結構表皮破裂，組織液滲出，其中X軸向壓潰后藠頭種子層次分離情況明顯。加載速率為60 mm/min時，各向極限載荷與其對應形變試驗結果顯示，平均極限載荷Y軸方向最大，為211.76±80.40 N，X、Z軸方向分別為 116.32±20.68、139.54±36.35 N；平均對應形變Y軸方向最小，為6.86±1.24 mm；X、Z軸方向分別為22.50±3.16、7.94±1.38 mm。X、Y、Z方向的壓縮極限載荷分別為89.20～139.20、120.70～294.70、101.40～184.60 N。由表2可知，不同壓縮方向?qū)λ婎^種子極限載荷影響顯著(P<0.05)；不同壓縮方向?qū)O限載荷對應形變影響極顯著(P<0.01)。

A:X方向X direction; B:Y方向Y direction; C:Z方向 Z direction.

2.2 不同加載速率與壓縮方向?qū)椥阅Ａ康挠绊?/h3>

表3的方差分析表明，修正模型F值為9.97，說明此模型具有統(tǒng)計學意義。壓縮方向F值為38.87，表明壓縮方向?qū)椥阅Ａ康挠绊懢鶚O為顯著(P<0.01)；速率F值為4.68，表明速率對彈性模量的影響顯著(P<0.05)。速率和方向的交互作用F值為5.34，表明交互作用影響顯著(P<0.05)。

表2 不同壓縮方向?qū)O限載荷的影響方差分析 Table 2 Variance analysis of the effect of different compression direction on the limit load

表3 不同壓縮方向和加載速率對彈性模量影響的方差分析 Table 3 Variance analysis of different compression direction and loading speed on elastic modulus

1)壓縮方向?qū)椥阅Ａ康挠绊憽、Y、Z3個方向平均彈性模量分別為2.65±1.23、1.30±0.59、1.13±0.67 MPa，其中壓縮方向為X時的邊際平均彈性模量最大，為2.66 MPa。壓縮方向X與Y、Z間均有顯著性差異(P<0.05)，不同的方向上彈性模量不同，Y、Z之間無顯著性差異(P>0.05)。

2)加載速率對彈性模量的影響。加載速率為20、40、60、80、100 mm/min時，平均彈性模量分別為1.65±1.74、1.07±0.55、1.89±0.74、2.01±0.96、1.85±1.02 MPa(圖7)，其中加載速率為80 mm/min時的邊際平均彈性模量最大，為2.02 MPa。加載速率40和80 mm/min有顯著性差異(P<0.05)，其他因素兩兩間均無顯著性差異(P>0.05)。

a、b、c表示LSD多重比較結果，具有相同字母的水平間在0.05水平上無顯著性差異，下同。a,b and c represent multiple comparison results of LSD,and there is no significant difference between levels with the same letter at the 0.05 level,the same as below.

3)交互作用對彈性模量的影響。壓縮方向、加載速率的交互作用對彈性模量影響顯著(P<0.05)。加載速率分別為20、40、60、80、100 mm/min時，平均彈性模量估算值在壓縮方向為X時，分別為3.88、1.26、2.64、2.68、2.84 MPa；在壓縮方向為Y時，分別為0.58、1.00、1.40、1.70、1.84 MPa；在壓縮方向為Z時，分別為0.52、0.94、1.64、1.68、0.86 MPa。結合因素的成對比較發(fā)現(xiàn)，在X軸加載方向上，加載速率為40 mm/min時，平均彈性模量顯著小于20 mm/min時的彈性模量，Y、Z方向上各加載速率間的彈性模量均無顯著差異，在每個固定加載方向上，加載速率為60、80、100 mm/min對彈性模量沒有影響。由圖8可知，當加載方向一定時，彈性模量隨著加載速率的增加而增加；在加載速率相同時，X方向的彈性模量略大于其他方向，彈性模量較高的因素水平集中在X、Y方向的高加載速率區(qū)域。

圖8 不同因素水平下的彈性模量分布

2.3 不同加載速率與剪切方向?qū)η袛嗔Φ挠绊?/h3>

由表4可知，修正模型F值為8.40，說明此模型具有統(tǒng)計學意義。剪切方向F值為20.35，表明方向?qū)η袛嗔τ绊憳O為顯著(P<0.01)，加載速率F值為11.68，表明速率對切斷力影響極為顯著(P<0.01)，速率和方向交互作用的F值為3.78，說明二者交互作用影響極顯著(P<0.01)。

1)剪切方向?qū)η袛嗔Φ挠绊?。藠頭種子剪切試驗表明，初始加載階段的力與位移成正相關，加載力隨著變形量的增大而增大。隨著變形量進一步增大，刀片切斷種子外皮，開始切入種子內(nèi)部，加載力呈現(xiàn)短時間內(nèi)的下降，隨后加載力隨著剪切深度增大、剪切阻力增大而繼續(xù)增大，此時種子內(nèi)部的抗剪切應力較為明顯，達到一定程度后藠頭種子被切斷，此時的最大剪切力為切斷力，隨后加載力緩慢減小。試驗結果顯示，X、Y、Z方向切斷力分別為6.12～19.72、8.66～30.77、6.57～28.98 N，平均切斷力分別為11.06±3.67、18.07±6.39、15.73±5.91 N，最小切斷力為6.12 N。LSD多重比較表明，剪切方向Y、Z上的切斷力沒有顯著性差異(P>0.05)。

表4 剪切方向和加載速率對切斷力的影響方差分析 Table 4 Variance analysis of shear direction and loading speed

2)加載速率對切斷力的影響。由圖9可知,加載速率分別為20、40、60、80、100 mm/min時，對應的平均切斷力分別為20.05±7.43、12.74±3.33、11.23±4.23、14.02±4.80、16.72±6.24 N，最小切斷力分別為7.77、7.77、6.12、6.27、7.32 N。LSD多重比較可知，加載速率為20、100 mm/min之間，40、60和80 mm/min之間及40、80和100 mm/min之間的切斷力均無顯著性差異(P>0.05)。剪切速率為20 mm/min時,平均切斷力最大，為20.05 N。

圖9 不同加載速率下的平均切斷力

3)交互作用對切斷力的影響。剪切方向、加載(剪切)速率的交互作用對切斷力的影響顯著(P<0.01)。加載速率分別為20、40、60、80、100 mm/min時,平均切斷力估算值在X剪切方向時分別為16.16、8.85、7.34、10.13、12.83 N；在Y剪切方向時分別為23.16、15.85、14.35、17.13、19.84 N；在Z剪切方向時分別為20.82、13.51、12.01、14.79、17.50 N；估算值標準誤差為1.39。結合因素的成對比較發(fā)現(xiàn)3個方向上，加載速率為20 mm/min時的平均切斷力均顯著大于40和60 mm/min，這與單因素分析的部分結果相同。在每個固定加載方向上，加載速率60、80、100 mm/min對平均切斷力沒有影響。由圖10可知，當加載方向一定時，剪切力隨著加載速率先減小后增加；在加載速率相同時，Y、Z方向的剪切力略大于其他方向，剪切力較高的因素水平集中在Y方向的高、低加載速率區(qū)域。

圖10 不同因素水平下切斷力分布

3 討 論

不同加載方向上力學特性的不同表示組織結構在方向上具有差異性，Y軸向施加載荷，多層結構正面受壓，且受力面積較大，故有較好的抗壓強度；X軸向施加載荷，多層結構側(cè)面受壓，且受力面積較小，故抗壓強度較差。藠頭種子不是連續(xù)性結構，彈性形變的傳遞速率可能會受到加載速率的影響，故加載速率對彈性模量具有顯著影響。彈性模量為采用藠頭種子試樣情況下所得結果，藠頭種子的多層結構在試樣壓縮過程中存在滑移現(xiàn)象，故藠頭種子彈性模量的測定還需進一步研究。

在剪切時，由于Y、Z方向上結構相似，故切斷力無顯著性差異。在藠頭種子的多層結構中，每層都存在包裹內(nèi)部組織的表皮，Y、Z方向上的剪切可能需要不斷破壞表皮，故其切斷力較大。Y、Z方向以較小速率(40、60 mm/min)剪切時，加載速率對切斷力沒有顯著影響，且切斷力小于高速率剪切。推測在正切多層結構，加載速率較小時，層間存在間隙，抗剪切作用力不能快速傳遞，故切斷力較小，加載速率達到一定程度時，抗剪切作用力不斷疊加，切斷力明顯增加。X方向剪切不需要連續(xù)破壞多層結構表皮，推測加載速率較小時，藠頭種子對刀具的摩擦阻力較大，隨著加載速率增加，摩擦阻力減小，當加載速率繼續(xù)增加時可能存在一定沖擊作用導致切斷力增加，因此，X剪切方向上存在切斷力最小的加載速率。

藠頭種子的多層結構類似于洋蔥，與芋頭[7]、甘薯[9]等常見塊狀類物料相比，自身各向結構與力學特性有明顯不同，應認為是各向異性材料。對比Cakir等[13]對洋蔥彈性模量的研究，藠頭種子的最大平均彈性模量與洋蔥相差約2.6 MPa，但由于試驗方法不同，藠頭種子整體的彈性模量還需進一步研究。

濕基含水率為57.65%±3.5%的大葉藠，不同的施力方向和加載速率對藠頭種子的極限載荷、極限載荷對應形變、彈性模量、切斷力均有顯著影響。Y軸方向的平均極限載荷最大，為211.76 N。根據(jù)壓縮試驗平均彈性模量，X、Y、Z方向分別為2.65、1.30、1.13 MPa。加載速率為80 mm/min時的平均彈性模量最大，為2.01 MPa。由剪切試驗測得藠頭種子的最小切斷力為6.12 N。在變形量相同時，Y、Z方向的剪切力有大于X方向的趨勢，剪切方向Y、Z的切斷力沒有顯著性差異(P>0.05)。Y方向的平均切斷力最大，為18.07 N。生產(chǎn)實踐中多以完整藠種為作業(yè)對象，綜合判斷藠頭種子Y方向的抗破壞能力最優(yōu)。

在裝備設計及貯藏、運輸時應盡可能避免X軸向的擠壓，收獲后注意堆放方向，以提高貯藏質(zhì)量。在設計機具時，應充分考慮藠頭種子的剪切條件，可以通過彈性裝置或柔性材料及適當減小加載速率以降低藠頭種子的機械損傷。影響藠頭種子性能的因素較多，藠頭種子的損傷機制等特性還需要結合植物學原理進一步深入研究。