石林榕，吴建民，孙 伟，赵武云，王丽娟，张锋伟

(甘肃农业大学 工学院，甘肃 兰州 730070)

在马铃薯挖掘机收获、卡车运输包装、深加工、仓库长时间存放等流通的各个环节中，马铃薯与机器、工具、设备发生的碰撞、摩擦、压缩等均会对马铃薯造成一定程度的机械损伤。马铃薯损伤不仅会造成巨额的经济损失，而且损伤的马铃薯会严重影响正常马铃薯的存放。机械损伤是马铃薯损伤的最主要成因，为了最大限度地减少马铃薯损伤率，需重点研究马铃薯力学特性和机械损伤机理。压缩损伤是造成马铃薯机械损伤的主要因素[1-4]，深入研究马铃薯的压缩特性可为减少储运损伤、指导机具设计、评定和检测马铃薯品质提供重要的依据和参考。

刘春香[5]研究了压缩对圆柱形马铃薯试样及整茎马铃薯破坏性的影响，并建立了马铃薯流变力学模型；庞玉等[6]借助ANSYS对圆柱形马铃薯模型进行了有限元压缩数值模拟，指出剪切应变是造成马铃薯组织损伤的最主要因素之一；杨晨升[7]通过马铃薯动态压缩试验得到了马铃薯力学性能的基本参数，表明不同品种马铃薯在相同试验条件下的动态特性参数差异明显；藏楠[8]通过马铃薯蠕变模型确定了马铃薯不同品种、不同采样点的蠕变特性参数；郭文斌等[9]通过马铃薯应力松弛试验得到在不同压力下的松弛参数，通过压缩试验得到了不同压缩面积时马铃薯的压缩应力曲线；雷得天等[10]通过建立流变学模型，发现同一品种马铃薯不同部位(芯部和表皮)的失效应力、失效应变具有显著的差异，且不同品种马铃薯在压缩过程中的松弛曲线也明显不同。但综观现有研究成果，关于不同加载速率、加载方向以及马铃薯品种时的压缩力学特性研究尚比较少。

由于在马铃薯挖掘、运输和加工时，一般其是在完整状态下承受各种外力的作用。因此，马铃薯完整状态下的力学测定可以客观地提供工程分析和机具设计中的有用数据。本研究分别对甘肃常见的新大坪和陇薯3号2个品种鲜薯进行压缩力学特性研究，旨在为马铃薯的收获、贮藏及加工装备的设计等研究提供必要的力学参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯内部结构如图1所示，马铃薯块茎的解剖结构自外向里包括周皮、皮层、维管束环、外髓和内髓。其中周皮具有保护块茎，防止水分散失，减少养分消耗，避免病菌侵入的作用。周皮以内的薯肉从外向内包括皮层、维管束和髓部。其中皮层和髓部由薄壁细胞组成，里面充满着淀粉粒[11-12]。

图1 马铃薯内部结构示意图

本试验所用马铃薯为产自甘肃定西市的新大坪和陇薯3号2个品种，分别挑选质量为74.8～327.6 g、直径50～90 cm、含水率56.8%左右且形状相似、无病虫害、无孔洞、无损伤的马铃薯整茎作为试验材料。

1.2 试验仪器及其测定指标

1)游标卡尺、刻度尺和电子天平。利用游标卡尺和刻度尺量取马铃薯试样x、y、z方向(其中x向为马铃薯块茎的脐部与顶点连线方向；y向为块茎径向截面的短轴方向；z向为块茎径向截面的长轴方向)的外形尺寸，用天平称量马铃薯质量；2)CMT2502型电子万能试验机。本研究压缩试验采用深圳SANS公司制造的CMT2502型电子万能试验机，该试验机可实时动态显示挤压力、位移、变形、加载速度及试验曲线，并具有曲线高级分析功能，能自动计算弹性模量、屈服强度、破碎负载力、最大变形等参数，其最大试验力不能超过500 N，力分辨率为0.01 N，位移分辨率为0.001 mm[13]；3)烘箱和粉碎机。为了测定马铃薯含水率，压缩试验前称量马铃薯的质量并记录，试验后将供试马铃薯于烘箱中烘干，用粉碎机制粉后称质量并记录，最后对马铃薯进行湿基含水率计算。

1.3 压缩试验设计及试验装置

以马铃薯整茎为压缩对象，分别沿图2所示的x、y、z3轴方向进行压缩。压缩过程中，试验机下压头固定不动，上压头选取5种不同的加载速率[14-15](15，25，35，45，55 mm/min)垂直缓慢匀速下压。由于马铃薯外形很不规则，为保证试验马铃薯在下压板上的稳定放置，需对试验马铃薯3轴方向两端进行少许切除操作，以方便利用3 s快干胶对其进行固定。

图2 马铃薯加载方向示意图

由于采用平板压头加载时受压面积变化较大，且马铃薯块茎形状不规则，导致平板压头对试验参数的影响较为复杂[16]。同时参考常见果实硬度计检测果实硬度时的加载方式，本研究对马铃薯进行的压缩破坏试验采用圆柱压头进行加载，其试验装置简图如图3所示。

1.4 试验因素与指标

本研究选用马铃薯品种、加载方向和速率3个试验因素。其中马铃薯品种有新大坪和陇薯3号2个品种水平，压缩方向有x、y、z3个方向水平，加载速率有15，25，35，45和55 mm/min 5个速率水平。马铃薯压缩试验的因素水平如表1所示。以马铃薯压缩过程中上压头的加载力(F)为试验指标。

图3 马铃薯压缩试验的加载方式

2 结果与分析

通过圆柱压头对马铃薯进行压缩时，加载初始阶段马铃薯内部组织抗挤压应力及剪切应力均较大，加载力随时间增加上升较快，近似呈线性关系。随着加载的继续，由于马铃薯表皮内部微观组织先于表皮发生破坏，植物细胞内液体渗流，表皮层内部组织的抗剪切应力逐渐减小，发生黏性流动，因此加载力随时间增加上升缓慢，直至破裂点马铃薯表皮发生破坏。在马铃薯压缩过程中，加载力与时间的关系为非线性关系，并未出现明显的屈服点[17-18]。

2.1 各因素对马铃薯破裂力与变形量影响的显著性分析

在马铃薯压缩试验过程中，不同品种、加载方向、加载速率下马铃薯的压缩破裂力和变形量的测定结果如表2所示。应用SPSS数据统计软件多变量差异分析过程中的SCHEFFE方法，对2个马铃薯品种在不同加载速率和3个加载方向时的破裂力与变形量均值进行显著性分析，结果见表3和表4。

表2 不同品种、加载方向和加载速率下马铃薯的压缩破裂力和变形量

表3 马铃薯压缩时各因素对破裂力影响的显著性分析

表4 马铃薯压缩时各因素对变形量影响的显著性分析

由表3可以看出，马铃薯品种对压缩破裂力影响不显著，加载方向对破裂力影响显著(差异显著概率>0.05)，加载速率对破裂力影响极显著；由表4各个因素对马铃薯压缩变形量的显著性分析可知，只有品种对马铃薯压缩变形量影响显著，加载方向和加载速率对马铃薯压缩变形量影响不显著。因此，后文连续分析对马铃薯压缩破裂力、变形量影响极显著和显著的因素，不显著因素将被剔除。

2.2 加载方向对马铃薯压缩破裂力和变形量影响的差异性分析

图4为加载速率一定时3个不同加载方向下马铃薯的加载力-时间曲线。由图4可以看出，同一加载速率下，3个不同加载方向时的加载力-时间曲线并不相同，但均表现为x向加载力-时间曲线走势高于y向，y向高于z向。在加载速率为15，25和55 mm/min时，马铃薯压缩破裂力(曲线拐点值)的大小表现为x向>y向>z向；加载速率为35 mm/min 时，破裂力大小表现为y向>x向>z向；加载速率为45 mm/min时，破裂力表现为y向>z向>x向。

图4 不同加载速率和加载方向时马铃薯的加载力-时间曲线

应用SPSS数据统计软件的单变量分析平均数比较法(DUNCAN)分析加载方向的差异性对破裂力和变形量影响的显著性，由表5和表6可知，加载方向的差异性对破裂力影响不显著。由表6不同加载方向对破裂力的影响子集可知，3个加载方向对破裂力的影响子集数值相差不大，差异性不明显。

表5 马铃薯压缩试验中不同加载方向的差异性对破裂力影响的显著性分析

表6 加载方向对马铃薯压缩破裂力影响子集的差异性分析

由表7可知，加载方向的差异性对变形量有极显著影响；由表8加载方向子集的显著性比较发现，z向加载对马铃薯变形量的影响较x、y向大。

2.3 加载速率对马铃薯压缩破裂力影响的差异性分析

由表9可知，加载速率的差异性对破裂力有极显著影响。由表10加载速率子集的差异性比较发现：加载速率为15，25和35 mm/min时，其对破裂力影响的差异性属于不同子集，对破裂力均有显著影响；加载速率为45和55 mm/min时，二者对破裂力影响的差异性同属于第1子集，对破裂力影响的显著性表现一致。

表7 加载方向对马铃薯压缩变形量的显著性分析

表8 加载方向对马铃薯压缩变形量影响子集的差异性分析

表9 马铃薯压缩试验中加载速率的差异性对破裂力影响的显著性分析

表10 加载速率对马铃薯压缩破裂力影响子集的差异性分析

2.4 品种对马铃薯压缩变形量影响的差异性分析

由表11可知，马铃薯品种的差异性对压缩变形量有显著影响。

表11 品种差异性对马铃薯压缩变形量影响的显著性分析

3 结 论

1)对马铃薯压缩试验中压缩破裂力和变形量的显著性分析可知：马铃薯品种对压缩破裂力影响不显著，加载方向对破裂力影响显著，加载速率对破裂力影响极显著；马铃薯品种对马铃薯压缩变形量影响显著，加载方向和加载速率对马铃薯压缩变形量影响不显著。

2)由加载方向对马铃薯压缩破裂力和变形量的差异性分析可知：加载速率为15，25和55 mm/min时，压缩破裂力均表现为x向>y向>z向；对加载速率为35 mm/min时，破裂力大小表现为y向>x向>z向；加载速率为45 mm/min时，破裂力表现为y向>z向>x向。对加载方向子集的显著性比较发现，加载方向对破裂力影响不显著，但z向加载对马铃薯变形量的影响较x向与y向大。

3)由不同加载速率对马铃薯压缩破裂力的差异性分析可知：加载速率为15，25和35 mm/min时，其对破裂力影响的差异性属于不同子集，且对破裂力均有显著的影响；加载速率为45和55 mm/min时，二者对压缩破裂力影响的差异性同属第1子集，且对破裂力影响的显著性表现一致；马铃薯品种的差异性对压缩变形量有显著的影响。

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