收获期马铃薯块茎跌落冲击特性及损伤规律研究_冯斌.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 24 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．24 2019 基金项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 51665002 ; 国 家 重 点 研 发 计 划 2016YFD0701601 －03 ; 马铃薯产业体系 CARS － 10 － P18 ; 甘肃 省青年科技基金计划 1506RJYA022 收稿日期2017 －12 －14修改稿收到日期 2018 －03 －05 第一作者 冯斌 男， 博士， 讲师， 1982 年生 通信作者 孙伟 男， 博士， 教授， 1980 年生 收获期马铃薯块茎跌落冲击特性及损伤规律研究 冯斌1， 2，孙伟1，孙步功1，张涛1，吴建民1，石林榕1 1． 甘肃农业大学 机电工程学院， 兰州730070; 2． 兰州职业技术学院 汽车工程与交通运输系， 兰州 730070 摘要为了减少马铃薯机械收获中的损伤， 揭示马铃薯块茎跌落冲击损伤机理， 以 “陇薯 7 号” 马铃薯为试验对 象， 进行了不同因素下的跌落冲击试验， 分别研究了跌落高度、 碰撞材料、 马铃薯含水率和跌落方向等因素对马铃薯块茎 冲击特性和损伤综合指数的影响， 并分析了其损伤规律。研究结果表明碰撞材料、 马铃薯跌落高度和含水率对冲击特性 影响极显著， 而跌落方向不显著; 冲击特性参数与损伤指标相关性表明 最大变形量与损伤综合指数之间呈显著正相关 r 0． 729， P ＜0． 05 ， 恢复系数与损伤综合指数之间呈显著负相关 r －0． 573， P ＜0． 05 ， 并得到了恢复系数和最大变 形量与损伤综合指数的线性回归模型， 决定系数分别为 R20． 990 7， R20． 992 3， 加速度峰值与损伤综合指数之间不相 关 |r| ＜0． 5， P ＞0． 05 ; 马铃薯与各碰撞材料相撞时， 损伤综合指数与跌落高度之间线性相关， 决定系数 R2≥0． 951 4。 研究结果可对马铃薯在收获过程中碰撞损伤进行评估。 关键词马铃薯; 跌落冲击; 相关性; 损伤 中图分类号S532文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 24． 037 A study on dropping impact characteristics and damage regularity of potato tubers during harvest FENG Bin1， 2，SUN Wei1，SUN Bugong1，ZHANG Tao1，WU Jianmin1，SHI Linrong1 1． College of Mechanical and Electrical Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China; 2． Department of Automobile Engineering and Transportation，Lanzhou Vocational and Technical College，Lanzhou 730070，China AbstractIn order to reduce damages in potato mechanical harvest，there is a need to reveal the damage mechanism of potatoes’tuber dropping impact． This article took“Gansu potato 7”as experimental material，and carried out a lot of experiments to study potato dropping impact under different factors and conditions． We studied the influence of the impact feature and the damage index of potatoes and analyzed the damage rules by testing the falling height，the collision material，the moisture content and the dropping directions of potatoes． Results show that the collision material， the falling height， and the moisture content have a significant impact on the collision characteristics， but the drop direction was insignificant;the maximum deation and the damage index show significantly positive correlation，and the restitution coefficient and the damage index are significantly negative correlated，and a linear regression model for the restitution coefficient and the maximum deation was obtained ， respectively． There is no correlation between the acceleration peak and the damage index． When the potato bumps with the collision materials，the linear correlation exists between the damage index and the falling height． The results of the study can be used to uate the collision damage of potatoes during harvest． Key wordspotato;dropping impact;correlation;damage 马铃薯在机械化收获过程中不可避免产生不同程 度的机械损伤 ［1 ］。表皮擦伤的马铃薯块茎容易失水、 增加细菌侵袭的敏感性， 缩短储存期; 内部组织损伤的 马铃薯块茎影响马铃薯加工产品的质量， 且若用作种 薯时， 严重影响发芽而造成减产［2 －3 ］。马铃薯机械收 获过程中跌落碰撞是引起块茎损伤的主要原因之 一 ［4 －6 ］。因此有必要对马铃薯块茎跌落冲击特性进行 研究。 近年来， 果蔬的机械损伤问题已经引起了国内外 学者的广泛关注并开展了大量研究。国内外针对梨、 ChaoXing 桃、 苹果和番茄等果蔬的跌落碰撞研究较多［7 －16］， 但 是对马铃薯块茎跌落碰撞研究较少， 桑永英等［17］运 用试验与有限元分析相结合的方法得到了马铃薯块 茎从不同高度跌落的应力值。洪翔等［18］提出了一种 测定马铃薯临界损伤跌落高度的方法， 最终得到了马 铃薯的 临 界 损 伤 跌 落 高 度。郭 世 鲁 等［19 －20］运 用 Hy- perMesh和 ANSYS/LS- DYNA 软件建立马铃薯机械 碰撞模型并进行有限元分析， 得到马铃薯在不同碰撞 高度的极限应力值。目前对马铃薯跌落碰撞的研究 方法主要运用有限元分析， 而对于马铃薯块茎实际跌 落碰撞过程中的冲击特性和损伤的研究尚未见报道。 因此本文以西北旱农区广泛种植的马铃薯品种“陇薯 7 号” 为研究对象， 采用单因素试验方法对马铃薯块 茎进行跌落碰撞试验， 对马铃薯跌落冲击特性和损伤 进行了测定， 分析了各因素对冲击特性影响的显著性 和各指标之间的相关性， 并得到损伤综合指数的线性 回归模型， 以探索马铃薯块茎跌落碰撞损伤的评估方 法， 为深入研究马铃薯动态力学特性及其损伤机理提 供基础。 1材料与方法 1． 1材料 选用西北旱农区广泛种植的“陇薯 7 号” 马铃薯， 其质量为 292． 81 ～301． 73 g、 直径为 82 ～95 mm、 含水 率为 65 ～78， 选取大小均匀、 外形相近、 无病虫害、 无损伤的块茎作为试验对象。其中， 同一组试验时的 马铃薯块茎质量相差控制在 10 g 之内 ［21 －22 ］。 1． 2主要仪器设备 马铃薯跌落冲击试验系统如图 1 所示。试验主机 为自制的跌落试验机。冲击力传感器为 DS2- X 型 东 莞市智取精密仪器有限公司生产， 精度 0． 1 F． S; 采样率 1 000 次/s 。力传感器一端固定于托盘 直径 200 mm， 厚度 5 mm ， 托盘上放有碰撞材料， 另一端通 过螺柱联接固定在试验机底座上。采用 INV306D 智能 信号采集分析仪 北京东方振动和噪声技术研究所研 制 ， 应用冲击激励自触发进行马铃薯跌落冲击数据的 采集、 存储。试验碰撞材料为橡胶、 65Mn 钢、 土块、 马 铃薯块茎， 其材料特性如表 1 所示。试验土块取自甘 肃省 兰 州 市 西 固 区 马 铃 薯 种 植 基 地 36 12 N， 10353E， 海拔 1 680 m 。土壤类型为砂壤土， 主要包 括块状和团粒结构体， 其特征参数为 土壤含水率 11． 65、 土粒相对密度 2． 4、 土壤坚实度 265 kPa、 土壤 黏聚力 0． 01 MPa。土块试样高度为 120 mm， 直径 为80 mm。 1 －升降调节阀; 2 －跌落孔; 3 －碰撞材料; 4 －冲击力传感器; 5 － 信号调理器; 6 － PC 机; 7 － 底座 图 1马铃薯跌落实验台结构示意图 Fig． 1 Structure diagram of the potato drop test bench 表 1碰撞材料的特性 Tab． 1 Characteristics of collision material 材料类型 厚度/ mm 密度/ gcm －3 弹性模量/ MPa 泊松比 橡胶板41． 801000． 30 65Mn 钢 127． 812． 10 1050． 30 土块2． 10350． 44 “陇薯 7 号” 马铃薯1． 16 5． 370． 4 1． 3评价指标与计算方法 1． 3． 1 跌落冲击特性指标 1 跌落冲击加速度峰值 跌落冲击加速度是马铃薯块茎跌落冲击特性的重 要参数， 其值越大表征马铃薯块茎与碰撞材料相撞瞬 间受到的冲击力越大［23 ］。 2 冲击最大形变量 马铃薯块茎跌落冲击作用瞬间短， 作用面积小， 碰 撞时马铃薯块茎将发生弹性、 塑性变形。当冲击作用 时间一定时， 马铃薯块茎的变形量与所受载荷成正 比 ［24 ］。所受载荷越小， 变形量越小; 所受载荷越大， 变 形量越大， 变形量达到临界值时形成以塑性或脆性破 坏形式为主的现时损伤和以黏弹性变形为主的延迟损 伤， 即机械损伤。因此马铃薯块茎的最大变形量与块 茎损伤直接相关。 3 碰撞恢复系数 碰撞恢复系数是碰撞过程中表征能量损失的重要 参数， 以非线性的方式变化， 随碰撞能量的增加而减 少。其值越大， 表明物料碰撞后恢复变形的能力越强， 弹性越好。其定义为即碰撞后法向分离速度与碰撞前 法向接近速度的比值［25 ］， 碰撞损伤主要由塑性变形造 成， 该系数可作为马铃薯块茎发生损伤碰撞能量值的 预测指标， 并可作为马铃薯块茎碰撞发生显著损伤的 临界值。 1． 3． 2 马铃薯块茎损伤评价指标 目前国内外对于球形果蔬， 测定其损伤时主要有 体积法和面积法两种方法［26 ］， 体积法假定果蔬为标准 球体， 采用球体的体积公式来计算; 面积法一般将损伤 862振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 区域近似为椭圆形， 采用椭圆面积计算公式计算果品 损伤面积。试验中马铃薯试样并非标准球体， 马铃薯 实际损伤面积也非椭圆形， 马铃薯试样的标准球径和 损伤区域面积较难准确测得。马铃薯块茎跌落碰撞过 程中， 即使同一高度、 同一碰撞材料、 同一质量的马铃 薯块茎， 损伤发生的概率和损伤程度是不同的， 因此需 要建立一个统一的马铃薯块茎损伤评价体系， 将各种 损伤化为统一的标准， 并以此来评价马铃薯块茎跌落 碰撞的损伤程度。 参考 鲜食马铃薯等级质量标准 试行 ， 根据实 际损伤情况将马铃薯的损伤分为严重表皮擦伤、 内部 损伤 局部变色和组织淤伤 、 块茎破裂三级 ［27 ］。马铃 薯块茎三级损伤的具体情况如图 2 所示。试验采用表 皮损伤面积、 变色灰度增加值、 纹理裂开长度来评价各 级损伤大小， 由于马铃薯块茎损伤区域近似为椭圆形， 因此表皮损伤面积 S 由式 1 计算得到; 变色灰度增加 值测定方法为将内部损伤块茎切片， 放进 － 30 ℃冷冻 3 h 处理后解冻， 损伤变色并拍照， 在 Photoshop 中利用 三原色分色模式， 计算对照图片和变色图的灰度值分 别为 K0， K1， 两者相减即为灰色增加值 K; 纹理裂开长 度 L 用精度为 0． 1 mm 的橡胶软尺进行测量， 以上各处 理重复为 3 次。 S πab 1 式中 S 为表皮擦伤面积， mm2; a， b 分别椭圆形损伤区 域的长短轴， mm。 为了对各级损伤程度进行综合评价， 对以上三种 指标进行权重分配 ［28 ］， 由于不同评价指标之间的量纲 不同， 首先需要通过式 2 对所有序列进行无量纲化处 理， 损伤综合指数计算方法如式 3 所示。 Xm Xm k－ Xm σ 2 式中 Xm k 为 m 评价指标中第 k 个元素的原始数据; Xm为同一评价指标的平均值; σ 为同一评价指标的标 准差; Xm为处理后的数据。 DI XS0． 25 XK0． 35 XL0． 4 3 式中 DI 为损伤综合指标; XS为无量纲化处理后表皮 擦伤面积; XK为无量纲化处理后变色灰度增加值; X L 为无量纲化处理后纹理裂开长度。 图 2马铃薯块茎各级损伤示意 Fig． 2 Potato tubers at all levels of injury 1． 3． 3 计算方法 马铃薯跌落冲击试验系统可测得不同跌落高度 h 下与不同材料碰撞冲击力 F 与时间 t 的关系。 马铃薯从 高度 h 处自由下落， 与传感器托盘上的碰撞材料相碰， 若忽略空气阻力的影响， 由运动学方程和相关数学公 式可得马铃薯试样所受到的冲击力 F、 加速度 a、 速度 v、 冲击压缩变形量 s、 弹性碰撞恢复系数之间的关 系为 ［29 ］ a g － F m 4 v02 槡gh 5 v v0∫ t 0 adt 6 s ∫ t 0 vdt 7 e vr v0 8 式中 a 为马铃薯跌落碰撞加速度，m/s2; g 为重力加速 度，m/s2; m为马铃薯试样质量， g; h为马铃薯块茎下落 高度， mm; v0为马铃薯试样与碰撞材料刚接触时的瞬时 速度， m/s;v 为马铃薯块茎冲击速度， m/s;s 为马铃薯 块茎冲击压缩变形量， mm; e为恢复系数; vr为马铃薯试 样碰撞后回弹速度， m/s。 1． 4试验设计与方法 本文以西北旱农区“陇薯 7 号” 马铃薯为试验对 象， 以马铃薯块茎跌落高度 h、 碰撞材料、 含水率、 跌落 方向、 为试验因素， 以马铃薯跌落冲击力学特性 加速 度峰值、 最大变形量、 恢复系数 和损伤综合指数为试 验指标进行试验， 并分析各因素与马铃薯跌落冲击力 学特性的相关性。考虑到马铃薯在机械收获实际田间 作业时， 马铃薯块茎与 65Mn 钢、 橡胶、 土块、 马铃薯块 茎等材料发生碰撞， 故本试验选择如下几种碰撞材料 65Mn 钢、 橡胶板、 土块、 马铃薯块茎作为碰撞的接触面 材料; 参考洪翔等和郭世鲁等的研究结论， 马铃薯跌落 高度水平分别取为 250 mm， 350 mm， 450 mm， 550 mm， 650 mm 和750 mm; 含水率取值为马铃薯收获前3 d、 收 获当天、 收获后 3 d 不同块茎的实际测定值， 分别为 76． 44， 75． 6， 73． 64。同一高度跌落碰撞用20 个 马铃薯试样， 试样质量相差控制在 5 g 之内 ［30 ］， 每个马 铃薯试样试验 2 次， 即跌落的初始位置和旋转 180后 各试验一次。每次跌落碰撞回弹后， 随即接取马铃薯 试样， 以防止二次跌落碰撞。对每组试验得到的值求 取平均值。 2结果与分析 2． 1跌落高度对马铃薯块茎跌落冲击特性的影响 为了研究跌落高度对马铃薯块茎跌落冲击特性的 962第 24 期冯斌等收获期马铃薯块茎跌落冲击特性及损伤规律研究 ChaoXing 影响， 选择了 6 个不同跌落高度， 碰撞材料为 65Mn 钢， 马铃薯块茎含水率为 76． 44， 以长轴方向从跌落孔放 入跌落至碰撞材料。单因素试验结果如表 2 所示。跌 落高度试验结果表明， 当马铃薯跌落高度增大时， 其加 速度峰值、 最大变形量增大， 而碰撞恢复系数减小。马 铃薯下落的高度增大， 马铃薯块茎受到的冲击力越大， 下落后马铃薯块茎与碰撞材料碰撞过程中的变形量增 大， 即碰撞过程中的能量损失也随之增大， 从而使马铃 薯块茎与碰撞材料碰撞后反弹速度减小， 马铃薯碰撞 恢复系数减小 ［31 ］。 表 2单因素试验结果 Tab． 2 Results of single factor experiment 因素及水平 跌落冲击特性指标损伤指标 加速度峰值/ ms －2 最大变形量/mm 恢复系数损伤综合指数/ 跌落高度/mm 250－1 280． 67 3． 302． 35 0． 010． 75 0． 002 90 350－1 525． 67 3． 283． 15 0． 020． 74 0． 001 70 450－1 713． 67 3． 353． 82 0． 020． 73 0． 001 60． 21 0． 08 550－2 111． 33 2． 874． 44 0． 030． 71 0． 003 30． 45 0． 03 650－2 379． 67 2． 055． 20 0． 020． 68 0． 004 00． 87 0． 02 750－2 438． 67 5． 796． 21 0． 040． 66 0． 002 61． 30 0． 08 碰撞材料 65Mn 钢 －2 445． 33 33． 495． 42 0． 040． 76 0． 001 70． 83 0． 02 土块－1 880． 33 12． 814． 42 0． 020． 56 0． 002 90． 12 0． 03 马铃薯－2 193． 33 14． 384． 96 0． 060． 68 0． 005 60． 20 0． 02 橡胶板－2 056． 33 36． 334． 74 0． 050． 69 0． 003 90． 59 0． 67 马铃薯含水率/ 73． 64－2 080． 67 4． 044． 35 0． 020． 73 0． 001 70． 77 0． 02 75． 6－2 216． 67 7． 644． 75 0． 150． 72 0． 001 70． 82 0． 01 76． 44－2 379． 67 2． 525． 20 0． 020． 68 0． 004 00． 87 0． 02 跌落方向 长轴方向－2 432． 00 44． 645． 45 0． 030． 76 0． 001 70． 83 0． 02 短轴方向－2 431． 67 45． 045． 43 0． 020． 76 0． 003 90． 83 0． 02 通过跌落高度单因素试验结果方差分析表 3， 可知 跌落高度对马铃薯块茎跌落冲击特性有显著影响， 且 P ＜0． 01， 说明影响极显著。跌落高度因素对于马铃薯 挖掘机分离机构抛薯高度及相关参数的设计尤为关 键。因此， 为减轻输送分离时土块、 马铃薯、 链杆对马 铃薯挤压、 碰撞、 冲击和抛薯时马铃薯撞击地面所造成 的损伤， 马铃薯块茎从土薯分离机构的下落高度、 输送 分离器的参数等设计过程中应重点综合考虑。 表 3单因素试验结果方差分析表 Tab． 3 Results of single factor experiment of variance table 差异源影响指标SSDFMSFP 加速度峰值3 368 7365673 747． 134 258． 331． 73 10 －24 跌落高度最大变形量29． 344 5855． 868 9178 952． 5855． 43 10 －21 恢复系数0． 020 25750． 004 051337． 615 71． 8 10 －12 损伤综合指数4． 057 22850． 811 446362． 432 31． 18 10 －12 加速度峰值1． 511． 50． 000 5020． 9831 92 跌落方向最大变形量0． 000 26710． 000 2670． 285 7140． 621 308 恢复系数8． 17 10 －6 18． 17 10 －6 0． 612 50． 477 587 损伤综合指数1． 67 10 －5 11． 67 10 －5 0． 045 4550． 841 596 加速度峰值511 3233170 441161． 5811． 7 10 －7 碰撞材料最大变形量1． 605 89230． 535 297189． 485 79． 08 10 －8 恢复系数0． 061 15830． 020 386948． 180 91． 52 10 －10 损伤综合指数1． 003 49230． 334 497215． 804 75． 44 10 －8 含水率/加速度峰值 134 466267 2332 490． 1111． 74 10 －9 最大变形量1． 101 75620． 550 87870． 026 846． 93 10 －5 恢复系数0． 003 72820． 001 864169． 464 65． 26 10 －6 损伤综合指数0． 015 08920． 007 54432． 333 330． 000 612 注 P ＜0． 01 极显著， ＊＊ ; P ＜0． 05 显著， * 072振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 2． 2碰撞材料对马铃薯块茎冲击特性的影响 为了研究碰撞材料对马铃薯块茎跌落冲击特性的 影响， 选择了四种不同碰撞材料， 跌落高度为 650 mm， 马铃薯块茎含水率为 76． 44， 以长轴方向从跌落孔放 入跌落至碰撞材料。碰撞材料单因素试验结果如表 2 所示， 通过比较试验数据， 马铃薯与各种碰撞材料间的 加速度峰值和最大变形量从大到小依次为 65Mn 钢、 马 铃薯、 橡胶和土块。这是由于 65Mn 钢材料的硬度最 大， 马铃薯与其碰撞时接触面积小， 冲击力大。而土块 的硬度最小， 碰撞时接触面积大， 冲击力小， 马铃薯下 落碰撞时产生的大部分能量被土块吸收起到一定的缓 冲作用。 通过碰撞材料单因素试验结果方差分析表 3， 可知 碰撞材料对马铃薯块茎跌落冲击特性有显著影响， 且 P ＜0． 01， 说明影响极显著。因此， 马铃薯块茎土薯分 离机构设计时应尽量减少马铃薯与 65Mn 钢金属材料 的碰撞， 分离杆条上适量的橡胶条和土壤会对马铃薯 起到保护作用， 减轻块茎的损伤。 2． 3马铃薯含水率对块茎冲击特性的影响 为了研究马铃薯含水率对块茎跌落冲击特性的影 响， 选择了马铃薯收获前 3 d、 收获当天、 收获后 3 d 不 同含水率的块茎， 碰撞材料为 65Mn 钢， 以长轴方向从 跌落孔 650 mm 处放入跌落至碰撞材料。单因素试验 结果如表 2 所示， 马铃薯含水率试验结果表明， 当马铃 薯块茎含水率增大时， 其加速度峰值、 最大变形量增 大， 而碰撞恢复系数减小。马铃薯含水率越高， 块茎下 落与碰撞材料碰撞时的变形量越大， 与碰撞材料接触 时的黏性变大， 碰撞过程中的能量损失也随之增大， 从 而使马铃薯块茎与碰撞材料碰撞后反弹的法向分离速 度减小， 最终导致马铃薯碰撞恢复系数减小， 而加速度 峰值和最大变形量增大。 通过马铃薯含水率单因素试验结果方差分析表 3， 可知马铃薯含水率对马铃薯块茎跌落冲击特性有显著 影响， 且 P ＜0． 01， 说明影响极显著。因此马铃薯机械 收获成熟度较好的马铃薯可降低表皮蹭伤。 2． 4跌落方向对马铃薯块茎冲击特性的影响 马铃薯块茎跌落冲击试验中， 为使马铃薯自由落 体下落， 更加符合马铃薯在收获机械上的实际运动和 抛薯运动情况， 选取了含水率为 76． 44 马铃薯块茎沿 长轴方向和短轴方向两个位置跌落分别从 650 mm 处 跌落至 65Mn 钢上， 但通过观察马铃薯与碰撞材料 65Mn 钢部分碰伤出水的位置， 发现马铃薯无论沿长轴 方向还是短轴方向跌落， 即使马铃薯块茎同一轴向跌 落， 在与碰撞材料碰撞时块茎的部位也不同。马铃薯 块茎跌落试验结果如表 2 所示， 沿长轴方向和短轴方 向跌落时马铃薯块茎加速度峰值、 最大变形量和恢复 系数数值基本接近。 通过跌落方向单因素试验结果方差分析表 3， 可知 跌落方向对马铃薯块茎跌落冲击特性的影响不显著。 这是因为马铃薯形状不规则存在差异性， 不同的马铃 薯块茎重心位置也不同， 下落过程中马铃薯块茎会根 据重心自我调整， 产生一定的旋转。 2． 5试验指标间的相关性分析 将表2 中试验所获得的碰撞参数指标加速度峰值、 最大变形量、 碰撞恢复系数和损伤综合指数运用SPSS 软 件进行相关性分析， 得到相关系数及显著性检验结果如 表4 所示。由表可得最大变形量与损伤综合指数相关性 最大， r 为 0． 729， 两指标之间呈正相关， 而且相关显著 P ＜0．05 ; 其次为恢复系数， 与损伤综合指数相关系数 r 为 － 0． 573， 两 指 标 之 间 呈 负 相 关， 且 相 关 显 著 P ＜0．05 ; 加速度峰值与损伤综合指数相关度|r|低于 0．5， 而且 P ＞0．05， 说明两者之间几乎不相关， 加速度峰 值不能准确地评定马铃薯块茎的跌落碰撞损伤程度。因 此在深入探讨马铃薯机械损伤时， 可通过寻找最大变形 量、 恢复系数与损伤综合指数之间回归模型， 较为准确地 评估和预测马铃薯跌落碰撞损伤程度。 表 4试验指标间的相关性分析及显著性检验结果 Tab． 4 Correlation analysis between test indicators and significance test results 相关因素参数加速度峰值/ ms －2 最大变形量恢复系数损伤综合指数 加速度峰值/ ms －2 r1 P 最大变形量/mmr －0． 968＊＊1 P＜0． 000 1 恢复系数r－0． 543＊＊0． 465*1 P0． 0010． 04 损伤综合指数/r－0． 387 0． 729＊＊－0． 573＊＊1 P0． 0840． 0090． 004 注 P ＜0． 01 极显著， ＊＊ ; P ＜0． 05 显著， * 172第 24 期冯斌等收获期马铃薯块茎跌落冲击特性及损伤规律研究 ChaoXing 2． 6损伤综合指数与恢复系数和最大变形量的关系 从表4 可知， 马铃薯碰撞恢复系数和最大变形量与 损伤综合指数的线性相关性最大。将试验值马铃薯损伤 综合指数对恢复系数和最大变形量值分别进行线性回 归， 模型结果如图 3 和图 4 所示， 其线性回归方程分别 为 y － 15． 469x 11． 456， 相 关 系 数 R20．990 7; y 0．436 6x －1．426 9， 相关系数 R20． 992 3。回归结 果表明马铃薯碰撞恢复系数和最大变形量与损伤综合指 数是存在着线性相关性。 图 3马铃薯损伤综合指数与恢复系数的关系 Fig． 3 Relationship between damage index and restitution coefficient of potato 图 4马铃薯损伤综合指数与最大变形量的关系 Fig． 4 Relationship between damage index and maximum deationt of potato 2． 7马铃薯与不同接触材料跌落冲击的损伤规律 如图 5 所示， 马铃薯分别与 65Mn 钢、 马铃薯、 橡 胶、 土块碰撞， 马铃薯损伤综合指数随着跌落高度增加 而增大。当跌落高度在 350 mm 以上时， 马铃薯块茎在 65Mn 钢上会发生严重表皮擦伤; 当跌落高度在420 mm 以上时， 马铃薯与马铃薯跌落碰撞会发生严重表皮擦 伤; 当跌落高度在 500 mm 以上时， 马铃薯块茎跌落在 橡胶件上会发生严重表皮擦伤; 当跌落高度在 550 mm 以上时， 马铃薯块茎在土块上会发生严重表皮擦伤。 随着高度的增加， 马铃薯块茎在上述碰撞材料上的损 伤程度也会越严重， 组织损伤 内部淤伤 、 局部变色都 会出现， 甚至马铃薯块茎跌落冲击破裂。表 5 所示为 马铃薯在不同材料上跌落冲击的损伤综合指数与跌落 高度的线性拟合关系， 拟合结果表明， 马铃薯与各碰撞 材料相撞时， 损伤综合指数与跌落高度之间高度线性 相关， 决定系数 R2≥0． 951 4， 能较为准确地评估在不 同碰撞材料上的跌落碰撞损伤程度。 图 5马铃薯在不同材料上跌落冲击的 损伤综合指数与跌落高度的关系 Fig． 5 The relationship between damage index and falling height of potatoes on different materials 表 5马铃薯损伤综合指数回归方程 Tab． 5 Potato damage index regression equation 碰撞材料损伤综合指数的回归方程R2 65Mn 钢DI 8 10 －6h2 －0． 005 h 0． 773 3R20． 997 2 马铃薯DI 4 10 －6h2 －0． 003 2 h 0． 560 1R20． 951 4 橡胶DI 5 10 －6h2 －0． 003 2 h 0． 515R20． 994 9 土块DI 5 10 －6h2 －0． 002 8 h 0． 403 4R20． 997 3 3结论 1 从单因素试验中得到， 马铃薯跌落高度和含水 率增大时， 其加速度峰值、 最大变形量和损伤综合指数 增大， 而碰撞恢复系数减小。马铃薯与各种碰撞材料 间的加速度峰值、 最大变形量和损伤综合指数从大到 小依次为 65Mn 钢、 马铃薯、 橡胶和土块。碰撞材料、 跌 落高度和含水率对马铃薯块茎跌落冲击特性影响极显 著 P ＜0． 01 ， 而块茎跌落方向对其影响不显著。 2 加速度峰值、 最大变形量和碰撞恢复系数与损 伤综合指数之间的相关性不同， 其中最大变形量与损 伤综合指数相关性最大， 并得到了一元线性回归模型 为 y 0． 436 6x －1． 426 9， 相关系数 R20． 992 3; 恢复 系数 次 之， 呈 显 著 负 相 关， 一 元 线 性 回 归 模 型 为 y －15． 469x 11． 456， 相关系数 R20． 990 7; 加速度 峰值与损伤综合指数相关度| r| ＜ 0． 5， P ＞ 0． 05， 两者 之间几乎不相关。 3 马铃薯与不同材料跌落碰撞时， 损伤综合指数 从高至低依次为 65Mn 钢、 马铃薯块茎、 橡胶板、 土块， 发生 严 重 表 皮 擦 伤 的 临 界 高 度 依 次 为 350 mm， 420 mm， 500 mm， 550 mm。损伤综合指数与跌落高度 之间线性相关， 决定系数 R2≥0． 951 4。 参 考 文 献 ［1］ 王咏梅， 孙伟， 王关平． 关于马铃薯收获中机械损伤的研 究［ J］ ． 安徽农业科学， 2014， 42 9 2837 －2840． WANG Yongmei， SUN Wei， WANG Guanping， et al． Research on mechanical damage to potato in harvesting［J］ ． Journal of Anhui Agricultural Sciences，2014，42 9 272振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 2837 －2840． ［2］ 张建华， 金黎平， 谢开云， 等． 不同基因型马铃薯块茎损伤 性状的综合评价［J］ ．中国农业科学， 2009， 42 1 198 －203． ZHANGJianhua， JINLiping， XIEKaiyun， etal． Comprehensive uation of damage traits of potato tubers of different genotypes［ J］ ． Chinese Agricultural Science，2009， 42 1 198 －203． ［3］ 高连兴， 李晓峰， 接鑫， 等． 大豆内部机械损伤对发芽的影 响［ J］ ． 农业机械学报， 2010， 41 10 63 －66． GAO Lianxing， LIXiaofeng， JIEXin， etal．Inner mechanical damage impact to germination of soybean kernels ［ J］ ．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2010， 41 10 63 －66． ［4］ 史明明， 魏宏安， 刘星， 等． 国内外马铃薯收获机械发展现 状［ J］ ． 农机化研究， 2013， 35 10 213 －218． SHI Mingming，WEI Hongan，LIU Xing，et al． The present situation of potato harvester development at home and abroad ［ J］ ． Journal of Agricultural Mechanization Research，2013， 35 10 213 －218． ［5］ 牛海华， 赵武云， 史增录， 等． 马铃薯生物力学特性的研究 进展及应用［ J］ ． 中国农机化， 2011， 18 3 77 －80． NIU Haihua，ZHAO Wuyun，SHI Zenglu，et al． Progress of research and application in biomecha