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第 26 卷第 6 期农 业 工 程 学 报Vol.26No.6 2010 年6 月Transactions of the CSAEJun. 2010163 北方垄作萝卜物理力学特性 陈海涛，任珂珂，余 嘉 （东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030） 摘要：通过北方垄作栽培收获期青萝卜和红萝卜的田间和实验室测定，探寻其几何参数、松土位置参数优化组合及拔 取力等物理力学特性。采用数理统计方法对收获期萝卜的几何特性进行分析，得出了两种萝卜主要几何特性指标值的变 化区间和分布频率；通过拉伸试验对收获期萝卜根茎结合部抗拉强度、拔取力等力学特性进行测试，应用软件 Design - Expert Version 6.0.10 分析，得出了青萝卜和红萝卜根茎结合部抗拉强度分别为(2.45 1.23)105Pa 和(2.17 1.08)105Pa，最 小抗拉力分别为 90 N 和 110 N，土壤自然状态下所需拔取力分别为(191 113.8)N 和(197 107.2)N，部分萝卜会发生枝断 漏收现象；采取松土拔取收获方式，当一侧松土位置参数优化组合为松土深度 1526 cm、松土距离 1020 cm 时，青 萝卜所需拔取力小于 90 N，当一侧松土位置参数优化组合为松土深度 1824 cm、松土距离 1216 cm 时，红萝卜所需 拔取力小于 110 N，不会发生拔断漏收现象。为拔取式萝卜收获机的设计提供理论依据。 关键词：农业机械，物理特性，力学特性，拔取式萝卜收获机，参数优化 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.06.029 中图分类号：S225.7+2文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-06-0163-07 陈海涛，任珂珂，余嘉. 北方垄作萝卜物理力学特性J. 农业工程学报，2010，26(6)：163169. Chen Haitao, Ren Keke, Yu Jia. Physical and mechanical properties of ridging radishes in Northern ChinaJ. Transactions of the CSAE, 2010, 26(6): 163169. (in Chinese with English abstract) 0引言 萝卜（Raphanus sativus L.）十字花科植物，原产我 国，自古盛行，明代时已遍及全国。多年以来形成了许 多优良品种，主要有青萝卜、红萝卜、白萝卜和心里美 等。其根供食用，为中国主要蔬菜之一，除供应国内市 场外，在国外也有较大的市场，同时具有很高的药用价 值。统计资料表明，2006 年，全国萝卜种植面积为 122 万 hm2，产量为 4 003 万 t，分别比 2005 年增长 3.30%和 1.73%1。然而，中国的萝卜生产机械装备，尤其是收获 机械，却极为匮乏，根本无法满足其规模化生产之需求。 萝卜的基本物理力学参数是其生产机械装备设计与 开发最根本依据，是使机械装备、工艺和操作规程达到 最大工作效率、最优质量的基础2- 4。目前，关于萝卜物 理特性的研究内容主要集中在品质、块根力学特性和耐 热特性方面。如，刘谦乙用比重法测定萝卜的品质5；张 洪霞用万能试验机对萝卜的应力松弛特性和加载速度对 萝卜力学特性影响进行研究6- 7；冉茂林对萝卜的耐热特 性进行研究8- 9。这些研究成果尚不足以为萝卜收获机器 系统的研发提供必要的理论依据。 本研究以北方垄作栽培收获期萝卜为研究对象，通 过其基本几何特性参数测定，探索其形状分布规律；通 收稿日期：2010- 02- 06修订日期：2010- 05- 20 基金项目：东北农业大学“211”人才启动基金（190101） ；东北农业大学创 新专项基金（CXZ007- 2） 作者简介：陈海涛（1962） ，男，教授，博士生导师，中国农业工程学会会 员（E041200319S） ，主要从事田间机械、园艺装备和生物质材料方面的研究。 哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。Email： 任珂珂：中国农业工程学会会员（E040000307A） 过其根茎结合部的抗拉强度测定分析，求得萝卜拔取收 获时可施加的最大拔取力；试验研究仿形松土铲松土位 置参数对萝卜拔取力的影响规律，找出理想的松土位置 参数组合，为萝卜拔取收获机的设计提供理论依据。 1试验材料及方法 1.1试验材料 试验于 2009 年 9 月 25 日至 27 日在东北农业大学附 属香坊实验农场进行。研究对象为北方垄作栽培的青萝 卜和红萝卜。其种植模式为垄作点播，垄距 70 cm，垄高 12 cm， 垄顶宽度 35 cm， 垄台坡度67， 株距均为 30 cm。 1.2试验仪器及装置 DGG- 9070AD 型电热恒温鼓风干燥箱（上海森信试 验仪器有限公司） 、 土壤硬度仪 （040 mm， 0500 kg/cm2） 、 YB 电子天平（上海海康电子仪器厂） 、环切刀、卷尺（量 程：3 m；精度：1 mm） 、ACS- 30 电子计价秤（华鹰衡器 有限公司） 、 YB 电子天平 （上海海康电子仪器厂） 、 500- 181 CD- 15CP 数显式游标卡尺（Mitutoyo Copy） 、数码相机、 ScnImage、WDW- 5 微机电子式万能试验机（济南试验机 厂） 、拉力计（量程：50 kg；精度：0.1 kg） 、数显式拉力 计（量程：10 kg；精度：0.01 kg）等。 1.3试验方法 1.3.1土壤物理特性的测定 选择土壤含水率、土壤硬度和土壤体积质量 3 个参 数为土壤物理特性指标评价10。 土壤含水率采用烘干法，参照 NY/T 521987 土壤 水分测定法实施；土壤强度采用土壤硬度仪直接测量； 土壤体积质量采用环刀法，由式（1）计算11。3 项指标 164农业工程学报2010 年 均分别随机在 10 处采集 10 份土样，以其均值作为测量 结果。 100 (100) i vi i M d VW （1） 式中：dvi第 i 份土样的土壤体积质量，g/cm3； Mi第 i 份土样的湿土质量， g； V环刀容积， cm3； Wi土壤含水率，%。 1.3.2萝卜几何特性的测定 参照萝卜生物学，结合拔取式萝卜收获机的设计要 求12- 14，选择萝卜植株总长度、根部长度（包括根部裸 露高度和根部入土深度） 、根部最大直径、距根茎结合部 2 cm 处茎束直径、根部有效质量、自然状态下的茎叶高 度、 最大直径和 1/2 高度处直径等参数作为萝卜几何特征 的评价指标，分别测量每个样本的基本几何特征值，用 数理统计的方法，分析预测其变化区间及分布规律。结 合农业物料学理论，抽象出萝卜的几何模型。其中，青 萝卜为圆柱体和圆锥体的结合体，如图 1 所示。其体积 和表面积分别用公式（2）和（3）表达；红萝卜为圆柱 体和圆锥体的结合体，如图 2 所示。其体积和表面积分 别用公式（4）（7）表达。随机采集 100 个样本。 2 () 43 DD VL（2） 21 () 4 SD LD （3） 式中：V萝卜体积，mm3；S萝卜表面积，mm2； D萝卜根部最大直径，mm ；L萝卜根部长度 mm。 注：D萝卜根部最大直径，L萝卜根部长度 图 1青萝卜几何模型 Fig.1Geometric model of the green radish 注：D萝卜根部最大直径，L萝卜根部长度 图 2红萝卜几何模型 Fig.2Geometric model of the red radish 当 DL 时，红萝卜的数学模型为长球体，其体积和 表面积分别用公式（4）和（5）表达。 2 1 6 VLD（4） 21 1 sin 22 DL SDe e （5） 式中 e偏心距，由公式 2 1 () D e L 求出。 当 DL 时，红萝卜的数学模型为扁球体，其体积和 表面积分别用公式（6）和（7）表达。 2 1 6 VD L（6） 2 2 11 ln 241 Le SD ee （7） 式中 e 偏心距，由公式 2 1 () L e D 求出。 1.3.3萝卜根茎结合部抗拉强度的测定 将每个萝卜的茎叶集拢成一束，测量该样本的根茎 结合部拉断力和根茎结合部直径，用结合部拉断力与结 合部截面积的比值表示根茎结合部抗拉强度，由式（8） 计算。随机选取 100 个样本。 2 4 i i i F P D （8） 式中： Pi第 i 个萝卜样本根茎结合部的抗拉强度， Pa； Di第 i 个萝卜样本根茎结合部的直径，m；Fi第 i 个萝卜样本根茎结合部的拉断力，N。 1.3.4萝卜拔取力的测定 1）萝卜自然生长状态下拔取力的测定 将绳子通过拉力计系在自然生长状态下的萝卜茎叶 （其茎叶集为一束）处或根茎上，拔出萝卜，读取并记 录最大拉力。随机选取 50 个样本。 2）拔取收获萝卜松土位置的确定 在自然生长状态下，萝卜与土壤黏结力较大。按照 拔取式萝卜收获机设计方案，为了顺利拔取收获，需要 研究仿形松土铲在萝卜一侧疏松土壤的位置对萝卜拔取 力的影响规律，寻求松土距离和松土深度参数优化组合。 采用因析试验方法，以萝卜拔取力为目标函数，以 松土距离和松土深度为影响因素，寻求影响拔取力规律 和松土位置参数优化组合15。应用仿形松土铲对萝卜一 侧土壤进行疏松，测量萝卜所需拔取力，松土方法与试 验方案如图 3 和表 1 所示。 每组试验随机选取 50 个样本， 应用软件 Design- Expert Version 6.0.10 进行数据处理。 图 3松土方法示意图 Fig.3Schematic of loosening method 第 6 期陈海涛等：北方垄作萝卜物理力学特性165 表 1试验方案 Table 1Experimental plans 青萝卜红萝卜 水平 松土距离/cm松土深度/cm松土距离/cm松土深度/cm 14645 2812810 312181215 416241620 520302025 注：松土距离指仿形松土铲至萝卜边缘距离。 2结果与分析 2.1土壤物理参数 测定结果如表 2 所示。 土壤的含水率 （23.60 7.35%） ， 土壤强度 （12.10 5.07） kg/cm2， 土壤体积质量 （1.17 0.30） g/cm3，试验地土壤结构状况具有代表性。 表 2土壤物理特性参数 Table 2Physical parameters of the soil 统计指标土壤含水率/%土壤强度/(kgcm- 2) 土壤体积质量/(gcm- 3) 平均23.6012.101.17 最大值28.1716.001.32 最小值19.3010.001.00 标准偏差2.451.690.10 变异系数8 2.2萝卜几何特性 1）青萝卜 青萝卜几何特征评价指标的测定统计分析结果如表 3 所示。青萝卜植株总长度为356.8,681.2mm；根部长 度为288.0,470.0mm；根部最大直径为56.8,113.2mm； 根部有效质量为382.2,2191.8g；茎叶自然状态高度为 91.0,341.0mm； 茎 叶 自 然 状 态 最 大 直 径 为 297.0, 771.0mm；根部体积为671515.0,2597519.0mm3；根部 表面积为93260.8,198929.2mm2。 青萝卜根部入土深度、根部裸露高度、距茎根结合 部 2 cm 处茎叶直径、茎叶 1/2 高度处直径 4 个参数的概 率分布直方图分别如图 4a、b、c、d 所示。由图 4a 知， 青萝卜根部入土深度主要分布在160,240mm， 占总样本 数的 84%，约有 98%的青萝卜根部入土深度小于等于 260 mm；由图 4b 知，青萝卜根部裸露高度主要分布在 100, 225mm，占总样本数的 86%，约有 94%的青萝卜 根部裸露高度小于等于 275 mm；由图 4c 知，青萝卜距 茎根结合部 2 cm 处茎叶直径主要分布在20,60mm，占 总样本数的 90%；由图 4d 知，青萝卜茎叶 1/2 高度处直 径主要分布在100,200mm，占总样本数的 88%，约有 88%的青萝卜茎叶 1/2 高度处直径大于等于 120 mm。 2）红萝卜 红萝卜几何特征的评价指标测定结果如表 4 所示。 红萝卜植株总长度为380.6,647.4mm； 根部长度为182.6, 357.4mm； 根部最大直径为75.0,169.0mm；根部有效质 量为340.6,2197.4g；茎叶自然 状态高 度为50.2， 379.8mm；茎叶自然状态最大直径为561.2,868.8mm； 根部体积为657316.0,1685680.0mm3；根部表面积为 15683.4,50456.4mm2。 红萝卜根部入土深度、根部裸露高度、距茎根结合 部 2 cm 处茎叶直径、茎叶 1/2 高度处直径 4 个参数的概 率分布直方图分别如图 4e、f、g、h 所示。由图 4e 知， 红萝卜根部入土深度主要分布在180, 240mm， 占总样本 数的 77%，约有 97%的红萝卜根部入土深度小于等于 240 mm； 由图 4f 知， 红萝卜根部裸露高度主要分布在20, 80mm，占总样本数的 80%，约有 93%的红萝卜根部裸 露高度小于等于 120 mm；由图 4 g 知，红萝卜距茎根结 合部 2 cm 处茎叶直径主要分布在30,80mm，占总样本 数的 84%，约有 87%的红萝卜距茎根结合部 2 cm 处茎叶 直径大于等于 40 mm；由图 4h 知，红萝卜茎叶 1/2 高度 处直径主要分布在180,260mm，占总样本数的 84%，约 有 90%的红萝卜茎叶 1/2 高度处直径大于等于 180 mm。 综上所述，两种类型萝卜相对应的基本几何特性有 较大的差异性，应根据具体工作对象对萝卜收获和加工 机械系统进行相应设计。 表 3青萝卜基本物理特性参数 Table 3Basic physical parameters of the green radish 茎叶自然状态/mm 统计指标 总长度/ mm 根长度/ mm 根最大直径/ mm 根质量/ g 高度最大直径 体积/ mm3 表面积/ mm2 平均值519379851 2872165341 634 517146 095 最大值8005001152 3203008002 476 287192 959 最小值3702904351040350778 91791 695 标准差81.145.514.1452.462.5118.5481 501.026 417.1 变异系数0.30.2 表 4红萝卜基本物理特性参数 Table 4Basic physical parameters of the red radish 茎叶自然状态/mm 统计指标 总长度/ mm 根长度/ mm 根最大直径/ mm 根质量/ g 高度最大直径 体积/ mm3 表面积/ mm2 平均值5142701221 2692157151 171 49833 068 最大值6303701652 3303808602 649 02493 097 最小值4001704555070550123 87713 040 标准差66.743.723.5464.282.476.9257 091.08 692.5 变异系数0.20.3 166农业工程学报2010 年 图 4萝卜主要物理参数概率分布直方图 Fig.4Distribution probability histogram of main physical parameters of radishes 第 6 期陈海涛等：北方垄作萝卜物理力学特性167 2.3萝卜根茎结合部抗拉强度 测定结果如表 5 所示。青萝卜茎根结合部抗拉强度 为1.23,3.67105Pa，对应的抗拉力为90.3,269.3N，即， 北方垄作收获期青萝卜的最小抗拉力为 90 N；红萝卜茎 根结合部抗拉强度为1.09,3.25105Pa，对应的抗拉力为 110.8,330.4N，即，北方垄作收获期红萝卜的最小抗拉 力为 110 N。 表 5萝卜根茎结合部抗拉强度 Table 5Cohesive strength between stem and root of radishes 统计指标青萝卜/105Pa红萝卜/105Pa 平均2.452.17 最大值4.233.10 最小值1.401.22 标准差0. 610.54 变异系数0.250.25 2.4萝卜拔取力测定结果及分析 2.4.1自然状态土壤下萝卜拔取力 在自然状态土壤下，萝卜被拔出所需拉力测量结果如 表 6 所示。 青萝卜拔取力为77.2,304.8N； 红萝卜拔取力 为89.8,304.2N。 测定过程中， 两种类型萝卜存在萝卜茎 叶被拉断的现象，这是因为有相当数量的萝卜拔取收获 所需拉力较其根茎结合部抗拉力大。由此可见，对自然 生长状态下的萝卜采用直接拔取方式进行收获是困难的。 表 6自然状态土壤下萝卜拔取力 Table 6Pulling force of radishes in natural soil 统计指标青萝卜/N红萝卜/N 平均值191.0197.0 最大值294.0249.0 最小值98.0150.0 标准差56.953.6 变异系数0.30.3 2.4.2拔取收获胡萝卜松土位置的确定 松土深度和距离对青萝卜和红萝卜收获拔取力的影 响，经软件 Design- Expert 6.0.10 分析，结果如图 5 所示。 由图 5 知，随着松土深度的增加，萝卜拔取力呈线 性减小；随着松土距离的增加，萝卜拔取力呈线性增加。 表明松土深度越大、松土距离越小，松土效果越显著， 拔取收获萝卜所需拉力越小。按照松土后萝卜的拔取力 应小于萝卜的根茎抗拉力的原则，即青萝卜拔取力小于 等于 90 N、 红萝卜拔取力小于等于 110 N， 对松土位置进 行优化分析，结果如图 6 所示。当松土深度为 630 cm， 松土距离为 420 cm 时，拔取收获青萝卜所需拉力为 6090 N；当松土深度为 1125 cm，松土距离为 4 17 cm 时，拔取收获红萝卜所需拉力为 70110 N。为减 少收获机械的动力消耗，松土铲应在满足条件下入土深 度越小越好；为降低萝卜的损伤率，松土铲应在满足条 件下距萝卜越远越好；综合萝卜根部入土深度和萝卜种 植时直线度对松土位置进一步优化分别得出：青萝卜松 土深度 1526 cm，松土距离 1020 cm，此时拔取收获 青萝卜所需拉力小于 90 N；红萝卜松土深度 1824 cm， 松土距离 1216 cm， 此时拔取收获红萝卜所需拉力小于 110 N，不会发生拔断现象。 图 5松土位置对萝卜拔取力的影响 Fig.5Influence of the loosening locationon pulling force of radishes 图 6萝卜优化分析图 Fig.6Optimization analysis plot of radish 168农业工程学报2010 年 3结论 对于北方垄作收获期萝卜，土壤环境为含水率 (23.60 7.35)% 、 强 度 (12.1 5.07)kg/cm2、 体 积 质 量 (1.1650.29)g/cm3，得出结论如下： 1）青萝卜植株总长度、根部长度、根部最大直径和 根部有效质量分别为(519 162.2)mm、(379 91.0)mm、 (85 28.2)mm 和( 1287 904.8)g；红萝卜植株总长度、根 部 长 度 、 根 部 最 大 直 径 和 根 部 有 效 质 量 分 别 为 (514 133.4)mm 、 (270 87.4)mm 、 (122 47.0)mm 和 (1269 928.4)g。 2）青萝卜茎根结合部抗拉强度为(2.45 1.23)105Pa， 抗拉力为(179.8 89.5)N；红萝卜茎根结合部抗拉强度为 (2.17 1.08)105Pa，抗拉力为(220.6 109.8)N。 3）对青萝卜和红萝卜采用拔取收获方式必须伴随松 土作业环节。 4）拔取收获萝卜松土位置参数优化组合，青萝卜： 松土深度 1526 cm，松土距离 1020 cm，所需拔取力 小于 90 N； 红萝卜： 松土深度 1824 cm， 松土距离 12 16 cm，所需拔取力小于 110 N，不会发生拔断漏收现象。 参考文献 1中华人民共和国国家统计局编 2008 中国统计年鉴M 北 京：中国统计出版社，2008 2Chen Haitao, Masami Iwasaki, Hiroshi Takeda, et al. Development of an automatic planting system for baker s garlic in a sandy field Physical and mechanical properties of baker s garlic seed bulbsJ. Sand Dune Research, 2004, 50(3): 93104. 3刘建军，宋建农，陆建伟，等大蒜物理力学特性的试验 研究 J农机化研究，2008，(2)：125128 Liu Jianjun, Song Jiannong, Lu Jianwei, et al. Experimental research on physical properties of garlic mechanization harvestJ. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008, (2): 125128. (in Chinese with English abstract) 4刘春香马铃薯块茎外形与力学流变学性质研究与应用 D哈尔滨：东北农业大学，2006 5刘谦乙萝卜肉质根品质的简易测定法 比重法J湖 北农业科学，1993，(10)：2122 6张洪霞固体物料应力松弛特性的研究J桂林电子工业 学院学报，2003，23(3)：8588 Zhang Hongxia. A study on the stress relaxation properties of solid materialsJ. Journal of Guilin University of Electronic Technology, 2003, 23(3): 8588. (in Chinese with English abstract) 7张洪霞加载速度对萝卜力学特性影响的试验研究J黑 龙江八一农垦大学学报，2003，15(4)：4649 Zhang Hongxia. Experimental investigation of effect of loading speed rate on mechanical properties of radishJ. Journal of Heilongjiang August First Land Reclamation University, 2003, 15(4): 4649. (in Chinese with English abstract) 8冉茂林，邹明华，范世祥，等热胁迫下萝卜干物质形成 特性研究J西南农业学报，2006，19(3)：465469 Ran Maolin, Zou Minghua, Fan Shixiang, et al. Study on the dry matter formation character of radish under heat stressJ. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2006, 19(3): 465469. (in Chinese with English abstract) 9冉茂林，宋明，宋华，等萝卜耐热性鉴定技术体系研究 J中国农学通报，2006，22(11)：248252 Ran Maolin, Song Ming, Song Hua, et al. Study on the identification technique system of heat tolerance for radishJ. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2006, 22(11): 248 252. (in Chinese with English abstract) 10 邵明安，王全九，黄明斌土壤物理学M北京：高等 教育出版社，2006 11 NY/T 521987，土壤水分测定法S 12 汪隆植，何奇伟中国萝卜M北京：科学技术文献出 版社，2005 13 付威，陈海涛，王业成萝卜收获机的设计及关键部件仿 真优化J农机化研究，2008，(11)：101103 Fu Wei, Chen Haitao, Wang Yecheng. The design of radish harvester and simulation optimization of key partsJ. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008, (11): 101 103. (in Chinese with English abstract) 14 中国农业机械化科学研究院农业机械设计手册M北 京：中国农业科学技术出版社，2007 15 Chen Haitao, Masami Iwasaki, Hiroshi Takeda, et al. Development of an automatic planting system for baker s garlic in a sandy field Optimization of parameters of the seedbulbclusterseparatorusingresponsesurface methodologyJ. Sand Dune Research: Nihon Sakyu Gakaishi, 2004, 51(1): 3345. Physical and mechanical properties of ridging radishes in Northern China Chen Haitao, Ren Keke, Yu Jia (Engineering College, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China) Abstract: Based on the field and lab measurement on the ridging green and red radishes in harvest time in north China, the physical and mechanical properties of radishes, such as geometric characteristics, the optimum parameters 第 6 期陈海涛等：北方垄作萝卜物理力学特性169 combination of the loosening location, and pulling force, were explored. The mathematic statistics method was employed to analyze the main geometric properties. The variation range and distribution frequencies of main geometric properties indexes of the green and red radishes were found out. The tensile test was carried out