（农业生物环境与能源工程专业论文）莲藉物料特性及切片技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 莲藕是一种多孔质蔬菜，水分多，淀粉含量高，形状又不规则，其肉质即嫩 又脆，因而给其装夹、机械化切片作业带来了一定困难，论文针对我国莲藕机械 化切片技术落后，主要停留在人工切片这一现状，进行了莲藕物料特性的研究， 在分析了国内外食品切片加工技术基础上，结合其物料特性，设计了一种新型莲 藕切片机，并对该机进行性能试验及优化。 论文首先对莲藕的几何形状和尺寸进行统计和分析，包括莲藕节长和节径的 分布范围，藕节不同部位的节径差值大小。其次，利用t a x t 2 i 质地分析仪和 w d w 3 0 0 0 5 型微控电子万能试验机，对莲藕的物理机械性能进行测试和分析，包括 莲藕的表面抗压强度、剪切强度、抗弯强度以及挤压强度，并分析了莲藕的机械 损伤机理。结合莲藕的物料特性，提出了适合莲藕切片的四种切片方案，对四种 机构运用模糊评价法进行了方案选优，确定了以偏置蓝柄滑块式莲藕切片机构为 最佳执行机构。针对切削藕片易黏刀、易破碎的特点，研究了切刀的合理结构及 切削方式，并设计了风力式清理落料装置。最后，对所研制的莲藕切片试验装置， 采用单因素试验和正交试验相结合的方法，进行了切片机部分性能指标的试验研 究，确定了切片机工作转速、切片刀形状、切片刀厚度、叠放莲藕个数、附加压 块压力的最佳组合，按最佳参数组合进行切片，碎片率5 ，藕片厚度相对误差 8 9 6 。 关键词：莲藕物料特性切片技术研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el o r e sr o o ti sak i n do fv e g e t a b l ew i t hh o l l o wi n s i d e ，c o n t a i n i n gh i g l lr a t eo f w a t e ra n ds t a r c h b e c a u s et h el o t u sr o o tq u a l i t yi st e n d e ra sw e l la sf r a i la n dt h es h a p e i si r r e g u l a r , t h e r ew i l lb el o t so fd i f f i c u l t i e sw h i l eb e i n gc u ti n t os l i c e sa n dt h es l i c eo f l o t u sr o o tb e i n gs t i c k e do nt h eb l a d e i na l l u s i o nt ot h ep r e s e n tc o n d i t i o no f t h el o wl o t u s r o o tm e c h a n i z a t i o ns h c et e c h n i q u e m a i n l ys t a y i n ga r o u n dt h ea r t i f i c i a lt oc u ti n t os l i c e s i no u rc o u n t r y , t h el o t u sr o o tm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i cw a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r a n da n e wk i n do fl o t u sr o o t ss l i c em a c h i n ew a sd e s i g n e da tt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gt h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lf o o ds l i c ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , c o m b i n i n gi t sm a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h ef u n c t i o no f t h em a c h i n ew a st e s t e da n do p t i m i z e d i nt h i sp a p e r , t h es h a p ea n ds i z eo ft h el o t u sr o o tw e r es t a t e da n da n a l y z e d ， i n c l u d i n gt h es c o p eo ft h en o d el e n g t ha n dn o d ed i a m e t e ro fl o t u sr o o t sa n dt h e d i f f e r e n c eo ft h en o d e si nd i f f e r e n tp o s i t i o n i na d d i t i o n , t h ep h ) t i c sm a c h i n ef u n c t i o n o ft h el o t u sr o o tw e r et e s t e da n da n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h es u r f a c ea n t i t h a ti n c l u d e st h e l o t u sr o o tp r e s s e st h es t r e n g t ha n ds h e a r st os l i c et h es 订e n g t h ，a n t i - c u r v e ds t r e n g t ha n d s q u e e z et h es t r e n g t ha sw e l la st h em e c h a n i s mo f t h em a c h i n ed a m n i f i c a t i o n o f l o t u s r o o t si nu s i n gt h et a x t 2 iq u a l i t ya n a l y s i si n s t r u m e n ta n dw d w 3 0 0 0 5e l e c t r o n i c s a l l - p o w e r f u le x p e r i m e n t a lm a c h i n e f o u rk i n d so fs l i c ep r o j e c t sw h i c hw e r es u i t a b l ef o r l o t u sr o o t ss l i c i n gw e r ep u tf o r w a r dc o m b i n i n gt h el o t u sr o o t sm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c a n dt h ef o u rs e t c i n g sw e r es e l e c t e di nu s i n gm i s t i n e s sv a l u em e t h o d a n dt h ed e v i c e w i t l lb ep a r t i a lt op l a c et h ec r a n ks l i p p e r yt y p el o t u sr o o ts l i c eo r g a n i z a t i o nw a sc h o s e n f o rt h eb e s tp e r f o r m a n c eo r g a n i z a t i o n a i m i n ga tt os l i c et op a r ea ne a s ya n ds t i c k y k n i f e ，e a s ya n db r o k e nu pc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea u t h o rs t u d i e dt os l i c et h er e a s o n a b l e s t r u c t u r eo f t h ek n i f ea n ds l i c et op a r et h ew a y , a n dd e s i g n e dt h ew i n df o r c et y p et ot i d y u pt of a l lt oa n t i c i p a t et h ed e v i c e i nt h ee n d ，t h ep a r tf u n c t i o no fs l i c em a c h i n ew e r e s t u d i e di na d o p t i n gt h es i n g l ef a c t o rt oe x p e r i m e n ta n d j u s th a n do v e rt oe x p e r i m e n tt h e m e t h o df o rc o m b i n et o g e t h e ra tt h el o t u sr o o t ss l i c i n gd e v i c es t u d i e d a n dt h eb e s t c o m b i n ep a r a m e t e ra b o u tt h ew o r k i n gs p e e d ，t h es l i c i n g k n i f e s h a p e ，t h i c k n e s so f k n i f e ，n u m b e r so f h o l d i n g l o t u sr o o tt h ep r e s s u r ep r e s s e db ya f f i x t u r ew e r ef i x e do n t h e r a t eo ff r a g m e n tw a sn o tm o r et h a n5 ，t h el e v e lo fg r a v a m e nw a sn o tm o r et h a n8 a t t h ec o n d i t i o no f t h eb e s tp a r a m e t e rc o m b i n a t i o n k e yw o r d s ：l o t u sr o o tm a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s l i c e - t e c h n i q u e s t u d yo n i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 沙扔年6 月锣日 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密甙 指导教师签名：书7 永度辛 年易月矽日 独创性声明 x 1 0 1 3 8 2 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：粥多 日期：加“年6 月砍日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 莲藕，又名芙蕖、芙蓉、荷藕，是一种多年生宿根水生草本植物，是我国极 重要的水生蔬菜。 图i - i 莲藕示意图 f i g 1 - 1 s k e t c hm a po f l o t u sr o o t 莲藕既是一种蔬菜，又兼有水果的特性，集营养和保健于一体，是一种药食同源 食品。莲藕是市场供应的主要水生菜类，据测定藕中含碳水化合物2 0 、蛋白质1 、 脂肪q 1 、粗纤维0 5 ，同时含有丰富的钙、磷、铁等矿物质，以及胡萝p 素、v 。、 v mv c 等维生素。通过加工调制成糖腌藕片、速冻藕片、热炒、冷拌藕丝、炸藕盒、 糯米灌肠等，均为群众喜食的可口佳肴。 我国是莲藕生产大国，具有悠久的种植历史，莲藕产量、加工量、出口量均 居世界前列。据调查，我国大多数藕食品加工出口企业生产的藕片主要以人工切 片为主，如江苏宝应、金湖等产藕地区的食品加工企业。人工切片劳动强度大， 功效低，工人切片时一手直接抓取荷藕，一手使用木质推板推动荷藕至切割刀片， 既不安全又不卫生。近年来，我国对荷藕切片技术也开展了一些研究，但进展不 大，所研制的荷藕切片机始终没能得到推广，究其原因是对荷藕的切削加工性能 还缺乏了解。在切削藕片时普遍存在装夹困难、表面易压溃、藕片易粘刀和破碎 等问题，这就要求荷藕切片机械既要有好的力学切削特性，又要有较强的装夹适 应能力，以保证较低的破碎率和较高的生产效率，以满足实际生产需要。因此， 研制新型莲藕切片机械，解决莲藕切片的实际问题己成为当务之急。图i - 2 为手 工切片图。 江苏大学硕士学位论文 图1 - 2 手工切片 f i g 1 2 t h eh a n d i c r a f t s l i c e 1 2 国内外研究现状及存在的主要问题 1 2 1 研究现状 农业物料的切割方式有滑切和砍切两种，根据物料的不同的组织、成分、密度、 含水率以及加工产品的不同要求，采用不同的切削方式 食品切片技术从八十年代发展以来，在某些产品的切片技术上已经很成熟， 如用于冻肉切片的旋转圆盘式切片装置。国内市场上可以见到的适用于大规模生 产的食品切片机主要有人参切片机、马铃薯切片机、洋葱切片机、黄姜切片机。 由于人参、马铃薯、黄姜这些食品形状很不规则，又要求一定的表面质量，所以 不宜用夹具夹持，通常的做法是利用离心切削法进行切削，这样即可以保证表面 的完好，又可以提高切削率，而且利用率也得到了提高。它们的工作原理大致相 同：切片刀安装在定位圆环外侧面固定不动，人参等要加工的食品在圆环内侧的 转盘导向刀管内相对切片刀作旋转运动。当人参等在旋转离心推力的作用下与切 片刀相接触时，靠转盘切向力进行切片，并不断地被抛出机外，落到接料斗内。 这种机器切出的产品，开始切削时的产品与加工末了时的产品厚度有差别，这是 因为质量不同，旋转时产生的离心力也不同，所以切削时切出的厚度也不同“”1 蜘。 近年来，一些科研机构和个人对莲藕切片机进行了初步的研究，现简要介绍 如下： 目前国内所研制的荷藕切片机主要以圆盘切刀为主，切削方式有砍切和滑切 两种，如：1 ) 湖北农学院陈义厚、邹必昌研制的一种盘式砍切型荷藕切片机， 该机的工作原理为：荷藕放在竖直的导向管内，底部由挡板顶住，在导向筒底部 和挡板之间装有旋转刀盘，刀盘旋转带动刀片横向切割荷藕，切出的藕片被刀片 底面后部的藕片刷推到落料槽内。3 ；2 ) 国内实用新型专利9 5 2 3 5 2 1 7 6 公开了一种 2 江苏大学硕士学位论文 藕瓜切片机，其工作原理类似于上述机型；3 ) 机械工业食品装备设计研究所李树 君研制了一种滑切型荷藕切片机，其工作原理为：藕在定向进给机构中沿与刀片成 4 0 。角的方向进给，圆盘刀既做上下垂直运动，又做水平面内的旋转运动，由于刀 片沿一定斜角逐渐切削荷藕，因此有效地降低了碎片率，但此种切削方式加工出 的藕片是斜薄片，有一定的局限性。 1 皮带轮；2 电机：3 调节螺栓；4 挡板；5 刀片与安装盘； 6 进藕导向筒；7 莲藕；8 主轴；9 皮带 图卜2 结构及原理 f i g 1 2 s t r u c t u r e sa n dp r i n c i p l e sf i g u r e 目前国外所研制的多功能食品切片机，除用于加工莲藕，还可以加工其他农 业物料，主要有： 1 ) u r s c h e l c c 型离心式切片机，产品从输送带送入旋转叶轮，而叶轮位于上 下出料箱中。当产品进入旋转叶轮时，离心力使产品停留在由8 个独立切割台组 成的切头组件的内表面。产品以平稳、恒定和不间断的方式通过每个切片刀并进 行切片。2 ) t r a n s h c e r 2 0 0 0 带式送料横向切片机该带式进料横向切片机约在3 年 前由国外引入食品加工业中，能够大量加工较长的产品，并且具有与c c 型切片机 相同的切割精确度。该切片机能处理直径达1 2 0 毫米的莲藕，可有效地切割出很 薄的莲藕、。机身设有绞式及活动控制板，使维修及清洗更为方便。产品放在2 条 形成“v ”形输送槽的高速进料带上，高速进料带与直径5 0 8 毫米的旋转切片轮同 步运行，保证切片轮每一次转动产品便会适当地前进。应力下的刀片作为切片轮 边缘的辐条并产生支撑作用：刀片上轻微的扭纹，使轮心与轮缘之间形成均匀的齿 节：刀片的间距，能将产品带过切片轮，使切片厚度准确一致。该机每次只进行一 次切割，以防止产品压碎。 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 存在主要问题 分析荷藕切片技术，需要解决的关键问题有：1 ) 如何降低碎片率? 圆盘形刀 片固然有切削速度快、工作效率高的特点，但藕片易破碎；2 ) 如何解决粘刀问题? 荷藕淀粉含量高，因此特别容易粘刀，如切削下来的藕薄片不能及时清理，势必 会影响后续加工质量；3 ) 如何解决莲藕切片时的跳动，莲藕在物料导筒内易发生 跳动，给切片带来困难，降低了藕片的质量。藕段的装夹问题? 要实现荷藕的机 械化切削，必须实现藕的连续装夹与进给，现有的荷藕切片机械，主要在以上三 个方面存在缺陷，因此有必要从机型的设计、落料分析、刀片的设计三个方面着 手，以提高荷藕机械化切片质量。 1 3 研究目的和意义 江苏是我国莲藕的主产地，江苏宝应、金湖地区的莲藕种植面积达4 0 多万亩， 宝应荷藕质白、脆甜、粉浆多，为国家原产地区域保护品牌产品，县内以荷藕为 原料加工的生产厂家已有四十六家，上规模并拥有出口自主经营权的厂家已有十 六家之多，出现了荷仙、华贵、得宝等莲藕生产；b 口- r 厂家。其生产的成品、半成 品远销东南亚、南韩、日本等国家。日本、南韩是荷藕消费大国，也是金湖县藕 半成品、成品重点出口对象，其藕制食品主要以片状为主。然而，长期以来，藕 的生产还处于原始的人工切片阶段，去皮、切片一线工人需求量多，劳动强度大， 安全性低，制约了藕成品附加值的提升”。 随着人们生活节奏的加快和生活水平的提高，饮食由温饱型向营养保健型转 化，人们对藕制品的需求将不断增加。近几年来，莲藕制品的出口量也大大增加， 日本、韩国、新加坡、菲律宾、美国等国家纷纷从我国进口大量的水煮藕、脱水 藕片及盐水藕片等产品。随着我国加入w f o ，莲藕制品的出口量大幅增长。因此， 发展我国藕制品的加工业，开展莲藕切片机械的开发研究，突破加工、保鲜、贮运 的薄弱环节，对促进我国莲藕加工业、推动农村经济的发展有十分重要的意义。 1 4 主要研究内容 针对莲藕特有的物料特性，现有莲藕切片技术存在的问题及拟解决的关键问 题，本文将利用先进的测试仪器设备及分析手段，对莲藕( 鲜藕) 的几何特性以 及物理机械特性进行测试分析，在此基础上进行切片机系统结构设计及试验优化 4 江苏大学硕士学位论文 具体的研究内容为： ( 1 ) 莲藕的几何特征分析，研究莲藕的节径和节长的分布范围以及两端和中 间部分直径的尺寸差异，按第一节、第二节、第三节进行归类测试，统计每节的 形状和尺寸特征。 ( 2 ) 莲藕的物理机械性能测试分析，利用t a x t 2 i 质地分析仪和w d w 3 0 0 0 5 型微控电子万能试验机，试验分析莲藕的物理机械特性和表面力学性能，对莲藕 的抗弯强度、纵向最大压溃力、表面抗压强度、剪切强度以及藕片和刀片的黏附 力进行测试与分析。借助于农业物料的物理机械损伤机理并结合试验，分析莲藕 在不同加载情况下的损伤状况。 ( 3 ) 莲藕切片机系统结构设计研究，首先确定莲藕切片机构的方案，然后对 切片机的系统结构进行设计研究，主要研究切削机构的切削特性、切片刀刃形和 刀刃倾角对切削的影响、藕片黏刀问题及解决办法、传动机构的设计与分析。 ( 4 ) 切片机性能试验及参数优化，对切片机构进行性能试验，通过单因素试 验和正交试验，找出切片参数的最佳组合，按最佳组合进行切片，对切片结果进 行比较分析。 江苏大学硕士学位论文 第二章莲藕几何及物理机械性能研究 2 1莲藕几何形状分析 准确测定莲藕的几何形状特征，对正确制定加工工艺、选择合理的加工方法 及确定加工设备的结构参数都有着密切的关系。因此在进行加工设备的设计和试 验前，有必要首先测定莲藕的几何形状特征。 本试验对江苏省金湖县产莲藕进行了几何形状特征的统计与分析，收获后第 二天测试。 1 形状特征分析 莲藕一般有三节，分为第一节( 首节) 、第二节和第三节，每一节分为前端、 中间和后端，各部分名称划分如图2 - 1 。 图2 一l 莲藕各部分名称 f i g2 - 1 n a m eo f e a e hp a r t so f l o t u sr o o t 由于莲藕的生长环境不同以及品种的不同，莲藕的形状略有差异，但是，经过大量 统计发现，其外观形状大致可以分为三种：纺锤形、梭形、圆柱形等。如图2 2 所示 棱彤 圆拄形 图2 - 2 莲藕外形示意图 f i g 2 2 s k e t c ho fl o t u sr o o ts h a p e 6 江苏大学硕士学位论文 在统计时发现，第一节的形状多为梭形，纵断面呈不规则的扁圆状；第二节 多为圆柱形，纵断面呈圆形，整节藕比较规整；第三节多为纺锤形，纵断面呈圆 形，藕节短粗。莲藕的实际图片如图2 3 所示 纺锤形梭形圆柱形 图2 3 莲藕图片 f i g 2 - 3 p i c t u r e so f l o t u sr o o t 莲藕纵断面呈多孔的扁圆状，经统计与分析后发现，一般有8 1 1 个边孔， 中间部分有一个心孔，靠近表皮的圆周部分有6 1 4 个细孔，如图2 4 所示，心 孔与边孔之间的距离s 的分布范围为1 5 m m 3 0 m m ，边孔到表皮的距离k 的分布范 围为4 f m 1 0 m m 。 心孔 细孔 造孔 图2 4 藕片各部分名称 f i g 2 - 4 n a m eo f e a c hp a ni nt h el o t u sr o o t 江苏大学硕士学位论文 图2 - 5 藕片的形状 f i g 2 - 5s h a p eo f t h el o t u sr o o t 2 鲜藕各部分尺寸分析 莲藕的几何尺寸是正确选择加工设备和确定其结构尺寸的主要依据。对莲藕 的测试主要包括：节长、直径、质量。 从大量鲜藕中随机抽取1 0 0 节莲藕进行测量。测量节长，从根毛着生处水平 切一刀，切去两端的根梢，量取剩余的纯藕长度，以m m 表示：测量节径，量取藕 节部最宽处。对莲藕以个体质量等级不同分类所得节长、纵断面直径( 节径) 、平 均重量见表2 1 。 表2 1加工莲藕外形尺寸均值表 t a b l e 2 1m e a nv a l u eo f t h el o t u sr o o ts h a p es i z et a b l e 测量结果显示，节长、节径呈同步增长的关系，藕节越粗，节径越大，对应 的质量也越大。 莲藕个体之间的差异大小、莲藕两端和中间的直径差异对加工设各的设计和利 用率都有很大影响，测量时，应以节来划分，分别对第一节、第二节、第三节进 行测试。 对第一节的节径进行测量，节径在3 0 m m 8 0 m m 之间，分为6 个等分，每等 分1 0 m m ，统计每一等分个体数占总个体数的百分率，其节径最大值分布分别见表 2 2 、图2 - 6 。 表22 第一节节径( 最大值) 分布表 t a b l e2 2 t h ef i r s ts e c t i o nt h em a s td i a m e t e rd i s t r i b u t e s 所占百分 3 79 2 1 9 24 l5 2 3 13 3 比( ) 图2 - 6 第一节节径分布 f i g 2 - 6 t h ef i r s ts e c t i o nd i a m e t e rd i s t r i b u t e s 第二节节径在6 0 m m ll o m m 之间，分为6 个等分，每等分l o m m ，统计每一等 分个体数占总个体数的百分率，其节径最大值分别见表2 3 、和图2 - 7 。 表2 3 第二节节径( 最大值) 分布表 t a b l e 2 3t h es e c o n ds e c t i o nt h em a s td i a m e t e rd i s t r i b u t e s 所占百分比( ) 5 21 1 5 1 8 53 1 2 2 3 51 0 1 图2 7 第二节直径分布 f 培2 7 t h es e c o n ds e c t i o nd i a m e t e rd i s t r i b u t e s 第三节节径在4 0 m m 9 0 m m 之间，分为6 个等分，每等分l o m m ，统计每一等分 个体数占总个体数的百分率，其节径最大值分别见表2 4 和图2 - 8 。 9 江苏大学硕士学位论文 表2 4 第三节节径( 最大值) 分布表 t h et a b l e2 4t h et h i r ds e c t i o nd i a m e t e rd i s t r i b u t e s 图2 - 8 第三节节径分布 f i g 2 - 8t h et h i r ds e c t i o nd i a m e t e rd i s t r i b u t e s 从图2 6 、图2 7 、图2 - 8 所示结果可以看出节径基本分布在4 0 m m * - 8 0 m m 之 间，其个体总数占总个体数比例大约是9 0 左右，但从整体上看，分布较为分散， 考虑切片加工装置适应不同尺寸的莲藕，切片前须对莲藕进行切断处理。 3 不同部位的尺寸差异 中间和两端的节径差异对莲藕在切削时的跳动有影响，所以重点测试了莲藕 中间的节径尺寸以及和两端的差值，测试时去掉两端的根头和根须，所得尺寸见 表2 5 、表2 6 和表2 7 表25 第一节尺寸统计 t a b l e 2 5m e a nv a l u e so f t h ef i r s ts e c t i o ns h a p es i z e 名称中间节径均值( m )与前端差值( l m )与后端差值( n l l u ) 结果 5 5 81 2 1 2 4 51 1 2 2 1 3 第一节比较长，后端到中间的节宽变化比较大，中间到前端的节径变化比较 平缓，第一节节径比较小，藕孔稀疏粗大，是切片时产生碎片较多的部分 表2 6 第二节尺寸统计 t a b l e 2 6m e a nv a l u e so f t h ef i r s ts e c t i o ns h a p es i z e 名称中间节径均值( i i l l n )与前端差值( a m )与后端差值( 1 日m ) 结果 7 5 46 1 1 0 55 2 1 2 3 第二节是整根莲藕中最粗的部分，两端和中间的直径差异不大，节径变化比 较平缓，在物料导筒内被切削时被切端的偏移量比较小，边孔到表皮的距离比较 1 0 江苏大学硕士学位论文 大，是切片时碎片率最低的部分。 表2 7 第三节尺寸统计 t a b l e 2 7m e a nv a l u e so f t h ef i r s ts e c t i o ns h a p es i z e 与前端差值范围与后端差值范围 名称 中间直径均值( ) ( m m )( 1 1 1 【) 结果 6 5 61 3 1 2 5 59 8 2 1 9 第三节节长较小，两端和中间的直径的差值比较大，两端节径基本相等，在 物料导筒内被切削时易偏移，边孔到表皮的距离较大，切片的碎片率较低。 从表2 5 、表2 6 、表2 7 可以看出，中间段的节径大致分布在5 0 m m 8 0 m m 之 间，与两端的差值分布在l o 2 5 m m 之间，根据这一数据，可以推算出，莲藕在 物料导筒内被切削时，被切削端产生的最大偏移距离在5 唧1 2 5 m m 之间 2 2 莲藕的物理机械性能测试分析 莲藕的物理机械特性在生产、质量控制和发展新产品中起着重要作用，为莲 藕生产与加工机械的设计提供依据，其研究有利于深入了解物料的结构，加强莲藕 加工中的质量控制，莲藕的物理机械特性是优化切片工艺的重要依据，莲藕物理 机械特性也是切削部件设计的基础。研究莲藕等农业物料物理机械特性，完全用 理论分析和计算方法是比较困难的，一般都采用试验和经验的方法来进行。莲藕 的物理机械特性是研究莲藕在外力作用下产生的变形，以及载荷作用的时效。 莲藕物理机械特性的力学试验主要有压缩试验、剪切试验、弯曲试验、加载一卸 载试验等，测定方法可以分为二类：( 1 ) 基本力学测试( f u n d a m e n t a lt e s t ) ，例如测 定莲藕的各种模量、泊松比等基本物理机械特性参数，这些参数是物料本身所固有的， 与样品的几何形状、载荷状况以及使用的仪器等无关，具有明确的力学定义，可以用 公式描述。( 2 ) 经验测试( e m p i r i c a lt e s t ) ，测定压溃力、挤压能、硬度等参数，虽 没有明确的数学定义却与莲藕的物理机械特性较为相关。 2 2 1 试验仪器简介 国内外用得较多的质地测试仪器有t a x t 系列物性仪。t a x t 2 i 是英国s t a b l e m i c r os y s t e m s 公司生产的新型质地测试仪，具有较好的通用性能。t a x t 2 i 质 地分析仪主要包括测试主机、操控台、备用探头和附件以及与质地仪相配套的专 用软件( t e x t u r ee x p e r t ) ，如图2 - 9 所示。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 9t a - x t 2 i 的组成 f i g 2 - 9s c h e m a t i co ft a x t 2 it e x t u r ea n a l y s e r t a x t 2 i 的测试是围绕着距离、时间、作用力三者进行的，并通过对这三者相 互关系的处理，获得对实验对象的物理机械特性测试结果。本质地仪能够完成压 缩、拉伸、剪切、弯曲等一系列的实验动作，集合了多种物理机械特性测试功能， 可对测试样品进行基础力学测试、经验测试和模拟测试。 2 2 2 抗压试验 利用t a x t 2 i 质地测试仪的压缩测试功能，综合分析莲藕各个部分的抗压性 能，为切片机设计提供依据 1 莲藕表面抗压试验 莲藕表面抗压强度是莲藕在物料导筒内受力分析的重要依据，莲藕在物料导 筒内被切削时，物料导筒内壁对莲藕的挤压，容易造成莲藕表面的压伤，本试验 用来测试莲藕表面的抗压强度。试验仪器为t a x t 2 i 物性测试仪，试验物料为金 湖产白莲藕，含水率为8 6 ，采挖后第二天测试，莲藕的节径为6 0 m m 8 0 m m 测试 部位选定莲藕的中间部位。测试距离的选择较为宽松，只要产生破裂即可，对于 莲藕，我们采用p 5 型号的探头4 m m 6 m m 的变形可满足抗压测试需要，所以压缩量 选取较小的为4 m m 。由于莲藕是中间有孔的物料，所以加载时应尽量选择较小的压 缩量，但同时应该注意到的是变形量也不宜过小，太4 , n 实验所反映的特性更多 的则是莲藕表皮的特性而非莲藕的物理机械特性，变形量越大越能反映莲藕的整 体特性，但考虑到莲藕是多孔的物料这一特性，太大则会压穿到内部的小孔，不 能真实地反映莲藕的某些特性。所以，要在内部藕孔不被压穿的前提下尽量的选 江苏大学硕士学位论文 用较大的变形量，以便测试可以更好的反映莲藕的特性参数，对于压缩测试，测 试位移量选择4 m m - - 6 m m ，本测试选择较小的位移为4 m m 。测试装置如图2 - 1 0 ，力一 变形曲线如图2 一l l 图2 一1 0 莲藕表面抗压试验 f i g 2 - 1 0e x p e r i m e n to na n t i d r e s s e si nt h es u r f a c eo fl o t u sr o o t 压力( n ) 位移( m 1 ) 图2 1 1 压力一位移曲线 f i g 2 - 1 1 c u r v eo fp r e s s d i s t a n c e 表2 8 莲藕表面最大抗压力 t a b 2 8 b i g g e s ta n t i - p r e s s u r ei nt h el o t u sr o o ts u r f a c e 表2 8 为莲藕用p 5 探头压缩的最大抗压力数据表。从测试曲线和数据可以看 出莲藕表面的平均抗压强度在5 0 n 左右，测试探头p 5 的面积为1 9 6 3 r a m 2 ，则可以 江苏大学硕士学位论文 计算得知其破裂平均应力e = 二为2 5 4 7 1 0 6 n m 2 。 丑 2 藕片抗压试验 莲藕被切削时，切片刀切进莲藕的部位会对莲藕的切断面产生挤压作用，所 以有必要测试藕片表面的抗压强度。试验仪器为t a x t 2 i 物性测试仪，试验物料 为金湖产白莲藕，含水率为8 6 ，采挖后第二天测试，莲藕的节径分布在6 0 m m 8 0 m m 藕片厚度取l o m m ，探头垂直子切面进行压缩，变形量也选用4 m m 。 进入t e s tm o d ea n do p t i o n 界面( 快捷键f 4 ) ，选m e a s u r ef o r c ei n c o m p r e s s i o n 和r e t u r nt os t a r t 选项。t e s ts p e e d 选择1 o m m s ，s t o pp l o ta t 选择t a r g e t 。其他选项为默认值。然后打开r u nat e s t 对话框( 快捷键f 2 ) ，探 头类型( p r o b ea n dp r o d u c td a t a ) 选择p 5 ，其他选项为默认。每个藕片重复试 验l o 次，结果求平均值。试验装置如图2 1 2 ，所得曲线如图2 1 3 所示。所得数 据如表2 9 所示。 图2 - 1 2 藕片切断面抗压试验 f i g 2 - 1 2e x p e r i m e n to na n t i - p r e s s u r ei nv e r t i c a ls e c t i o no f l o t u sr o o t f n s m m 图2 - 1 3 藕片切断面力一位移曲线 f i g 2 - 1 3 c u r v eo fa n t i p r e s s u r ei nv e r t i c a ls e c t i o no fl o t u sr o o t 1 4 江苏大学硕士学位论文 藕片切断面最大抗压力( n ) 3 3 7 63 3 8 93 4 3 53 6 3 53 3 6 8 表2 9 为藕片用p 5 探头压缩的切断面最大抗压力数据表。从测试曲线和数据 可以看出藕片切断面的平均抗压强度在3 4 n 左右，其破裂平均应力为1 7 3 2 1 0 6 n r a m 2 。 比较以上两个试验结果可以看出，由于纵向纤维的影响，整藕的表面平均抗 压强度要较藕片的切断面的平均抗压强度高，而且整藕压溃的破裂变形也要比藕 片的大。 3 莲藕纵向压溃试验 莲藕在上部莲藕和压块压力的作用下，被紧压在物料挡版上，下部的莲藕受到 挤压作用，所以有必要对莲藕纵向的抗压强度进行测试，本试验设计了莲藕的纵向 压溃试验，所用试验仪器为w o w 3 0 0 0 5 型微控电子万能试验机，试验物料为金湖产白 莲藕，含水率为8 6 ，采挖后第二天测试，莲藕的节径为6 0 m m 8 0 m m 试验装置如图 2 1 4 。试验探头选用平板压力探头。力一位移曲线如图2 一1 5 ，所得数据如表2 1 0 所 示。 图2 1 4 莲藕纵向压溃试验 f i g 2 - 1 4l e n g t h w a yp r e s s i n gt os q u i s he x p e r i m e n t 江苏大学硕士学位论文 馥 l 力一t 扫b z焱 ， 一 一7 ， y ， 一 ，! ”o 。1 ”等2 2 。 图2 1 5 压溃力一位移曲线 f i g 2 1 5 t h ec u r v eo f d i s t a n c ea n dp r e s s i n gf o r c et os q u i s h 表2 1 0 莲藕纵向最大压溃力 t a b 2 1 0t h el e n g t h w a yp r e s s i n gf o r c et os q u i s ho fl o t u sr o o t 从表2 1 0 可以看出，莲藕纵向抗压力变化比较大，这是由于莲藕粗细不同所 导致的，其变化范围在3 0 0 n 3 5 0 n 之间，莲藕在物料导筒内的压力来自于上部的 莲藕以及压块，以上部有三节莲藕和压块压力为1 0 n 的情况下，皆取最大质量， 可以得到底部莲藕受到的最大压力为4 0 n ，所以纵向不会导致莲藕被压溃。 2 2 3 剪切试验 莲藕被切削时，物料导筒下边缘对莲藕产生剪切作用，所以有必要测试莲藕 的剪切强度，试验装置为t a x t 2 i 质地分析仪试验物料为金湖产自莲藕，含水率为 8 6 ，采挖后第二天测试，莲藕的节径为6 0 m m 8 0 m m ，剪切试验测试样品需做成 统一的规则几何形状，并选用相应的剪探头( 如h d p w b v ) 和剪切用地座。对于莲 藕，采用实验仪器所提供的u 形夹具，运行模式类似于压缩试验。试验的输出图形 则类似于穿刺试验图形。运行模式采用压缩的测试模式，测试试验装置如图2 - 1 6 所示，测试结果见表2 1 1 。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 6 莲藕剪切试验装置 f i g u r e 2 1 6e q u i p m e n to fl o t u sr o o tb es h e a r e dt os l i c e 图2 1 7 剪切测试曲线 f i g 2 - 1 7 f - dc u r v eo f c u t t i n g 对图2 一1 7 进行分析，初始段曲线呈近似线性，随着位移的增加，剪切力达到 最大值后迅速降低，则此峰值为最大剪切力。而峰值之前曲线图形与横坐标轴所 围成的面积称为正峰面积。有关报道指出：当前剪切力的测定分析有两种应用广 泛的方法，一种是将最大峰值作为剪切值；一种是将图形的正峰面积作为剪切力 值。本试验以最大峰值作为剪切力值。 眦m m 时 f m 呲 姐巩帆把札撮 江苏大学硕士学位论文 表2 1 1 莲藕剪切力 t a b 2 1 1s h e a r - f o i c eo f l o t u sl e o o t 1 1 1 2 1 81 9 2 0 1 3 3 61 4 1 11 3 2 21 8 7 31 3 8 11 3 9 11 3 5 31 3 8 9 1 3 5 91 4 2 1 1 3 3 8 3 2 1 3 1 3 3 1 o3 1 5 3 1 83 2 03 1 43 1 33 1 63 0 2 3 0 4 4 1 64 5 l4 2 74 3 64 3 44 3 54 3 14 4 4 4 3 0 4 ，7 14 4 0 图2 1 8 剪切强度变化盛线 f i g 2 1 8 c u r v eo fs h e a r f o r c ev a r i e t y 从表2 1 1 和图2 一1 8 可以看出，莲藕横断面的剪切强度大致分布在4 2 x 1 0 n m 2 4 8 1 0 a n m 2 之间。 2 2 4 抗弯试验 莲藕在物料导筒内被切削时，上端、下端和中部会产生弯曲，需要对莲藕的 抗弯强度进行测试分析，所以本试验设计了莲藕的抗弯试验，试验物料为金湖产 白莲藕，含水率为8 6 ，采挖后第二天测试，莲藕的节径为6 0 m m 8 0 m m 试验装置 为w d w 3 0 0 0 5 型微控电子万能试验机，如图2 - 1 9 所示，力一位移曲线如图2 2 0 ， 所得数据如表2 1 2 所示 1 8 江苏大学硕士学位论文 图2 1 9 莲藕抗弯试验装置 f i g 2 - 1 9f l e c t i o ne x p e r i m e n t sd e v i c ea b o u tl o t u sr o o t 试麓力一位哦 7 i i ， ： ， z ， 7 ，f鬣 一 u_ 一一一一5 口 _ 图2 2 0 弯曲应力一位移曲线 f i g 2 - 2 0t h ec u r v eo fd i s t a n c ea n di n f l e c t e df o r c e 如图2 2 0 所示，曲线近似呈直线，当达到最大力时，莲藕出现断裂，力迅速 下降，此最大力就代表了莲藕的抗弯强度，分析每一条曲线，取峰值，