程緒鐸 黃之斌 唐福元 劉帥東 曾 莼 愈 杰

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，南京 210046)

(糧食儲運(yùn)國家工程實(shí)驗(yàn)室2，南京 210046)

作為散粒體的大豆，在其干燥、運(yùn)輸、儲藏過程中，均受到壓縮載荷，由此使大豆籽粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力使籽粒產(chǎn)生形變和裂紋。產(chǎn)生裂紋的大豆籽粒在儲藏過程中容易受到微生物和昆蟲的侵蝕，影響儲藏安全［1－2］。產(chǎn)生形變和裂紋的大豆籽粒降低了其發(fā)芽率，且影響其加工質(zhì)量。大豆籽粒的表觀彈性模量和接觸剛度以及最大破壞力、最大破壞能、破壞點(diǎn)的變形量等是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。它表征大豆籽粒在受壓時抵抗其變形和破裂的能力，準(zhǔn)確的掌握上述參數(shù)，可為糧倉和運(yùn)輸設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、為大豆通風(fēng)干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，也可為大豆加工機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)［3］。

國內(nèi)外對谷物籽粒壓縮特性從20世紀(jì)80年代起就有研究［4－6］。袁月明等［7］研究了玉米籽粒的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明不同品種的玉米籽粒沿不同方位的抗破裂能力有顯著差異，玉米籽粒的抗破裂能力主要取決于角質(zhì)胚乳和種皮的力學(xué)特性;當(dāng)含水率降低時，籽粒的破裂力有所增加，但形變量減小。但是玉米的成分復(fù)雜，不容易確定壓縮方位，所以玉米籽粒壓縮時，平行試驗(yàn)之間的誤差較大。Kamst等［8］進(jìn)行了稻米的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，研究表明稻米是線性黏彈性體，彈性模量和擠壓強(qiáng)度隨變形速率增大而增大、隨溫度及含水量增大而減少，在含水量較低時溫度影響較大。張洪霞等［9］對大米的壓縮進(jìn)行了研究，如彈性模量、破壞力及破壞應(yīng)力，并得到不同品種大米的彈性模量不同，并且差異顯著，最大破壞力差異極為顯著。李詩龍等［10］研究了油菜籽的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、細(xì)胞組織、散體的密度、摩擦因數(shù)、彈性模量和泊松比以及滲透性和吸附性等物理特性，但是對油菜籽的壓縮特性沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。張洪霞［11］采用平板加載壓頭對稻谷籽粒進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，獲得了稻米籽粒應(yīng)力松弛特性的力學(xué)指標(biāo)，并研究了含水率對稻米籽粒應(yīng)力松弛特性的影響，通過多項(xiàng)式回歸分析建立了稻米籽粒應(yīng)力松弛各力學(xué)指標(biāo)隨含水率變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，得到結(jié)論:不同含水率稻米的松弛模量隨含水率的增加而減小，并提出稻米的粘彈性，除了與含水率有關(guān)以外，還與溫度有關(guān)。Zoerb［12］研究了馬齒狀玉米、小麥、豌豆、豆類植物在不同含水量下緩慢加載的特性，研究表明谷物擠壓強(qiáng)度的影響參數(shù)是含水量、溫度、加載速度和加載位置，但是并沒有具體的數(shù)據(jù)表明加載速度不同及壓縮方位的變化對擠壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。大豆籽粒受到不同壓縮速度和方位的壓縮所表現(xiàn)出來的壓縮性質(zhì)是不同的，到目前為止，國內(nèi)外并沒有加載速度和壓縮方位對大豆的壓縮特性影響的研究報導(dǎo)，本試驗(yàn)從這兩個方面對大豆籽粒的壓縮特性進(jìn)行研究，給出其對大豆籽粒壓縮特性的變化規(guī)律。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

大豆:2011年東北黑龍江產(chǎn)秋大豆，外觀形狀近似橢圓狀，溫度18 ℃，水分10.69%w.b。

1.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

CT3質(zhì)構(gòu)儀:美國Brookfield公司。300游標(biāo)卡尺:中國桂林量具刃具廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備

初步選取黑龍江2011年產(chǎn)大豆，在溫度為18℃，濕度為60%的氣候箱內(nèi)放置5～6 d。樣品水分均勻后，取出少量樣品，用105℃恒質(zhì)干燥法，測得大豆含水量為10.69%w.b。選取1 000粒大小和形狀相似的大豆(除去蟲蝕和裂紋粒)作為樣品庫。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)備配置選擇

選取壓縮模式，壓縮范圍為50 kg。

壓縮底座為TA－RT－KIT，壓縮探頭為 TA10，直徑12.7 mm，長度35 mm，圓柱狀。

壓縮速度為 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，壓縮距離為 2.5、3、3、3.5 mm，壓縮觸發(fā)點(diǎn)為 10 g。

每次開機(jī)試驗(yàn)前，將質(zhì)構(gòu)儀試機(jī)預(yù)熱30 min。

1.3.3 試驗(yàn)壓縮方位［Z 軸(短軸)、Y 軸(中軸)、X軸(長軸)］

開機(jī)預(yù)熱完成后，要對不同壓縮位置進(jìn)行壓縮最大破壞力的可能范圍進(jìn)行試驗(yàn)。一般選擇10粒大豆進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。在選樣過程中要選擇長寬高相差很小的樣品。Z軸、Y軸、X軸不同方位的壓縮的示意圖如圖1所示，在壓縮過程中，要保證大豆放置的方位和壓縮角度盡可能一樣，這樣可以最大程度的減少誤差。

圖1 Z軸、Y軸、X軸壓縮試驗(yàn)示意圖

1.3.4 試驗(yàn)測定方法

用游標(biāo)卡尺測定大豆的長(X)，寬(Y)，高(Z)，示意圖如圖2，以Z軸壓縮為例，用式(1)～式(3)計(jì)算出大豆的曲率半徑RZ、R'Z和參數(shù)cosθ。

圖2 大豆尺寸測定方法示意圖

大豆為橢圓形狀籽粒，根據(jù)ASAE S368.4DEC 2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)壓縮工具選定條件，選擇壓縮底座為TA－RT－KIT，壓縮探頭為TA10進(jìn)行壓縮。

根據(jù) ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)，每種樣品必須重復(fù)20次以上才得到有效結(jié)果，因此，本次試驗(yàn)每種壓縮方式各選擇重復(fù)壓縮30次［5］。

根據(jù)以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)要求，用赫茲公式計(jì)算大豆的表觀接觸彈性模量E。

式中:E為大豆表觀接觸彈性模量/MPa;F為大豆加載載荷/N;D為大豆的變形量/m;μ為大豆泊松比;RZ、R'Z為大豆上接觸面的曲率半徑/m;R、R'為大豆下接觸面的曲率半徑/m;K1、K2為中間常數(shù)［由cosθ可在 ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)查詢］。

由于大豆與擠壓平板兩接觸面曲率半徑幾乎相同，所以經(jīng)過簡化后，大豆的表觀接觸彈性模量公式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 不同速度和方位壓縮時大豆形變與載荷的關(guān)系分析

2.1.1 Z軸方向、不同速度壓縮時變形與載荷的關(guān)系

30個大豆樣品壓縮試驗(yàn)中，取相同點(diǎn)的數(shù)據(jù)平均數(shù)，作出壓縮速度為 0.02、0.1、0.5、1.0 mm/s 條件下，不同壓縮方位大豆壓縮載荷與變形量的關(guān)系曲線，如圖3所示。大豆的壓縮沒有明顯的屈服點(diǎn)，

當(dāng)壓縮載荷達(dá)到最大破壞力時，大豆產(chǎn)生破裂。

圖3 Z軸壓縮變形與壓縮載荷關(guān)系圖

2.1.2 Y軸方向、不同速度壓縮時變形與載荷的關(guān)系

沿Y軸方向，不同壓縮速度條件下，壓縮載荷隨壓縮變形的增大而增大，如圖4所示。Y軸方向壓縮沒有明顯的屈服點(diǎn)，當(dāng)壓縮載荷達(dá)到最大破壞力時，大豆的兩片子葉裂開而破碎。

圖4 Y軸壓縮變形與壓縮載荷關(guān)系圖

2.1.3 X軸方向、不同速度壓縮時變形與載荷的關(guān)系

沿X軸方向，不同壓縮速度條件下，壓縮載荷隨壓縮變形的增大而增大，如圖5所示。X軸方向壓縮沒有明顯的屈服點(diǎn)，當(dāng)壓縮載荷達(dá)到最大破壞力時，大豆的兩片子葉裂開而破裂，不同壓縮速度下，大豆籽粒破裂時，壓縮的變形不同。

圖5 X軸壓縮位移與壓縮載荷關(guān)系圖

2.2 不同速度和方位壓縮時大豆的壓縮參數(shù)

對30個大豆樣品進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得到樣品破裂點(diǎn)的最大載荷、最大破壞能及變形量，根據(jù)30個大豆樣品的長寬高，由式(1)～式(3)計(jì)算出其曲率半徑RX、R'X和cosθ，通過查表和插值法計(jì)算出K。根據(jù)公式(5)，載荷 F 與 D⒊2呈線性關(guān)系［4］。運(yùn)用軟件對質(zhì)構(gòu)儀獲得的載荷與變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理;并選取達(dá)到PI前的5個點(diǎn)進(jìn)行一個樣品壓力與型變量進(jìn)行回歸分析，再對30個樣品進(jìn)行M值分析，得出斜率M。并通過公式算出大豆的表觀接觸彈性模量。

2.2.1 Z軸壓縮時，不同壓縮速度條件下的壓縮參數(shù)

Z軸壓縮時，得到大豆的各種參數(shù)如表1、表2所示，壓縮速度為0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，Z 軸壓縮破裂時最大荷載分別為 117.40、131.38、156.56、163.51 N，并且在同一方位壓縮是，隨著壓縮速度的增加，最大破壞力逐漸增加。破裂時最大破壞能分別為 70.29、77.49、83.88、93.40 MJ，在同一方位壓縮是，隨著壓縮速度的增加，最大破壞能逐漸增加。表觀彈性模量分別為312.25、239.05、204.76、181.84 MPa，在同一方位壓縮時，隨著壓縮速度的增加，表觀彈性模量減小。

表1 Z軸壓縮參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)誤

表2 不同壓縮速度下，Z軸壓縮參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

2.2.2 Y軸壓縮時，不同壓縮速度條件下的壓縮參數(shù)

Y軸方向壓縮時，得到大豆的各種壓縮參數(shù)如表3、表 4 所示。壓縮速度為 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，Y 軸壓縮破裂時最大荷載為 89.76、92.65、109.58、147.68 N，同一方位壓縮時，隨著壓縮速度的增加，最大破壞力逐漸增加。壓縮破裂時最大破壞能分別為 56.26、59.09、73.43、85.99 MJ，同一方位壓縮是，隨著壓縮速度的增加，最大破壞能逐漸增加。壓縮時表觀彈性模量分別為 175.64、153.51、142.53、134.49 MPa，同一方位壓縮時，隨著壓縮速度的增加，表觀彈性模量減小。

表3 Y軸壓縮參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)誤

表4 不同壓縮速度下，Y軸壓縮參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

2.2.3 X軸壓縮時，不同壓縮速度條件下的壓縮參數(shù)

X軸方向壓縮時，得到大豆的各種壓縮參數(shù)如表5、表6 所示，壓縮速度為0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，X 軸壓縮破 裂時最大載荷為 106.43、111.18、125.25、146.28 N，在同一方位壓縮時，隨著壓縮速度的增加，最大破壞力逐漸增加。壓縮破裂時最大破壞能分別為45.26、68.03、83.83、114.77 MJ，在同一方向壓縮時，隨著壓縮速度的增加，最大破壞能逐漸增加。表觀彈性模量分別為 187.62、186.99、184.18、153.51 MPa，同一方位壓縮時，隨著壓縮速度的增加，表觀彈性模量減小。

表5 X軸壓縮參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)誤

表6 不同壓縮速度下，X軸壓縮參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

2.3 不同壓縮方位壓縮速度下，壓縮參數(shù)的比較

不同的壓縮位置和不同的壓縮速度條件下壓縮大豆，大豆破裂點(diǎn)時最大破壞力不同，如圖6所示，Z軸、Y軸、X軸方向上壓縮，破裂點(diǎn)的最大破壞力隨著壓縮速度的增加而增加。

圖6 不同壓縮方位和壓縮速度下，大豆籽粒破碎時最大破壞力的變化

不同壓縮位置和壓縮速度條件下，大豆籽粒壓縮破裂時最大破壞能不同，如圖7所示，Z軸、Y軸、X軸方向上壓縮，隨著壓縮速度的增加，壓縮最大破壞能逐漸增加。

圖7 不同壓縮方位和壓縮速度下，大豆籽粒破碎時最大破壞能的變化

不同的壓縮位置和壓縮速度條件下，大豆的表觀彈性模量變化如圖8所示，Z軸、Y軸和X軸壓縮時，表觀彈性模量隨著壓縮速度的增大而減小。

圖8 不同壓縮方位和壓縮速度下，大豆籽粒表觀彈性模量的變化

3 結(jié)論

3.1 壓縮速度為 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，Z軸、Y軸、X軸方向壓縮時，Z軸壓縮破裂時最大荷載分別為117.40、131.38、156.56、163.51 N，Y 軸壓縮破裂時最大荷載為 89.76、92.65、109.58、147.68 N，X 軸壓縮破裂時最大載荷為 106.43、111.18、125.25、146.28 N。并且在同一方位壓縮時，隨著壓縮速度的增加，最大破壞力逐漸增加。

3.2 壓縮速度為 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，沿 Z軸、Y軸、X軸方向壓縮時，Z軸壓縮破裂時最大破壞能分別為 70.29、77.49、83.88、93.40 MJ，Y 軸壓縮破裂時最大破壞能分別為 56.26、59.09、73.43、85.99 MJ，X軸壓縮破裂時最大破壞能分別為45.26、68.03、83.83、114.77 MJ。并且在同一方位壓縮時，隨著壓縮速度的增加，最大破壞能逐漸增加。

3.3 壓縮速度為 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，Z軸、Y軸、X軸不同方位壓縮時，Z軸壓縮時表觀彈性模量分別為 312.25、239.05、204.76、181.84 MPa，Y軸壓縮時表觀彈性模量分別為 175.64、153.51、142.53、134.49 MPa，X 軸壓縮時表觀彈性模量分別為 187.62、186.99、184.18、153.51 MPa。并且在同一方位壓縮時，隨著壓縮速度的增加，表觀彈性模量減小。

3.4 通過對大豆長(X軸)、寬(Y軸)、高(Z軸)3個不同方位上的壓縮試驗(yàn)得知:Y軸、X軸、Z軸壓縮的最大破壞力、最大破壞能依次增大，表觀彈性模量依次變小。Z軸壓縮，大豆的破裂是子葉中間斷裂，Y軸和X軸壓縮，大豆的破裂是兩片子葉之間裂開。

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