李心平，于亞飛，耿令新，王升升，龐 靖，姬江濤

(河南科技大學 農(nóng)業(yè)裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

我國是向日葵種植大國,種植主要分布在北方，面積約140萬hm2，在世界上居第六位。葵花籽粒不僅是重要的油料原料也是重要的食用作物，因為葵花仁含大量的蛋白質(zhì)、油脂、維生素及微量元素[1-6]。

近年來，我國對農(nóng)業(yè)機械領域的研發(fā)力度不斷增強，農(nóng)機裝備的數(shù)量和質(zhì)量都有了很大的提高。但是，我國向日葵生產(chǎn)加工機械的水平與發(fā)達國家相比仍有較大差距。我國的葵花脫粒機仍存在很多問題，如生產(chǎn)效率低下及破碎率高等[7]。所以，研究葵花籽粒的力學特性有助于改進和發(fā)展向日葵生產(chǎn)加工機械。目前，國內(nèi)外關于葵花籽粒力學特性的研究較少， R.K. Gupta等研究了葵花籽粒的空氣動力特性及品種和含水率對葵花籽粒終端速度的影響，試驗沒有研究葵花籽粒的動力學特性[8-10]。E. E. Perez等研究了向日葵的生物特性和力學特性[11]。國內(nèi)姜楠等研究了水稻籽粒在軸流滾筒內(nèi)與釘齒碰撞前后運動狀態(tài)的對比并得到籽粒的運動規(guī)律[12]。黃小毛等研究了油菜籽粒點面接觸碰撞中恢復系數(shù)的測定，得到恢復系數(shù)與材料和下落高度之間的關系[13-14]。由于水稻、油菜籽粒與向日葵的物理特性不同，所以需進行向日葵的碰撞試驗研究，進而獲得向日葵籽粒的動力學特性和破裂規(guī)律。

綜上所述,本文利用查閱法、觀察法獲得葵花籽粒的生物學特性，并利用兩種葵花品種進行多因素試驗，通過分析試驗結果獲得葵花籽粒的破裂規(guī)律，掌握葵花籽粒的動力學特性。

1 葵花籽粒的生物特性

葵花籽粒由果皮(殼)和種子組成，種子由種皮、兩片子葉和胚組成。果皮分3層：外果皮膜質(zhì)，上有短毛；中果皮革質(zhì)，硬而厚；內(nèi)果皮絨毛狀。種皮內(nèi)為兩片肥大的子葉，以及胚根、胚莖、胚芽，沒有胚乳。胚根、胚莖、胚芽位于種子的尖端。種皮由外表皮及內(nèi)表皮兩層組成，呈白色薄膜。中果皮革質(zhì)為縱向的硬質(zhì)纖維?？ㄗ训耐庑谓朴诶L的扁型水滴，兩邊的兩條楞線為縫合線，是殼體的結合面，葵花籽粒長度方向為縱向，靠近胚的一端為頂，另一端為底。

葵花籽按其特征和用途可分為兩類：食用型和油用型。食用型葵花籽的籽粒大，皮殼厚，出仁率低；油用型葵花籽的籽粒小，籽仁飽滿充實，皮殼薄，出仁率高。

葵花籽殼是一種介于晶體和非晶體之間的非有序晶體結構，縱向平行排列的韌性纖維使之具有很強的彈塑性。縱向分布的韌性纖維通過緊密排列形成殼體，具有較強抗壓性特性，縫合線處的纖維組織排列不均勻，抗壓強度較低，受載荷時容易破裂。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與設備

試驗選取的葵花品種為SH363和S31，SH363為食用型葵花，S31為油葵，均為手工采摘，收獲時葵花籽的含水率分別為26%及28%，將含水率處理為5個等級。

SH363和S31葵花籽的含水率處理結果為8%、12%、16%、20%、24%。試驗選用20個完好無損的葵花籽，從中隨機抽取5個作為試驗樣本。

主要試驗設備有Phantom M110高速攝像機，101A-1型恒溫烘干箱，HX2002T精度0.01g量程2kg的電子天平，OTS-600型氣泵，氣壓調(diào)節(jié)范圍0～12MPa，歐普補光燈，試驗臺，電腦和相機。

試驗在試驗臺上進行，該試驗臺由機架、碰撞板、標尺、導管、活塞、連接線、連接螺母、氣槍、U型鎖及氣管組成，如圖1所示。碰撞板通過螺栓固定在機架的活動槽內(nèi)，活動槽有兩條，每條活動槽由兩條等長的角鋼間距11mm相向焊接在機架上，碰撞板與導管的距離通過活動槽進行調(diào)節(jié)。標尺固定在機架上。氣槍通過U型鎖固定在機架上，氣槍進氣口通過氣管連接氣泵，出氣口通過連接螺母和乳膠將導管固定在氣槍上，連接線一端固定在氣槍上，另一端連接活塞，活塞在導管內(nèi)自由滑動。導管為水平狀態(tài)，碰撞板為豎直狀態(tài)，導管長30cm，碰撞板距導管末端8cm，標尺在機架上方的長度為10cm，可為后續(xù)高速攝像機軟件處理速度做距離標記。機架主體材料為角鋼焊接而成，碰撞板選用5mm厚的Q235，以減少碰撞后能量的損失。

1.機架 2.碰撞板 3.標尺 4.導管 5.活塞 6.連接線 7.連接螺母 8.氣槍 9.U型鎖 10.氣管

試驗系統(tǒng)由高速攝像機、補光燈、電腦、試驗臺及氣泵組成，如圖2所示。氣泵通過氣管連接到試驗臺上并給氣槍供氣。高速攝像機拍攝試驗全過程，電腦通過數(shù)據(jù)線連接高速攝像機顯示拍攝過程并保存。

1.電腦 2.補光燈 3.試驗臺 4.高速攝像機 5.氣泵

試驗操控軟件為PCC2.6，該軟件通過數(shù)據(jù)線與高速攝像機進行通訊，實現(xiàn)對試驗過程的圖像采集和控制并進行后續(xù)處理和保存。

2.2 試驗方法

由于籽粒頂部受力面積小，籽粒滑出導管后不易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，所以籽粒頂部朝向碰撞板。試驗前將氣泵壓強設定為8MPa，軟件PCC的分辨率設置為1 600×900，調(diào)整高速攝像機的拍攝時間和清晰度。試驗時，將不同品種、含水率的完整葵花籽粒逐個放入導管內(nèi)靠近連接螺母的一端，同時按下氣槍開關和高速攝像機記錄開關。試驗開始，高壓氣體進入導管推動活塞和籽粒加速向前滑動。當籽?；鰧Ч芎?，連接線到達最大長度，活塞減速并停止，籽粒做勻速直線運動，然后與碰撞板發(fā)生碰撞。隨后，高速攝像機自動停止拍攝，試驗結束。觀察并記錄向日葵籽粒的破損情況和破損位置。通過PCC軟件觀察籽粒與碰撞板的碰撞過程，利用PCC軟件計算籽粒離開導管后的平均速度并記錄。由于導管末端距碰撞板的距離較短，阻力可忽略，平均速度的計算方法利用距離與時間的商求得。重復上一過程進行下一次試驗，每一品種、含水率重復進行5次試驗。

為方便記錄破損情況和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，試驗對破損進行數(shù)值化處理，量取裂紋的長度和裂紋所在葵花籽粒外表面的圓周長，記錄數(shù)據(jù)。裂紋長度與圓周長度的比值記做破裂比值。

2.3 試驗因素和指標

將葵花品種、含水率作為試驗因素，把破裂情況和破裂比值作為試驗指標，采用雙因素隨機分組進行試驗，每一品種、含水率重復試驗5次，處理結果如表1所示。

表1 葵花籽粒碰撞試驗處理結果

由表1可得：葵花籽粒碰撞試驗中SH363碰撞前的平均速度略小于S31，SH363的動量大于S31；含水率在20%時，SH363的平均單粒質(zhì)量為0.182g，S31的平均單粒質(zhì)量為0.113g。在相同的氣壓下，由于SH363的單粒質(zhì)量大于S31，所以SH363的平均速度略小于S31，SH363的動量大于S31。

3 結果與分析

3.1 葵花籽粒碰撞破損比值的方差分析

用SPSS統(tǒng)計分析軟件對葵花籽粒碰撞試驗結果進行方差分析,結果如表2所示。破裂比值的方差分析模型是顯著的，顯著水平小于0.05，決定系數(shù)R2為0.576。表2中品種為a、含水率為b。從表中可知：a和b均顯著，a×b不顯著，即品種、含水率均顯著；品種×含水率不顯著，沒有交互作用。

表2 對葵花籽粒碰撞試驗破損比值的方差分析

3.2 葵花籽粒殼體破裂的觀察分析

通過觀察分析試驗結果發(fā)現(xiàn):當品種、含水率不同時，葵花籽殼體發(fā)生破裂的基本規(guī)律大致是相同的,葵花籽粒殼體的破裂方向均沿纖維方向破裂；裂紋主要發(fā)生在葵花籽粒的頂部縫合線和腹部中央，SH363的破裂比值大于S31的破裂比值，SH363的破裂情況大于S31的破裂情況。不同品種、含水率的葵花籽粒碰撞后的破裂狀態(tài)如圖3所示。

圖3 不同品種葵花籽粒碰撞后破裂狀態(tài)

Fig.3 The state of sunflower seeds rupture of different varieties after collision

3.3 葵花籽粒殼體的破裂分析

含水率低時，殼體的硬度大、韌性低，受力時主要發(fā)生彈性變形，變形量小，殼體容易破裂；含水率高時，殼體硬度降低，韌性增大，受力時主要發(fā)生塑性變形，變形量大，殼體容易破裂。為研究不同品種、含水率對葵花籽粒破裂比值的影響，以葵花籽粒各品種和含水率為母體，以破裂比值為因素，采用MatLab軟件對表1的平均破裂比值進行回歸分析，對數(shù)據(jù)進行曲線擬合。

圖4為SH363的破裂比值隨含水率變化的曲線。曲線的擬合方程為F(x)= 0.004 929x2-0.181 6x+1.881，相關系數(shù)為0.882 9。由圖4可知：SH363破裂比值隨含水率的增加先降低后增加。含水率在8%～18%時，曲線各點處斜率較大，破裂比值下降快；含水率在18%～24%時，破裂比值上升較慢。破裂比值在18%左右達到最小值。

圖5為S31的破裂比值隨含水率變化的曲線。曲線的擬合方程為F(x)= -0.000 677 1x3+0.036 37x2-0.616 4x+3.386,相關系數(shù)為0.999 6。由圖5可知：S31破裂比值隨含水率的增加先降低后增加再降低。含水率在8%～14%時，曲線各點處斜率較大，破裂比值下降快；含水率在14%～22%時，破裂比值上升；含水率在22%～24%時，破裂比值稍有降低。破裂比值在14%左右達到最小值。

圖4 SH363破裂比值隨含水率的變化曲線

圖5 S31破裂比值隨含水率的變化曲線

圖6為SH363和S31兩種品種破裂比值隨含水率變化的比較圖。

圖6 SH363與S31破裂比值隨含水率變化曲線的比較圖

由圖4和圖5可知：含水率對葵花籽粒破裂比值的影響是顯著的，SH363和S31的破裂比值隨含水率的增加先減小后增大，兩者破裂比值隨含水率的下降速率大于上升速率；當含水率大于22%時，S31的破裂比值略微下降。由圖6可知：品種對葵花籽粒破裂比值的影響也是顯著的，當含水率相同時，SH363的破裂比值在任何含水率下均大于S31的破裂比值；SH363破裂比值在18%左右達到最小值，S31破裂比值在14%左右達到最小值。

4 結論

1)本研究為方便記錄葵花籽粒的破損情況和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，試驗對籽粒破裂進行數(shù)值化處理。量取裂紋的長度和裂紋所在葵花籽粒外表面的圓周長，記錄數(shù)據(jù)。

2)含水率對葵花籽最大破裂比值的影響是顯著的。含水率低時，殼體的硬度大、韌性低，碰撞時主要發(fā)生彈性變形，變形量小，殼體容易破裂；含水率高時，殼體硬度降低，韌性增大，碰撞時主要發(fā)生塑性變形，變形量大，殼體容易破裂。對于SH363，當含水率在18%左右時，殼體的硬度和韌性適中，碰撞時殼體先發(fā)生彈性變形和塑性變形，此時殼體的破裂比值最小，抗破裂能力最強。對于SH363，當含水率在14%左右時，殼體的破裂比值最小，抗破裂能力最強。

3)品種對葵花籽最大破裂力的影響是顯著的，由于SH363和S31存在結構、籽粒大小、形狀的差異，所以在同一含水率下，SH363的破裂比值均大于S31的破裂比值。

4)不同品種、含水率，葵花籽殼體破裂時裂紋均沿縱向發(fā)生在殼體的縫合線或腹部。殼體是由縱向的韌性纖維過緊密排列形成的，橫向不易斷裂。

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