孫靜鑫，郭玉明，楊作梅，崔清亮，武新慧，張燕青

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蕎麥籽粒生物力學(xué)性質(zhì)及內(nèi)芯黏彈性試驗(yàn)研究

孫靜鑫，郭玉明※，楊作梅，崔清亮，武新慧，張燕青

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，太谷 030801）

針對(duì)可供相關(guān)作業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)參考的蕎麥籽粒生物力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)可用參數(shù)缺乏的現(xiàn)狀，該文研究了優(yōu)種蕎麥籽粒的常規(guī)力學(xué)性質(zhì)及芯粉黏彈性力學(xué)性質(zhì)，并對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行了分析。試驗(yàn)測(cè)定了不同品種蕎麥籽粒在不同含水率下的三軸尺寸、千粒質(zhì)量、容重等基本物性參數(shù)，采用斜面儀、休止角測(cè)定裝置測(cè)定了蕎麥籽粒的滑動(dòng)摩擦系數(shù)及休止角，應(yīng)用DMA（Q800）動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析儀測(cè)定了蕎麥（粉狀）的動(dòng)態(tài)黏彈性，運(yùn)用物性分析儀測(cè)定了蕎麥籽粒的破壞力、破壞能等力學(xué)性質(zhì)，利用擺錘式動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了蕎麥籽粒所能承受的最大撞擊載荷。結(jié)果表明：同一品種蕎麥籽粒的長(zhǎng)、寬、高、千粒質(zhì)量、幾何平均徑均隨含水率的降低而減小，容重隨著含水率的降低而增大；摩擦系數(shù)隨含水率的降低而減小，籽粒與Q235鋼板的摩擦系數(shù)最大，與7075鋁合金板的次之，與304不銹鋼板的最?。恍葜菇请S含水率的降低而減??；隨著含水率的降低，破壞力、表觀彈性模量和最大接觸應(yīng)力逐漸增大，變形量逐漸減小，破壞能呈上升趨勢(shì)。而在相同含水率下，不同品種蕎麥籽粒的物性參數(shù)及上述力學(xué)特性參數(shù)均呈現(xiàn)極顯著差異（<0.0001）。蕎麥粉末的儲(chǔ)能模量隨含水率的降低而增大，彈性性能提高，損耗模量和損耗正切隨含水率的降低而減小，黏性性能降低。同一品種蕎麥在相同含水率下，撞擊載荷越大，破碎率越高；同一撞擊載荷下，隨著含水率的降低，籽粒的破碎率先減小后增大。研究結(jié)果可為蕎麥?zhǔn)斋@及加工裝備研制、參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)依據(jù)。

生物力學(xué)；黏彈性；摩擦；蕎麥籽粒

0 引 言

蕎麥有“五谷之王”的美譽(yù)，以其非常高的藥用和食用價(jià)值頗受大眾推崇[1]。但是，目前中國(guó)蕎麥的收獲、加工機(jī)械化水平較低，專門針對(duì)蕎麥分段收獲、聯(lián)合收獲及去殼、制粉加工等機(jī)械裝備的研制備受關(guān)注。在蕎麥機(jī)械化收獲、加工過程中，籽粒受到工作部件的擠壓、撞擊、摩擦等載荷的作用，因此蕎麥籽粒擠壓、撞擊、摩擦等相關(guān)力學(xué)特性參數(shù)[2]是蕎麥機(jī)械化生產(chǎn)裝備關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。此外，蕎麥仁是由一層韌性較好的種皮和內(nèi)包粉體（子葉、胚乳）組成，粉體的動(dòng)態(tài)黏彈性對(duì)蕎麥外殼與蕎麥仁的間隙有一定影響，是蕎麥脫粒、去殼、加工及受力損傷應(yīng)考慮的因素，為此需要研究粉體的動(dòng)態(tài)黏彈性性質(zhì)。

通常由滑動(dòng)摩擦系數(shù)、休止角來表達(dá)作物籽粒物料的摩擦特性。國(guó)外學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)散粒物料的摩擦特性研究始于19世紀(jì)，采用斜面儀測(cè)量小麥、玉米及大豆等主要作物的摩擦系數(shù)[3-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)小麥、稻谷、油菜、玉米、谷子、芡實(shí)等籽粒物料的摩擦特性進(jìn)行了試驗(yàn)研 究[5-11]，表明含水率、接觸材料、粒徑與摩擦特性有很大的相關(guān)性。

動(dòng)態(tài)黏彈性性質(zhì)主要由儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗正切等參數(shù)來表示。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玉米、水稻、小麥等主要作物籽粒的動(dòng)態(tài)黏彈性進(jìn)行了研究[12-16]，揭示了頻率、溫度和含水率對(duì)儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗正切有重要影響。

蕎麥擠壓力學(xué)性質(zhì)一般用破壞力、變形量、破壞能來反映[17]，目前國(guó)外對(duì)蕎麥的研究主要集中在蕎麥面粉的理化性質(zhì)分析上[18-19]，國(guó)內(nèi)關(guān)于蕎麥擠壓已有對(duì)單個(gè)品種浸濕處理與未處理的籽粒、仁的破壞力、破壞能的測(cè)定研究，取得一些有益結(jié)果[20-22]，但對(duì)不同蕎麥品種、不同含水率以及受力損傷破壞過程的擠壓力學(xué)性質(zhì)的全面研究還鮮有報(bào)道。

本文針對(duì)蕎麥籽粒生物力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)可供相關(guān)作業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)參考的可用參數(shù)還很缺乏的現(xiàn)狀，測(cè)定了不同品種蕎麥的三軸尺寸、千粒質(zhì)量、容重等基本物性參數(shù)，并系統(tǒng)研究了品種和含水率對(duì)擠壓、撞擊力學(xué)性質(zhì)的影響，籽粒的含水率、表面微結(jié)構(gòu)、形狀、品種以及與不同工作部件接觸材料（304不銹鋼板、7075鋁合金板、Q235鋼板）等對(duì)摩擦特性影響，以及蕎麥籽粒內(nèi)芯粉體材料的動(dòng)態(tài)黏彈性性質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)樣本選自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，甜蕎2種：晉蕎1號(hào)，籽粒深褐色，三棱形；榆蕎4號(hào)，籽粒褐色，正三梭錐形?？嗍w4種：黑豐1號(hào)，籽粒桃形黑色；黑豐10號(hào)，籽粒錐形黑色；昭苦1號(hào)，籽粒桃形灰白色；川蕎1號(hào)，籽粒黑色，長(zhǎng)錐形。在2017年10月份收獲期取樣進(jìn)行試驗(yàn)，晉蕎1號(hào)、榆蕎4號(hào)、黑豐1號(hào)、黑豐10號(hào)、昭苦1號(hào)和川蕎1號(hào)在收獲時(shí)的含水率分別為：20.78%、19.35%、19.40%、20.73%、21.4%，22.8%，為了保持剛收獲蕎麥籽粒的含水率，收獲后迅速裝入密封袋內(nèi)，并置于冰箱內(nèi)低溫（1 ℃）冷藏。每次試驗(yàn)前，取出樣品，在室溫（22±2）℃下靜置0.5 h。各樣本測(cè)試時(shí)的含水率分別為：22.8%，19.4%，15.6%，13.2%，11.1%。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

TR211表面粗糙度儀（分辨率1′10-6mm），SU5000掃描電子顯微鏡（日立公司），體式顯微成像裝置，數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）；快速谷物水分測(cè)定儀GAC2100AGRI（美國(guó)帝強(qiáng)公司，誤差±0.2%）；物性分析儀TA.XT（英國(guó)Stable Micro System）；DMA動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀Q800，（美國(guó) TA 公司，模量精度±1%）；TQ-1000Y型粉碎機(jī)；自制斜面儀、休止角測(cè)定裝置； ZBC50擺錘式動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)（SANS公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同含水率樣本的制備

為獲得不同含水率的試驗(yàn)樣本，參照文獻(xiàn)[17]，對(duì)含水率高于所需含水率的蕎麥，采用自然晾干法降低含水率，將薄層蕎麥置于室內(nèi)，利用空氣流通，使蕎麥的含水率降低，調(diào)整過程中每隔30 min用快速谷物水分測(cè)定儀測(cè)定1次含水率，測(cè)量3次求均值，將達(dá)到所需含水率的蕎麥放入雙層密封袋內(nèi)，并置于冰箱內(nèi)低溫（1 ℃）保存；對(duì)于含水率低于所需含水率的蕎麥，采用噴水法[5]制作樣本，噴灑去離子水的質(zhì)量采用（1）式計(jì)算，將試驗(yàn)樣品低溫密封靜置3 d以上，使含水率均勻。每次試驗(yàn)前，提前取出樣本置于密封袋中在室內(nèi)放置0.5 h，使樣品恢復(fù)至室溫，保證含水率不變。

式中0為蕎麥的初始質(zhì)量，g；1為去離子水的質(zhì)量，g；0為蕎麥的初始含水率，%；1為蕎麥所需的含水率，%。

1.3.2 蕎麥籽粒物理參數(shù)的測(cè)定

圖1為蕎麥籽粒的縱剖面圖及三軸尺寸。用數(shù)顯游標(biāo)卡和天平分別測(cè)量籽粒的三軸尺寸（每個(gè)樣本測(cè)量100粒）和千粒質(zhì)量（每個(gè)樣本用“百粒法”測(cè)量10次），計(jì)算籽粒幾何平均徑D，計(jì)算公式為

式中為籽粒的長(zhǎng)，mm；為籽粒的寬，mm；為籽粒的高，mm。

注：和分別為蕎麥籽粒的長(zhǎng)、寬和高，mm。

Note:andare length、width and height of buckwheat grain respectively, mm.

圖1 蕎麥籽?？v剖面及三軸尺寸

Fig.1 Longitudinal profile and triaxial size of buckwheat grain

容重是反映籽粒形狀、大小、成熟度、飽滿度及結(jié)構(gòu)緊密程度等的綜合指標(biāo)，也是等級(jí)評(píng)判，育種選種，谷物儲(chǔ)藏、干燥等工程問題的重要參數(shù)[23]，蕎麥籽粒的容重根據(jù)GB/T 5498-2013《容重測(cè)定法》測(cè)定。

1.3.3 蕎麥籽粒滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定

將單層蕎麥籽粒裝入30 mm′30 mm′10 mm的無底容器內(nèi)并放置在斜面儀上[2]，使傾斜角逐漸增大，當(dāng)籽粒剛開始在斜面上滑動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)斜面的傾角為滑動(dòng)摩擦角，如圖2a所示。

式中為籽粒所受的重力，N；為摩擦力，N；F為支持力，N；為蕎麥籽粒的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；為斜面與水平面的夾角，（°）。

注：F分別為蕎麥籽粒所受的重力、摩擦力、支持力，N；為斜面與水平面的夾角，（°）。

Note：and Fare gravity, friction and support of buckwheat grain, respectively, N;is the angle between the inclined plane and the horizontal plane, (°).

圖2 斜面儀及蕎麥籽粒受力示意圖

Fig.2 Bevel instrument and force diagram of buckwheat grain

1.3.4 接觸材料表面粗糙度的測(cè)量

測(cè)量籽粒與不同材料間摩擦系數(shù)前，先測(cè)定不同接觸材料的表面粗糙度，測(cè)試前擦凈材料的被測(cè)表面，將儀器正確、平穩(wěn)地放置在被測(cè)表面，確保傳感器的滑行軌跡垂直于材料被測(cè)表面的加工紋理方向；測(cè)量時(shí)傳感器在被測(cè)表面上以1 mm/s的速度滑行約5 mm即可獲得表面粗糙度（Ra），測(cè)量3次求平均值。

1.3.5 蕎麥籽粒休止角的測(cè)量

休止角反映了蕎麥籽粒群的內(nèi)摩擦性能和散落性能，與蕎麥籽粒的含水率、形狀、尺寸等有關(guān)，采用注入法測(cè)定蕎麥籽粒的休止角，裝置如圖3所示：

1. 鐵架臺(tái) 2. 漏斗 3. 籽粒料堆 4. 墊塊

1. Iron support 2. Funnel 3. Grain windrow 4. Heel block

注：為休止角，（°）；為蕎麥自然堆積高度，mm；為墊塊直徑，mm。

Note:is angle of repose, (°);is natural stack height of buckwheat, mm；is diameter of heel block, mm.

圖3 蕎麥籽粒休止角測(cè)定裝置

Fig.3 Repose angle measurement device of buckwheat grain

休止角計(jì)算公式為

式中為休止角，（°）；為蕎麥自然堆積高度，mm；為墊塊直徑，mm。

1.3.6 蕎麥芯粉黏彈性性質(zhì)測(cè)定

將晾干后的去殼榆蕎4號(hào)的籽粒在粉碎機(jī)中粉碎，然后過0.2 mm孔徑的篩子[24]，并測(cè)量榆蕎4號(hào)粉末的初始含水率為11.6%。制備含水率分別為11.1%、13.2%、15.6%、19.4%、22.8%的蕎麥粉末[17]。

選用DMA（Q800）的雙懸臂和粉末夾具對(duì)蕎麥粉末進(jìn)行不同頻率下測(cè)試，測(cè)定蕎麥粉末的黏彈性參數(shù)（儲(chǔ)能模量￠、損耗模量2和損耗正切tan）。試驗(yàn)中，保持應(yīng)變不變，將對(duì)蕎麥粉末施加載荷的環(huán)境溫度升高到27 ℃，對(duì)蕎麥粉末進(jìn)行1 Hz到100 Hz的頻率掃描[15]。采用對(duì)數(shù)取點(diǎn)，取20個(gè)點(diǎn)。

DMA（Q800）采用無接觸、直接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)提供一個(gè)正弦應(yīng)力檢測(cè)物料的黏彈性變化，由于農(nóng)業(yè)物料具有黏彈性，應(yīng)變滯后于應(yīng)力[16]，應(yīng)變和應(yīng)力分別為

式中0為應(yīng)變幅，%；為響應(yīng)系數(shù)；為角頻率，rad/s；為時(shí)間，s；*為復(fù)應(yīng)力幅，MPa；0為應(yīng)力幅，MPa。復(fù)數(shù)模量由（7）式計(jì)算。

式中E為復(fù)數(shù)動(dòng)態(tài)壓縮模量，MPa；為儲(chǔ)能模量，MPa，反映物料的彈性性質(zhì)；2為損耗模量，MPa，反映物料的黏性性質(zhì)。

式中tan為損耗正切。

1.3.7 擠壓力測(cè)定

采用物性分析儀的壓縮模式對(duì)籽粒的擠壓力進(jìn)行測(cè)定，將籽粒平放在底座上，選用P/36R圓柱探頭進(jìn)行擠壓，測(cè)前速度0.6 mm/s，測(cè)試速度0.02 mm/s，測(cè)后速度1.0 mm/s，觸發(fā)力0.049 N。

蕎麥籽粒的表觀彈性模量、最大接觸應(yīng)力由下式 計(jì)算[25]

1.3.8 撞擊載荷測(cè)定

將單個(gè)籽粒固定在自制夾具上，在擺錘式動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)上對(duì)蕎麥籽粒進(jìn)行撞擊試驗(yàn)，計(jì)算作了理想化假設(shè)[26]。

通過式（18）求出擺錘與籽粒接觸時(shí)的速度[27]：

式中1為擺桿質(zhì)量，kg；2為擺錘質(zhì)量，kg；為擺桿長(zhǎng)度，m；為重力加速度，m/s2；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg?m2；為擺線與豎直方向的夾角，（°）；為擺錘與籽粒接觸時(shí)的角速度，rad/s；為擺錘與籽粒接觸時(shí)的線速度，m/s；、、分別為擺錘的長(zhǎng)、寬、高，m。

在不同角度釋放擺錘，可以得到不同的撞擊速度，根據(jù)角度、形變量計(jì)算出撞擊載荷

式中K為動(dòng)載荷系數(shù)；△為籽粒的形變量，m；F為撞擊載荷，N；0為擺錘與擺桿的質(zhì)量之和，kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)以蕎麥品種、含水率為試驗(yàn)因素，選取6個(gè)品種，5個(gè)含水率水平，共30個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)30次試驗(yàn)。用Excel計(jì)算樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，采用SAS進(jìn)行顯著性分析，用Matlab進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕎麥籽粒在不同含水率下的基本物性參數(shù)

不同品種蕎麥籽粒在不同含水率下的基本物性參數(shù)及顯著性分析結(jié)果如表1所示。

表1 蕎麥籽粒的基本物性參數(shù)及顯著性分析

注：表中測(cè)量值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，下同。

Note: The values in the table are “average ± standard deviation”, the same below.

從表1中可看出，品種、含水率對(duì)蕎麥籽粒的長(zhǎng)、寬、高、容重、幾何平均徑、千粒質(zhì)量均影響極顯著（<0.0001）；品種和含水率的相互作用對(duì)長(zhǎng)、寬、高、容重影響極顯著（<0.0001），而對(duì)幾何平均徑和千粒質(zhì)量不顯著

由表1中可得，當(dāng)蕎麥的含水率在11.1%～22.8%之間時(shí)，籽粒的長(zhǎng)、寬、高、千粒質(zhì)量、幾何平均徑均隨含水率的降低而減小。甜蕎中，榆蕎4號(hào)三軸尺寸、幾何平均徑及千粒質(zhì)量最大；苦蕎中，川蕎1號(hào)的長(zhǎng)最大，昭苦1號(hào)的最小，黑豐10號(hào)的寬、高最大，川蕎1號(hào)的最小；黑豐10號(hào)的幾何平均徑最大，千粒質(zhì)量最大，川蕎1號(hào)的幾何平均徑最小。

蕎麥籽粒的水分以機(jī)械結(jié)合水、物理化學(xué)結(jié)合水及化學(xué)結(jié)合水3種形式存在[28]，機(jī)械結(jié)合水主要在籽粒表面和粗毛細(xì)血管內(nèi)，易蒸發(fā)；物理化學(xué)結(jié)合水，包括吸附水分、滲透水分和結(jié)構(gòu)水分；化學(xué)結(jié)合水，是指籽粒內(nèi)部與物料結(jié)合牢固的解析水，一般干燥難以去除。含水率降低，籽粒所含的機(jī)械結(jié)合水和物理化學(xué)結(jié)合水越來越少，而化學(xué)結(jié)合水基本不變，籽粒內(nèi)部細(xì)胞的體積縮減，因此籽粒的三軸尺寸減小[28]。同一品種蕎麥，籽粒的幾何平均徑的大小由三軸尺寸的大小決定，也隨含水率的降低而減小；相同含水率下，籽粒的千粒質(zhì)量與三軸尺寸呈正相關(guān)。

容重與籽粒的飽滿度、含水率、結(jié)構(gòu)緊密程度等有關(guān)。同一品種蕎麥，含水率越低，容重越大。由表1可知，相同含水率下，甜蕎中，榆蕎4號(hào)粒徑最大，容重最??；苦蕎中，昭苦1號(hào)的容重最大，籽粒飽滿、結(jié)構(gòu)最緊密。

2.2 蕎麥摩擦特性及其影響因素分析

不同品種蕎麥籽粒在不同含水率下與不同材料的的摩擦系數(shù)和休止角及顯著性分析結(jié)果如表2所示。

表2 蕎麥摩擦系數(shù)及顯著性分析

由表2可知，在0.01水平上，品種和含水率對(duì)蕎麥籽粒與鋼板等材料的摩擦系數(shù)、休止角的影響極顯著（<0.0001）。同一種蕎麥，含水率在11.1%～22.8%之間時(shí)，摩擦系數(shù)和休止角隨著含水率的降低而減小。由于含水率越高，籽粒表面與接觸材料表面的黏附力越大，摩擦系數(shù)越大，流動(dòng)性越差，休止角也越大[2-3,7]。

相同含水率下，同一品種蕎麥籽粒與Q235鋼板的摩擦系數(shù)最大，與7075鋁合金板的次之，與304不銹鋼板的最小，主要是由材料的表面粗糙度差異引起的。3種材料按粗糙度從大到小依次為：Q235鋼板（=8.41′10-4mm）>7075鋁合金板（=3.25′10-4mm）>304不銹鋼板（= 2.01′10-4mm），蕎麥籽粒與表面粗糙度小的材料接觸時(shí)所受的摩擦阻力小，從減小摩擦的角度考慮，蕎麥籽粒脫粒、分選等工作部件的材料宜選擇304不銹鋼板。

摩擦系數(shù)除與籽粒含水率、接觸材料的表面粗糙度有關(guān)外，還與顆粒表面微結(jié)構(gòu)、籽粒形狀等有關(guān)。蕎麥對(duì)于同一接觸材料在含水率相同情況下，苦蕎中黑豐1號(hào)的摩擦系數(shù)、休止角最大，黑豐10號(hào)的最??；甜蕎中晉蕎1號(hào)的摩擦系數(shù)、休止角最大，榆蕎4號(hào)的最小，蕎麥對(duì)于3種接觸材料均有相同的規(guī)律。

對(duì)于同一接觸材料在含水率相同情況下，甜蕎的摩擦系數(shù)和休止角比苦蕎的小，這是由于甜蕎的外殼表面光滑，而苦蕎表面有三棱三溝，棱圓鈍且表面較粗糙，在掃描電鏡（SEM）下對(duì)甜蕎和苦蕎的外殼表面進(jìn)行觀察，獲得20倍、100倍和500倍的電鏡圖，如圖4所示。

×20×100×500 a. 黑豐1號(hào) a. Heifeng-1 ×20×100×500 b. 榆蕎4號(hào) b. Yuqiao-4

由圖4可知，相同放大倍數(shù)下，甜蕎表面凹凸度小，表明具有小的表面粗糙度，對(duì)應(yīng)甜蕎的摩擦系數(shù)和休止角較小。

蕎麥籽粒與不同接觸材料的摩擦系數(shù)與含水率、休止角與含水率的擬合函數(shù)見表3。由表3可知，摩擦系數(shù)、休止角與含水率的關(guān)系近似為線性遞增關(guān)系，2均大于0.94，擬合關(guān)系良好。

表3 蕎麥籽粒摩擦系數(shù)、休止角與含水率的擬合函數(shù)

注：s、a、i、和分別為與304不銹鋼板、7075鋁合金板、Q235鋼板的摩擦系數(shù)、休止角和含水率；2為決定系數(shù)。

Note:s、a、i、andarefriction coefficient with 304 stainless steel plate、7075 aluminum alloy plate and Q235 steel plate、angle of repose and moisture content, respectively;2is determination coefficient.

2.3 含水率對(duì)蕎麥粉末動(dòng)態(tài)黏彈性的影響

蕎麥屬于黏彈性體[2]，儲(chǔ)能模量（）是黏彈性材料由于彈性形變而儲(chǔ)存的能量，反映物料的彈性特性；損耗模量（）是黏彈性材料產(chǎn)生變形時(shí)損失的能量，反映物料的黏性特性。損耗正切（tan）是損耗模量與儲(chǔ)能模量的比值，反映材料黏彈性的比例。

應(yīng)用DMA(Q800)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析儀對(duì)6種蕎麥粉體的動(dòng)態(tài)黏彈性性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果顯示6種蕎麥粉體的儲(chǔ)能模量、損耗模量以及損耗正切隨含水率、掃描頻率的變化具有一致的趨勢(shì)，本文以具有代表性的蕎麥品種榆蕎4號(hào)在不同含水率下的動(dòng)態(tài)黏彈性性質(zhì)試驗(yàn)為例進(jìn)行介紹。榆蕎4號(hào)蕎麥具有顆粒大、千粒質(zhì)量大、產(chǎn)量高、易脫殼等優(yōu)點(diǎn)，在山西、河北、陜西等地廣泛種植。其粉末的儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗因子（tan）隨含水率變化的頻率掃描曲線如圖5所示。從圖5可看出，儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗正切隨頻率的增加呈上升趨勢(shì)；含水率在11.1%～22.8%之間時(shí)，儲(chǔ)能模量隨含水率的升高而減小，損耗模量和損耗正切隨含水率的升高而增大。當(dāng)其粉末的含水率從11.1%升高到22.8%時(shí)，掃描頻率為1 Hz時(shí)，蕎麥粉末的儲(chǔ)能模量從7394.1 MPa減小到6826.0 MPa，損耗模量從79.5 MPa增大到115.3 MPa，損耗正切從0.011增大到0.017。損耗模量越小表示材料越接近理性彈性體，因此同一品種蕎麥粉體的含水率越低，損耗模量越小，儲(chǔ)能模量越大，彈性性能提高，黏性性能降低；反之彈性性能降低，黏性性能提高。試驗(yàn)方法、過程、結(jié)論等具有普遍性，可為雜糧類作物籽粒及其粉體黏彈性性質(zhì)的研究與應(yīng)用提供參考。

圖5 榆蕎4號(hào)蕎麥粉末動(dòng)態(tài)黏彈性頻率掃描曲線

2.4 含水率對(duì)籽粒擠壓力學(xué)性質(zhì)的影響

6個(gè)品種蕎麥籽粒的擠壓力—位移曲線變化趨勢(shì)與圖6的一致，均沒有屈服拐點(diǎn)，只有破裂點(diǎn)，本文以具有代表性的試驗(yàn)結(jié)果—含水率為22.8%時(shí)黑豐1號(hào)蕎麥籽粒的擠壓力—位移曲線為例進(jìn)行闡述。將破裂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的擠壓力作為蕎麥?zhǔn)軌旱钠茐牧Γ?i>F），而相應(yīng)位移量即為蕎麥籽粒破裂時(shí)的變形量（d）；破裂點(diǎn)之前的曲線與橫坐標(biāo)（位移）圍成的面積（圖中陰影區(qū)域）的大小即為破壞能。

由圖7可看出，蕎麥籽粒的外殼擠壓損傷（圖7a）與自然損傷（圖7b）具有相似的破裂形式，說明自然損傷與擠壓損傷的裂口形式基本一致，均是一條果皮棱上的縱向裂口。由于棱線處纖維組織不均勻，抗擠壓強(qiáng)度低，是蕎麥外殼最薄弱的部位，且棱邊是蕎麥殼瓣結(jié)合的部位，在擠壓過程中，容易引起應(yīng)力集中[29]；所不同的是，擠壓損傷的蕎麥仁出現(xiàn)裂紋（圖7c），而自然損傷的蕎麥仁完好，沒有裂紋（圖7d）。外殼與內(nèi)芯仁之間有空隙，探頭接觸籽粒開始加載時(shí)，擠壓的只是外殼，外殼因抗擠壓強(qiáng)度較高而未出現(xiàn)裂口，繼續(xù)加載，當(dāng)外殼與內(nèi)芯仁接觸時(shí)，開始擠壓仁，仁是種皮包裹著的粉體，抗擠壓強(qiáng)度低，開始產(chǎn)生塑性變形，擠壓到一定程度，內(nèi)芯仁產(chǎn)生裂紋，繼續(xù)加載，外殼棱上由于抗擠壓強(qiáng)度低和應(yīng)力集中出現(xiàn)裂口；蕎麥干燥時(shí)，外殼的水分先損失，外殼由于水分減少而發(fā)生收縮，受到拉伸應(yīng)力，而蕎麥仁含水率較高，收縮變形小，且外殼受擠壓、摩擦等組合外載荷作用，當(dāng)外殼棱上受到的應(yīng)力大于其強(qiáng)度極限時(shí)，出現(xiàn)裂口，而內(nèi)芯仁由于韌皮的包裹未出現(xiàn)破壞。

不同品種蕎麥籽粒在不同含水率下的擠壓試驗(yàn)結(jié)果及表觀彈性模量、最大接觸應(yīng)力如表4所示。

注：含水率為11.1%。

表4 蕎麥籽粒擠壓試驗(yàn)結(jié)果及顯著性分析

2.4.1 擠壓力學(xué)性質(zhì)與含水率的關(guān)系

由表4可知，在0.01水平上，含水率、品種、含水率和品種互作對(duì)破壞力、變形量、破壞能、表觀彈性模量和最大接觸應(yīng)力均有極顯著的影響（<0.0001）。

同一品種蕎麥，含水率在11.1%～22.8%之間時(shí)，隨著含水率的降低，破壞力逐漸增大，如：榆蕎4號(hào)的從11.99 N增大到28.56 N，黑豐1號(hào)的從21.09 N增大到51.10 N。表明蕎麥的含水率越低，籽粒的硬度和強(qiáng)度越高，其抗壓性就越好，所需的屈服載荷就越大。

隨著含水率的升高，變形量逐漸增大，籽粒產(chǎn)生較大的塑性變形。如：榆蕎4號(hào)的從0.48 mm增大到0.85 mm，黑豐1號(hào)的從0.55 mm增大到1.10 mm。

破壞能是籽粒出現(xiàn)破壞所需的最小能量，與破壞力、變形量有關(guān)，破裂點(diǎn)的破壞能數(shù)值上等于破裂點(diǎn)以前的曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積大小（圖6中陰影部分）。對(duì)于同一品種蕎麥，含水率在11.1%～22.8%之間時(shí)，破壞能隨著含水率的升高呈下降趨勢(shì)，含水率為22.8%時(shí)，晉蕎1號(hào)、榆蕎4號(hào)、黑豐10號(hào)、黑豐1號(hào)、昭苦1號(hào)、川蕎1號(hào)的破壞能分別為7.32、5.20、19.58、11.85、12.42、14.58 mJ，破壞能最小。

蕎麥籽粒表觀彈性模量是反映籽粒材料本身產(chǎn)生彈性變形能力的性質(zhì)，其大小與籽粒的三軸尺寸、破壞力、變形量等有關(guān)。表觀彈性模量隨含水率的降低而增大，與蕎麥粉末的儲(chǔ)能模量變化趨勢(shì)一致。

最大接觸應(yīng)力在接觸表面中心處產(chǎn)生，與含水率呈負(fù)相關(guān)。用MATLAB擬合蕎麥籽粒擠壓力、變形量、破壞能、表觀彈性模量及最大接觸應(yīng)力與含水率之間的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如表5所示。

表5 蕎麥籽粒擠壓試驗(yàn)結(jié)果與含水率的擬合函數(shù)

注：F、d、、和分別為破壞力（N）、變形量（mm）、破壞能（mJ）、表觀彈性模量（MPa）、最大接觸應(yīng)力（MPa）、含水率，2為決定系數(shù)。

Note:F、d、、andarefailure force (N)、deformation (mm)、failure energy (mJ)、apparent elastic modulus (MPa)、maximum contact stress (MPa) and moisture content, respectively,2is determination coefficient.

由表5知，破壞力和破壞能與含水率呈三次多項(xiàng)式關(guān)系，變形量與含水率呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，最大接觸應(yīng)力和表觀彈性模量與含水率基本呈線性遞減關(guān)系，2均大于0.93，擬合關(guān)系良好。

2.4.2 擠壓力學(xué)性質(zhì)與品種的關(guān)系

由表4可知，品種對(duì)蕎麥的擠壓力學(xué)性質(zhì)有極顯著影響（<0.0001）。相同含水率下，甜蕎中，榆蕎4號(hào)的破壞力、變形量、破壞能、表觀彈性模量、最大接觸應(yīng)力均最小；苦蕎中，黑豐10號(hào)的破壞力、變形量、破壞能最大，黑豐1號(hào)的破壞力、破壞能、表觀彈性模量、最大接觸應(yīng)力均最??；昭苦1號(hào)的變形量最小，表觀彈性模量、最大接觸應(yīng)力最大；破壞能與破壞力的變化一致。這是由于同一含水率下，品種不同，籽粒的形狀、三軸尺寸和千粒質(zhì)量不同，接觸方式、接觸面積和內(nèi)部物質(zhì)不同，導(dǎo)致抗擠壓能力也不同[17]。

由表4可知，甜蕎所需的破壞力和破壞能均小于苦蕎，因此甜蕎易于脫殼，苦蕎較難脫殼。在苦蕎麥脫殼時(shí)，避免直接對(duì)籽粒進(jìn)行擠壓，可采取先對(duì)籽粒預(yù)處理的方法（如：熟化、浸濕或者汽蒸等），使處理后的蕎麥外殼的硬度和強(qiáng)度減小，更易被脫去，而蕎麥仁的硬度和強(qiáng)度增大，不易破碎，從而提高蕎麥脫殼的整、半仁率。但是蕎麥的品種不同，相同含水率下破壞力和破壞能也有差異，因此對(duì)于不同品種的蕎麥，確定不同的預(yù)處理方式及工藝參數(shù)（如：汽蒸溫度、浸泡時(shí)間、磨盤間隙、磨盤轉(zhuǎn)速等），以達(dá)到最佳脫殼效果[20-22]。

2.5 含水率對(duì)蕎麥籽粒所能承受撞擊載荷能力的影響

對(duì)于同一品種同一含水率下的蕎麥，不同籽粒之間的含水率、外形尺寸及質(zhì)量等會(huì)有差別，所能承受的宏觀撞擊載荷也會(huì)不同[28]，本文以實(shí)際中常用的撞擊破碎率來反映同一品種同一含水率下蕎麥籽粒承受撞擊載荷的能力。每個(gè)樣本重復(fù)30次試驗(yàn)，在顯微鏡下觀察籽粒有無破碎，計(jì)算破碎率[30]。

式中3為破碎的籽粒的總質(zhì)量，g；4為未破碎的籽粒的總質(zhì)量，g。

由蕎麥的擠壓試驗(yàn)結(jié)果可知，甜蕎中，榆蕎4號(hào)的破壞力、變形量、破壞能均最??；苦蕎中，黑豐1號(hào)的破壞力、破壞能均最小，因此對(duì)榆蕎4號(hào)和黑豐1號(hào)進(jìn)行了撞擊試驗(yàn)。

蕎麥籽粒的撞擊試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，黑豐1號(hào)蕎麥籽粒的抗撞擊能力比榆蕎4號(hào)的大，因此黑豐1號(hào)蕎麥較難脫殼；同一品種蕎麥在相同含水率下，撞擊載荷越大，籽粒的破碎率越高，在撞擊載荷分別為20.70和42.58 N時(shí)，榆蕎4號(hào)和黑豐1號(hào)的破碎率近似為0；在撞擊載荷分別為48.27和60.96 N時(shí)，榆蕎4號(hào)和黑豐1號(hào)的破碎率幾乎為100%。同一撞擊載荷下，隨著含水率的降低，籽粒的破碎率先減小后增大，在含水率為19.4%左右時(shí)，籽粒的破碎率達(dá)到最小。通過擬合，破碎率與含水率之間的函數(shù)關(guān)系式為：

式中1、2分別為撞擊載荷為27.77和48.27 N時(shí)的破碎率，%；為含水率，%。2分別為0.9876、0.9372。

由擬合關(guān)系式求得：當(dāng)含水率分別為18.2%、18.4%時(shí)，破碎率1、2最小。經(jīng)試驗(yàn)得：當(dāng)撞擊載荷為27.77 N，榆蕎4號(hào)含水率為18.2%時(shí)，籽粒的破碎率為2.9%；當(dāng)撞擊載荷為48.27 N，黑豐1號(hào)含水率為18.4%時(shí)，籽粒的破碎率為11.7%，試驗(yàn)結(jié)果與模型一致。

表6 榆蕎4號(hào)和黑豐1號(hào)蕎麥籽粒在不同撞擊載荷下破碎率試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

本文主要進(jìn)行了蕎麥的基本物性、摩擦特性、動(dòng)態(tài)黏彈性及擠壓、撞擊力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)，并分析了擠壓力學(xué)性質(zhì)、摩擦特性、撞擊載荷與含水率的關(guān)系，主要結(jié)論有：

1）當(dāng)蕎麥籽粒的含水率在11.1%～22.8%之間時(shí)，同一品種蕎麥籽粒的長(zhǎng)、寬、高、千粒質(zhì)量、幾何平均徑均隨含水率的降低而減小，容重隨著含水率的降低而增大。

2）同一品種蕎麥，籽粒與Q235鋼板的摩擦系數(shù)最大，與7075鋁合金板的次之，與304不銹鋼板的最??；摩擦系數(shù)和休止角隨著含水率的降低而減小。相同含水率下，甜蕎的摩擦系數(shù)和休止角比苦蕎的小。摩擦系數(shù)除與籽粒含水率、接觸材料的表面粗糙度有關(guān)外，還與顆粒表面微結(jié)構(gòu)、籽粒形狀等有關(guān)。

3）同一種蕎麥，當(dāng)其粉末的含水率從11.1%升高到22.8%時(shí)，掃描頻率為1 Hz時(shí)，蕎麥粉末的儲(chǔ)能模量從7394.1 MPa減小到6826.0 MPa，損耗模量從79.5 MPa增大到115.3 MPa，損耗正切從0.011增大到0.017；含水率越低，損耗模量越小，儲(chǔ)能模量越大，彈性性能越好，黏性性能降低。

4）含水率、品種、含水率和品種互作對(duì)蕎麥籽粒的擠壓力學(xué)性質(zhì)影響極顯著。隨著含水率的升高，破壞力、表觀彈性模量和最大接觸應(yīng)力逐漸減小，變形量逐漸增大，破壞能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。甜蕎所需的破壞力和破壞能均小于苦蕎，因此甜蕎較苦蕎易于脫殼。在苦蕎麥脫殼時(shí)，可先對(duì)籽粒進(jìn)行預(yù)處理，減小蕎麥外殼的硬度和強(qiáng)度，增大蕎麥仁的硬度和強(qiáng)度，來提高苦蕎麥脫殼時(shí)的整、半仁率。

5）黑豐1號(hào)蕎麥籽粒的抗撞擊能力比榆蕎4號(hào)的大；同一品種蕎麥在相同含水率下，撞擊載荷越大，破碎率越高；當(dāng)蕎麥籽粒的含水率在11.1%～22.8%之間時(shí)，同一撞擊載荷下，隨著籽粒的含水率的降低，籽粒的破碎率先減小后增大，當(dāng)撞擊載荷為27.77 N，榆蕎4號(hào)含水率為18.2%時(shí)，籽粒的破碎率達(dá)到最小，為2.9%；當(dāng)撞擊載荷為48.27 N，黑豐1號(hào)含水率為18.4%時(shí)，籽粒的破碎率達(dá)到最小，為11.7%。

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Experimental study on biomechanical properties of buckwheat grain and viscoelastic properties of buckwheat powder

Sun Jingxin, Guo Yuming※, Yang Zuomei, Cui Qingliang, Wu Xinhui, Zhang Yanqing

(030801,)

Buckwheat belongs tomill, which is one of the grain crops in China. Buckwheat is rich in protein, fat and other nutrients, as well as food fiber, sugar alcohol, phenolic acids, bioflavones and other disease-resistant ingredients. In recent years, buckwheat has become the preferred functional staple food for people which with cardiovascular disease and diabetes and are highly recommended for its high medicinal and edible value by the public. At present the mechanized production level of buckwheat is relatively low. The stress modes of relative working parts on grain are extrusion, impact, kneading and so on during the design process of buckwheat segmenting, combined harvesting, threshing, husking, milling, processing and other equipment. Therefore, the selection of design parameters for key components requires a comprehensive mastery of the conventional biomechanical properties that contain compress, impact and friction of different buckwheat grains. Viscoelastic properties of buckwheat powder were studied in this paper: 1) Basic physical parameters that contain triaxial size, 1000-grain weight and bulk weight of different buckwheat varieties (Jinqiao-1, Yuqiao-4, Heifeng-1, Heifeng-10, Zhaoku-1 and Chuanqiao-1) with different moisture content (22.8%, 19.4%, 15.6%, 13.2%, 11.1%)were measured. The results showed that the length, width, height, 1000-grain weight and geometric mean diameters of buckwheat grain decreased as the moisture content decreased, and the bulk density increased as the moisture content decreased. Themoench length, width and thickness range from 6.16 mm to 6.87 mm, 4.16 mm to 4.60 mm, 3.87 mm to 4.32 mm, and 1000-grain weight range from 32.34 g to 37.70 g, respectively. Thetataricum length, width and thickness range from 4.39 mm to 5.90 mm, 3.10 mm to 3.90 mm, 2.93 mm to 3.61 mm, and 1000-grain weight range from 21.32 g to 27.67 g, respectively. 2) The static sliding friction coefficient and the angle of repose of buckwheat grain were measured by inclined plane instrument and repose angle measuring device. The results showed that the friction coefficient decreased on Q235 steel plate, 7075 aluminum alloy plate and 304 stainless steel plate in turn. The friction coefficient and angle of repose decreased as the moisture content decreased, and the friction coefficient and angle of repose ofmoench were smaller than those oftataricum. The friction coefficient was not only related to grain moisture content, surface roughness of contact materials, but also related to grain surface characteristics and grain shape. 3) The dynamic viscoelastic test of buckwheat (powder) was carried out on DMA (Q800), and the storage modulus, loss modulus and loss factor of buckwheat powder were obtained. The storage modulus decreased as the moisture content increased. For the same buckwheat, the loss modulus and loss factor increased as the moisture content increased, and the lower the moisture content, the smaller the loss modulus, the bigger the storage modulus, the greater the elasticity and the smaller the viscosity. 4) The mechanical properties of grain, which contain failure force and failure energy, were measured by physical property analyzer. As the moisture content increased, the failure force, apparent modulus of elasticity and maximum contact stress decreased gradually, the amount of deformation gradually increased, and the failure energy showed a downward trend.The failure force and failure energy ofmoench were lower than that oftataricum, somoench was easier to peel thantataricum. In order to increase the whole and half kernel rate oftataricum, the grain could be pretreated first to reduce the hardness and strength of shell and increase the hardness and strength of kernel. 5) The impact force was measured by ZBC50 pendulum hammer impact tester. The broken rate of Yuqiao-4 and Heifeng-1 was approximately 0 when the impact force was 20.70 and 42.58 N respectively. Under the same impact force, the broken rate first decreased and then increased as the moisture content increased. And the experimental results were fitted. According to the fitting formula, the broken rate (1,2) was the lowest when moisture content was 18.2% and 18.4%, respectively. The experimental results showed that: the broken rate was 2.9% when the impact force was 27.77 N and the moisture content of Yuqiao-4 was 18.2%; the broken rate was 11.7% when the impact force was 48.27 N and the moisture content of Hefeng-1 was 18.4%, and the experimental results were consistent with the model. The results can provide comprehensive foundation support for the development of buckwheat mechanized production equipment and parameter optimization.

biomechanics; viscoelasticity; friction;buckwheat grain

孫靜鑫，郭玉明，楊作梅，崔清亮，武新慧，張燕青. 蕎麥籽粒生物力學(xué)性質(zhì)及內(nèi)芯黏彈性試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(23)：287－298. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.037 http://www.tcsae.org

Sun Jingxin, Guo Yuming, Yang Zuomei, Cui Qingliang, Wu Xinhui, Zhang Yanqing. Experimental study on biomechanical properties of buckwheat grain and viscoelastic properties of buckwheat powder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 287－298. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.037 http://www.tcsae.org

2018-06-06

2018-10-01

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFD0701801）

孫靜鑫，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)生物力學(xué)與物料機(jī)械特性方面的研究。Email：Sunjingx0607@126.com

郭玉明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生物力學(xué)與物料機(jī)械特性方面的研究。Email：guoyuming99@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.037

S515; S220.1

A

1002-6819(2018)-23-0287-12