谷物力學特性的試驗研究

朱紅媛,王樹林,劉春山,李捷涵,王貞旭,陳思羽 ,劉洪義

(1.佳木斯大學 機械工程學院,黑龍江 佳木斯 154000;2.黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

糧食物理特性的研究對糧食儲運、裝卸運輸機械和倉儲設施的設計具有重要意義[1-5]。張豐堯[6]通過室內直剪試驗標定了大豆的細觀力學參數,并通過直剪試驗對試樣顆粒的應力狀態、接觸狀態、等細觀機理進行研究。王永剛[7]在玉米籽粒力學特性試驗中得出:隨含水率的升高,籽?？箟簭姸入m逐漸降低,但其籽粒表面韌性隨含水率的變化而變化,造成了剪切玉米籽粒頂面與腹面時其最小破裂載荷隨含水率的升高而出現增大的現象。顧炳龍、楊亞洲[8]等人通過離散元軟件 EDEM的顆粒仿真效果,對花生品種 23 進行了參數測定試驗,結果表明:對于相同的材料,花生仁和花生殼的靜摩擦系數是不同的。楊亞洲、劉姍姍[9]等人對花生仁的三軸尺寸、壓縮特性及剪切特性進行了測試。萬忠民、吳凡[10]等人對不同條件下糧食油料散落性進行實驗研究,采用傳統平板法和固定漏斗法測定了大豆、水稻和油菜在不同水分和雜質條件下的自流角和靜態角。O Resende、PC Corrêa[11]等人通過測定糙米和脫殼稻谷在不同含水率下的斷裂力、變形量、最大壓縮力和比例變形模量,研究了糙米和脫殼稻谷在不同含水率下的力學性能。I Nengah Suastawa[12]等外國學者對稻谷與橡膠表面的摩擦進行實驗研究,測定了稻谷含水量對蒸騰系數的影響,顯示了摩擦因數的平均值。

本文以谷物為研究對象,著重分析玉米、大豆、大米和紅飯豆的摩擦特性、抗壓特性以及水分對大豆摩擦特性和抗壓特性的影響,旨在為糧食的物理特性參數研究提供重要依據。

1 糧食的摩擦特性研究

糧食之間的內摩擦角、糧食顆粒與倉壁材料摩擦因數都是決定卸糧成拱最基本的力學參數,是設計、制造糧食加工機械以及谷倉等設備技術參數的主要依據[13]。為此,以玉米、大豆、大米、紅飯豆為研究對象,利用自制力學參數測試裝置進行摩擦試驗研究。

1.1 試驗材料與儀器

測量對象為一定量的大米、紅飯豆、玉米和花生。試驗裝置為自制力學特性參數測試裝置,如圖1所示。

圖1 力學參數測試裝置Fig.1 Testing device for mechanical parameters

1.2 試驗原理

自制測試裝置平臺為合金鋼制作的摩擦板,采用斜面法測量。將合金鋼摩擦板水平鋪在桌面,放置待測的糧食籽粒于其上合適的位置;拉動牽引繩對摩擦板一端施加力,使摩擦板整體沿轉動軸轉動方向傾斜。當糧食籽粒在摩擦板上發生滑動時停止施加力,此時摩擦板與水平面的夾角為糧食與合金鋼板靜摩擦的臨界角,其切線值為糧食-摩擦板的靜摩擦因數;重復測量20次,取平均值計算靜摩擦因數,計算公式為

(1)

式中μ-靜摩擦因數;

α-靜摩擦臨界角;

H-摩擦板升起的高度;

L-刻度尺距頂點的距離。

1.3 試驗結果分析

通過試驗得出花生的平均靜摩擦因數為0.25,紅飯豆的平均靜摩擦因數實為0.28,玉米的平均靜摩擦因數為0.34,大米的平均靜摩擦因數為0.30。試驗數據如表1所示。

表1 糧食摩擦因數數據Table 1 Data of grain friction coefficient

本次試驗中,花生、紅飯豆、玉米、大米的平均靜摩擦因數具有明顯差異,即紅飯豆>玉米>大米>花生。試驗結果表明,靜摩擦因數與糧食本身粗糙程度以及形狀大小有一定關系。本次試驗中,花生的外形較其他品種谷物圓潤且顆粒較大,所以靜摩擦因數最小。

2 谷物的壓縮特性試驗研究

糧食的耐壓特性指標是設計糧食貯藏、收獲和加工系統的重要理論依據之一[14],破損率是影響糧食品質的重要指標,降低糧食破損率有利于提高糧食產量和質量。籽粒的損傷形式有表皮損傷、兩瓣損傷和完全損傷,糧食收獲破損率嚴重影響糧食的經濟效益以及種用糧食的發芽率與出苗率[15]。

2.1 試驗材料與儀器

試驗材料為一定量的花生、玉米、紅飯豆、大豆。試驗測量儀器為ZSD-3型電子式壓縮強度試驗儀,如圖2所示。壓縮過程及破裂程度如圖3～圖6所示。

圖2 ZSD-3型電子式壓縮強度試驗儀Fig.2 Zsd-3 electronic compression strength tester

圖3 大豆壓縮過程及破裂程度Fig.3 Compression process and rupture degree of soybean

圖4 花生壓縮過程及破裂程度Fig.4 Compression process and cracking degree of peanut

圖5 玉米壓縮過程及破裂程度Fig.5 Compression process and cracking degree of maize

圖6 紅飯豆壓縮過程及破裂程度Fig.6 Compression process and rupture degree of Red Rice Bean

2.2 試驗過程及原理

利用圓盤壓縮夾具在ZSD-3型電子式壓縮強度試驗儀上進行試驗。試驗前,用右鍵設置夾具移動位置下限,以防壓縮試驗時夾具上下部分直接接觸損壞儀器;用鑷子將谷物放到圓盤壓縮夾具正中央,點擊右側測試按鈕使圓盤夾具上部分下降,進行谷物壓縮破壞性試驗。

2.3 試驗結果分析

花生、玉米、紅飯豆壓縮力測試數據如表2所示。根據表2可知:大豆、花生、玉米、紅飯豆的平均極限壓力分別為101.92、27.37、78.89、34.01N?？煽闯龉任锬蛪禾匦源蠖?玉米>紅飯豆>花生,表明不同種類糧食之間耐壓力存在顯著的差異,花生易破碎。

表2 花生、玉米、紅飯豆壓縮力測試數據Table 2 Test data of compression force of peanut, corn and red rice bean

3 含水率對大豆摩擦特性影響試驗

3.1 試驗材料與儀器

試驗材料為初始含水率分別為11.5%、13.3%、18.9%的黑農48大豆,如圖7所示。試驗儀器為自制力學特性參數測試裝置。

圖7 3種不同水分大豆Fig.7 Three different types of moisture soybean

3.2 試驗結果分析

對3個不同含水率的黑農48大豆樣品進行摩擦特性試驗,重復測試15次,記錄試驗數據取平均值,計算靜摩擦因數。試驗得出初始含水率11.5%、13.3%、18.9%的大豆平均靜摩擦因數分別為0.15、0.19、0.27。試驗數據如圖8所示。

圖8 3種不同水分大豆平均靜摩擦因數Fig.8 Average static friction coefficient of three different moisture soybean

根據試驗數據分析可知,大豆與合金鋼摩擦片的靜摩擦因數隨含水量的增加而增大。這主要是由于大豆與摩擦片的附著力隨大豆種子含水量的增加而增大。另外,隨著含水率的增加,大豆籽粒體積、表面積和表面粗糙度均增大,靜摩擦因數也相應增大。

4 含水率對大豆壓縮特性影響試驗

4.1 試驗材料與儀器

試驗材料選取初水率分別為11.5%、13.3%、18.9%的黑農48大豆,試驗儀器為ZSD-3型電子式壓縮強度試驗儀。

4.2 試驗結果分析

對3種不同含水率的黑農48大豆進行壓縮破壞性試驗,重復測試10次,記錄數據取平均值,計算平均壓力。試驗數據如圖9所示。

圖9 3種不同水分大豆平均極限壓力Fig.9 Average compressibility of three soybean varieties with different moisture content

由圖9可知:隨著含水率的增加,大豆的抗壓性降低,二者呈負相關;隨著含水率的增加,動彈性的降低加速了大豆細胞壁的損傷,硬度也隨之降低,大豆的抗壓性逐漸減弱,大豆含水率越高,大豆質地越柔軟,抗壓性越差,力學指標隨含水率的增加而降低。因此,隨著大豆含水率的增加,平均極限壓力減小。

5 結論

1)不同谷物靜摩擦因數不同,靜摩擦因數與糧食本身粗糙程度以及形狀大小有一定關系。花生的平均靜摩擦因數為0.25,紅飯豆的平均靜摩擦因數為0.28,玉米的平均靜摩擦因數為0.34,大米的平均靜摩擦因數為0.30。試驗中,靜摩擦因數排序為:紅飯豆>玉米>大米>花生。

2)大豆、花生、玉米、紅飯豆的平均極限壓力分別為101.92、27.37、78.89、34.01N。試驗中,谷物耐壓特性排序為:大豆>玉米>紅飯豆>花生。這表明,不同種類糧食之間耐壓力存在顯著的差異,花生易破碎。

3)含水率對谷物的摩擦特性和耐壓特性均有影響。大豆與合金鋼摩擦片的靜摩擦因數隨含水量的增加而增大。另外,隨著含水率的增加,大豆動彈性的降低加速了大豆種子細胞壁的損傷,硬度也隨之降低,大豆的抗逆性逐漸減弱。因此,隨著大豆水分的增大耐壓特性降低。