裸燕麥籽粒剪切特性研究*

邱述金，李霖霖，崔清亮，楊作梅，馮禹，郭玉明

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西太谷，030801；2. 太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原市，030024)

0 引言

燕麥俗稱莜麥，屬禾本科燕麥屬，是一年生草本作物。裸燕麥籽粒纖細(xì)瘦長(zhǎng)，有腹溝，葉鞘光滑或背有微毛，形狀多呈筒形、紡錘形。皮燕麥籽粒帶殼，大多數(shù)飼用。裸燕麥籽粒不帶殼，是我國(guó)主要種植的品種，食用價(jià)值很高。裸燕麥的生長(zhǎng)周期短，具有極強(qiáng)的抗旱、耐寒、耐脊的特性，并且具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值，越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)，市場(chǎng)的需求量很大[1]。山西省的裸燕麥種植主要分布在晉西北，面積有170 khm2，年產(chǎn)量15萬(wàn)t左右，占據(jù)全國(guó)產(chǎn)量的10%[2]。國(guó)外燕麥品種以皮燕麥為主，收獲方式多以更換割臺(tái)、調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等機(jī)械化手段進(jìn)行。國(guó)內(nèi)燕麥種植以裸燕麥為主，利用谷物聯(lián)合收獲機(jī)工作時(shí)籽粒破碎嚴(yán)重，籽粒損傷率大，因而主要以人工、半人工收獲為主。從20世紀(jì)中期開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玉米[3]、大豆[4]、小麥[5]和稻谷[6]等大籽粒谷物的力學(xué)特性進(jìn)行研究[7-9]，關(guān)于裸燕麥籽粒的研究也隨之開(kāi)始。Anazodo等[10]在標(biāo)準(zhǔn)壓縮和彎曲模式下測(cè)試玉米籽粒的物理力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)玉米種子和收獲期對(duì)籽粒的力學(xué)特性有顯著影響；Lu等[11]通過(guò)壓縮和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了稻米精米產(chǎn)量與籽粒力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)性；Verma等[12]研究了玉米的熱力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)玉米籽粒破裂力、破裂能和破碎變形與含水率有關(guān)；Chenarbon等[13]對(duì)不同含水率的3種玉米籽粒分別施加沖擊載荷，發(fā)現(xiàn)玉米籽粒的品種和含水率對(duì)其破損率有較大影響；楊作梅等[14]利用物性分析儀和赫茲接觸理論發(fā)現(xiàn)了谷子的破壞力隨含水率升高而降低的規(guī)律；李春娣等[15]通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀研究了大豆籽粒的壓縮力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)了破壞力、破壞能、彈性模量、破壞應(yīng)力、破壞應(yīng)變與含水量之間的關(guān)系，并建立了各項(xiàng)參數(shù)與含水率之間的關(guān)系模型；耿令新等[16]設(shè)計(jì)一種燕麥籽粒揉搓式除雜裝置，具有脫凈率高、損失率低、損傷小的優(yōu)點(diǎn)；趙楠等[17]綜述了燕麥籽粒的粘彈性研究和機(jī)械破碎力學(xué)研究進(jìn)展，指出燕麥籽粒的機(jī)械力學(xué)參數(shù)包括破壞力、破壞能、變形量和強(qiáng)度等；張澤璞等[18]對(duì)裸燕麥籽粒的壓縮力學(xué)性能以及破裂生成規(guī)律進(jìn)行了研究。目前針對(duì)玉米、大豆、小麥和稻谷等谷粒的力學(xué)特性研究已經(jīng)取得了較多成果，但針對(duì)裸燕麥籽粒的剪切特性研究還尚未報(bào)道。本文研究含水率、剪切方向、剪切速度對(duì)裸燕麥籽粒剪切破壞力學(xué)特性的影響規(guī)律，為燕麥機(jī)械化生產(chǎn)提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣品采用廣泛種植于山西的晉燕18號(hào)，產(chǎn)地為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田。試驗(yàn)時(shí)選取顆粒飽滿、表面無(wú)損傷、沒(méi)有霉變的裸燕麥籽粒作為試驗(yàn)樣本。試驗(yàn)前測(cè)得裸燕麥籽粒的初始含水率為11.33%(濕基，下同)，在大量文獻(xiàn)中表明含水率是影響谷物籽粒相關(guān)力學(xué)特性的重要因素[19]。為了探究不同含水率對(duì)裸燕麥籽粒剪切破壞力學(xué)特性的影響，需提前進(jìn)行含水率配制的準(zhǔn)備工作。參考文獻(xiàn)[20]的方法制備5種不同含水率的裸燕麥籽粒作為試驗(yàn)樣本。為了獲得不同含水率的裸燕麥籽粒樣本，先通過(guò)電子天平分別稱取5份500 g初始含水率的裸燕麥籽粒，將其放置于干燥、密封良好的玻璃罐中，再通過(guò)式(1)，計(jì)算得到所需加入去離子水的質(zhì)量，以此來(lái)配制不同含水率的樣本。

(1)

式中：M——需要加入去離子水的質(zhì)量，g；

m——試驗(yàn)樣本的質(zhì)量，g；

H1——試驗(yàn)樣本的初始濕基含水率，%；

H2——需要配制獲得的目標(biāo)樣本的濕基含水率，%。

需要注意的是，若所需目標(biāo)樣本的含水率較高(如大于16%)時(shí)，需要以分多次、每次少量的方式來(lái)加入去離子水，目的是為了能夠獲得準(zhǔn)確的目標(biāo)試驗(yàn)樣本，提高試驗(yàn)的可靠性。在加入水的過(guò)程中，要控制玻璃棒攪拌與噴水二者同步進(jìn)行，且所有樣品在此過(guò)程中需每隔3～4 h攪動(dòng)一次，使水分能夠均勻吸收。1 d后，將配置得到的不同含水率的試驗(yàn)樣本裝入密封塑料袋中密封以保持含水率的穩(wěn)定，再置于2 ℃冰箱內(nèi)冷藏3 d以上，讓其吸水均勻，期間每天搖動(dòng)3～5次。在進(jìn)行試驗(yàn)前，需提前將試驗(yàn)樣本從冰箱中取出，在常溫下靜置0.5 h左右，使其恢復(fù)至室溫20 ℃，再利用水分容重儀測(cè)定試驗(yàn)樣本的實(shí)際含水率，作為所配置樣本的最終含水率。每個(gè)樣本分別測(cè)定5次，取配制樣本的含水率分別為12.04%、13.64%、17.02%、20.73%、22.56%。

主要試驗(yàn)設(shè)備有：美國(guó)Fowler數(shù)顯式游標(biāo)卡尺，測(cè)量范圍0～150 mm，測(cè)量精度0.01 mm；TA.XT.Plus物性分析儀，測(cè)試速度范圍0.01～40 mm/s，測(cè)試距離精度0.001 mm，測(cè)試力量精度0.000 2%；電子天平MP2002，量程300 g，精度0.01 g。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

裸燕麥籽粒在收獲、運(yùn)輸和加工過(guò)程中含水率存在差異，在不同剪切載荷的作用下，產(chǎn)生的破碎損傷程度也各不相同，研究裸燕麥籽粒的剪切破壞力學(xué)特性具有重要意義。

在研究裸燕麥籽粒不同含水率的剪切特性試驗(yàn)時(shí)，控制裸燕麥籽粒的剪切速度為0.12 mm/s、剪切方向?yàn)楦箿舷蛳虏蛔?，選取含水率12.04%、13.64%、17.02%、20.73%、22.56%為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)；在研究裸燕麥籽粒不同剪切方向的剪切特性試驗(yàn)時(shí)，控制裸燕麥籽粒的含水率為22.56%、剪切速度為0.12 mm/s不變，選取剪切方向腹溝側(cè)向、腹溝正向、軸線方向?yàn)樵囼?yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)；在研究裸燕麥籽粒不同剪切速度的剪切特性試驗(yàn)時(shí)，控制裸燕麥籽粒的含水率為22.56%、剪切方向?yàn)楦箿舷蛳虏蛔?，選取剪切速度0.02 mm/s、0.04 mm/s、0.08 mm/s、0.12 mm/s為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)；以剪切破壞力和剪切破壞能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律。

采用厚度為3 mm的剛性平板作為加載裝置(圖1)，在物性分析儀編寫裸燕麥籽粒剪切程序，底座配合剛性平板中心間隙也為3 mm。剪切速度根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)定，觸發(fā)力為0.098 N，試驗(yàn)前將物性分析儀預(yù)熱15 min。試驗(yàn)樣品提前取出，置于室內(nèi)半個(gè)小時(shí)左右，恢復(fù)至室溫。從密封袋取出一粒無(wú)傷無(wú)損的籽粒，迅速將密封袋密封，避免籽粒的含水率發(fā)生變化。先用游標(biāo)卡尺測(cè)定裸燕麥籽粒的三軸尺寸：長(zhǎng)(L)、寬(W)、高(H)，試驗(yàn)時(shí)將裸燕麥籽粒根據(jù)試驗(yàn)要求放在底座平臺(tái)上，同時(shí)保證裸燕麥籽粒中心與間隙中心保持一致，運(yùn)行裸燕麥籽粒剪切試驗(yàn)程序，觀察力—位移曲線變化，出現(xiàn)載荷有較大突變時(shí)，立即停止加載。每個(gè)處理重復(fù)20次。

圖1 加載裝置

1.3 評(píng)價(jià)方法

燕麥籽粒在剪切變形過(guò)程中具有明顯的生物屈服點(diǎn)[21]，如圖2所示。當(dāng)所加載荷未達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，這一階段力與變形量近似成線性關(guān)系。屈服點(diǎn)又稱為應(yīng)變軟化點(diǎn)，通常認(rèn)為，當(dāng)所加載荷達(dá)到此點(diǎn)時(shí)，則會(huì)引起物料微觀結(jié)構(gòu)的破壞，當(dāng)所加載荷小于屈服點(diǎn)時(shí)，載荷不會(huì)帶來(lái)明顯的傷害。故將屈服點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力的大小定為裸燕麥籽粒的最大剪切破壞力F，即籽粒在剪切變形過(guò)程中力—位移曲線上的第一個(gè)峰值。而最大剪切破壞力以前的曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成的面積(圖2中陰影區(qū)域)為對(duì)應(yīng)的破壞能，也叫剪切破壞能W，即籽粒在剪切變形過(guò)程中力—位移曲線上第一個(gè)峰值點(diǎn)與橫坐標(biāo)軸所圍成的面積。此后隨著載荷的增加，裸燕麥籽粒發(fā)生局部組織破壞，進(jìn)入塑性區(qū)。最后隨著載荷的增加，達(dá)到最大峰值點(diǎn)，即圖2所示破裂點(diǎn)，此時(shí)物料在所加載荷的作用下發(fā)生宏觀結(jié)構(gòu)的破壞。剪切破壞能采用式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：D——試驗(yàn)曲線第一峰值點(diǎn)橫坐標(biāo)的數(shù)值。

圖2 燕麥剪切破壞力—位移曲線(晉燕18號(hào))

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS[22]進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別對(duì)含水率、剪切方向和剪切速度進(jìn)行了方差分析，獲得了各因素對(duì)剪切破壞力和剪切破壞能的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)剪切破壞力學(xué)特性影響

不同含水率裸燕麥籽粒剪切試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，裸燕麥籽粒的剪切破壞力隨含水率的增加，呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，由23.97 N(含水率12.04%)下降到14.63 N(含水率22.56%)；剪切破壞能隨含水率的增加，也呈下降趨勢(shì)，由15.58 J(含水率12.04%)下降到9.40 J(含水率22.56%)。

表1 不同含水率裸燕麥籽粒剪切試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Results of shear experiment of naked oats with different moisture content

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示。

表2 不同含水率裸燕麥籽粒剪切特性方差分析Tab. 2 Analysis of variance of shear characteristics of naked oats with different moisture content

從表2可以看出，含水率對(duì)裸燕麥籽粒剪切破壞力方差分析顯著性P值<0.005，決定系數(shù)R2=0.974 3。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性檢驗(yàn)方法所得到的P值，一般以P<0.05 為有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。決定系數(shù)R2的大小決定了變量間相關(guān)的密切程度。R2越大，自變量對(duì)因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動(dòng)占總變動(dòng)的百分比越高。故含水率對(duì)裸燕麥籽粒剪切破壞力方差分析模型是顯著的。同理，含水率對(duì)裸燕麥籽粒剪切破壞能方差分析模型顯著，顯著性P值<0.005，決定系數(shù)R2=0.955 4。

采用一元線性回歸分析，擬合曲線方程及檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 含水率對(duì)裸燕麥籽粒剪切特性的回歸模型Tab. 3 Regression model of moisture content on shear characteristics of naked oats

從表3可以看出，回歸模型的P值<0.005，決定系數(shù)R2分別達(dá)到了0.974 3和0.955 4，說(shuō)明一元線性回歸顯著且擬合精度較高。在含水率12.04%～22.56%范圍內(nèi)，裸燕麥籽粒的剪切破壞力與剪切破壞能均呈現(xiàn)出隨含水率的提高而降低的趨勢(shì)。

2.2 剪切方向?qū)羟衅茐牧W(xué)特性的影響

不同剪切方向裸燕麥籽粒剪切試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，裸燕麥籽粒腹溝側(cè)向時(shí)，剪切破壞力最大，為18.86 N；腹溝向上時(shí)，剪切破壞力最小，為14.44 N。

表4 不同剪切方向下裸燕麥籽粒剪切試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Results of grain shearing experiment of naked oats at different shear directions

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。

表5 裸燕麥籽粒剪切方向方差分析Tab. 5 Variance analysis of grain shear characteristics of naked oats at shear directions

由表5可以看出，剪切方向?qū)β阊帑溩蚜＜羟衅茐牧Ψ讲罘治瞿Ｐ褪菢O顯著的，顯著性P值<0.001，決定性系數(shù)R2=0.998 1；剪切方向?qū)β阊帑溩蚜＜羟衅茐哪芊讲罘治瞿Ｐ惋@著，顯著性P值<0.005，決定系數(shù)R2=0.955 4。

2.3 剪切速度對(duì)剪切破壞力學(xué)特性的影響

不同剪切速度裸燕麥籽粒剪切試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，隨剪切速度的增加，裸燕麥籽粒的剪切破壞力變化不顯著，剪切破壞力處于14.53～15.69 N之間；剪切破壞能隨剪切速度的增加，呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，由9.40 J增加到13.01 J。

表6 不同剪切速度下裸燕麥籽粒剪切試驗(yàn)結(jié)果Tab. 6 Results of grain shearing experiment of naked oats under different velocity

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表7所示。由表7可以看出，剪切速度在試驗(yàn)速度范圍內(nèi)對(duì)剪切破壞力的影響顯著性P值>0.05，可認(rèn)為統(tǒng)計(jì)學(xué)差異不顯著，即在0.02～0.12 mm/s范圍內(nèi)，剪切速度對(duì)裸燕麥籽粒的剪切破壞力影響不顯著，決定性系數(shù)R2為0.044 7。剪切速度對(duì)裸燕麥籽粒剪切破壞能的影響顯著，顯著性P值<0.05，決定系數(shù)R2為0.970 4，隨剪切速度的增加，裸燕麥籽粒的剪切破壞能增大。

表7 裸燕麥籽粒剪切速度方差分析Tab. 7 Variance analysis of grain shear characteristics of naked oats at loading speed

3 結(jié)論

對(duì)裸燕麥籽粒進(jìn)行了不同含水率、不同剪切速度和不同剪切方向的剪切破壞力學(xué)特性試驗(yàn)，獲得了各因素對(duì)剪切破壞力、剪切破壞能的影響規(guī)律，并建立了含水率對(duì)剪切特性影響的力學(xué)模型，為裸燕麥籽粒的機(jī)械化播種、收獲、運(yùn)輸及加工以及農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供理論參考。

1) 含水率對(duì)剪切破壞力、剪切破壞能的影響顯著，含水率為12.04%～22.56%的裸燕麥籽粒，隨著含水率的增加，剪切破壞力與剪切破壞能均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

2) 剪切方向?qū)羟衅茐牧?、剪切破壞能的影響顯著，裸燕麥籽粒腹溝側(cè)向時(shí)，剪切破壞力最大，為18.86 N；腹溝向上時(shí)，剪切破壞力最小，為14.44 N。

3) 剪切速度對(duì)剪切破壞力影響不顯著，剪切速度對(duì)剪切破壞能影響顯著，隨剪切速度的增加，裸燕麥籽粒的剪切破壞能增大。