玉米堆彈性模量的測定試驗研究

程緒鐸 石翠霞 陸琳琳 唐福元

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003)

玉米堆彈性模量的測定試驗研究

程緒鐸 石翠霞 陸琳琳 唐福元

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210003)

利用TSZ－6A型應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行三軸試驗，測定圍壓分別為50、100、150、200 kPa時，玉米堆(水分為14.68%、16.40%、17.79%w.b)的彈性模量，同時研究圍壓和含水量與玉米堆彈性模量的關(guān)系。試驗結(jié)果表明:對于含水量范圍為14.68% ～17.79%w.b的玉米堆，在圍壓為50～200 kPa的范圍內(nèi)，其彈性模量范圍為165.96～891.69 kPa。根據(jù)含水量與玉米堆彈性模量的關(guān)系可以擬合得到方程:y=Ax+B，其中，A、B為與含水量有關(guān)的參數(shù);根據(jù)圍壓與玉米堆彈性模量的關(guān)系可以擬合得到方程:y=Dx+E，其中，D、E為與圍壓有關(guān)的參數(shù)。在相同含水量條件下，玉米堆的彈性模量隨著圍壓的增大而增大;在相同圍壓條件下，玉米堆的彈性模量隨著含水量的增加而減小。

玉米堆 彈性模量 圍壓 含水量

玉米是我國主要的糧食和經(jīng)濟作物之一。玉米堆的彈性模量是表征糧堆壓縮特性的重要參數(shù)。玉米在干燥，運輸，儲藏及加工過程中均受到壓縮載荷，為此會引起內(nèi)部應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致體積縮小及變形，甚至顆粒破裂，從而影響其產(chǎn)品的品質(zhì)［1］。玉米堆的彈性模量表征其抵抗受壓變形的能力，因此，測定與研究玉米堆的彈性模量是非常必要的。

國內(nèi)外對糧食顆粒的彈性模量研究自20世紀(jì)60年代就開始了。

Shelef等［2］用拉伸強度實驗機研究了麥粒單軸壓縮的力學(xué)特性，整個籽粒分別用平行板、光滑的球形壓頭、柱形壓頭加載，切去兩端的樣本用平行板加載，得到應(yīng)力—變形關(guān)系。

Balastreire［3］用球形壓頭的壓縮試驗測定玉米角質(zhì)胚乳厚片在不同的含水量下的應(yīng)力松馳特性，結(jié)果表明玉米角質(zhì)胚乳的拉伸松弛模量隨時間、含水量和溫度的變化而變化。

Lin M等［4］研究了大豆及大豆種皮在不同溫度和不同含水量下的黏彈性，建立了廣義Maxwell模型，并于1990年研究了大豆籽粒的力學(xué)特性和破壞力，用應(yīng)力松弛、壓縮、彎曲試驗測得了大豆籽粒的松弛模量、極限壓縮和拉伸強度。

Kamst［5］進(jìn)行了稻米的應(yīng)力松弛試驗，這些研究表明稻米是線性黏彈性體，彈性模量和擠壓強度隨變形速度增大而增大、隨溫度升高及含水量增大而減小，在含水量較低時溫度影響較大。

張洪霞等［6］通過試驗得出大米壓縮的力學(xué)指標(biāo)，如彈性模量、破壞力及破壞應(yīng)力等，并研究得到不同品種大米的彈性模量差異為顯著，破壞力差異為極顯著，而破壞應(yīng)力沒有顯著差異。李詩龍［7］研究了油菜籽的彈性模量、泊松比等物理特性。

對糧堆彈性模量的研究，國際上報導(dǎo)很少，國內(nèi)未見公開報導(dǎo)。本試驗采用TSZ－6A型應(yīng)變控制式三軸儀測定與研究玉米堆的彈性模量。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米(水分為 14.68%w.b)，產(chǎn)地為東北;試驗時玉米堆的測量高度為110 mm;玉米的最大粒徑、中等粒徑、最小粒徑的平均值分別為 8.55、6.10、4.23 mm(隨機取樣50粒玉米粒，用游標(biāo)卡尺測其三個粒徑，估讀到0.01 mm，最后求其平均值)。

應(yīng)變控制式三軸儀(圖1):南京土壤儀器廠有限公司;HG202－2(2A/2AD)電熱干燥箱:南京盈鑫實驗儀器有限公司;JSFD－粉碎機:上海嘉定糧油儀器有限公司。

圖1 應(yīng)變控制式三軸儀示意圖

1.2 試驗原理

糧食的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)為復(fù)雜的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，糧堆在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變既有塑性的、也有彈性的。在一定的圍壓下測定得到籽粒的最大破壞主應(yīng)力差。取最大破壞主應(yīng)力差的1/10～1/12，多次加壓和卸壓，隨著加載和卸載次數(shù)的增加，回滯圈面積越來越小，從而可由彈性模量的定義計算出其值。加壓、卸壓與軸向變形關(guān)系如圖2所示，按式(1)、式(2)計算出糧堆的彈性模量。

圖2 加壓、卸壓與軸向變形關(guān)系曲線

初始條件:圍壓(kPa)，樣品高度hc(mm)，樣品截面積A0=0.003 m2;

試驗測得:位移△he(0.01 mm)，測微表讀數(shù)R(0.01 mm);

依圖2的轉(zhuǎn)換關(guān)系可得;

式中:E為糧堆的彈性模量/kPa;ΔP為軸向荷載/kPa;Δhe為糧堆的彈性變形量/mm;hc為試樣固結(jié)后的高度/mm。

試驗中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可做出軸向載荷與位移的曲線關(guān)系圖，可求出斜率:

用式(2)和式(3)即可求出彈性模量的值。

1.3 試驗方法

試驗主要參照飽和的粘質(zhì)土和砂質(zhì)土的試驗規(guī)程中的彈性模量試驗SL237－029—1999［8］。試驗中涉及到分級施加的軸向壓力ΔP、加卸載間隔時間△t及回滯圈圈數(shù)c3個條件，選擇分級施加的軸向壓力為主應(yīng)力差的10%，加卸載間隔時間為1 min，回滯圈圈數(shù)為6 圈［9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 最大破壞主應(yīng)力差

依前所述的試驗方法，分別在圍壓為50、100、150、200 kPa 條件下對不同水分(14.68%，16.40%，17.79%w.b)的玉米堆的最大破壞主應(yīng)力差進(jìn)行測定，結(jié)果如表1。

表1 不同水分、不同圍壓條件下的最大破壞主應(yīng)力差

表1 表明，水分為 14.68% ～17.79%w.b 時，圍壓為50～200 kPa的玉米堆的最大破壞主應(yīng)力差范圍為87.72～339.33 kPa;在同一水分下，玉米堆的最大破壞主應(yīng)力差隨圍壓的增大而增大;在同一圍壓下，玉米堆的最大破壞主應(yīng)力差隨水分的增加而增大。

2.2 回滯圈

依照確定的試驗條件(Δp=10%、Δσmax、△t=1 min、c=6)及方法，在不同圍壓(50、100、150、200 kPa)下，分別對不同水分(14.68%、16.40%、17.79%w.b)的玉米堆進(jìn)行試驗。給出部分回滯圈結(jié)果，見圖3。

圖3所示回滯圈可以看出，第一次加載、卸載(第一圈)、第二次加載、卸載(第二圈)塑性形變(兩圈的水平距離)較顯著，且隨加載、卸載次數(shù)的增加，糧堆的塑性形變越來越小。隨著加載、卸載次數(shù)的增加，糧堆的彈性形變 (回滯圈最低點與最高點之間的水平距離)略有減小，但是變化不顯著。

圖3 加壓、卸壓與軸向變形關(guān)系曲線

2.3 彈性模量

根據(jù)回滯圈最后一圈的結(jié)果則可確定不同水分(14.68%、16.40%、17.79%w.b)，不同圍壓(50、100、150、200 kPa)下玉米堆的彈性模量。試驗結(jié)果見表2。

表2 玉米堆的彈性模量

不同含水量下，圍壓與彈性模量的關(guān)系如圖4所示。不同圍壓條件下，含水量與彈性模量的關(guān)系如圖5所示。

圖4 玉米堆彈性模量與圍壓關(guān)系曲線

圖4表明，水分為14.68%w.b時，圍壓為50～200 kPa的玉米堆的彈性模量范圍為 225.64～891.69 kPa。擬合方程為 y=4.404 2x+3.835;水分為16.40%w.b時，圍壓為50～200 kPa的玉米堆的彈性模量范圍為202.54～769.17 kPa。擬合方程為y=3.751 2x+23.43;水分為 17.79%w.b 時，圍壓為50～200 kPa的玉米堆的彈性模量范圍為165.27～589.09 kPa。擬合方程為 y=2.805 2x+43.875。同時也說明在同一水分下，玉米堆彈性模量隨圍壓增大而增大。

圖5 玉米堆含水量與彈性模量的關(guān)系

圖5 表明，圍壓為50 kPa時，含水量為14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的彈性模量范圍為225.64 ～165.27 kPa，擬合方程為 y= －19.016x+507.42;圍壓為100 kPa時，含水量為 14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的彈性模量范圍為449.06 ～346.3 kPa，擬合方程為 y= －32.618x+933.44;圍壓為 150 kPa時，含水量為14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的彈性模量范圍為651.53 ～477.42 kPa，擬合方程為y=－55.271x+1472.2;圍壓為 200 kPa 時，含水量為14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的彈性模量范圍為891.69 ～589.09 kPa，擬合方程為 y= － 96.283x+2318.4;同時也說明在同一圍壓條件下，玉米堆彈性模量隨含水量的增加而減小。

3 結(jié)論

水分為14.68% ～17.79%w.b時，圍壓為50～200 kPa的玉米堆的最大破壞主應(yīng)力差范圍為87.72～339.33 kPa。

在同一水分下，玉米堆的最大破壞主應(yīng)力差隨圍壓的增大而增大。

在同一圍壓下，玉米堆的最大破壞主應(yīng)力差隨水分的增加而增大。

水分為14.68% ～17.79%w.b 時，圍壓為 50 ～200 kPa的玉米堆的彈性模量范圍為 165.96～891.69 kPa。圍壓對玉米堆彈性模量的影響，可擬合出方程y=Ax+B，其中，A、B為與含水量有關(guān)的參數(shù)，3個含水量下的參數(shù)值見表3。

表3 不同含水量下方程系數(shù)A、B的值

圍壓為50～200 kPa時，含水量為14.68% ～17.79%w.b的玉米堆的彈性模量范圍為 165.96～891.69 kPa。對于含水量對玉米堆彈性模量的影響，可擬合出方程y=Dx+E，其中，D、E為與圍壓有關(guān)的參數(shù)，本試驗給出4個圍壓下的參數(shù)值，見表4。

表4 不同圍壓下方程系數(shù)D和E的值

在同一圍壓下，玉米堆的彈性模量隨著含水量的增加而減小。

在同一含水量下，玉米堆彈性模量隨圍壓增大而增大。

［1］袁月明，欒玉震.玉米籽粒力學(xué)性質(zhì)的試驗研究［J］.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996，18(4):75 －78

［2］Leora S，Nuri N.Evaluation of the modulus of elasticity of wheat grain［J］.Cereal Chemistry，1967，44(6):392 －403

［3］Balastreire L A，F(xiàn)loyd L.Relaxtion modulus for maize endosperm in bending［J］.Transactions of the ASAE，1978(3):767－772

［4］Lin M，Haghighi K，Stroshine R L.Viscoelastic characterization of the soybean seed coat［J］.Transactions of the ASAE，1989，32(3):946 －952

［5］Kamst G F，Bonazzi C，Vasseure J，et al.Effect of deformation rate and moisture content content on the mechanical properties of rice grain ［J］.Transactions of the ASAE，2002，45(1):145－151

［6］張洪霞，馬小愚，雷得天.大米籽粒壓縮特性的實驗研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2004，16(1):42 －45

［7］李詩龍.油菜籽的物理特性淺析［J］.中國油脂，2005，30(2):17－20

［8］南京水利科學(xué)研究院.土工試驗規(guī)程(SL 237—1999)［M］.北京:中國水利水電出版社，1999

［9］安蓉蓉.糧食的內(nèi)摩擦角、彈性模量及體變模量的實驗研究［D］.南京:南京財經(jīng)大學(xué)，2010.

Determination and Experimental Research on Maize Pile's Elastic Modulus

Cheng Xuduo Shi Cuixia Lu Linlin Tang Fuyuan
(College of Food Science and Engineering，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing 210003)

In this paper，the elastic modulus of maize(moisture contents are 14.68%，16.40%and 17.79%w.b)were measured by triaxial apparatus，under the confining pressures of 50，100，150 and 200 kPa.The relationship of the elastic modulus of maize and the moisture content and the confining pressure were researched，respectively.The experimental results showed that the elastic modulus of the maize pile ranged from 165.96 kPa to 891.69 kPa in the moisture content range of 14.68% ～17.79%w.b and the confining pressure range of 50 ～200 kPa.According to the relationship between the moisture content and the elastic modulus，the fitting equation was obtained:y=Ax+B，where，A and B are the parameters of moisture content.According to the relationship between the confining pressure and the elastic modulus，the fitting equation was obtained:y=Dx+E，where，D and E are the parameters of confining pressure.The elastic modulus of maize pile increased with the increase of the confining pressure in a certain moisture content;The elastic modulus decreased with the increase of the moisture content in a certain confining pressure.

maize pile，elastic modulus，confining pressure，moisture content

Q51

A

1003－0174(2011)08－0087－05

國家科技支撐計劃(2009BADA0B04－5)

2010－10－12

程緒鐸，男，1957年出生，教授，糧食儲藏工程