豌豆子粒的力學(xué)性能試驗(yàn)分析

代治國 雷昌浩 劉開生 陳崇 張鋒偉

摘要：利用材料力學(xué)萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了豌豆（Pisum sativum L.）壓縮、剪切力學(xué)性能試驗(yàn)，并采用針尖壓入法對豌豆子粒進(jìn)行硬度試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，破碎負(fù)載、彈性模量、剪切力、剪切強(qiáng)度隨著含水率的增加均有明顯下降;在相同含水率下，破碎負(fù)載、彈性模量、剪切力、剪切強(qiáng)度在平放時(shí)最大，側(cè)放時(shí)次之，立放時(shí)最小;硬度與含水率呈顯著性負(fù)相關(guān)，而與壓痕深度相關(guān)性不明顯。

關(guān)鍵詞：豌豆（Pisum sativum L.）子粒;力學(xué)性能;硬度

中圖分類號：S529 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）02-0461-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.053

Analyzing Mechanical Properties of Pea

DAI Zhi-guo1，LEI Chang-hao1，LIU Kai-sheng1，CHEN Chong1，ZHANG Feng-wei2

（1.Chongqing Economy and Trade Secondary Specialized School， Chongqing 402160， China;2.School of Engineering，

Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： Pea compression， shear mechanical tests were conducted by using ?the mechanical universal testing machine. The hardness of the pea was studied with needlepoint pressing-in method. The results showed that with the increase of moisture contents， crushing load， elastic modulus， shearing force and shearing strength decreased obviously. At the same contents of moisture， crushing load， elastic modulus， shearing force and shearing strength was the largest when it was placed in the position of lying in flat， smallest when placed in standing， and medium when placed with lying on side. Hardness and moisture content was significantly negatively correlated. There was no obvious correlation with the indentation depth.

Key words： pea grain;mechanical properties;hardness

豌豆（Pisum sativum L.）又名畢豆、國豆、荷蘭豆、回回豆等，其性味甘平，具有和中下氣、利小便、解瘡毒等功效[1]，豌豆可制成糕點(diǎn)、豆餡、粉絲、粉皮、涼粉、淀粉等。豌豆子粒在收獲、運(yùn)輸、干燥、貯藏過程中，易受到相關(guān)機(jī)具工作部件的碰撞、摩擦與擠壓，造成豌豆子粒的損傷、破碎，從而影響豌豆的品質(zhì)、利用率、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和種子發(fā)芽率。而在豌豆子粒粉碎加工過程中，一般需要用機(jī)械的方法將豌豆子粒破碎、脫皮和脫胚，因此，對豌豆的力學(xué)特性進(jìn)行研究具有重要的意義。國內(nèi)外學(xué)者對小麥（Triticum aestivum Linn.）、蓮子（Semen nelumbinis）、玉米（Zea mays）、花生（Arachis hypogaea Linn.）、杏核（Armeniaca）、大豆（Glycine max）等農(nóng)作物的力學(xué)特性進(jìn)行了大量的研究[2-12]，但未見對豌豆子粒進(jìn)行擠壓、剪切、硬度的力學(xué)特性研究的報(bào)道。本研究選擇豌豆作為試驗(yàn)材料，通過豌豆在不同含水率下對其進(jìn)行擠壓、剪切、硬度試驗(yàn)，分析了其力學(xué)特性，為豌豆收獲、儲運(yùn)及加工相關(guān)環(huán)節(jié)農(nóng)產(chǎn)品作業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)、加工工藝提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

本試驗(yàn)選取豌豆品種為隴南1號，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。豌豆子粒飽滿、無損傷、無蟲害。淺綠色，圓形，顆粒直徑大概6 mm，子粒千粒重234 g，選取含水率分別為10.3%、14.3%、16.3%、18.3%的豌豆子粒為研究對象。

試驗(yàn)儀器為深圳SANS公司制造的CMT2502型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)過程中可實(shí)時(shí)動態(tài)顯示擠壓力、位移、變形、加載速度及試驗(yàn)曲線，具有曲線高級分析功能，能自動計(jì)算彈性模量、屈服強(qiáng)度、破碎負(fù)載、最大變形等參數(shù)，最大試驗(yàn)力為500 N，力分辨率為0.01 N，位移分辨率為0.001 mm。

1.2 ?方法

1.2.1 ?豌豆子粒的壓縮性能試驗(yàn) ?分別對不同含水率下的豌豆子粒采用平放、側(cè)放、立放3種不同放置方式（圖1）。試驗(yàn)所采用的加載壓頭為平板壓頭，加載速率為3 mm/min，同一試驗(yàn)重復(fù)20次。

1.2.2 ?豌豆子粒的剪切性能試驗(yàn) ?分別對不同含水率下的豌豆子粒采用平放、側(cè)放、立放3種不同放置方式進(jìn)行剪切試驗(yàn)（圖2）。試驗(yàn)所采用的刀具為上海吉列公司制造的飛鷹牌單面保安刀片，加載速率為3 mm/min，同一試驗(yàn)重復(fù)20次，分別測得剪切時(shí)豌豆的極限剪切力和剪切強(qiáng)度，并取其平均值。

1.2.3 ?豌豆子粒的硬度特性試驗(yàn) ?將豌豆子粒用粗糙度為240的砂紙磨平，露出相應(yīng)的待測部位，形成待測面。將豌豆子粒的另一側(cè)也磨平，形成底座面。打磨時(shí)，豌豆子粒的待測面和底面都不要與豌豆兩瓣子葉之間的結(jié)合面垂直，以避免針尖扎到結(jié)合縫上，造成誤差。選用直徑為1.40 mm，長度為80 mm，針尖錐度為18.6°的大號鋼針，垂直夾持到試驗(yàn)機(jī)活動橫梁端，并將鋼針上端頂死，以確保鋼針受壓時(shí)，不產(chǎn)生縱向位移。將制作好的試樣穩(wěn)穩(wěn)地放在試驗(yàn)機(jī)壓縮平臺上，將針尖對準(zhǔn)待測面，進(jìn)行壓入試驗(yàn)。鋼針插入深度定為0.5 mm，加載速度定為3 mm/min，試樣標(biāo)距L0為100 mm，試樣直徑D0為10 mm。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?豌豆子粒的壓縮性能試驗(yàn)結(jié)果

1）豌豆子粒壓縮性能試驗(yàn)結(jié)果見表1，不同含水率和放置方式下的豌豆破碎負(fù)載及其變化規(guī)律如圖3所示。在選取試驗(yàn)因素水平范圍內(nèi)，同一受力方向下的破碎負(fù)載隨含水率提高而減小，含水率為18.3%時(shí)破碎負(fù)載最小，含水率為10.3%時(shí)破碎負(fù)載最大。在同一含水率下，平放時(shí)破碎負(fù)載最大，側(cè)放時(shí)次之，立放時(shí)最小。

通過Matlab軟件分別擬合出平放、側(cè)放和立放時(shí)豌豆含水率和破碎負(fù)載之間的函數(shù)關(guān)系式表示為：

FP=467.992 2-5.335 7X-0.526 1X2 ? R2=0.992 1 （1）

FC=401.852 4-13.991 2X-0.059 7X2 ?R2=0.981 4 ? ? ?（2）

FL=226.941 6-0.007 4X-0.432 4X2 ? R2=0.979 6 ? ? ? （3）

由式（1）至式（3）可知，豌豆含水率和破碎負(fù)載之間關(guān)系近似為二次函數(shù)，在3種不同放置方式下，含水率與破碎負(fù)載的關(guān)系曲線近似為開口向下的拋物線。其中，平壓時(shí)決定系數(shù)R2=0.992 1;側(cè)壓時(shí)決定系數(shù)R2=0.981 4;立壓時(shí)決定系數(shù)R2=0.979 6，關(guān)系函數(shù)擬合良好。

2）豌豆彈性模量是衡量產(chǎn)生彈性形變的難易程度，彈性模量越大表明其在一定壓力作用下發(fā)生的彈性變形越小。本試驗(yàn)應(yīng)用的CMT2502型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)具有自動測量并記錄彈性模量的功能，可以測得豌豆在任意壓力和形變量下的彈性模量，計(jì)算彈性模量計(jì)算平均值（表1）。豌豆子粒在不同含水率和不同放置方式下的彈性模量變化規(guī)律如圖4所示。3種不同放置方式下的豌豆彈性模量均隨含水率的增大而逐漸降低。在相同含水率下，平放時(shí)彈性模量最大，側(cè)放次之，立放最小。由Matlab軟件分別擬合出平放、側(cè)放和立放時(shí)豌豆含水率和彈性模量之間的關(guān)系式表示為：

EP=749.592-33.693X ? ?r2=0.985 5 ? ? ? （4）

EC=715.732-34.759X ? ?r2=0.983 4 ? ? ? （5）

EL=655.072-32.343X ? ?r2=0.972 2 ? ? ? （6）

由式（4）至式（6）可知，豌豆含水率和彈性模量之間關(guān)系近似為遞減的一次函數(shù)，3種不同放置方式下，含水率與彈性模量的關(guān)系曲線近似為直線。其中，平放時(shí)決定系數(shù)r2=0.985 5;側(cè)放時(shí)決定系數(shù)r2=0.983 4;立放時(shí)決定系數(shù)r2=0.972 2，關(guān)系函數(shù)擬合良好。

2.2 ?豌豆子粒的剪切性能試驗(yàn)結(jié)果

1）豌豆子粒剪切試驗(yàn)結(jié)果見表2，不同含水率和放置方式下的豌豆剪切力及其變化規(guī)律如圖5所示。在相同的放置方式下，豌豆的剪切力隨含水率增加而降低，含水率為18.3%時(shí)剪切力最小，含水率為10.3%時(shí)剪切力最大。

在同一含水率下，平放時(shí)豌豆的剪切力最大，側(cè)放次之，立放最小。通過Matlab軟件分別擬合出平放、側(cè)放和立放時(shí)豌豆含水率和剪切力之間的函數(shù)關(guān)系式表示為：

FP=82.736 2-1.484 4X-0.082 4X2 ? ?R2=0.997 6 ? ? ? ? ?（7）

FC=70.412 3-2.265 1X-0.033 5X2 ? ?R2=0.965 1 ? ? ? ? ?（8）

FL=66.949 2-2.035 2X-0.042 3X2 ? ?R2=0.934 9 ? ? ? ? ?（9）

由式（7）至式（9）可知，豌豆含水率和破碎負(fù)載之間關(guān)系近似為二次函數(shù)，3種不同放置方式下，含水率與剪切力的關(guān)系曲線近似為開口向下的拋物線。其中，平壓時(shí)決定系數(shù)R2=0.997 6;側(cè)壓時(shí)決定系數(shù)R2=0.965 1;立壓時(shí)決定系數(shù)R2=0.934 9，關(guān)系函數(shù)擬合良好。

2）本試驗(yàn)使用的CMT2502型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)具有自動測量并記錄剪切強(qiáng)度的功能，可以測得豌豆在剪切時(shí)的剪切強(qiáng)度，計(jì)算剪切強(qiáng)度平均值（表2）。豌豆子粒在不同含水率和不同放置方式下的剪切強(qiáng)度變化規(guī)律如圖6所示。3種不同放置方式下的豌豆剪切強(qiáng)度均隨含水率的增大而逐漸降低。在相同含水率下，平放時(shí)剪切強(qiáng)度最大，側(cè)放次之，立放最小。由Matlab軟件分別擬合出平放、側(cè)放和立放時(shí)豌豆含水率和剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系式表示為：

？滓P=0.870 2-0.009 6X-0.001 2X2 ?R2=0.964 5

（10）

？滓C=0.588 2-2.035 2X-0.000 9X2 ?R2=0.993 1

（11）

？滓L=0.823 7-0.023 9X-0.000 6X2 ?R2=0.978 2

（12）

由式（10）至（12）可知，豌豆的含水率和剪切強(qiáng)度之間關(guān)系近似為二次函數(shù)，在3種不同放置方式下，含水率與剪切強(qiáng)度的關(guān)系曲線近似為開口向下的拋物線。其中，平壓時(shí)決定系數(shù)R2=0.964 5;側(cè)壓時(shí)決定系數(shù)R2=0.993 1;立壓時(shí)決定系數(shù)R2=0.978 2，關(guān)系函數(shù)擬合良好。

2.3 ?豌豆子粒的硬度特性試驗(yàn)結(jié)果

1）豌豆子粒不同含水率的硬度。對4組不同含水率的豌豆子粒，每組選取20粒，對其進(jìn)行針尖壓痕試驗(yàn)，壓痕深度為0.5 mm，得到含水率為10.3%、14.3%、16.3%、18.3%的豌豆子粒的硬度分別為55.8、36.8、27.7、15.8 MPa。圖7是4種不同含水率豌豆的載荷—壓痕曲線。

2）豌豆子粒不同壓痕深度的硬度。使用錐度為18.6°的鋼針，分別以0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mm的壓入深度，對4種不同含水率的豌豆子粒進(jìn)行硬度測定，每個深度重復(fù)20次，取其豌豆硬度平均值（表3）。應(yīng)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件針對表3中的豌豆子粒硬度試驗(yàn)結(jié)果，選取含水率、壓痕深度作為方差來源進(jìn)行相關(guān)方差分析，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，含水率對其硬度的作用均為顯著，壓痕深度對豌豆子粒硬度特性的作用不顯著。

采用SPSS軟件圖形分析相關(guān)性得出，豌豆子粒的硬度與含水率在顯著水平0.014下，呈顯著性負(fù)相關(guān)，決定系數(shù)為0.985 3。豌豆子粒的含水率越大，豌豆子粒的硬度越小（圖8）。

綜上所述，豌豆子粒硬度與壓痕深度之間相關(guān)系數(shù)為0.209 3，說明豌豆子粒的硬度與壓痕深度呈正相關(guān)，但相關(guān)不顯著。

3 ?小結(jié)與討論

1）通過對含水率為10.3%～18.3%豌豆進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)，探明了不同含水率下豌豆子粒擠壓力學(xué)特性、剪切力學(xué)特性以及硬度的變化規(guī)律，建立了豌豆子粒的破碎負(fù)載、彈性模量、剪切力、剪切強(qiáng)度、硬度與含水率之間的函數(shù)關(guān)系。

2）在平放、側(cè)放及立放3種不同放置方式下擠壓時(shí)，隨著含水率的增加，豌豆子粒的破碎負(fù)載和彈性模量均有明顯的下降，而最大屈服變形量卻升高。在同一含水率下，平放擠壓時(shí)破碎負(fù)載和彈性模量最大，側(cè)放擠壓時(shí)次之，立放擠壓時(shí)最小。

3）在平放、側(cè)放及立放3種不同放置方式下剪切時(shí)，隨著含水率的增加，豌豆子粒的剪切力和剪切強(qiáng)度均有明顯的下降，而最大屈服變形量卻升高。在同一含水率下，平放擠壓時(shí)剪切力和剪切強(qiáng)度最大，側(cè)放擠壓時(shí)次之，立放擠壓時(shí)最小。

4）利用壓痕加載曲線的斜率，通過虛擬彈性模量的方法，可以測定豌豆子粒的硬度。通過試驗(yàn)結(jié)果與方差分析可以得到，豌豆子粒的硬度與含水率呈顯著負(fù)相關(guān)，豌豆子粒的含水率越低，豌豆子粒硬度越大;豌豆子粒的硬度與壓痕深度呈正相關(guān)，但相關(guān)不顯著。

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