稻谷外殼拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

李 陽 李永祥 曹憲周 王明旭 崔 帆

(河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001)

我國(guó)是稻谷生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，國(guó)內(nèi)有60%以上的人口以大米為主要食物[1]。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2017/18年度我國(guó)的稻谷總產(chǎn)量預(yù)計(jì)為20 856萬t，國(guó)內(nèi)稻谷總消費(fèi)量預(yù)計(jì)為18 560萬t[2]。稻谷在收獲、流通、加工過程中由于外力和自身屬性等原因，會(huì)產(chǎn)生裂紋、破碎，對(duì)后續(xù)加工、儲(chǔ)存等影響較大[3-4]。數(shù)據(jù)顯示，稻谷在收獲、流通、加工過程中的平均損失率達(dá)20%[5]，造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的下降。稻谷外殼對(duì)內(nèi)部的米粒有保護(hù)作用，它的力學(xué)特性與收割、儲(chǔ)藏、加工的米粒破碎相關(guān)，因此稻谷外殼力學(xué)特性的研究對(duì)糧食安全生產(chǎn)及提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)的效益十分重要。

目前，國(guó)內(nèi)外主要對(duì)稻谷和稻谷籽粒(糙米)的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，如李耀明等[6]對(duì)稻谷和糙米的擠壓力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得出稻谷外殼對(duì)降低稻谷在收獲、流通、加工過程中所產(chǎn)生的損傷有影響；Siebenmorgen等[7-8]研究了糙米的壓縮強(qiáng)度、三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度與整精米率的相關(guān)性關(guān)系,得出糙米三點(diǎn)彎曲力與整精米率相關(guān)性較大；任祖方等[9]進(jìn)行稻谷的擠壓和剪切試驗(yàn),得出稻谷品種和含水率對(duì)稻谷力學(xué)性能的影響；丁林峰等[10]進(jìn)行稻谷壓縮試驗(yàn)，得出稻谷的彈性模量和泊松比等常用力學(xué)參數(shù)；周顯青等[11]進(jìn)行糙米的錐刺、三點(diǎn)彎曲、剪切、擠壓試驗(yàn)，得出糙米斷裂主要與厚度及胚乳特性有關(guān)。但對(duì)于稻谷外殼的力學(xué)特性，目前并未引起大多數(shù)學(xué)者的重視。

本研究運(yùn)用TMS-Pro物性分析儀進(jìn)行稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)，得到稻谷外殼的拉伸力學(xué)參數(shù)、力-位移曲線；運(yùn)用電子顯微鏡對(duì)稻谷外殼拉伸斷裂裂紋處進(jìn)行顯微觀察，并結(jié)合力-位移曲線分析拉伸斷裂過程；運(yùn)用MINITAB對(duì)稻谷外殼拉伸破壞前的力和位移參數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析；運(yùn)用MINITAB對(duì)不同產(chǎn)地的秈稻稻谷外殼拉伸力學(xué)參數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選擇TMS-Pro物性分析儀及自制拉伸實(shí)驗(yàn)夾具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，自制拉伸實(shí)驗(yàn)夾具如圖1所示，物性分析儀的力感應(yīng)單元量程為500 N，力檢測(cè)精度優(yōu)于0.015%，位移指示精度0.000 1 mm，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制，配套專用分析軟件，利用該分析軟件可記錄完善的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。稻谷外殼斷裂處的顯微觀察采用ZYJ-1000E型電子顯微鏡(上海兆儀光電儀器廠)。對(duì)稻谷外殼的外形尺寸測(cè)量采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所選用稻谷樣本分別為產(chǎn)自江西、廣西、安徽的秈稻，稻谷樣本的含水率控制在14.8%。首先去掉癟谷和病谷，選取顆粒飽滿的籽粒，剝?nèi)サ竟韧鈿?，用醫(yī)用手術(shù)刀將稻谷外殼沿長(zhǎng)軸方向加工為寬 2 mm，長(zhǎng)6 mm的長(zhǎng)方形試樣，試樣完好無破損和撕裂。

注：1.夾具上夾頭,2.調(diào)節(jié)螺栓,3.彈簧,4.夾具下夾頭。圖1 拉伸實(shí)驗(yàn)夾具

注：1.機(jī)架，2.加載裝置附帶力感應(yīng)單元，3.拉伸夾具上夾頭，4.稻谷外殼試樣，5.拉伸夾具下夾頭6.底座，7.計(jì)算機(jī)，8.打印機(jī)。圖2 拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在TMS-Pro物性分析儀上設(shè)置加載速率為5 mm/min，夾具間距為0.5 mm，拉伸距離為1 mm，初始拉力為0.75 N。對(duì)每個(gè)產(chǎn)地稻谷外殼試樣進(jìn)行20組拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中保證試樣在夾具間斷裂，對(duì)同一產(chǎn)地的稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值,結(jié)果保留3位有效數(shù)字[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻谷外殼拉伸力-位移曲線分析

稻谷外殼拉伸力-位移曲線如圖3所示。

圖3 安徽稻谷外殼拉伸力-位移曲線

從圖3可知，進(jìn)行稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，力與位移的曲線為非線性，曲線可以分為OA、AB、BC三段段,OA段為稻谷外殼從受到拉力至斷裂的過程，隨著拉伸力的逐漸增大曲線呈逐漸上升趨勢(shì),曲線峰值處A點(diǎn)即為稻谷外殼斷裂點(diǎn)，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)縱軸的值即為稻谷外殼拉伸破壞力；從AB段可以看出此段曲線總體呈下降趨勢(shì),但該區(qū)間仍存在幾個(gè)波峰,這是由于在進(jìn)行稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)過程中當(dāng)曲線到達(dá)A點(diǎn)處稻谷外殼總體斷裂,但是還存在一些韌性較大的稻谷外殼纖維沒有立即斷裂,隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行這些纖維逐漸斷裂,這些斷裂即表現(xiàn)為AB線段上的波峰。不同產(chǎn)地的稻谷外殼在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)過程中AB段的波峰數(shù)量會(huì)有所差異。從B點(diǎn)之后拉伸載荷下降為零即C點(diǎn)。

2.2 稻谷外殼拉伸破壞前，力-位移參數(shù)回歸分析

運(yùn)用MINITAB對(duì)曲線OA進(jìn)行曲線擬合，將稻谷外殼拉伸力和位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入MINITAB數(shù)據(jù)輸入框，設(shè)置響應(yīng)為力，預(yù)測(cè)變量為位移，回歸模型類型為立方型。得到的拉伸力F拉與位移S間的三次回歸方程見式(1),方差分析表見表1，擬合曲線結(jié)果圖見圖4。

稻谷外殼拉伸破壞前，力-位移回歸方程為

F拉=0.863 7+77.56S+887.2S2-11 410S3

(1)

表1 多項(xiàng)式回歸分析方差分析表

注：SS為離均差平方和；MS為均方差；F為F統(tǒng)計(jì)量；P為顯著性概率。

注：S為擬合優(yōu)度；R-Sq為相關(guān)指數(shù)；R-Sq(調(diào)整)為Minitab調(diào)整的相關(guān)系數(shù)。圖4 Minitab擬合曲線結(jié)果圖

從表1可以看出P=0.000<0.05，表明回歸方程是顯著的。

從圖4可以看出R-Sq=R-Sq(調(diào)整)=98.4%，表明建立的回歸模型非?？煽俊?/p>

由分析可知，擬合的三次回歸方程可以較為真實(shí)反映實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

2.3 稻谷外殼拉伸斷裂處顯微圖像分析

利用電子顯微鏡對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)過程中的稻谷外殼進(jìn)行顯微分析，進(jìn)一步對(duì)圖3中AB段的分析進(jìn)行驗(yàn)證，拉伸實(shí)驗(yàn)前稻谷外殼顯微圖像如圖5所示，可以看出稻谷外殼的纖維呈網(wǎng)狀分布，纖維分布密集的區(qū)域?yàn)檠氐竟乳L(zhǎng)軸方向，但是這些稻谷外殼纖維也呈現(xiàn)明顯的差異性，具體表現(xiàn)為纖維粗細(xì)、分布不均勻。進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)過程中稻谷外殼顯微圖像如圖6所示，在進(jìn)行稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，稻谷外殼總體斷裂，但仍然有一部分稻谷外殼纖維沒有斷裂。進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)后稻谷外殼顯微圖像如圖7所示，可以看出稻谷外殼完全斷裂，從斷裂處可以看出稻谷外殼斷裂邊緣呈明顯的不規(guī)則性，斷口處還存在已經(jīng)斷裂的稻谷外殼纖維。圖6、圖7中稻谷外殼的狀態(tài)可以由圖3曲線AB段反映出來。

圖6 拉伸實(shí)驗(yàn)中稻谷外殼顯微圖像

圖7 拉伸實(shí)驗(yàn)后稻谷外殼顯微圖像

2.4 稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.4.1 稻谷外殼拉伸力學(xué)參數(shù)計(jì)算

稻谷外殼的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、彈性模量、拉伸破壞能等重要的力學(xué)屬性可通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式：

(2)

式中：σb為拉伸強(qiáng)度/MPa;P為最大載荷即拉伸破壞力/N;A0為稻谷外殼橫截面面積/mm2;b為試樣寬度/mm;d為試樣厚度/mm。

斷裂伸長(zhǎng)率計(jì)算公式：

(3)

式中：δ為斷裂伸長(zhǎng)率/%;Δlb為伸長(zhǎng)量即拉伸變形量/mm;l0為測(cè)量標(biāo)距即夾具間試樣的長(zhǎng)度/mm。

彈性模量計(jì)算公式：

(4)

式中：E為彈性模量/MPa;ΔP為載荷增量/N;Δl為與載荷增量對(duì)應(yīng)的變形增量/mm。

拉伸破壞能計(jì)算公式：

(5)

式中：G為拉伸破壞能/N·mm;F為拉伸力/N;δ為變形量/mm。

2.4.2 稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對(duì)產(chǎn)地為江西、廣西、安徽秈稻的稻谷外殼進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)可以得到稻谷外殼的力學(xué)屬性如表2。

表2 稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.3 稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異顯著性分析

運(yùn)用MINITAB對(duì)稻谷外殼的拉伸破壞力和彈性模量進(jìn)行差異顯著性分析。原假設(shè)所有樣本的均值都相等，備選假設(shè)至少有一個(gè)均值不同，顯著性水平α=0.05，對(duì)三個(gè)產(chǎn)地的稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因子方差分析。方差分析結(jié)果如表3、表4所示。

表3 不同產(chǎn)地稻谷外殼拉伸破壞力方差分析表

注：AdjSS為調(diào)整后的偏差平方和；AdjMS為調(diào)整后平均后的偏差平方和,余同。

表4 不同產(chǎn)地稻谷外殼彈性模量方差分析表

從方差分析表3可知P=0.003<0.01，故三個(gè)不同產(chǎn)地的稻谷外殼拉伸破壞力具有極其顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

從方差分析表4可知P=0.004<0.01，故三個(gè)產(chǎn)地的稻谷外殼彈性模量具有極其顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

由分析可知，不同產(chǎn)地的秈稻稻谷外殼的拉伸破壞力和彈性模量存在顯著性差異。

3 結(jié)論

根據(jù)稻谷外殼拉伸斷裂裂紋處的顯微圖像,并結(jié)合力-位移曲線進(jìn)行分析，得出在力-位移曲線達(dá)到最大波峰后仍存在幾處較小波峰的原因：在進(jìn)行稻谷外殼拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，稻谷外殼總體結(jié)構(gòu)斷裂后，仍然有一部分稻谷外殼纖維沒有斷裂。

經(jīng)過差異顯著性分析得出不同產(chǎn)地的秈稻稻谷外殼在拉伸破壞力和彈性模量上存在顯著的不同。拉伸破壞力的差異性同樣也反映了壟谷機(jī)脫殼效率及脫殼率的設(shè)備特性；彈性模量的差異性反映了稻谷外殼抵抗變形的能力，在設(shè)定的相同實(shí)驗(yàn)(或加工)參數(shù)時(shí)稻谷產(chǎn)生裂紋維數(shù)及裂紋擴(kuò)展方向會(huì)有所不同，從而影響到稻谷的破碎程度。

力-位移曲線和回歸方程，能較好的反映出稻谷外殼受拉斷裂的過程，可對(duì)稻谷壟谷、碾白工藝及加工裝備的參數(shù)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)支撐。