向日葵籽粒壓縮試驗(yàn)及分析

李心平，于亞飛，姬江濤

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

我國(guó)是向日葵種植大國(guó),其主要分布在我國(guó)北方，種植面積約140萬hm2，在世界上居第六位?？ㄗ蚜２粌H是重要的油料原料也是重要的食用作物，葵花仁含有大量的蛋白質(zhì)、油脂、維生素及微量元素[1]。

國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化及自動(dòng)化，我國(guó)農(nóng)機(jī)相對(duì)滯后，特別是我國(guó)葵花生產(chǎn)的相關(guān)機(jī)械與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大差距。我國(guó)已研制的向日葵生產(chǎn)加工機(jī)械存在很多問題，如生產(chǎn)效率低下、破碎率高等問題[2-3]。所以，研究葵花籽粒的力學(xué)特性有助于改進(jìn)和發(fā)展葵花加工機(jī)械。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于葵花籽粒的力學(xué)特性的研究很少，國(guó)外的Gupta R K等做過葵花籽粒的壓縮試驗(yàn)，但是試驗(yàn)內(nèi)容較少，沒有分析破裂原因[4-6]。國(guó)內(nèi)的王博等通過不同含水率、加載速度及加載方向?qū)ㄗ蚜＿M(jìn)行壓縮試驗(yàn)，通過單因素試驗(yàn)得到葵花籽在不同方向最大破裂力、變形量和能量消耗總和，通過正交試驗(yàn)得到各因素對(duì)葵花籽破裂影響的顯著性[7-8]。

綜上所述,本文利用查閱法、觀察法獲得葵花籽粒的生物學(xué)特性，并利用兩種葵花品種進(jìn)行多因素試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果獲得葵花籽粒的最大破裂力和破裂規(guī)律，以掌握葵花籽粒的力學(xué)特性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)選取的葵花品種為SH363和S31，SH363為食用型葵花，S31為油葵，均為手工采摘，收獲時(shí)葵花籽的含水率分別為25%、26%。將兩品種含水率分別處理至10.5%、13.5%、15.6%、18.9%、22.5% 5個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)時(shí)，從各含水率中隨機(jī)抽取3個(gè)作為試驗(yàn)樣本。

試驗(yàn)設(shè)備：DNS10電子萬能試驗(yàn)機(jī)，101A型恒溫烘干箱，MP4000電子天平和相機(jī)。

試驗(yàn)在DNS10電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器型號(hào)為CLY-20，最大量程20kN。

1.電腦 2.主機(jī) 3.活動(dòng)橫梁 4.壓力傳感器 5.下壓盤 6.上壓盤 7.上橫梁圖1 電子萬能試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Electronic universal testing machine

試驗(yàn)操控軟件為TestExpert.NET，通過與測(cè)量控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)采集和控制。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，將不同品種、含水率和放置方式的完整葵花籽粒放在下壓盤上，下壓盤中間貼有雙面膠保持葵花籽粒的放置狀態(tài)；點(diǎn)擊開始按鈕后，活動(dòng)橫梁開始向上移動(dòng)，當(dāng)上壓盤接觸到葵花籽粒后，活動(dòng)橫梁自動(dòng)以5mm/min的速度均勻緩慢地向上移動(dòng)，計(jì)算機(jī)開始記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)定的斷裂敏感度為最大值的80%，即壓力降至最大壓力的80%時(shí)，活動(dòng)橫梁自動(dòng)停止，試驗(yàn)結(jié)束。計(jì)算機(jī)輸出載荷、應(yīng)力數(shù)據(jù)及相應(yīng)圖表，然后控制活動(dòng)橫梁向下移動(dòng)，取下葵花籽，觀察并記錄葵花籽粒的破裂情況；重復(fù)上一過程，每次試驗(yàn)均更換雙面膠。試驗(yàn)中葵花籽粒豎直放置示意圖如圖2所示。

1. 上壓盤 2.葵花籽粒 3.雙面膠 4.下壓盤圖2 試驗(yàn)示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of test

1.3 試驗(yàn)因素和指標(biāo)

將葵花品種、含水率及放置方式作為試驗(yàn)因素，把破裂時(shí)的最大載荷作為試驗(yàn)指標(biāo)，采用三因素隨機(jī)分組進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

籽粒放置方式包括立放、側(cè)放及平放3種：立放時(shí)受力面為頂部和底部，側(cè)放時(shí)受力面為縫合線處，平放時(shí)受力面為籽粒兩側(cè)的腹面。

2 結(jié)果與分析

2.1 葵花籽粒受壓最大破裂力的方差分析

用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)葵花籽?？箟禾匦栽囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表2所示。最大破裂力方差分析模型是顯著的，顯著水平小于0.05，決定系數(shù)R2為0.816。a(品種)、b(放置方式)、c(含水率)、a·c均顯著；a·b、b·c、a·b·c不顯著。

表1 葵花籽粒壓縮試驗(yàn)結(jié)果與處理Table 1 Result and dispose of sunflower seed compression test

表2 葵花籽粒最大破裂力方差分析Table 2 Variance analysis for the utmost breaking power of sunflower seed

2.2 含水率對(duì)葵花籽粒最大破裂力的影響

圖3、圖4表示在同一品種不同放置方式下，含水率與最大破裂力的關(guān)系。

從圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律，含水率對(duì)籽粒的力學(xué)性質(zhì)影響是很大的。當(dāng)SH363和S31平放時(shí)，最大破裂力均隨含水率的增加而先增加后降低；含水率在13.5%和15.6%時(shí)，SH363和S31平放時(shí)的最大破裂力達(dá)到最大值。

在含水率一定的情況下，SH363和S31平放時(shí)的最大破裂力遠(yuǎn)大于側(cè)放和立放的；SH363立放時(shí)的最大破裂力略大于側(cè)放時(shí)的最大破裂力；S31立放的最大破裂力與側(cè)放的最大破裂力相差不大。

圖3 不同放置方式下SH363含水率與最大破裂力的關(guān)系圖Fig.3 Relation curve of moisture content and the maximum rupture force for SH363 under different placement

圖4 不同放置方式下S31的含水率與最大破裂力的關(guān)系圖Fig.4 Relation curve of moisture content and the maximum rupture force for S31 under different placement

葵花籽殼由韌性纖維組成，其硬度隨含水率的增加而降低，韌性隨含水率的增加而增強(qiáng)。當(dāng)籽粒含水率低時(shí)，葵花籽殼體具有高脆性，施加載荷后，主要發(fā)生彈性變形，變形量小；當(dāng)籽粒含水率高時(shí)，葵花籽殼體具有高彈性，施加載荷后，主要發(fā)生塑性變形，變形量大。當(dāng)籽粒含水率在15.6%左右時(shí)，殼體先發(fā)生彈性變形后發(fā)生塑性變形，兩種變形同時(shí)存在，殼體最大破裂力達(dá)到最大。葵花籽粒立放與側(cè)放時(shí)，受力點(diǎn)為籽粒的頂點(diǎn)與縫合線，頂點(diǎn)與縫合線處的纖維組織不均勻,抗壓強(qiáng)度低,殼體容易破裂。

2.3 放置方式對(duì)葵花籽粒最大破裂力及破裂方式的影響

從圖5～圖7可知：在3種不同放置方式下，SH363的最大破裂力均大于S31最大破裂力，且SH363和S31平放時(shí)的最大破裂力隨含水率的變化趨勢(shì)基本一致；平放時(shí)，壓力作用于葵花籽兩腹面，由于籽粒腹面的彎曲弧度較小，受壓面積大，最大破裂力大；立放時(shí)，殼體的受力面為籽粒兩頂點(diǎn)。側(cè)放時(shí)，殼體的受力面為縫合線。立放和側(cè)放時(shí)，受力面積小，應(yīng)力集中，容易破裂。

2.4 品種對(duì)葵花籽粒最大破裂力的影響

由圖5～圖7可知：含水率相同時(shí)，對(duì)于不同放置方式，363的最大破裂力大于S31的最大破裂力。不同品種葵花籽粒的大小和形狀存在較大差異，食葵籽粒大，皮殼厚；油葵籽粒小，皮殼薄且相對(duì)食葵較圓，所以食葵破裂力大于油葵。

圖5 立放時(shí)含水率與最大破裂力的關(guān)系Fig.5 Relation curve of moisture content and the maximum rupture force for two varieties under vertical

圖6 側(cè)放時(shí)含水率與最大破裂力的關(guān)系Fig.6 Relation curve of moisture content and the maximum rupture force for two varieties under side

圖7 平放時(shí)含水率與最大破裂力的關(guān)系Fig.7 Relation curve of moisture content and the largest breaking power for two varieties under flat

3 葵花籽粒殼體破裂的觀察分析

通過觀察分析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)放置方式相同，品種、含水率不同時(shí)，葵花籽殼體發(fā)生破裂的基本規(guī)律大致是相同的；當(dāng)品種、含水率和放置方式均不同時(shí)，葵花籽粒殼體的破裂方向均沿縱向破裂。

3.1 葵花籽平放

由圖8可知：葵花籽平放時(shí)，裂紋方向由籽粒的受壓部位向頂部或底部沿殼體的兩腹面延伸破裂，頂部裂紋多于底部。

平放時(shí)，葵花籽粒的受壓面為兩腹面，葵花籽截面受力簡(jiǎn)圖如圖9所示?？ㄗ咽艿揭粚?duì)法向集中力F與殼體內(nèi)力的合力相等，形成平衡狀態(tài)，當(dāng)外力大于殼體的最大內(nèi)力時(shí)，殼體發(fā)生破裂。

圖9 葵花籽平放時(shí)殼體截面受力分析圖Fig.9 Analysis shells section diagram of force on sunflower seed under flat manner

3.2 葵花籽側(cè)放和立放

由圖8可知：葵花籽側(cè)放時(shí)，縫合線為受壓部位，破裂全部是頂部的縫合線開裂；葵花籽立放時(shí)，籽粒兩頂點(diǎn)受力，破裂發(fā)生在殼體的縫合線處或殼體的腹面。

縫合線和籽粒兩頂點(diǎn)為殼體結(jié)合處，纖維排列不緊密，由于葵花籽形狀近似扁平水滴，當(dāng)縫合線和頂點(diǎn)受到一對(duì)法向集中力時(shí)，其內(nèi)力較大，所以最大破裂力較小。

4 結(jié)論

1)含水率對(duì)葵花籽最大破裂力的影響顯著：含水率低時(shí)，殼體的硬度大、韌性低，受壓時(shí)主要發(fā)生彈性變形，變形量小，殼體易破裂。含水率高時(shí)，殼體硬度降低，韌性大，受壓時(shí)主要發(fā)生塑性變形，變形量大，殼體易破裂；當(dāng)含水率在13.5%～15.6%時(shí)，殼體的硬度和韌性適中，受壓時(shí)殼體先發(fā)生彈性變形后發(fā)生塑性變形，此時(shí)，殼體的最大破裂力最大。

2)放置方式對(duì)葵花籽最大破裂力的影響顯著。對(duì)于不同品種、不同含水率，平放時(shí)，其最大破裂力遠(yuǎn)大于立放和側(cè)放、立放和側(cè)放的最大破裂力相差不大。

3)品種對(duì)葵花籽最大破裂力的影響顯著，由于兩品種存在結(jié)構(gòu)、大小、形狀的差異，所以在相同含水率不同放置方式下，SH363的最大破裂力均大于S31的最大破裂力。

4)不同品種、放置方式，葵花籽殼體破裂時(shí)裂紋均沿縱向，橫向不易斷裂。平放時(shí)，裂紋在籽粒兩腹面延伸并破裂。側(cè)放時(shí)，裂紋沿縫合線破裂。立放時(shí)，破裂發(fā)生在殼體的縫合線處或殼體的腹面。