大豆脫粒過程籽粒力學(xué)特性試驗研究

滕悅江,金誠謙,,3,印 祥,3,倪有亮,解鴻儒,陳艷普,郭飛揚,劉 鵬

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255049;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京 210014;3.山東省旱作農(nóng)業(yè)機械化與信息化重點實驗室,山東 淄博 255049)

0 引言

大豆含有豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白、不飽和脂肪酸、鈣及B族維生素,是我國居民膳食中優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的重要來源[1],也是轉(zhuǎn)化為肉、蛋、奶的主要原料,可以供給熱能、修補體內(nèi)組織和調(diào)節(jié)生理功能[2-3]。大豆生產(chǎn)全程機械化是大豆產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展的重要保障。資料表明:當(dāng)前我國大豆在機械收獲環(huán)節(jié)的破損率為5%～10%,在輸送環(huán)節(jié)的損傷率更大[4-6]。大豆外部機械損傷形式多樣、復(fù)雜,可歸納為破碎、兩瓣和破損3種形式;大豆內(nèi)部損傷可分為子葉損傷、錯位和胚芽損傷3種形式[7]。大豆外部損傷容易在后續(xù)的分選和輸送過程中消耗掉而造成直接經(jīng)濟損失,會降低品質(zhì),容易造成感染,不利于保鮮,縮短儲存期[8-10]。大豆內(nèi)部損傷不但會加劇后續(xù)分選和輸送環(huán)節(jié)的破損,且若用作種子時會降低發(fā)芽率而造成減產(chǎn)[11]。因此,研究大豆籽粒在不同條件下的力學(xué)特性,對于降低大豆在機械收獲、輸送、儲藏環(huán)節(jié)中的破碎率具有十分重要的作用和意義[12-14]。

關(guān)于大豆力學(xué)特性、損傷等的研究,前人做了大量工作并取得了有益的成果。高連興、劉德軍[15]等研究了含水率對大豆靜壓機械特性的影響,程緒鐸、嚴(yán)曉婕、黃之斌[16]等研究了儲藏條件(溫度、含水率、儲藏時間)對大豆籽粒力學(xué)特性(最大破壞力、最大破壞力能、最大破壞應(yīng)變)的影響;張濤、張鋒偉、吳建民[17]等研究了大豆籽粒在不同受載情況下的力學(xué)特性,并探索其化學(xué)-力學(xué)特性之間的關(guān)系。以上學(xué)者對大豆籽粒力學(xué)特性的研究雖然取得了顯著成果,但僅僅是單獨研究籽粒力學(xué)特性,并未將籽粒力學(xué)特性與收獲機械部件的作用力關(guān)聯(lián)起來。

本文選取含水率作為試驗因素,通過材料試驗機進行大豆力學(xué)特性試驗。試驗中針對不同受力方向、加載速度、刀片角度、鋼針錐度及壓入深度等試驗方式,研究各影響因素、試驗手段對大豆籽粒力學(xué)特性的影響規(guī)律,為改進大豆脫粒和輸送裝置、確定大豆最佳機械收獲時間和其它工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

為確保試驗科學(xué)性和可靠性,試驗采用安徽省淮北市濉溪縣柳豐農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所種植的5個大豆品種作為試驗材料,分別為皖豆33、皖豆37、徐豆14、徐豆20及皖宿01-15,各大豆品種籽粒相關(guān)物理特性參數(shù)如表1所示。為了減少隨機誤差,同一品種大豆要求粒形、質(zhì)量和色澤較為接近、無病蟲害、籽粒飽滿,且經(jīng)過統(tǒng)計得到不同品種籽粒大小所服從的正態(tài)分布,選擇具有代表品種粒徑大小的試樣。

表1 各大豆品種籽粒相關(guān)物理特性參數(shù)

試驗設(shè)備有美國英斯特朗公司生產(chǎn)的Instron 3340系列單立柱臺式材料試驗機,如圖1所示。該試驗機最大試驗力為1000N,力分辨率為0.001N,位移分辨率為0.001mm。籽粒壓破、剪切和針尖壓入夾具如圖2所示。另外,還有日本KETT(凱特)PM-8188-A水分計、DGL-2002A電熱鼓風(fēng)干燥箱、游標(biāo)卡尺及數(shù)碼相機。

圖1 萬能材料試驗機

圖2 各試驗夾具

壓破試驗所采用的夾具上壓盤直徑為50mm,下壓盤直徑為100mm;剪切試驗采用的夾具刀片厚度為2mm,刀刃分為10°、15°、20°、25°、30°等5種;頂破試驗采用的鋼針長60mm,直徑1.2mm,錐度分為為19°、21°、22.6°、24°、26°等5種。

1.2 試驗方案

大豆籽粒力學(xué)試驗主要分為壓破試驗、剪切試驗和頂破試驗3類。壓破試驗以大豆含水率、加載方向、加載速度為影響因素,選取5個含水率水平,即14%、18%、22%、26%、30%;選擇3個典型受力方向,即平壓(加載方向垂直于大豆兩子葉接觸面)、立壓(加載方向垂直于大豆兩子葉接觸面短軸方向)、側(cè)壓(加載方向垂直于大豆兩子葉接觸面長軸方向),如圖3所示;選取5個加載速度水平,即5、10、15、20、25mm/min。剪切試驗以刀片角度、加載速度和含水率為影響因素,刀片角度分為10°、15°、20°、25°、30°,加載速度和含水率參數(shù)設(shè)置同上。針尖壓入試驗以鋼針錐度、壓入深度和含水率為影響因素,鋼針錐度為19°、21°、22.6°、24°、26°,壓入深度分為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mm,含水率參數(shù)設(shè)置同上。

圖3 壓破試驗中大豆受力方向

2 籽粒壓破試驗

2.1 籽粒壓破試驗過程

大豆籽粒壓破試驗10個樣品載荷-位移曲線如圖4所示。

圖4 籽粒壓破過程載荷-位移圖

試驗發(fā)現(xiàn)大豆壓破過程主要分為4個階段:第1階段,載荷緩慢增加;第2階段,載荷發(fā)生短時間內(nèi)平穩(wěn);第3階段,載荷增加速率加大;第4階段,載荷急劇下降,大豆籽粒發(fā)生破裂。

2.2 壓破試驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1 壓破力與受力方向的關(guān)系

為了探究不同受力方向?qū)Υ蠖棺蚜浩屏Φ挠绊?對各大豆品種進行相同的含水率、相同加載速度條件下不同受力方向的壓破試驗。各品種大豆籽粒含水率調(diào)整為22%,試驗加載速度設(shè)為25mm/min,受力方向分為平壓、側(cè)壓、立壓3種,測得壓破力與大豆受力方向的關(guān)系如圖5所示。

圖5 壓破力與受力方向的關(guān)系

由圖5可知:3種受力方向中,平壓時壓破力最大,立壓時壓破力最小。平壓時,徐豆20的壓破力最大,達到57.84N;皖豆33的壓破力最小,為53.01N。立壓時,徐豆14的壓破力最大,為45.43N;皖豆33的壓破力最小,為41.52N。

分析不同放置方式對應(yīng)壓破力差異的原因可知:平壓時,加載方向垂直于大豆兩子葉接觸面,籽粒破裂面也垂直于大豆兩子葉接觸面,表現(xiàn)為子葉斷裂;而立放和側(cè)放時,加載方向平行于大豆兩子葉接觸面,籽粒破裂面多為兩子葉接觸面,表現(xiàn)為兩子葉開裂,這里連接力相對籽粒其余部分較小,因此平壓時壓破力最大。側(cè)壓與立壓相比,側(cè)壓時破裂面多出現(xiàn)在兩子葉接觸面短軸的端點處,而立壓時破裂面多出現(xiàn)在兩子葉接觸面長軸的端點處,因此立壓時的壓破力小于側(cè)壓時的壓破力。3種受力方向條件下大豆籽粒破裂效果如圖6所示,從左至右依次為平壓、立壓、側(cè)壓。

圖6 3種受力方向大豆籽粒破裂效果對比圖

2.2.2 壓破力與加載速度的關(guān)系

為了探究不同加載速度對大豆籽粒壓破力的影響,對各大豆品種進行相同的含水率、相同加載方向條件下不同加載速度的壓破試驗。各品種大豆籽粒含水率調(diào)整為22%,施壓方向選為平壓,加載速度分別為5、10、15、20、25mm/min,測得壓破力與加載速度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 壓破力與加載速度的關(guān)系

由圖7可知:籽粒壓破力隨著加載速度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢。5個品種中,當(dāng)加載速度低于15mm/min時,徐豆14的壓破力最大,皖豆33的壓破力最小;當(dāng)加載速度大于等于15mm/min時,徐豆20的壓破力最大,皖豆33的壓破力最小,加載速度在5～25mm/min的范圍內(nèi),壓破力最大為82.83N,最小為53.01N。

試驗獲得的壓破力與加載速度的關(guān)系,為大豆聯(lián)合收獲機脫粒滾筒轉(zhuǎn)速的設(shè)計提供了參考依據(jù)和技術(shù)支撐。

2.2.3 壓破力與含水率的關(guān)系

為了探究不同含水率對大豆籽粒壓破力的影響,對各大豆品種進行相同受力方向、相同加載速度條件下不同含水率的壓破試驗。受力方向設(shè)為平壓,試驗加載速度設(shè)為25mm/min,含水率分別為14%、18%、22%、26%、30%,測得壓破力與含水率的關(guān)系如圖8所示。

圖8 壓破力與含水率的關(guān)系

由圖8可知:含水率由14%增大到30%的過程中,各品種籽粒壓破力整體上均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。當(dāng)含水率為22%時,各品種大豆籽粒壓破力均最大,此時徐豆20的籽粒壓破力最大,為57.84N;當(dāng)含水率為30%時,各品種大豆籽粒壓破力均最小,此時皖豆33的籽粒壓破力最小,為38.49N。

同時發(fā)現(xiàn),不同含水率大豆在進行壓破試驗時,表現(xiàn)的破損情況不同。當(dāng)含水率低于18%時,籽粒破損多為炸裂:當(dāng)含水率高于26%時,籽粒破損多為塑性變形、開裂:當(dāng)含水率在18%～26%之間時,兩種破損形式均有發(fā)生。分析含水率對大豆壓破力影響的主要原因認為:含水率的不同,導(dǎo)致大豆內(nèi)部組織、機械強度不同。含水率較高時,大豆內(nèi)部組織較軟,機械強度較低,抵抗破裂的能力較弱,受壓容易變形破裂;隨著含水率的降低,大豆籽粒內(nèi)部組織變硬且強度提高,受壓時相比于高含水率較不易變形,不易破裂,因此壓破力升高,降低到某一含水率時達到峰值;當(dāng)含水率繼續(xù)降低時,大豆籽粒內(nèi)部連接力減小,脆性增強,在受壓時容易炸裂。因此,壓破力隨著含水率的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

通過MatLab軟件分別對5種大豆籽粒的壓破力與含水率之間的關(guān)系進行擬合,函數(shù)關(guān)系式為

y1(w)=-0.163w2+6.713w-15.57

(1)

y2(w)=-0.139w2+5.732w-2.212

(2)

y3(w)=-0.125w2+5.302w+3.423

(3)

y4(w)=-0.1668w2+6.891w-15.09

(4)

y5(w)=-0.1513w2+6.09w-3.302

(5)

其中,y1(w)、y2(w)、y3(w)、y4(w)、y5(w)分別代表皖豆33、徐豆14、皖宿01-15、皖豆37、徐豆20的壓破力(N);w代表籽粒含水率(%)。各關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9708、0.9847、0.9739、0.9831、0.9866,關(guān)系函數(shù)擬合良好。大豆籽粒壓破力與含水率之間的關(guān)系,為確定合適的大豆收獲時間提供了技術(shù)支撐。由試驗可知:為減少在脫粒系統(tǒng)打擊作用下大豆破碎率,籽粒含水率控制在18%～26%之間比較合適。

3 籽粒剪切試驗

3.1 籽粒剪切試驗過程

大豆籽粒剪切試驗10個樣品載荷-位移曲線如圖9所示。圖9中,大豆剪切過程主要分為5個階段:第1階段,載荷小幅度緩慢增加;第2階段,載荷短時間內(nèi)保持不變;第3階段,載荷增加速率加大,并發(fā)生小幅度降低;第4階段,載荷繼續(xù)增大,直至達到最大值;第5階段,載荷開始下降。

圖9 籽粒剪切過程載荷-位移圖

3.2 剪切試驗數(shù)據(jù)分析

3.2.1 極限剪切力與刀片角度的關(guān)系

為了探究刀片角度對大豆籽粒極限剪切力的影響,對各大豆品種進行相同的含水率、相同加載速度條件下不同刀片角度的剪切試驗。刀片角度θ的定義如圖10所示。

圖10 刀片角度定義方式

各品種大豆籽粒含水率調(diào)整為22%,試驗加載速度分為25mm/min,刀片角度分別為10°、15°、20°、25°、30°,測得籽粒極限剪切力與刀片角度的關(guān)系如圖11所示。

由圖11可知:各品種大豆籽粒極限剪切力隨著刀片角度的增加而增大。當(dāng)?shù)镀嵌葹?0°時,徐豆20的極限剪切力最大,為15.12N;皖宿01-15的極限剪切力最小,為12.12N。當(dāng)?shù)镀嵌葹?0°時,徐豆20的極限剪切力最大,為26.31N;豌豆33的極限剪切力最小,為23.27N。這是由于刀片角度越小,剪切時大豆籽粒給予刀片豎直方向的阻力越小,因此所需的剪切力也越小。

3.2.2 極限剪切力與加載速度的關(guān)系

為了探究不同加載速度對大豆籽粒極限剪切力的影響,對各大豆品種進行相同的含水率條件下不同加載速度的剪切試驗。各品種大豆籽粒含水率調(diào)整為22%,試驗加載速度分為5、10、15、20、25mm/min等5個水平,測得籽粒極限剪切力與加載速度的關(guān)系如圖12所示。

圖12 極限剪切力與加載速度的關(guān)系

由圖12可知:大豆籽粒極限剪切力隨著刀片加載速度的提高呈現(xiàn)降低的趨勢。在加載速度為5mm/min時,徐豆20的極限剪切力最大,為25.84N;在加載速度為25mm/min時,皖豆33的極限剪切力最小,為16.24N。這是由于刀片加載速度越大,所具備的動能越大,剪切試驗時有更多的動能轉(zhuǎn)化為剪切大豆所需的機械能,因此刀片剪切速度越快,剪切大豆籽粒所需的極限剪切力越小。

3.2.3 極限剪切力與含水率的關(guān)系

為了探究含水率對大豆籽粒極限剪切力的影響,對各大豆品種進行相同加載速度條件下不同含水率的剪切試驗。試驗加載速度設(shè)為25mm/min,含水率分別調(diào)整為10%、14%、18%、22%、26%,測得極限剪切力與含水率的關(guān)系如圖13所示。

圖13 極限剪切力與含水率的關(guān)系

由圖13可知:隨著含水率的升高,各品種大豆籽粒極限剪切力都呈現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)含水率為14%時,徐豆20的極限剪切力最大,為22.71N;皖豆33的極限剪切力最小,為19.34N。當(dāng)含水率為30%時,依然是徐豆20的極限剪切力最大,為18.38N;皖豆33的極限剪切力最小,為14.88N。

分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因認為:隨著含水率的升高,籽粒變軟,硬度降低,抵抗變形的能力變?nèi)?刀片在相同的作業(yè)參數(shù)下進行剪切試驗,大豆籽粒的極限剪切力隨之減小。

通過MatLab軟件分別對5種大豆籽粒的極限剪切力與含水率之間的關(guān)系進行擬合,函數(shù)關(guān)系式為

J1(w)=-0.307w+25.69

(6)

J2(w)=-0.3372w+26.98

(7)

J3(w)=-0.354w+27

(8)

J4(w)=-0.3667w+28.19

(9)

J5(w)=-0.392w+28.95

(10)

其中,J1(w)、J2(w)、J3(w)、J4(w)、J5(w)分別代表皖豆33、徐豆14、皖宿01-15、皖豆37、徐豆20的極限剪切力(N);w代表籽粒含水率(%)。各關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9755、0.9636、0.9775、0.991、0.9783,關(guān)系函數(shù)擬合良好。

4 籽粒頂破試驗

4.1 籽粒頂破試驗過程

籽粒頂破試驗時載荷-位移曲線圖如圖14所示。在針尖下壓過程中,載荷平穩(wěn)增加,最初載荷曲線軌跡相近;隨著壓入深度的增加,不同試樣的載荷略有不同,在達到設(shè)定壓入深度時試驗自動停止,系統(tǒng)自動取曲線上兩點求出曲線斜率。

圖14 頂破試驗載荷-位移曲線圖

4.2 頂破試驗數(shù)據(jù)分析

4.2.1 籽粒硬度與鋼針壓入深度的關(guān)系

由于壓破試驗和剪切試驗都有明顯的試驗終止點,而針尖壓入試驗終止點由人為設(shè)置,因此有必要探究終止點對針尖壓入試驗的影響。當(dāng)含水率為22%、加載速度為2mm/min、針尖錐度為23°時,將針尖壓入深度設(shè)置5個水平,分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mm,測得籽粒硬度與鋼針壓入深度的關(guān)系如圖15所示。

圖15 硬度與鋼針壓入深度的關(guān)系

由圖15可知:鋼針壓入深度在0.2～1.0mm范圍內(nèi)時,鋼針壓入深度對籽粒硬度無明顯影響;徐豆20的硬度最大,約為21N/mm;皖豆37的硬度最小,約為12.5N/mm。

4.2.2 籽粒硬度與鋼針錐度的關(guān)系

為了探究不同錐度鋼針對測量的大豆籽粒硬度的影響,在含水率為22%、試驗加載速度為2mm/min、壓痕深度為0.2mm條件下,將鋼針錐度分為19°、21°、23°、25°、27°等5個水平進行試驗,結(jié)果如圖16所示。

圖16 硬度與鋼針錐度的關(guān)系

由圖16可知:當(dāng)鋼針錐度為19°時,徐豆20的硬度最大,為13.22N/mm;徐豆14的硬度最小,為8.37N/mm;當(dāng)鋼針錐度增加到27°時;徐豆20的硬度最大,為25.87N/mm,皖豆37的硬度最小,為17.83N/mm。在鋼針錐度由19°升高至27°的過程中,籽粒硬度隨著鋼針錐度的增大而增大。這是由于隨著鋼針錐度的增大,頂破同樣深度的籽粒所受到的阻力變大,鋼針?biāo)璧募虞d力隨之增大,單位距離所需的加載力也將增大。

4.2.3 籽粒硬度與含水率的關(guān)系

為了探究含水率對大豆籽粒硬度的影響,在試驗加載速度為2mm/min、鋼針錐度為23°、壓痕深度為0.2mm條件下,將籽粒含水率分為14%、18%、22%、26%、30%等5個水平進行試驗,測得籽粒硬度與含水率的關(guān)系如圖17所示。

圖17 硬度與含水率的關(guān)系

由圖17可知:隨著含水率的增大,籽粒硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。當(dāng)含水率為10%時,徐豆20的硬度最大,為32.23N/mm;皖豆37的硬度最小,為27.43N/mm。當(dāng)含水率為26%時,徐豆20的硬度降到14.33N/mm;此時徐豆14的硬度最小,為8.98N·mm-1。

通過MatLab軟件分別對5種大豆籽粒的極限剪切力與含水率之間的關(guān)系進行擬合,函數(shù)關(guān)系式為

R1(w)=-1.157w+40.93

(11)

R2(w)=-1.258w+42.85

(12)

R3(w)=-1.273w+44.96

(13)

R4(w)=-1.107w+37.97

(14)

R5(w)=-1.097w+44.14

(15)

其中,R1(w)、R2(w)、R3(w)、R4(w)、R5(w)分別代表皖豆33、徐豆14、皖宿01-15、皖豆37、徐豆20的硬度(N/mm);w分別代表皖豆33、徐豆14、皖宿01-15、皖豆37、徐豆20的硬度(N/mm);w代表籽粒含水率(%)。各關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9936、0.9821、0.993、0.9785、0.9763,關(guān)系函數(shù)擬合良好。

5 結(jié)論

1)大豆壓破試驗中,相同含水率、相同加載速度條件下,平壓時壓破力最大,壓破力的范圍為53.01～57.84N;立壓時壓破力最小,壓破力的范圍為41.52～45.43N。這表明,大豆籽粒具有各向異性的材料特性;相同受力方向、相同含水率條件下,隨著加載速度的增加,壓破力呈逐漸減小的趨勢,壓破力的范圍為53.01～82.83N。

2)分析壓破試驗破損結(jié)果可知:不同受力方向、不同含水率條件下,大豆破損情況不同。正壓試驗中,籽粒破損多為大豆子葉斷裂,而側(cè)壓和立壓試驗中,籽粒破損多為兩子葉開裂。當(dāng)含水率低于18%時,籽粒破損多為炸裂;當(dāng)含水率高于26%時,籽粒破損多為塑性變形開裂;當(dāng)含水率在18%至26%之間時,兩種破損形式均有發(fā)生。

3)大豆剪切試驗發(fā)現(xiàn):相同含水率、相同加載速度條件下,極限剪切力隨刀片角度增加而增大,籽粒極限剪切力的范圍為12.12～26.31N;相同刀片角度、相同含水率條件下,籽粒極限剪切力隨加載速度的增加而逐漸降低,極限剪切力的范圍為18.84～25.84N;在相同刀片角度、相同加載速度條件下,籽粒極限剪切力隨含水率的升高而逐漸降低,極限剪切力的范圍為16.28～23.71N。

4)大豆頂破試驗發(fā)現(xiàn):在相同試驗條件下,鋼針錐度對籽粒硬度有很大影響,隨鋼針錐度的增加而增大,硬度范圍為9.31～25.87N/mm;相同條件下,籽粒硬度隨含水率的增加而降低,硬度范圍為8.98～32.23N/mm;在鋼針壓入深度0.2～1.0mm范圍內(nèi),壓入深度對籽粒硬度沒有顯著影響。

5)大豆機械化收獲過程中,在相同作業(yè)參數(shù)條件下,大豆籽粒壓破力、極限剪切力、硬度越大,則機械收獲的破碎率越低。因此,根據(jù)本文力學(xué)試驗數(shù)據(jù),建議在大豆籽粒含水率為18%～26%時進行機械收獲和運輸效果最佳。