不同含水率對油莎豆物理特性及力學(xué)特性的影響*

何勛，呂嚴柳，王萬章，周正，何豪，郭海欽

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，鄭州市，450002)

0 引言

油莎豆是一種利用價值極高的油、糧、飼多用新型作物，富含淀粉、糖、油脂、蛋白質(zhì)、膳食纖維等，是最具潛力的油料替代作物之一，能替代大豆作為油料作物彌補食用油缺口，保障食用油安全，提高食用油自給率[1-3]。開展油莎豆全程機械化生產(chǎn)裝備及加工工藝研究，對其本身進行基礎(chǔ)的物理力學(xué)特性研究是非常必要的[4-7]。在油莎豆生產(chǎn)過程中，收獲時進行挖掘、升運、豆草分離、清洗干燥等過程中存在擠壓摩擦從而使油莎豆的破損率上升。研究表明，含水率對塊莖類作物果實的物理力學(xué)特性具有顯著影響[8-10]。因此，探究油莎豆的物理力學(xué)特性以及力學(xué)參數(shù)與含水率之間的變化規(guī)律，對油莎豆生產(chǎn)及干燥裝備設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

國外涉及油莎豆的相關(guān)物理力學(xué)特性的研究甚少，主要有研究不同品種油莎豆在4種含水率水平下的物理力學(xué)特性[11]及研究含水率對油莎豆物理特性的影響[12]，而國內(nèi)在油莎豆相關(guān)物理特性和力學(xué)特性的研究鮮有報道。為此，為探究國內(nèi)推廣種植品種的油莎豆物理力學(xué)特性，本文在常溫條件下對不同含水率的油莎豆進行了壓縮試驗、摩擦特性試驗、休止角試驗，以明確不同含水率條件下油莎豆三軸尺寸、平均幾何粒徑、球度、最大破碎力、滾動摩擦系數(shù)、休止角的變化規(guī)律，為油莎豆全程機械化生產(chǎn)過程中相關(guān)機具的設(shè)計提供參考。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 試驗材料

本試驗材料選用河南省新鄭市郭家鎮(zhèn)敬家莊試驗基地示范推廣種植的圓粒品種(引進西班牙)，外表呈棕色，類球型，平均長度11.50 mm，平均寬度10.04 mm，平均厚度11.56 mm，其基本特征尺寸見圖1。

圖1 油莎豆特征尺寸

該品種收獲期含水率為44.4%，平均單粒重為0.83 g，通過處理，分別得到20%、25%、30%、35%、40%含水率下的油莎豆樣品，每個含水率水平下選出均勻、無破損且無蟲害的顆粒作為試驗樣本。

1.2 主要設(shè)備與儀器

主要試驗設(shè)備有ZQ-890B型電動拉力試驗機(測試速度0.5～500 mm/min，測試行程350 mm，測力精度優(yōu)于±1%)，物料摩擦學(xué)特性參數(shù)綜合測試裝置，101-00A型電熱鼓風干燥箱，數(shù)顯傾角儀。其中，電動拉力試驗機由測試主機和計算機組成，見圖2。

圖2 電動拉力試驗機

2 試驗方法

2.1 三軸尺寸的測定

三軸尺寸是物料最基本的本征特征，油莎豆含水率的變化在一定程度上影響其形態(tài)尺寸的大小，一般情況下，含水率越小越干癟，基本形態(tài)尺寸越小。對于油莎豆散粒物料，用球度和平均幾何粒徑來表示其形態(tài)尺寸[13]。其中，球度是表示物料實際形狀和球體之間的差異，其計算公式見式(1)。

(1)

粒徑表示物料的幾何尺寸和形態(tài)，油莎豆籽粒較小，其粒徑常用幾何平均粒徑來表示[14]。測試時，隨機選取100粒無破損且無蟲害的油莎豆，用游標卡尺分別測量其長、寬、厚的尺寸，取平均值。其中，幾何平均粒徑的計算公式見式(2)。

(2)

2.2 摩擦特性的測定

用實驗室自制的物料摩擦學(xué)特性參數(shù)綜合測試裝置測量油莎豆與鋼板之間的滾動摩擦系數(shù)[15]，見圖3。用泡沫膠將不同含水率條件下的油莎豆單層固定于同一平面，放置在水平測試板中部，勻速絞動手柄使測試板緩慢上升，直至油莎豆發(fā)生移動，讀出此時數(shù)顯傾角儀的數(shù)值，其正切值即為滾動摩擦系數(shù)。每一組含水率條件下油莎豆的滾動摩擦系數(shù)重復(fù)測量30次，取平均值。

圖3 物料摩擦學(xué)特性參數(shù)綜合測試裝置

2.3 壓縮力學(xué)特性的測定

試驗前，設(shè)定電動拉力試驗機的上下限位，測試模式為壓縮定位移。試驗時，將油莎豆置于圓形壓盤上，點擊下降按鈕，直至上壓頭接觸油莎豆時停止，將數(shù)據(jù)清零。點擊start按鈕，機器以3 mm/min的速度均勻緩慢向下移動，直至油莎豆表面出現(xiàn)裂紋或者聽到破裂聲，繼續(xù)加載至完全破碎前停止。點擊暫停按鈕，記錄“壓力—變形曲線”并保存數(shù)據(jù)。油莎豆的破裂點對應(yīng)的壓力值即為最大破碎力值。

2.4 休止角的測定

休止角是散粒物料從一定高度連續(xù)下落到平面時，所堆積成的圓錐體母線與底平面的夾角，反映物料的內(nèi)摩擦特性和散落性能[16]。采用排出法測量油莎豆的休止角，首先將無底圓筒置于水平鐵板上，再將油莎豆裝滿無底圓筒里，人工緩慢垂直向上提起，使油莎豆形成一個自然錐體，錐體與水平面夾角即為休止角。

3 結(jié)果與分析

3.1 油莎豆含水率對三軸尺寸的影響

每個含水率梯度下分別測量100組油莎豆的三軸尺寸，得到其長、寬、厚平均值及平均幾何粒徑和球度，測試結(jié)果見表1。由表1可知，在含水率為20%～40%的變化范圍內(nèi)，油莎豆的三軸尺寸變化較小，平均幾何粒徑和球度隨著含水率的增加而增加。

從表1可以看出，油莎豆的含水率與三軸尺寸、球度之間無顯著關(guān)系(p>0.05)，因油莎豆為橢球型，顆粒較小，內(nèi)部含油脂較多，籽粒收縮不明顯，則其形態(tài)尺寸差異較小，受含水率影響較小。含水率與平均幾何粒徑之間有顯著關(guān)系(p<0.05)，利用Origin 9.1軟件對其數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見圖4。

圖4 油莎豆平均幾何粒徑隨含水率的變化

表1 油莎豆三軸尺寸測試結(jié)果

通過數(shù)據(jù)擬合分析可得，油莎豆的平均幾何粒徑與含水率之間的函數(shù)關(guān)系，見式(3)。

Dg=0.002 83X2-0.101 15X+10.754 49

(3)

式中：X——油莎豆含水率，%。

由函數(shù)關(guān)系式可知，油莎豆的平均幾何粒徑受含水率的影響顯著(決定系數(shù)R2=0.957 83)，平均幾何粒徑隨含水率的增加而增加。

3.2 油莎豆含水率對滾動摩擦系數(shù)的影響

滾動摩擦系數(shù)表明了物料與接觸表面之間的摩擦特性，是谷物機械加工設(shè)計中的重要參數(shù)。分別對不同含水率條件下的油莎豆進行摩擦特性測試，測定結(jié)果見表2。由表2可知，油莎豆與鋼板之間的滾動摩擦系數(shù)隨著含水率的增加而增加，含水率變化范圍為20%～40%時，油莎豆?jié)L動摩擦系數(shù)變化范圍為0.302～0.378。

表2 油莎豆與鋼板之間的滾動摩擦系數(shù)

油莎豆的含水率的變化范圍為20%～40%時，油莎豆籽粒濕度隨著含水率增加而增大，與鋼板之間的吸附黏結(jié)性增大，越不易滾動，故油莎豆與鋼板之間的滾動摩擦系數(shù)隨著含水率增加而增大。利用Origin 9.1軟件對其數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見圖5。

圖5 油莎豆?jié)L動摩擦系數(shù)隨含水率的變化

通過數(shù)據(jù)擬合分析可得，油莎豆與鋼板之間的滾動摩擦系數(shù)與含水率之間的函數(shù)關(guān)系，見式(4)。

μ=0.003 82X+0.225 6

(4)

由函數(shù)關(guān)系式可知，油莎豆的滾動摩擦系數(shù)受含水率的影響顯著(決定系數(shù)R2=0.999 74)，擬合曲線為遞增的曲線，滾動摩擦系數(shù)隨含水率的增加而線性增加。

3.3 油莎豆含水率對最大破碎力的影響

每個含水率梯度下測量50粒大小均勻、無破損且無蟲害的油莎豆的最大破碎力，經(jīng)試驗測得含水率為25%時油莎豆的典型壓縮變形曲線，見圖6。由圖6可知，油莎豆壓縮變形曲線有明顯的屈服點，在加載的起始階段，壓力與變形成線性變化，到達屈服點后，隨變形量的增加而減小。隨著變形量的繼續(xù)增加，壓力會繼續(xù)以線性的方式增加直至破裂點，再繼續(xù)施加載荷，壓力隨變形量的增加而減小。

圖6 油莎豆壓縮變形曲線圖(含水率25%)

最大破碎力是指谷物在屈服點處對應(yīng)的壓力[17]，試驗測試結(jié)果見表3。由表3可知，含水率對油莎豆籽粒的最大破碎力影響極顯著(p<0.001)。在含水率為20%～30%范圍內(nèi)，油莎豆最大破碎力隨含水率增加而增大，在含水率為30%時油莎豆最大破碎力達到最大值210.169±34.786 N。在含水率高于30%后，油莎豆的最大破碎力隨含水率增加而減小。分析其原因可知，油莎豆籽粒富含油脂，含水率越高，內(nèi)部結(jié)合越緊密，硬度也較高，因而最大破碎力逐漸增大。當含水率增加到一定程度時，油莎豆籽粒內(nèi)部組織開始變軟，硬度降低，抵抗變形能力漸小[18-19]，故最大破碎力降低。從降低機械損傷的角度，油莎豆在含水率為30%時抗擠壓特性最好，為油莎豆收獲、輸送、清洗、干燥等裝備的設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化提供理論參考。

表3 油莎豆壓縮特性試驗測試結(jié)果

利用Origin 9.1軟件對其數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果見圖7。

圖7 油莎豆最大破碎力隨含水率變化

通過數(shù)據(jù)擬合分析可得，油莎豆的最大破碎力與含水率之間的函數(shù)關(guān)系式見式(5)。

F=0.318 6X3-3.390 26X2+114.148 77X-

1 025.258 43

(5)

由函數(shù)關(guān)系式可知，油莎豆的最大破碎力受含水率的影響顯著(決定系數(shù)R2=0.986 94)，擬合曲線近似于下凹的曲線。

3.4 油莎豆含水率對休止角的影響

分別測定5種含水率水平下油莎豆的休止角，測試結(jié)果見表4。根據(jù)測試結(jié)果，得出油莎豆的休止角在不同含水率水平下的變化曲線，見圖8。由圖8可知，油莎豆休止角隨著含水率的增加而增加，在含水率20%～40%范圍內(nèi)，休止角從29.750°變化到30.657°。

表4 油莎豆休止角測試結(jié)果

圖8 油莎豆休止角隨含水率的變化圖

通過Origin 9.1軟件對其數(shù)據(jù)進行擬合，得到油莎豆休止角與含水率之間的函數(shù)關(guān)系式，見式(6)。

φ=0.047 67X+28.713 33

(6)

由函數(shù)關(guān)系式可知，油莎豆休止角與含水率之間有顯著關(guān)系(決定系數(shù)R2=0.941 08)，油莎豆的休止角隨含水率的增加呈線性遞增的趨勢，這是由于隨著含水率的增加，油莎豆顆粒之間的黏附作用增加，不易散落，故休止角增加。

4 結(jié)論

通過試驗研究，測定了油莎豆在20%、25%、30%、35%、40%不同含水率水平下的物理特性與力學(xué)特性，分析了油莎豆三軸尺寸、最大破碎力、滑動摩擦系數(shù)和休止角與含水率之間的關(guān)系，為減少油莎豆在收獲、干燥、清洗等過程中受到擠壓摩擦而產(chǎn)生的機械損傷提供技術(shù)依據(jù)。

1)含水率分別為20%，25%，30%，35%，40%時，油莎豆的三軸尺寸、球度變化較小(p>0.05)，但含水率對油莎豆平均幾何粒徑有顯著影響，隨含水率增加，平均幾何粒徑呈增大趨勢。

2)含水率變化范圍為20%～40%時，油莎豆?jié)L動摩擦系數(shù)變化范圍為0.302～0.378，含水率對油莎豆的滾動摩擦系數(shù)影響極顯著(p<0.001)。隨含水率增加，滾動摩擦系數(shù)呈線性增加趨勢。

3)含水率對油莎豆擠壓破碎特性有顯著影響，最大破碎力隨含水率的增加先增加后降低。在含水率為30%時油莎豆最大破碎力達到最大，最大值為210.169±34.786 N。當含水率大于30%后，最大破碎力隨含水率的增加而減小。

4)含水率對油莎豆的休止角影響極顯著(p<0.001)，在含水率20%～40%范圍內(nèi)，休止角從29.750°變化到30.657°。隨著含水率的增加，休止角呈線性增大趨勢。