芝麻籽粒的剪切力學特性試驗研究①

趙 靜， 魏天路， 程前前, 劉飛凡

(蚌埠學院,機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

芝麻是胡麻的籽種，因含油量高達55%，列為我國主要油料作物之一。中國的氣候、環(huán)境非常適宜芝麻的生長，我國種植芝麻豐富，主要分為黑芝麻和白芝麻兩類[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國芝麻種植面積約79萬公頃，年產量約58萬噸，但芝麻生產的機械化程度低，人工勞作強度大，工作效率低，生產成本高。隨著芝麻的需求量和產量的日益增大，迫切需要對芝麻的播種進行機械技術革新。但機械作業(yè)時，機械結構會對芝麻籽粒產生損傷，直接影響芝麻種子的發(fā)芽率和收獲率[2-3]。目前，國內外學者針對蕎麥、藜麥、谷子等平均直徑小于3mm的小粒徑作物種子力學特性進行了相關研究，而關于芝麻籽粒的力學特性研究尚未見報道[4-8]。以芝麻籽粒抵抗剪切破碎負載為研究對象，進行了不同品種不同加載方向的剪切實驗，得到了剪切力-位移曲線，分析了試驗曲線的形成原因，并利用origin軟件進行了試驗結果的統(tǒng)計分析，旨為芝麻生產相關機械裝備的設計研發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)和有效支撐。

1 試驗材料的測試與制備

1.1 試驗材料的物性參數(shù)

試驗材料選取河南省農業(yè)科學院的鄭芝HL05和鄭芝13芝麻籽粒為研究對象，對兩者進行形狀尺寸的測量。芝麻籽粒呈扁卵圓形，有三方向尺寸：長度(縱向尺寸)、寬度(背腹尺寸)和厚度(橫向尺寸)，從選取的試驗品種中隨機取100顆芝麻種子，用日本三豐500-196數(shù)顯游標卡尺測量芝麻三方向尺寸并統(tǒng)計取均值[9]，測量結果見表1。由表1可看出，以鄭芝HL05為代表的黑芝麻籽粒和以鄭芝13為代表的白芝麻籽粒的外形尺寸差別不大。

表1 芝麻籽粒形狀尺寸

1.2 試驗材料的含水率制備

為避免含水率對試驗結果的影響，對鄭芝HL05和鄭芝13芝麻籽粒進行預定含水率制備，含水率均設定為7%(芝麻種子的含水率一般為7%左右)[10]。每份取1000粒芝麻籽粒平鋪于水分測試儀稱量盤上，用奧豪斯MB25水分測試儀測量初始含水率。比較初始含水率和預定含水率，若初始含水率高于預定含水率，則用烘干法進行處理，用水分測試儀對其進行烘干，烘干溫度設置為105℃，水分儀含水率顯示為預定值時停止烘干并密封冷藏保存；若初始含水率低于預定含水率，則用賦水法處理，根據(jù)公式(1)計算所需添加去離子水的質量，均勻噴灑到選取樣本上，低溫密封保存12h。

(1)

式中：Q為所需添加去離子水的質量/g；m為樣本的質量/g；w1為樣本初始的含水率/%；w2為樣本所需的含水率/%。

2 芝麻籽粒的剪切試驗

2.1 試驗設備

芝麻靜載剪切試驗采用的是英國SMS TA.XT express5質構儀，其測試速度范圍0.01～40mm/s，測力精度0.1g。芝麻籽粒的剪切試驗采用精細特種刀具A/CKB探頭和不銹鋼方塊測試臺面。

2.2 試驗方法

根據(jù)芝麻的物性參數(shù)確定剪切的測試條件，測試速率0.1mm/s，停留間隔0.1s，數(shù)據(jù)采集頻率100p/s，觸發(fā)力0.0490N，設置探頭約為樣品受剪方向尺寸的一半探頭停止加載并向上移動。每種樣本分別按照平縱切，平橫切和側切三個方向進行剪切試驗，為了實現(xiàn)剪切位置的準確性及側切試驗的可行性，用膠水將芝麻籽粒粘在不銹鋼測試臺面上，每個方向的剪切位置均為芝麻籽粒在該方向上尺寸的最大值，剪切試驗加載模型如圖1所示。

(a)平縱切 (b)平橫切 (c)側切

芝麻籽粒試驗以芝麻品種和加載方向為試驗因素，從試驗樣本中隨機抽取，每次試驗為單次試驗，每組做平行試驗5次，計算樣本的均值和標準偏差，并用Origin軟件對試驗數(shù)據(jù)進行擬合及分析。

3 試驗結果與分析

3.1 不同品種各加載方向芝麻籽粒剪切實驗曲線

以鄭芝HL05為代表的黑芝麻及以鄭芝13為代表的白芝麻按照上述試驗方法分別進行芝麻籽粒的平縱切、平橫切及側切。平縱切切入深度設置為0.5mm，其負載-位移曲線如圖2所示；平橫切切入深度設置為0.5mm，其負載-位移曲線如圖3所示；側切切入深度設置為0.9mm，其負載-位移曲線如圖4所示。

(a)黑芝麻平縱切曲線

由圖2可知：黑白芝麻平縱切的剪切力-位移曲線相似，平縱切時楔形刀片先與芝麻硬質外殼接觸，隨著切入深度的增加，刀片與外殼接觸面積逐漸增大，芯仁部分也逐步被剪切，剪切力呈線性增加，直至芝麻平面的外殼切破，剪切力急速降低，之后刀片主要對芝麻芯仁進行剪切，由于伴隨著小部分新的外殼被剪切，曲線沿水平線呈小范圍波動。由圖3可知：黑白芝麻平橫切的剪切力-位移曲線相似，且與平縱切相比是同一平面不同方向的剪切試驗，則與黑白芝麻平縱切的剪切力-位移曲線形成原理一致，但由于芝麻的寬度尺寸小于其長度尺寸，沿平橫切方向比沿平縱切方向刀片與芝麻籽粒的剪切接觸面積小，因此沿平橫切方向上的剪切破損力比沿平縱切方向上的剪切破損力小。由圖4可知：黑白芝麻側切的剪切力-位移曲線相似，側切時楔形刀片先與芝麻側棱硬質外殼接觸，隨著切入深度的增加芯仁部分加入剪切，直至側棱的硬質外殼被切破剪切力急速下降，之后刀片繼續(xù)對平面外殼和芯仁的混合物進行剪切，所以剪切力大小呈小范圍波動。由于芝麻呈扁卵圓形，中間部分略厚，因此曲線呈拋物線型。

(a)黑芝麻平橫切曲線

(a)黑芝麻側切曲線

3.2 芝麻籽粒剪切破碎負載方差分析

對黑白芝麻籽粒平縱切、平橫切及側切的破損負載進行單因素方差分析，分析結果如表2所示。分析結果表明：黑芝麻和白芝麻的籽粒平縱切破碎負載方差齊性檢驗的概率為0.40909(P>0.01)，平橫切破碎負載方差齊性檢驗的概率為0.27992(P>0.01)，側切破碎負載方差齊性檢驗的概率為0.68592(P>0.01)。這說明，芝麻品種對芝麻籽粒的剪切破碎負載影響不顯著。

表2 不同品種各加載方向芝麻籽粒剪切破碎負載方差分析

3.3 芝麻籽粒剪切破碎負載非參數(shù)檢驗

按照上述試驗方法進行平縱切、平橫切及側切加載，對相同品種不同加載方向芝麻籽粒的剪切破損力進行非參數(shù)檢驗，分析結果為：黑芝麻的組間P值為0.00306，白芝麻的組間P值為0.00447，即兩芝麻品種的組間均有顯著差異(P<0.05)，這說明芝麻籽粒受剪具有各向異性。相同品種不同加載方向兩兩組別間的非參數(shù)檢驗結果如表3所示，結果表明黑芝麻平縱切與側切，白芝麻平縱切與側切的破損力顯著不同，相同品種其他兩兩組別間的破損力沒有顯著差異。

表3 相同品種不同加載方向芝麻籽粒剪切破碎負載非參數(shù)檢驗

3.4 芝麻籽粒不同加載方向剪切破碎負載統(tǒng)計

根據(jù)試驗結果，對芝麻籽粒平縱切、平橫切及側切的剪切破碎負載進行統(tǒng)計，見表4。芝麻籽粒平縱切剪切破碎負載在2.96～4.33N區(qū)間，破損負載均值為3.51N，標準差為0.49；芝麻籽粒平橫切剪切破碎負載在0.89～2.96N區(qū)間，破損負載均值為1.70N，標準差為0.69；芝麻籽粒側切剪切破碎負載在0.50～1.42N區(qū)間，破損負載均值為0.92N，標準差為0.30。

表4 芝麻籽粒不同方向剪切破碎負載統(tǒng)計

4 結 論

1)對以鄭芝HL05為代表的黑芝麻和以鄭芝13為代表的白芝麻籽粒進行了形狀參數(shù)測定，黑白芝麻籽粒形狀尺寸參數(shù)差別不大。

2)在相同含水率下，對黑白芝麻分別進行了平縱切、平橫切及側切的剪切試驗，分析結果表明芝麻品種對芝麻籽粒的剪切破碎負載影響不顯著，芝麻籽粒受剪具有各向異性。

3)芝麻籽粒平縱方向剪切破碎率最大，平橫切方向次之，側切方向最小。平縱切剪切破碎負載在2.96～4.33N區(qū)間，平橫切剪切破碎負載在0.89～2.96N區(qū)間，側切剪切破碎負載在0.50～1.42N區(qū)間。