何勛，呂嚴(yán)柳，王萬章，周正，何豪，郭海欽

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

0 引言

油莎豆是一種利用價(jià)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(bǔ)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(jī)械化生產(chǎn)裝備及加工工藝研究，對(duì)其本身進(jìn)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(shí)進(jìn)行挖掘、升運(yùn)、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(duì)塊莖類作物果實(shí)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(duì)油莎豆生產(chǎn)及干燥裝備設(shè)計(jì)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(duì)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(bào)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(duì)不同含水率的油莎豆進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)、摩擦特性試驗(yàn)、休止角試驗(yàn)，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(dòng)摩擦系數(shù)、休止角的變化規(guī)律，為油莎豆全程機(jī)械化生產(chǎn)過程中相關(guān)機(jī)具的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料選用河南省新鄭市郭家鎮(zhèn)敬家莊試驗(yàn)基地示范推廣種植的圓粒品種(引進(jìn)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(gè)含水率水平下選出均勻、無破損且無蟲害的顆粒作為試驗(yàn)樣本。

1.2 主要設(shè)備與儀器

主要試驗(yàn)設(shè)備有ZQ-890B型電動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)(測(cè)試速度0.5～500 mm/min，測(cè)試行程350 mm，測(cè)力精度優(yōu)于±1%)，物料摩擦學(xué)特性參數(shù)綜合測(cè)試裝置，101-00A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，數(shù)顯傾角儀。其中，電動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)由測(cè)試主機(jī)和計(jì)算機(jī)組成，見圖2。

圖2 電動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)方法

2.1 三軸尺寸的測(cè)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(duì)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(shí)際形狀和球體之間的差異，其計(jì)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(cè)試時(shí)，隨機(jī)選取100粒無破損且無蟲害的油莎豆，用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量其長、寬、厚的尺寸，取平均值。其中，幾何平均粒徑的計(jì)算公式見式(2)。

(2)

2.2 摩擦特性的測(cè)定

用實(shí)驗(yàn)室自制的物料摩擦學(xué)特性參數(shù)綜合測(cè)試裝置測(cè)量油莎豆與鋼板之間的滾動(dòng)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(cè)試板中部，勻速絞動(dòng)手柄使測(cè)試板緩慢上升，直至油莎豆發(fā)生移動(dòng)，讀出此時(shí)數(shù)顯傾角儀的數(shù)值，其正切值即為滾動(dòng)摩擦系數(shù)。每一組含水率條件下油莎豆的滾動(dòng)摩擦系數(shù)重復(fù)測(cè)量30次，取平均值。

圖3 物料摩擦學(xué)特性參數(shù)綜合測(cè)試裝置

2.3 壓縮力學(xué)特性的測(cè)定

試驗(yàn)前，設(shè)定電動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)的上下限位，測(cè)試模式為壓縮定位移。試驗(yàn)時(shí)，將油莎豆置于圓形壓盤上，點(diǎn)擊下降按鈕，直至上壓頭接觸油莎豆時(shí)停止，將數(shù)據(jù)清零。點(diǎn)擊start按鈕，機(jī)器以3 mm/min的速度均勻緩慢向下移動(dòng)，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(diǎn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值即為最大破碎力值。

2.4 休止角的測(cè)定

休止角是散粒物料從一定高度連續(xù)下落到平面時(shí)，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(cè)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(gè)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(duì)三軸尺寸的影響

每個(gè)含水率梯度下分別測(cè)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(cè)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(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)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(duì)滾動(dòng)摩擦系數(shù)的影響

滾動(dòng)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(jī)械加工設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。分別對(duì)不同含水率條件下的油莎豆進(jìn)行摩擦特性測(cè)試，測(cè)定結(jié)果見表2。由表2可知，油莎豆與鋼板之間的滾動(dòng)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(shí)，油莎豆?jié)L動(dòng)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(dòng)摩擦系數(shù)

油莎豆的含水率的變化范圍為20%～40%時(shí)，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(dòng)，故油莎豆與鋼板之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)隨著含水率增加而增大。利用Origin 9.1軟件對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖5。

圖5 油莎豆?jié)L動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)最大破碎力的影響

每個(gè)含水率梯度下測(cè)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(yàn)測(cè)得含水率為25%時(shí)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(diǎn)，在加載的起始階段，壓力與變形成線性變化，到達(dá)屈服點(diǎn)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(huì)繼續(xù)以線性的方式增加直至破裂點(diǎn)，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(diǎn)處對(duì)應(yīng)的壓力[17]，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可知，含水率對(duì)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(shí)油莎豆最大破碎力達(dá)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(dāng)含水率增加到一定程度時(shí)，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(jī)械損傷的角度，油莎豆在含水率為30%時(shí)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(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供理論參考。

表3 油莎豆壓縮特性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

利用Origin 9.1軟件對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)休止角的影響

分別測(cè)定5種含水率水平下油莎豆的休止角，測(cè)試結(jié)果見表4。根據(jù)測(cè)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(cè)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(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)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(shì)，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(yàn)研究，測(cè)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(dòng)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(jī)械損傷提供技術(shù)依據(jù)。

1)含水率分別為20%，25%，30%，35%，40%時(shí)，油莎豆的三軸尺寸、球度變化較小(p>0.05)，但含水率對(duì)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(shì)。

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

3)含水率對(duì)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(shí)油莎豆最大破碎力達(dá)到最大，最大值為210.169±34.786 N。當(dāng)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(duì)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(shì)。