趙 靜， 魏天路， 程前前, 劉飛凡

(蚌埠學(xué)院,機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

芝麻是胡麻的籽種，因含油量高達(dá)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(jì)，我國芝麻種植面積約79萬公頃，年產(chǎn)量約58萬噸，但芝麻生產(chǎn)的機(jī)械化程度低，人工勞作強(qiáng)度大，工作效率低，生產(chǎn)成本高。隨著芝麻的需求量和產(chǎn)量的日益增大，迫切需要對芝麻的播種進(jìn)行機(jī)械技術(shù)革新。但機(jī)械作業(yè)時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)會對芝麻籽粒產(chǎn)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(nèi)外學(xué)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(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，而關(guān)于芝麻籽粒的力學(xué)特性研究尚未見報(bào)道[4-8]。以芝麻籽粒抵抗剪切破碎負(fù)載為研究對象，進(jìn)行了不同品種不同加載方向的剪切實(shí)驗(yàn)，得到了剪切力-位移曲線，分析了試驗(yàn)曲線的形成原因，并利用origin軟件進(jìn)行了試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，旨為芝麻生產(chǎn)相關(guān)機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和有效支撐。

1 試驗(yàn)材料的測試與制備

1.1 試驗(yàn)材料的物性參數(shù)

試驗(yàn)材料選取河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的鄭芝HL05和鄭芝13芝麻籽粒為研究對象，對兩者進(jìn)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(yàn)品種中隨機(jī)取100顆芝麻種子，用日本三豐500-196數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量芝麻三方向尺寸并統(tǒng)計(jì)取均值[9]，測量結(jié)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(yàn)材料的含水率制備

為避免含水率對試驗(yàn)結(jié)果的影響，對鄭芝HL05和鄭芝13芝麻籽粒進(jìn)行預(yù)定含水率制備，含水率均設(shè)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(yù)定含水率，若初始含水率高于預(yù)定含水率，則用烘干法進(jìn)行處理，用水分測試儀對其進(jìn)行烘干，烘干溫度設(shè)置為105℃，水分儀含水率顯示為預(yù)定值時(shí)停止烘干并密封冷藏保存；若初始含水率低于預(yù)定含水率，則用賦水法處理，根據(jù)公式(1)計(jì)算所需添加去離子水的質(zhì)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(zhì)量/g；m為樣本的質(zhì)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

芝麻靜載剪切試驗(yàn)采用的是英國SMS TA.XT express5質(zhì)構(gòu)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(yàn)采用精細(xì)特種刀具A/CKB探頭和不銹鋼方塊測試臺面。

2.2 試驗(yàn)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(shè)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(dòng)。每種樣本分別按照平縱切，平橫切和側(cè)切三個(gè)方向進(jìn)行剪切試驗(yàn)，為了實(shí)現(xiàn)剪切位置的準(zhǔn)確性及側(cè)切試驗(yàn)的可行性，用膠水將芝麻籽粒粘在不銹鋼測試臺面上，每個(gè)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(yàn)加載模型如圖1所示。

(a)平縱切 (b)平橫切 (c)側(cè)切

芝麻籽粒試驗(yàn)以芝麻品種和加載方向?yàn)樵囼?yàn)因素，從試驗(yàn)樣本中隨機(jī)抽取，每次試驗(yàn)為單次試驗(yàn)，每組做平行試驗(yàn)5次，計(jì)算樣本的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，并用Origin軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合及分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同品種各加載方向芝麻籽粒剪切實(shí)驗(yàn)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(yàn)方法分別進(jìn)行芝麻籽粒的平縱切、平橫切及側(cè)切。平縱切切入深度設(shè)置為0.5mm，其負(fù)載-位移曲線如圖2所示；平橫切切入深度設(shè)置為0.5mm，其負(fù)載-位移曲線如圖3所示；側(cè)切切入深度設(shè)置為0.9mm，其負(fù)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(shí)楔形刀片先與芝麻硬質(zhì)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(jìn)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(dòng)。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(yàn)，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(cè)切的剪切力-位移曲線相似，側(cè)切時(shí)楔形刀片先與芝麻側(cè)棱硬質(zhì)外殼接觸，隨著切入深度的增加芯仁部分加入剪切，直至側(cè)棱的硬質(zhì)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(jìn)行剪切，所以剪切力大小呈小范圍波動(dòng)。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(cè)切曲線

3.2 芝麻籽粒剪切破碎負(fù)載方差分析

對黑白芝麻籽粒平縱切、平橫切及側(cè)切的破損負(fù)載進(jìn)行單因素方差分析，分析結(jié)果如表2所示。分析結(jié)果表明：黑芝麻和白芝麻的籽粒平縱切破碎負(fù)載方差齊性檢驗(yàn)的概率為0.40909(P>0.01)，平橫切破碎負(fù)載方差齊性檢驗(yàn)的概率為0.27992(P>0.01)，側(cè)切破碎負(fù)載方差齊性檢驗(yàn)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(fù)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(fù)載方差分析

3.3 芝麻籽粒剪切破碎負(fù)載非參數(shù)檢驗(yàn)

按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行平縱切、平橫切及側(cè)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(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，分析結(jié)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(yàn)結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明黑芝麻平縱切與側(cè)切，白芝麻平縱切與側(cè)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(fù)載非參數(shù)檢驗(yàn)

3.4 芝麻籽粒不同加載方向剪切破碎負(fù)載統(tǒng)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對芝麻籽粒平縱切、平橫切及側(cè)切的剪切破碎負(fù)載進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表4。芝麻籽粒平縱切剪切破碎負(fù)載在2.96～4.33N區(qū)間，破損負(fù)載均值為3.51N，標(biāo)準(zhǔn)差為0.49；芝麻籽粒平橫切剪切破碎負(fù)載在0.89～2.96N區(qū)間，破損負(fù)載均值為1.70N，標(biāo)準(zhǔn)差為0.69；芝麻籽粒側(cè)切剪切破碎負(fù)載在0.50～1.42N區(qū)間，破損負(fù)載均值為0.92N，標(biāo)準(zhǔn)差為0.30。

表4 芝麻籽粒不同方向剪切破碎負(fù)載統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 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(jìn)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(jìn)行了平縱切、平橫切及側(cè)切的剪切試驗(yàn)，分析結(jié)果表明芝麻品種對芝麻籽粒的剪切破碎負(fù)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(cè)切方向最小。平縱切剪切破碎負(fù)載在2.96～4.33N區(qū)間，平橫切剪切破碎負(fù)載在0.89～2.96N區(qū)間，側(cè)切剪切破碎負(fù)載在0.50～1.42N區(qū)間。