摘要：稻谷的損傷與破碎除與其受到的內(nèi)外力的作用有關(guān)外，還與其本身的力學(xué)性能有關(guān)。通過對稻谷進(jìn)行擠壓試驗和剪切試驗，測得了其力-位移曲線，分析了稻谷的破碎過程。試驗研究了稻谷品種和含水率對稻谷力學(xué)性能的影響，較全面地獲得了稻谷的力學(xué)性能指標(biāo)，可為稻谷的加工處理提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：稻谷；力學(xué)特性；破壞力

中圖分類號：S511；S313 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）21-4880-04

Research on the Mechanical Properties of Rice Kernel

REN Zu-fang，XU Qiao-ming，WU Jie，REN Yi-lin

（College of Engineering， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

Abstract： Besides internal and external stress， the injury to rice grains is concerned with mechanical properties. The force-deformation curve of rice kernel was measured by the shear test and compression test. Some phenomena that occurred in the tests were described. The influence of different varieties and moisture content on mechanical properties of rice kernel was determined respectively. The mechanical properties indexes of rice kernel were obtained by the tests fairly comprehensively. The theoretical basis was improved for processing of rice kernel.

Key words： rice kernel； mechanical property； failure force

中國水稻栽培面積占全國糧食種植總面積的24%左右，占世界稻作總面積的20%；稻谷產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的45%以上，占世界糧食總產(chǎn)量的36%，其地位舉足輕重[1]。有關(guān)研究表明，稻谷的含水率對稻谷的力學(xué)特性影響很大，分析結(jié)果顯示含水率對各力學(xué)指標(biāo)的影響均顯著[2-5]；由于結(jié)構(gòu)成分和子粒形狀尺寸的影響，不同品種的谷粒各力學(xué)指標(biāo)也存在顯著的差異[6-11]；在不同的成熟期，稻谷的飽滿程度、含水率和種子的發(fā)芽率都不同，從而導(dǎo)致其各力學(xué)指標(biāo)也有較大差異[10，11]。

隨著稻谷新品種的出現(xiàn)，需要對新品種進(jìn)行更全面的力學(xué)研究，為稻谷收獲、加工、儲運(yùn)裝備的設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)。因此，將對3個品種的稻谷進(jìn)行力學(xué)試驗研究，通過對稻谷進(jìn)行擠壓和剪切等試驗了解稻谷的力學(xué)性能，為稻谷的保存、運(yùn)輸和加工提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

RGT-10微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)、HN101-2A數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱、DZF-6020型真空干燥箱、BS10002電子天平、游標(biāo)卡尺。

1.2 制樣及試驗方法

試驗稻谷品種為培兩優(yōu)3076、苯兩優(yōu)9號和珍珠糯，由湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所提供。每種稻谷取500顆，平均分成5組，于水中浸泡10 h后，去除表面明水。將其中4組稻谷分別干燥10、20、30、40 min，剩余1組稻谷不經(jīng)任何處理，每組取部分稻谷測定含水率，其余稻谷備用。含水率的測定采用GB/T 21305-2007。

1.3 稻谷的擠壓力學(xué)試驗

采用自制壓頭進(jìn)行擠壓試驗。如圖1所示，壓頭圓盤直徑為40 mm，支座長度為50 mm，經(jīng)預(yù)試驗及參考有關(guān)資料[11，12]，選取加載速度為2 mm/min。

在苯兩優(yōu)9號4組含水率不同的稻谷中每組取10～20顆，將稻谷放置在試驗機(jī)平臺上，利用平板壓頭下壓的壓力進(jìn)行擠壓試驗。同時選取珍珠糯含水率為14.80%、苯兩優(yōu)9號含水率為14.74%、培兩優(yōu)3076含水率為14.70%的稻谷進(jìn)行試驗（因為3種稻谷的含水率相差不到0.5%，可以近似地認(rèn)為3種稻谷含水率相同），每種稻谷取10～20顆；將稻谷放置在試驗機(jī)平臺上，利用平板壓頭下壓的壓力進(jìn)行擠壓試驗。

1.4 稻谷的剪切力學(xué)試驗

剪切試驗采用自制壓頭進(jìn)行（圖2）。壓頭寬度為3 mm，支座間距固定為5.5 mm，加載速度為2 mm/min。

在培兩優(yōu)3076的4組稻谷中每組取10～20顆，將稻谷放置在試驗機(jī)平臺上搭建的支座之間，利用自制剪切壓頭下壓的壓力進(jìn)行剪切試驗，試驗時保證壓頭壓在谷粒的中間位置。同時選取珍珠糯、苯兩優(yōu)9號、培兩優(yōu)3076中含水率相近的一組進(jìn)行試驗，每種稻谷取10～20顆。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻谷的機(jī)械力學(xué)曲線及破碎過程分析

2.1.1 稻谷典型的擠壓力-位移曲線 從圖3可以看出，稻谷的典型擠壓力-位移曲線大體可以分為OA、OB、OC、OD 4段。在B點(diǎn)峰值之前，有一個小峰值A(chǔ)。這主要是因為稻谷谷殼比糙米的韌性要大，而糙米的脆性很大，在擠壓過程中負(fù)載力先達(dá)到了使糙米出現(xiàn)裂紋斷裂的值。因為谷殼并沒有明顯損傷，到B點(diǎn)時谷殼出現(xiàn)裂紋，曲線開始下降，出現(xiàn)BC段的屈服階段。曲線到達(dá)C點(diǎn)時，谷殼徹底地開裂，使糙米也失去了最后的緩沖保護(hù)。進(jìn)入CD段，谷粒逐漸被壓扁，胚乳逐漸粉碎。此時載荷雖然還在上升，但是稻谷的形變已經(jīng)幾乎不再隨著載荷的上升而增加了。圖4和圖5是分別對苯兩優(yōu)9號和珍珠糯進(jìn)行擠壓力學(xué)試驗時出現(xiàn)峰值A(chǔ)后剝?nèi)ス葰さ膱D片。從圖4和圖5可以看出，稻谷都在中間的位置斷裂，這是因為中間的厚度最大，在受擠壓時這部分受到的力也最大，但斷裂面的形狀不規(guī)則。

2.1.2 稻谷典型的剪切力-位移曲線 從圖6可以看出，曲線可以大致分為OA、OB兩部分。與擠壓力-位移曲線相似，同樣有一個小峰值A(chǔ)。此時稻谷的外殼并沒有明顯的破損裂紋，糙米已經(jīng)沿著短軸方向出現(xiàn)裂紋或斷裂。由于谷殼并沒有破裂，一直到達(dá)峰值B，B點(diǎn)的值就是剪切破壞力。B點(diǎn)之后剪切負(fù)載呈直線下降，此時稻谷的變形已趨近于零。從圖7和圖8可以看出，因為中間的厚度最大，在受擠壓時這部分受到的力也最大，而且和擠壓力學(xué)試驗相比，壓頭與稻谷的接觸面小，所以稻谷沿短軸方向斷裂。

2.2 含水率對稻谷力學(xué)性能的影響

2.2.1 含水率對稻谷擠壓力學(xué)性能的影響 選取苯兩優(yōu)9號4組不同含水率的稻谷進(jìn)行含水率對稻谷擠壓破壞力的試驗。通過SPSS軟件對數(shù)據(jù)擬合回歸方程并進(jìn)行回歸分析，得到含水率對稻谷擠壓破壞力的回歸方程如下：

F=174.75+4 803.80 χ2-31 806.29 χ3 （1）

式中，F(xiàn)為擠壓破壞力（N），χ為含水率。

對此非線性回歸方程進(jìn)行擬合分析，得到觀測值與擬合值之間的相關(guān)系數(shù)r=0.999 5，方程擬合很好。對實際數(shù)據(jù)和擬合的曲線進(jìn)行繪制，得到含水率和擠壓破壞力之間的關(guān)系曲線（圖9）。

用SPSS軟件對擬合的回歸方程進(jìn)行方差分析（表1）。從表1可以看出，F(xiàn)值遠(yuǎn)大于F0.05（1，2），故回歸方程顯著?？梢缘弥蕦Φ竟鹊臄D壓破壞力具有顯著影響，從圖9和式（1）可以看出，隨著含水率的增加，稻谷的擠壓破壞力呈明顯下降的趨勢。

2.2.2 含水率對稻谷剪切力學(xué)性能的影響 取4組不同含水率的培兩優(yōu)3076稻谷考察含水率對稻谷剪切破壞力的影響。通過SPSS軟件對數(shù)據(jù)擬合回歸方程，并進(jìn)行回歸分析，得到含水率對稻谷剪切破壞力的回歸方程如下：

F=23.86+376.61 χ2-1 738.60 χ3 （2）

從表1中可以看出，F(xiàn)值遠(yuǎn)小于臨界值F0.05（1，2），所以回歸方程不顯著。如圖10所示，含水率對剪切破壞力的實際測試數(shù)值較為分散，沒有一定的分布規(guī)律，與擬合曲線相差較大。由此可見，含水率對稻谷的剪切破壞力影響并不顯著。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制了含水率對剪切破壞力的關(guān)系曲線，從圖10可以看出，含水率低于15%時，剪切破壞力隨著含水率的增大而增大；含水率高于15%時，剪切破壞力隨著含水率的增大而減小。

2.3 稻谷品種對稻谷力學(xué)性能的影響

2.3.1 稻谷品種對稻谷擠壓力學(xué)性能的影響 選取珍珠糯、培兩優(yōu)3076和苯兩優(yōu)9號含水率相近的一組進(jìn)行力學(xué)性能的研究。不同稻谷品種具有不同的破壞力和破壞能。表2是稻谷品種對擠壓破壞力的方差分析結(jié)果。從表2可以看出，P小于0.05，稻谷品種對這3種稻谷的擠壓破壞力影響顯著。這主要是由于谷粒由谷殼、皮層、胚和胚乳4部分組成，不同品種四者的組織結(jié)構(gòu)成分不同，所以它們受外力作用時所表現(xiàn)的力學(xué)性能也不同。

2.3.2 稻谷品種對稻谷剪切力學(xué)性能的影響 選取珍珠糯、培兩優(yōu)3076和苯兩優(yōu)9號含水率相近的一組進(jìn)行力學(xué)性能的對比。從表2可以看出，P小于0.05，所以，品種對這3種稻谷的剪切破壞力影響顯著，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因和擠壓力學(xué)性能相同。

3 小結(jié)

選取稻谷品種、含水率作為試驗因素，通過具體的試驗操作得出試驗數(shù)據(jù)，分析確定各因素與力學(xué)性能指標(biāo)——破壞力之間的關(guān)系。通過對稻谷進(jìn)行擠壓試驗和剪切試驗，較全面地獲得了稻谷的力學(xué)性能指標(biāo)，為稻谷的加工處理提供一定的理論依據(jù)。

含水率對稻谷擠壓破壞力的影響顯著，其回歸方程隨著含水率的增加，稻谷的擠壓破壞力呈明顯下降趨勢。含水率對稻谷的剪切破壞力的影響不顯著。另外通過數(shù)據(jù)分析可以得出，隨著含水率的增加，稻谷的擠壓破壞力和剪切破壞力總體上都呈下降趨勢。

通過對不同品種稻谷進(jìn)行力學(xué)性能試驗，發(fā)現(xiàn)不同品種對稻谷擠壓破壞力的影響顯著，對稻谷剪切破壞力也有顯著的影響。這可能與不同品種稻谷的結(jié)構(gòu)成分及形狀尺寸有關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1] GREFFEUILLE V， MABILLE F， ROUSSET M， et al. Mechanical properties of outer layers from near-isogenic lines of common wheat differing in hardness[J]. Jounal of Cereal Science，2007，45（2）：227-235.

[2] 陳坤杰，徐偉梁.含水率對稻谷機(jī)械特性的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005，36（11）：171-172，175.

[3] 楊 洲，羅錫文，李長友.稻谷含水率分布及變化規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005，36（10）：81-84.

[4] 張洪霞，李大勇，任光輝，等.含水率對稻米籽粒剪切特性的影響研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2006，18（4）：28-30.

[5] 張洪霞，陶桂香，潘 波.含水率對稻米籽粒擠壓特性影響的研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2005（2）：158-159.

[6] 丁林峰，李耀明，徐立章. 稻谷壓縮試驗的接觸力學(xué)分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2007（12）：112-115.

[7] 張洪霞， 李大勇，楊雪松. 稻米籽粒剪切特性的研究[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2006，18（1）：46-49.

[8] 張洪霞，馬小愚，雷得天.大米籽粒壓縮特性的試驗研究[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2004，16（1）：42-45.

[9] DESVIGNES C， OLIV？魪 C， LAPIERRE C， et al. Effects of calcium chloride treatments on wheat grain peroxidase activity and outer layer mechanical properties[J]. J Sci Food Agric，2006，86（11）：1596-1603.

[10] 王顯仁，李耀明，徐立章.水稻谷粒的機(jī)械損傷機(jī)理及試驗[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（12）：141-143.

[11] 李耀明，王顯仁，徐立章，等.水稻谷粒的擠壓力學(xué)性能研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007，38（11）：56-59.

[12] 張洪霞. 基于稻米力學(xué)指標(biāo)主成分分析的質(zhì)量評價模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（2）：251-255.

收稿日期：2012-04-09

基金項目：國家轉(zhuǎn)基因重大專項（2011ZX08001-001）；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)交叉基金項目（52902-0900201115）

作者簡介：任祖方（1985-），男，河南周口人，碩士，研究方向為圖像處理及農(nóng)業(yè)機(jī)械化，（電話）13517293284（電子信箱）jeans198578@163.com；

通訊作者，任奕林（1970-），女，湖北武漢人，副教授，博士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工與裝備方面的研究，（電話）18627186972（電子信箱）

renyiling@mail.hzau.edu.cn。