唐福元 黃之斌，2 嚴(yán)曉婕，2 程緒鐸，2

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，南京 210046)

(糧食儲(chǔ)運(yùn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室2，南京 210046)

大豆籽粒的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性在收獲后容易受到很多因素的影響，如溫度、水分、空氣濕度、儲(chǔ)藏時(shí)間、儲(chǔ)藏壓力等對(duì)其結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的影響，特別對(duì)儲(chǔ)藏一段時(shí)間后的大豆籽粒，由于溫度、水分、壓力的影響，籽粒內(nèi)部脂肪和蛋白質(zhì)的混合狀態(tài)將被改變，它的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性將發(fā)生變化?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)一些儲(chǔ)藏大豆的筒倉(cāng)，堆高大，儲(chǔ)藏時(shí)間久，在大豆堆深處，常常發(fā)生走油、赤變等嚴(yán)重影響大豆儲(chǔ)藏及加工品質(zhì)的現(xiàn)象。所以對(duì)大豆籽粒進(jìn)行壓縮試驗(yàn)研究，掌握其抵抗壓力的特性，對(duì)儲(chǔ)糧安全是非常必要的。

國(guó)外對(duì)于糧食的籽粒壓縮力學(xué)特性的研究從20世紀(jì) 60年代就開始了[1－2]。Zorerb等[1]研究了馬齒狀玉米、小麥、豌豆、豆類植物在不同含水量下緩慢加載的特性，研究表明谷物擠壓強(qiáng)度的影響參數(shù)是含水量、溫度、加載速度和加載位置及物料尺寸。國(guó)內(nèi)對(duì)大豆籽粒的壓縮特性已有一些研究，劉傳云等[3]對(duì)大豆的表觀接觸彈性模量進(jìn)行了測(cè)定，他們僅測(cè)定了短軸方向的壓縮特性，但沒(méi)有測(cè)定中軸、長(zhǎng)軸方向的壓縮特性；劉志云等[4]對(duì)大豆的接觸彈性模量進(jìn)行了測(cè)定，但他們將大豆視為圓柱體，這樣的假定與大豆籽粒的實(shí)際形狀差別較大；馬小愚等[5]測(cè)定了大豆籽粒力學(xué)性質(zhì)，采用了自制力學(xué)性能測(cè)試裝備，壓縮時(shí)加載的速度偏大，難以準(zhǔn)確揭示大豆籽粒靜態(tài)壓縮特性。對(duì)不同儲(chǔ)藏壓力下(87、115、150、161、211、300 kPa)儲(chǔ)藏 6個(gè)月后的大豆籽粒進(jìn)行X軸(長(zhǎng)軸)、Y軸(中軸)、Z軸(短軸)壓縮試驗(yàn)，測(cè)定了大豆的表觀接觸彈性模量、最大破壞力、最大破壞能、破壞點(diǎn)的變形量，分析了隨著儲(chǔ)藏壓力的增加，大豆籽粒壓縮的最大破壞力，最大破壞能，表觀彈性模量的變化規(guī)律。為筒倉(cāng)中大豆儲(chǔ)藏壓力提供閾值。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料

2011年?yáng)|北黑龍江產(chǎn)秋大豆，外觀形狀近似橢圓狀，幾何尺寸見(jiàn)表1，儲(chǔ)藏溫度15℃，含水率10.68%。

表1 大豆籽粒的幾何尺寸

1.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

LHT－1型糧食回彈模量?jī)x:南京土壤儀器廠有限公司；HG202－2(2A/2AD)電熱干燥箱:南京盈鑫實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；AL204分析天平、JSFD粉碎機(jī):上海嘉定糧油儀器有限公司；CT3質(zhì)構(gòu)儀:美國(guó)Brookfield公司。

2 試驗(yàn)原理與方法

2.1 糧堆加壓儲(chǔ)藏試驗(yàn)原理

大豆樣品裝入回彈模量?jī)x圓柱筒里，頂部加蓋防潮布并施加載荷，在豎直壓力作用下大豆樣品無(wú)側(cè)向膨脹，豎直方向上長(zhǎng)度受壓縮短，體積減小，但密度隨之增大[6]。

開始試驗(yàn)后，大豆樣品受到來(lái)自傳壓板的豎直壓應(yīng)力 σ1，鋼筒側(cè)面的側(cè)壓應(yīng)力 σ2、σ3，底座對(duì)大豆垂直向上的支持壓應(yīng)力σ4。筒中大豆樣品應(yīng)力分布如圖1所示。儀器圖如圖2所示。

圖1 大豆樣品應(yīng)力分布

圖2 LHT－1型糧食回彈模量實(shí)物圖

2.2 糧堆加壓儲(chǔ)藏試驗(yàn)方法

裝樣:將回彈模量?jī)x裝樣筒清理干凈，連續(xù)勻速的倒入樣品，將樣品表面鋪平之后，蓋上傳壓板，并加蓋防潮布，保證傳壓板上表面與裝樣筒上端齊平。

保持橫梁拉桿垂直，轉(zhuǎn)動(dòng)平衡錘調(diào)整杠桿至水平，用M16螺母固定平衡錘。

旋轉(zhuǎn)傳壓螺釘與傳壓板接觸，調(diào)整0～30 mm百分表的觸頭位置，注意百分表的預(yù)壓量達(dá)29 mm，調(diào)零。

根據(jù)試驗(yàn)要求，對(duì)LHT－1型糧食回彈模量?jī)x1號(hào)加載300 kPa的壓力砝碼，對(duì)LHT－1型糧食回彈模量?jī)x2號(hào)加載150 kPa的壓力砝碼。

隨著試樣的下沉，杠桿向下傾斜，為防止杠桿傾斜影響加荷精度，調(diào)節(jié)調(diào)平手輪，使杠桿處于水平位置。

按時(shí)間讀取百分表的讀數(shù)，記錄時(shí)間、沉降量2個(gè)數(shù)據(jù)，直到儲(chǔ)藏試驗(yàn)結(jié)束。

2.3 糧堆加壓儲(chǔ)藏的壓力計(jì)算

采用微元法求樣品在試驗(yàn)過(guò)程中所受的平均豎直壓應(yīng)力，裝樣筒半徑是R，糧堆高度是H，筒壁和糧食間摩擦系數(shù)為μ，糧食內(nèi)摩擦角為φ。裝樣筒內(nèi)大豆堆表面下深度y處大豆微元受力示意圖如圖3所示。

圖3 裝樣筒內(nèi)糧食微元受力

作用于微元體上豎直方向的力相互平衡，合力等于零:

式中:pv為大豆微元體的豎直壓應(yīng)力，ph為大豆微元體的側(cè)向壓應(yīng)力，ρ為糧食的容重，g為重力加速度，A為筒的橫截面面積。

大豆在筒內(nèi)受壓時(shí)處于主動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)，側(cè)向壓應(yīng)力與豎直壓應(yīng)力的比為:

式(2)代入式(1)得:

對(duì)(3)式進(jìn)行積分得大豆樣品深度y處的豎直壓應(yīng)力為:

式中:p0為上表面壓應(yīng)力。

2.4 大豆籽粒壓縮試驗(yàn)原理

將大豆籽粒放置在質(zhì)構(gòu)儀底座上，上部的圓截面的探頭向下壓縮大豆，質(zhì)構(gòu)儀記錄下變形量和對(duì)應(yīng)的載荷。由壓縮的載荷與變形量的曲線，可給出大豆籽粒的最大破壞力，最大破壞能，破裂時(shí)的變形量，大豆籽粒的表觀接觸彈性模量計(jì)算方法如下:按ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)要求[7]，用赫茲公式計(jì)算大豆的表觀接觸彈性模量E。

式中:E為大豆表觀接觸彈性模量/MPa；F為大豆加載載荷/N；D為大豆的變形量/m；μ為大豆泊松比；RH，R＇H為大豆上接觸面的曲率半徑/m；R，R＇為大豆下接觸面的曲率半徑/m；K1，K2為中間常數(shù)(由 cosθ在 ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)查出)[7]。

由于大豆與擠壓平板兩接觸面曲率半徑幾乎相同，所以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，大豆的表觀接觸彈性模量公式為:

2.5 大豆籽粒壓縮試驗(yàn)方法

用游標(biāo)卡尺測(cè)定大豆的尺寸，見(jiàn)圖4，灰色填充處代表胚。

用游標(biāo)卡尺測(cè)定大豆的長(zhǎng)(L)，寬(W)，高(H)，見(jiàn)圖3，灰色填充處代表胚。用公式(7)、(8)、(9)計(jì)算出大豆的曲率半徑RH，R′H和cosθ.

圖4 大豆尺寸示意圖

大豆為橢圓形狀顆粒，根據(jù) ASAE S 368.4 DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)壓縮工具選定條件，選擇壓縮底座為TA－RT－KIT，壓縮探頭為TA10進(jìn)行壓縮。

加載速度:根據(jù)ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)，壓縮速度越接近靜載荷越好，即壓縮速度越小越接近靜載荷，選取0.02 mm/s。

根據(jù) ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)，每種樣品必須重復(fù)20次以上才得到有效結(jié)果，因此，本次試驗(yàn)每種壓縮方式各選擇重復(fù)壓縮30次[8－9]。壓縮方位如圖5所示。

圖5 Z軸、Y軸、X軸壓縮試驗(yàn)示意圖

3 大豆籽粒壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)公式(4)，在頂部加壓300 kPa的筒內(nèi)，大豆容重為780 kg/m3，大豆的內(nèi)摩擦角為27.35°，大豆與筒壁的摩擦系數(shù)為0.307[10]在頂部加壓150 kPa的筒內(nèi)，大豆容重為760 kg/m3，大豆的內(nèi)摩擦角為34.25°，大豆與筒壁的摩擦系數(shù)為0.32得到頂部加壓300 kPa筒內(nèi)取樣位置的壓力分別為300、211和161 kPa。頂部加壓150 kPa筒內(nèi)取樣位置的壓力分別為150、115和87 kPa。這些被取樣的大豆在相對(duì)應(yīng)的壓力下儲(chǔ)藏了6個(gè)月。

3.1 不同儲(chǔ)藏壓力下X軸(長(zhǎng)軸)壓縮大豆籽粒的壓縮特性

在儲(chǔ)藏壓力分別為 87、115、150、161、211、300 kPa條件下，大豆儲(chǔ)藏6個(gè)月。每一個(gè)儲(chǔ)藏壓力的大豆，取30個(gè)樣品進(jìn)行X軸(長(zhǎng)軸)壓縮，得到大豆籽粒的最大破壞力、最大破壞能、變形量，并且通過(guò)計(jì)算得到大豆籽粒的表觀接觸彈性模量，結(jié)果如表2所示。

表2 大豆籽粒X軸(長(zhǎng)軸)壓縮參數(shù)

表2的結(jié)果表明大豆籽粒壓縮的最大破壞力、最大破壞能、變形量、表觀接觸彈性模量隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小。

儲(chǔ)藏壓力增大，大豆籽粒的結(jié)構(gòu)損傷增大，它的抵抗破壞的力和能將減小，彈性模量也減小，試驗(yàn)結(jié)果表明了儲(chǔ)藏壓力對(duì)大豆籽粒結(jié)構(gòu)的改變規(guī)律。

3.2 不同儲(chǔ)藏壓力下Y軸(中軸)壓縮大豆的壓縮特性

在儲(chǔ)藏壓力分別為 87、115、150、161、211、300 kPa條件下，大豆儲(chǔ)藏6個(gè)月。每一個(gè)儲(chǔ)藏壓力的大豆，取30個(gè)樣品進(jìn)行Y軸(中軸)壓縮，得到大豆籽粒的最大破壞力、最大破壞能、壓縮變形量，并且通過(guò)計(jì)算得到大豆籽粒的表觀接觸彈性模量，結(jié)果如表3所示。

表3的結(jié)果表明大豆籽粒壓縮的最大破壞力、最大破壞能、變形量、表觀接觸彈性模量隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小。

表3 大豆籽粒Y軸(中軸)壓縮參數(shù)

儲(chǔ)藏壓力增大，大豆籽粒的結(jié)構(gòu)損傷增大，它的抵抗破壞的力和能將減小，彈性模量也減小，試驗(yàn)結(jié)果表明了儲(chǔ)藏壓力對(duì)大豆籽粒結(jié)構(gòu)的改變規(guī)律。

3.3 不同儲(chǔ)藏壓力儲(chǔ)藏后，Z軸(短軸)壓縮大豆的壓縮特性

在儲(chǔ)藏壓力分別為 87、115、150、161、211、300 kPa條件下，大豆儲(chǔ)藏6個(gè)月。每一個(gè)儲(chǔ)藏壓力的大豆，取30個(gè)樣品進(jìn)行Z軸(短軸)壓縮。大豆籽粒沒(méi)有明顯的破裂點(diǎn)，所以得不到最大破壞力、最大破壞能和最大變形量。其表觀接觸彈性模量如表4所示。

表4 大豆籽粒Z軸(短軸)壓縮的表觀接觸彈性模量

表4的結(jié)果表明表觀接觸彈性模量隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小。

儲(chǔ)藏壓力增大，大豆籽粒的結(jié)構(gòu)損傷增大，彈性模量減小，試驗(yàn)結(jié)果表明了儲(chǔ)藏壓力對(duì)大豆籽粒結(jié)構(gòu)的改變規(guī)律。

4 結(jié)論

4.1 在儲(chǔ)藏壓力為87～300 kPa條件下儲(chǔ)藏6個(gè)月，大豆籽粒長(zhǎng)軸壓縮的最大破壞力隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小，變化范圍是101.51～85.30 N，最大破壞能隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小，變化范圍為83.33～68.28 mJ。表觀接觸彈性模量隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小，變化范圍是185.34～156.93 MPa。

4.2 在儲(chǔ)藏壓力為87～300 kPa條件下儲(chǔ)藏6個(gè)月，大豆籽粒中軸壓縮的最大破壞力隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小，變化范圍是91.81～76.77 N，最大破壞能隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小，變化范圍為84.12～69.13 mJ。表觀接觸彈性模量隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小，變化范圍是200.29～131.99 MPa。

4.3 在儲(chǔ)藏壓力為87～300 kPa條件下儲(chǔ)藏6個(gè)月，大豆籽粒短軸壓縮時(shí)沒(méi)有破裂點(diǎn)，表觀接觸彈性模量隨著儲(chǔ)藏壓力的增大而減小，變化范圍為288.8～206.73 MPa。

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