郭洋洋，閆銀發(fā)，2，李法德，2，高天浩，陳超科，宋占華，2*

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271018

2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

塊狀酒曲力學(xué)特性試驗(yàn)

郭洋洋1，閆銀發(fā)1，2，李法德1，2，高天浩1，陳超科1，宋占華1，2*

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271018

2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

本文運(yùn)用WDW-5E型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)對平板曲、包包曲進(jìn)行了壓縮、彎曲、剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)研究表明：平板曲的抗壓強(qiáng)度是2.15±0.19 MPa，抗壓彈性模量為61.68±6.89 MPa，抗彎強(qiáng)度為0.97±0.12 MPa，抗彎彈性模量為11.66±1.53 MPa，剪切強(qiáng)度為0.109±0.007 MPa；包包曲的抗壓強(qiáng)度為1.20±0.13 MPa，抗壓彈性模量為31.12±3.96 MPa，抗彎強(qiáng)度為0.58±0.08 MPa，抗彎彈性模量為14.95±2.37 MPa，剪切強(qiáng)度為0.305±0.115 MPa；包包曲的力學(xué)特性參數(shù)顯著低于平板曲的力學(xué)特性參數(shù)（P＜0.01），但包包曲抗彎彈性模量、剪切強(qiáng)度顯著高于平板曲的抗彎彈性模量、剪切強(qiáng)度（P＜0.01）。此研究結(jié)果可為酒曲粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

酒曲；力學(xué)特性

酒曲可分為散曲和塊曲。塊曲，顧名思義是具有一定形狀的酒曲，其外形為長方體，長約為200～450 mm，寬約為100～300 mm，高約為50～200 mm，含水率約為12%～15%，密度約為657 kg/m3，擠壓強(qiáng)度約為1.78 MPa。曲坯成型時(shí)經(jīng)過充分的壓縮，干燥后質(zhì)地結(jié)實(shí)，有一定的強(qiáng)度；曲坯在培養(yǎng)和貯藏過程中失去的大部分水分使得表面有一定的硬度；曲料配有20%～40%的豌豆等粘性物，使曲坯的粘性增強(qiáng)，加之發(fā)酵后曲塊內(nèi)部大量生長菌絲，致使曲塊具有較強(qiáng)的韌性［1］。因此，塊狀酒曲是一種干固塊狀物體，具有一定的強(qiáng)度、韌性和硬度。由塊狀酒曲的制作過程可知，可以假設(shè)塊狀酒曲的力學(xué)特性呈現(xiàn)出各向同性的特點(diǎn)；塊狀酒曲的力學(xué)特性指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、拉伸壓縮彈性模量（楊氏模量）、彎曲彈性模量等，根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康?，測量的力學(xué)特性指標(biāo)不同［2］。因此，利用WDW-5E型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮、彎曲、剪切等試驗(yàn)對塊狀酒曲的力學(xué)特性進(jìn)行研究，可以為酒曲粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1　材料與方法

1.1材料

塊狀酒曲可以分為平板曲和包包曲，平板曲與包包曲有一定的區(qū)別，其外形區(qū)別如圖1所示。包包曲的理化指標(biāo)糖化力、酸度、發(fā)酵力均優(yōu)于平板曲，感官指標(biāo)也較平板曲佳［3］。本次力學(xué)特性試驗(yàn)所用的塊狀酒曲為曲阜圣達(dá)機(jī)械有限公司提供。

試驗(yàn)所用批次的平板曲的尺寸約為230 mm×150 mm×55 mm，質(zhì)量約為1.61 kg，包包曲的尺寸約為270 mm×165 mm×（75 mm～100 mm），質(zhì)量約為2.91 kg。

圖1　塊狀酒曲Fig.1 Block Koji

1.2試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用的主要儀器設(shè)備有WDW-5E型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司）、DZF-605型真空干燥箱（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司）、JA5003A型電子天平（上海精天電子儀器有限公司）以及鋼絲鋸、游標(biāo)卡尺、米尺、刀具等。

1.3試樣制備

塊狀酒曲的形狀是長方體，且尺寸較大，若以整塊塊曲為試樣進(jìn)行壓縮、彎曲、剪切等力學(xué)特性試驗(yàn)，所需試驗(yàn)力過大，WDW-5E型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)的壓力傳感器的量程僅為5 kN，無法完成試驗(yàn)。因此，需要通過游標(biāo)卡尺、鋼絲鋸、刀具等工具將整塊塊狀酒曲分割成尺寸較小的試樣。由于塊狀酒曲沒有標(biāo)準(zhǔn)的取樣工具，只能依靠人工測量尺寸、定位及分割，因此，所制備的試驗(yàn)樣品的尺寸精度只能控制在一定范圍以內(nèi)。制備平板曲和包包曲兩種試樣的工藝過程相同，試驗(yàn)內(nèi)容也相同。

1.3.1壓縮試樣制備壓縮試樣為長方體，尺寸為16 mm×16 mm×25 mm，尺寸精度≤±1 mm，制作過程必須盡量保證壓縮試樣的橫截面為正方形，壓縮試樣如圖2（a）所示。

圖2　酒曲試樣Fig.2 Specimens of block Koji

圖3　彎曲試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of bending test

圖4　剪切試驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of shearing test

1.3.2彎曲試樣制備彎曲試樣同樣為長方體，如圖2（b）所示。尺寸為16 mm×16 mm×70 mm，精度≤±1 mm。彎曲試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法，如圖3所示。

1.3.3剪切試樣制備剪切試驗(yàn)的試樣也是長方體，如圖2（c）所示，尺寸為16 mm×16 mm×50 mm，精度≤±1 mm。剪切試驗(yàn)如圖4所示。

1.4試驗(yàn)方法

1.4.1壓縮試驗(yàn)壓縮試驗(yàn)過程如圖5所示。試驗(yàn)在WDW-5E型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中電腦自動(dòng)記錄壓力和位移。試驗(yàn)采用剛性平板壓頭，首先取試樣、測量其尺寸并記錄，把試樣置于球面滑動(dòng)支座的中心位置，壓頭以10 mm/min的速度施壓，電腦記錄破壞載荷。

圖5　壓縮試驗(yàn)Fig.5 Compression test process

式中：σy—抗壓強(qiáng)度，MPa；Pmax—破壞載荷，N；A—試樣承壓面積，mm2。

根據(jù)儀器記錄的試驗(yàn)力和位移數(shù)據(jù)，做出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，確定彈性直線段，如圖6所示。在直線段上讀取相距較遠(yuǎn)的A、B兩點(diǎn)之間的應(yīng)力變化量和相應(yīng)的應(yīng)變變化量，按式2計(jì)算線段的斜率，即壓縮彈性模量（GB/T 22315－2008）。

圖6　圖解法測定彈性模量Fig.6 Modulus of elasticity with graphic determination

式中：Ey—塊狀酒曲壓縮彈性模量，MPa。

1.4.2彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)如圖7所示，在WDW-5E型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法。支座和壓頭頂端均裝有壓輥，支座間距L=30 mm，壓輥直徑為20 mm［2］，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以消除試驗(yàn)過程中試樣與壓頭及支座之間的橫向摩擦力。把試樣置于支座上，調(diào)整壓頭處于支座中間及試樣的正上方，由于試樣制作過程無法保證橫截面長寬尺寸完全相等，因此，放置時(shí)應(yīng)保證使試樣橫截面上的尺寸稍大的方向處于水平位置，壓頭以10 mm/min的速度加載。

圖7　彎曲試驗(yàn)Fig.7 Bending test

式中：σw—抗彎強(qiáng)度，MPa；Pmax—破壞載荷，N；L—支點(diǎn)跨距，mm；b、h—橫截面尺寸，mm。

彎曲彈性模量的計(jì)算方法與壓縮彈性模量的計(jì)算方法相似，計(jì)算公式為4（GB/T 14452－1993）：

式中：Ew—彎曲彈性模量，MPa；L—支點(diǎn)跨距，mm；ΔF—彎曲試驗(yàn)力變化量，N；Δf—撓度變化量，mm；b、h—橫截面的尺寸，mm。

1.4.3剪切試驗(yàn)塊狀酒曲剪切試驗(yàn)如圖8所示，在WDW-5E型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上，把剪切試樣對稱放置于萬能試驗(yàn)機(jī)的V型夾具中，切刀以10 mm/min的速度施加剪切載荷，并用電腦記錄破壞載荷。

式中：στ—抗壓強(qiáng)度，MPa；Pmax—破壞載荷，N；A—試樣截面積，mm2。

圖8　剪切試驗(yàn)Fig.8 Shearing test

1.4.4試樣含水率的測定試樣的含水率測定采用烘干法。試驗(yàn)完成后立即對試樣拍照、稱重并填入記錄表，然后把同一組的試樣一起放入干燥箱，在105±2℃的溫度下干燥8 h后，將試樣取出，從中隨機(jī)選定2～3個(gè)試樣進(jìn)行第1次稱重，以后每隔2 h便稱重1次，直至最后2次的重量之差不超過0.002 g時(shí)為止，即可認(rèn)為試樣已經(jīng)達(dá)到全干狀態(tài)。然后把試樣全部從干燥箱中取出，放入提前準(zhǔn)備好的裝有適量干燥劑的玻璃干燥器中，蓋好干燥器蓋，等待試樣冷卻至室溫以后進(jìn)行稱重，最后計(jì)算試樣的含水率［5］。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)主要是研究在相同載荷加載速度條件下平板曲、包包曲的抗壓強(qiáng)度和壓縮彈性模量的大?。▓D9）。在一定的壓縮載荷加載速度下，平板曲和包包曲的壓力-變形曲線的變化趨勢基本相同，首先壓力隨變形量的增加呈線性快速增大，變形達(dá)到1～2 mm時(shí)試樣產(chǎn)生破壞，壓力達(dá)到最大值，并出現(xiàn)一段非線性的變化，隨后壓力明顯減小，直至試樣完全破碎。壓力呈線性增長時(shí)，其斜率即為試樣的抗壓彈性模量。曲線形狀比較陡峭，沒有明顯的屈服階段，表明塊狀酒曲屬于脆性材料。

壓縮試驗(yàn)測得的平板曲的抗壓強(qiáng)度為2.15±0.19 MPa，抗壓彈性模量為61.68±6.89 MPa，包包曲的抗壓強(qiáng)度為1.20±0.13 MPa，抗壓彈性模量為31.12±3.96 MPa，如圖10、圖11所示。

圖9　塊狀酒曲壓縮曲線Fig.9 Compression curves of block Koji

圖10　塊狀酒曲抗壓強(qiáng)度Fig.10 Pressure-proof intensity of block Koji

圖11　塊狀酒曲抗壓彈性模量Fig.11 Pressure-proof elastic modulus of block Koji

2.2彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)主要是研究在相同載荷加載速度條件下平板曲、包包曲的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量數(shù)值的大小。由圖12可知，在一定的載荷加載速度下，平板曲和包包曲的彎曲試驗(yàn)力-變形曲線趨勢相同，彎曲試驗(yàn)力隨著變形量的增加而增長，逐漸達(dá)到破壞極限，在這個(gè)過程中，首先經(jīng)歷一段非線性階段，隨后出現(xiàn)一段明顯的線性階段，線性段的斜率與試樣的抗彎彈性模量成正比，最后彎曲試驗(yàn)力開始下降，試樣斷裂。

彎曲試驗(yàn)測得的平板曲的抗彎強(qiáng)度為0.97±0.12 MPa，抗彎彈性模量為11.66±1.53 MPa，包包曲的抗彎強(qiáng)度為0.58±0.08 MPa，抗彎彈性模量為14.95±2.37 MPa，如圖13、圖14所示。

圖12　塊狀酒曲彎曲曲線Fig.12 Bending curves of block Koji

圖13　塊狀酒曲抗彎強(qiáng)度Fig.13 The bending intensities of block Koji

圖14　塊狀酒曲抗彎彈性模量Fig.14 The elastic modulus of block Koji

2.3剪切試驗(yàn)

塊狀酒曲剪切的試驗(yàn)主要是研究在相同的載荷加載速率條件下，平板曲、包包曲的剪切強(qiáng)度的大小。由圖15可知，在一定的載荷加載速度的條件下，平板曲和包包曲試樣的剪切試驗(yàn)的試驗(yàn)力-變形曲線的趨勢相似，試樣的剪切力隨著位移量的變化先是增長后出現(xiàn)一個(gè)明顯的回落點(diǎn)，然后迅速的再次呈現(xiàn)出線性增長的關(guān)系，直到試樣被剪切斷裂，剪切力迅速下降。由于剪切試樣是長方體，與V型夾具之間是線接觸，夾具的摩擦系數(shù)較小，在剪切力加載的過程中試樣細(xì)微轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，剪切力-位移曲線中出現(xiàn)回落點(diǎn)。

試驗(yàn)測得平板曲的剪切強(qiáng)度為0.109±0.007 MPa，包包曲的剪切強(qiáng)度為0.305±0.115 MPa（圖16）。

圖15　塊狀酒曲剪切曲線Fig.15 Shearing curves of block Koji

圖16　塊狀酒曲剪切強(qiáng)度Fig.16 The shearing intensities of block Koji

2.4試樣含水率

采用烘干法測得的平板曲、包包曲的含水率為12%～14%。

3　結(jié)論

（1）利用萬能試驗(yàn)機(jī)測得平板曲、包包曲力學(xué)特性參數(shù)的結(jié)果為：平板曲的抗壓強(qiáng)度為2.15±0.19 MPa，抗壓彈性模量為61.68±6.89 MPa，抗彎強(qiáng)度為0.97±0.12 MPa，抗彎彈性模量為11.66±1.53 MPa，剪切強(qiáng)度為0.109±0.007 MPa；包包曲的抗壓強(qiáng)度為1.20±0.13 MPa，抗壓彈性模量為31.12±3.96 MPa，抗彎強(qiáng)度為0.58±0.08 MPa，抗彎彈性模量為14.95±2.37 MPa，剪切強(qiáng)度為0.305±0.115 MPa。

（2）包包曲的力學(xué)特性參數(shù)顯著低于平板曲的力學(xué)特性參數(shù)（P＜0.01），但包包曲抗彎彈性模量、剪切強(qiáng)度顯著高于平板曲的抗彎彈性模量、剪切強(qiáng)度（P＜0.01）

（3）通過力學(xué)特性試驗(yàn)平板曲、包包曲的抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、剪切強(qiáng)度的大小關(guān)系，為塊狀酒曲的破碎方式的選擇提供了依據(jù)。

［1］付捷，崔勇，羅鋼，等.雙級粉碎在酒廠曲塊粉碎中的應(yīng)用［J］.釀酒，2011（3）：69-70

［2］王麗軍.山藥挖掘機(jī)鏟土及升運(yùn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013：12-24

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Mechanics Characteristics of Block Koji

GUO Yang-yang1，YAN Yin-fa1，2，LI Fa-de1，2，GAO Tian-hao1，CHEN Chao-ke1，SONG Zhan-hua1，2*
1.College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment，Tai'an 271018，China

The compression，bending and shear tests of the flat-plate Koji and convex-center Koji were conducted by using WDW-5E microcomputer control electronic universal testing machine.The compressive strength，compressive modulus，flexural strength，flexural modulus of elasticity，shear strength and other mechanical parameters of the flat-plate Koji and convex-center Koji were measured.The compressive strength of the flat-plate Koji is 2.15±0.19 MPa，the compressive elastic modulus is 61.68±6.89 MPa，the bending strength is 0.97±0.12 MPa，the bending elastic modulus is 11.66±1.53 MPa，and the shear strength is 0.109±0.007 MPa；the compressive strength of the convex-center Koji is 1.20±0.13 MPa，the compressive elastic modulus is 31.12±3.96 MPa，the bending strength is 0.58±0.08 MPa，the bending elastic modulus is 14.95±2.37 MPa，and the shear strength is 0.305±0.115 MPa；The mechanical characteristic parameters of the convex-center Koji is generally lower than the flat-plate Koji（P＜0.01），but the shear strength and the flexural modulus elasticity of the convex-center Koji is bigger than the flat-plate Koji.The results provide a theoretical basis for the design of mechanized crushing block Koji machine.

Flat-plate Koji；mechanical characteristics

TS261.2

A

1000-2324（2016）05-0740-05

2015-04-24

2015-05-18

郭洋洋（1989-），男，碩士研究生，主要從事白酒釀造設(shè)備機(jī)械化工作.E-mail：guoyyang8901@126.com

Author for correspondence.E-mail：songzh6688@163.com