趙 楠，李博文

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100089）

燕麥籽粒機(jī)械力學(xué)特性的研究

趙 楠，李博文

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100089）

燕麥籽粒的機(jī)械力學(xué)特性影響燕麥在收獲、脫粒、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏過(guò)程中的生理特征，是決定其加工品質(zhì)和食用品質(zhì)的重要因素，同時(shí)還對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化加工工藝和機(jī)械設(shè)備有指導(dǎo)意義。由于國(guó)內(nèi)外關(guān)于燕麥籽粒機(jī)械力學(xué)特性的研究較少，文章闡述了糧食作物籽粒機(jī)械力學(xué)特性不同方向的研究?jī)?nèi)容，為燕麥籽粒的研究提供參考。

燕麥籽粒 機(jī)械力學(xué)特性 食品加工

燕麥屬于禾本科植物，是一種由種子生長(zhǎng)而成的雜糧作物。燕麥被制作成燕麥粥和燕麥片是人類營(yíng)養(yǎng)豐富的食物。燕麥低糖、高營(yíng)養(yǎng)，具有很好的保健功能，在糖尿病等疾病的預(yù)防和治療等方面發(fā)揮積極作用。燕麥對(duì)土地適應(yīng)性很強(qiáng)，可以在低營(yíng)養(yǎng)、少雨、低溫的貧瘠土地上生長(zhǎng)[1～2]?，F(xiàn)在燕麥主要生長(zhǎng)分布在俄羅斯、美國(guó)、芬蘭、中國(guó)等國(guó)家[3]。

燕麥籽粒的機(jī)械力學(xué)特性是燕麥籽粒在承受各種外加載荷時(shí)所表現(xiàn)的力學(xué)特性。研究燕麥籽粒力學(xué)特性的目的及意義在于：明確燕麥籽粒受載荷時(shí)的破碎力、形變等力學(xué)參數(shù)，降低燕麥在收獲、脫粒、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏過(guò)程中的破損率，提高經(jīng)濟(jì)效益；研究燕麥籽粒組織結(jié)構(gòu)、幾何形狀、含水率等因素與其機(jī)械力學(xué)特性的關(guān)系，可為優(yōu)化加工工藝，設(shè)計(jì)相關(guān)機(jī)械設(shè)備提供理論指導(dǎo)。燕麥籽粒力學(xué)特性是決定其加工品質(zhì)和食用品質(zhì)的重要因素，因此，研究燕麥籽粒的機(jī)械力學(xué)特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于，國(guó)內(nèi)外對(duì)此方面研究較少，文章對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)其他糧食作物籽粒不同方向的機(jī)械力學(xué)特性研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)整理和分析，在此基礎(chǔ)上，為燕麥籽粒的力學(xué)特性研究作出參考。

1 機(jī)械力學(xué)特性研究

1.1 粘彈性研究

燕麥籽粒及大多數(shù)糧食作物籽粒和種子都屬于非牛頓流體，是一種粘彈性物質(zhì)，通常既表現(xiàn)出粘性又表現(xiàn)出彈性。粘彈性的相關(guān)參數(shù)包括：儲(chǔ)能模量（G’）、損耗模量（G’）、損耗角正切值（tanδ）及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。籽粒的粘彈性研究主要是研究應(yīng)力松弛和蠕變特性，采用適當(dāng)?shù)牧W(xué)模型擬合后，探究品種、溫度、頻率、含水率對(duì)儲(chǔ)能模量、損耗模量、損耗角正切值及玻璃化化轉(zhuǎn)變溫度的影響。

Waananen K M和Okos M R（1992）采用廣義五元素Maxwell模型建立松弛模數(shù)主曲線，分析了含水率和溫度對(duì)玉米松弛性質(zhì)的影響[4]。

Siebenmorgen T J等（2004）通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析確定稻米籽粒的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。研究證明了損耗角正切值-溫度曲線用來(lái)確認(rèn)材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最適合，且受含水率影響，但不受品種影響[5]。

Hasheminia S M（2007）分別從3個(gè)方向?qū)什煌拇蠖故┘訅嚎s載荷，以確定大豆籽粒的機(jī)械力學(xué)特性[6]。

Hundal J和Takhar P S（2009）使用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀研究了玉米籽粒的動(dòng)態(tài)粘彈性和玻璃化轉(zhuǎn)變行為。結(jié)果顯示：儲(chǔ)能模量隨含水率、溫度升高而降低，但隨頻率升高而升高；頻率越高，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高[7]。

張洪霞（2007）使用WDW-5微機(jī)電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同含水率稻米籽粒進(jìn)行測(cè)試，對(duì)得到的松弛力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，建立Maxwell模型，分析含水率對(duì)稻米籽粒松弛特性的影響[8]。

1.2 機(jī)械破碎力學(xué)研究

機(jī)械破碎力學(xué)就是研究物體在外力作用下破碎時(shí)所表現(xiàn)的特性。由于燕麥等糧食作物籽粒在收獲、加工、儲(chǔ)藏及運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中常因?yàn)榕鲎驳韧饬σ蛩囟扑?，?dǎo)致其品質(zhì)降低，因此研究糧食的破碎力學(xué)對(duì)降低破損率有重要意義。糧食籽粒的破碎力學(xué)參數(shù)主要為：破壞力、破壞能、變形量、強(qiáng)度等。通過(guò)模擬外力，對(duì)籽粒的機(jī)械破碎力學(xué)特性進(jìn)行研究，探究品種、含水率、施載位置與各參數(shù)之間的關(guān)系。

Anazodo U G N等（1981）在準(zhǔn)壓縮和彎曲模式下測(cè)試玉米樣品籽粒的物理力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)：玉米種子和收獲期對(duì)玉米籽粒的物理和機(jī)械力學(xué)特性有著顯著的作用[9]。

Lu R和Siebenmorgen T J（1995）通過(guò)壓縮和三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究了稻米精米產(chǎn)量與籽粒物理和機(jī)械力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)性[10]。

Verma R C和Suresh P（2000）研究了玉米的熱力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)：玉米籽粒破裂力隨含水率升高而降低，而破裂能和破碎變形都增大[11]。

Correa P C等（2007）研究了稻米在加工過(guò)程中的物理和機(jī)械力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)不同品種的稻米，籽粒的壓縮強(qiáng)度沒(méi)有明顯差別；稻米籽粒的壓縮強(qiáng)度受加工工藝影響[12]。

Chenarbon H A（2007）對(duì)含水率不同3種玉米籽粒分別施加沖擊載荷，發(fā)現(xiàn)玉米籽粒的品種和含水率對(duì)其破損率有較大影響，破損率會(huì)隨含水率升高而降低[13]。

Markowski M等（2007）在壓縮試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)比不同品種小麥達(dá)到破壞點(diǎn)時(shí)的變形量、所需力和能量，發(fā)現(xiàn)小麥品種對(duì)其機(jī)械力學(xué)特性有顯著影響[14]。

楊玉芬等（2008）試驗(yàn)研究了不同含水率、施壓位置對(duì)玉米種子籽粒靜壓破損特性的影響，發(fā)現(xiàn)玉米籽粒壓力值都隨含水率增加而減小[15]。

周顯青等（2012）使用物性測(cè)試儀，分別對(duì)糙米和精米進(jìn)行錐刺、三點(diǎn)彎曲、剪切、擠壓測(cè)試和對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)得到了不同作用力、稻米品質(zhì)、籽粒結(jié)構(gòu)特性分別與機(jī)械破碎力學(xué)特性的關(guān)系[16]。

楊作梅等（2015）利用物性分析儀和赫茲接觸理論發(fā)現(xiàn)破壞力隨谷子籽粒含水率升高而降低，破壞能和變形量則呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)[17]。

代治國(guó)等（2015）為降低豌豆籽粒在收獲、運(yùn)輸、干燥及儲(chǔ)藏過(guò)程中的損傷、破損，對(duì)豌豆籽粒的力學(xué)性能展開(kāi)了試驗(yàn)分析[18]。

李春娣等（2015）通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀研究了大豆籽粒的壓縮力學(xué)特性，得出的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變，表現(xiàn)接觸彈性模量和最大接觸應(yīng)力，并建立各項(xiàng)參數(shù)與籽粒含水率的關(guān)系模型[19]。

楊作梅，郭玉明等（2016）對(duì)黍子籽粒的壓縮力學(xué)特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：籽粒破壞力、表觀彈性模量和最大擠壓應(yīng)力隨含水率升高而降低，而變形量和破壞能均先降低后升高[20]。

2 有限元分析

國(guó)內(nèi)外對(duì)糧食作物籽粒機(jī)械力學(xué)特性的研究多為實(shí)驗(yàn)法，受實(shí)驗(yàn)條件限制，如儀器、場(chǎng)地等。通過(guò)有限元分析的方法對(duì)燕麥等糧食籽粒的機(jī)械力學(xué)特性進(jìn)行研究，更快捷，更方便，具有很大的研究前景。

王廣萬(wàn)（2016）對(duì)玉米籽粒的壓縮力學(xué)特性進(jìn)行有限元分析，研究籽粒受載時(shí)的放置位置對(duì)應(yīng)力和變形的影響[21]。

賈娟娟等（2016）研究了青貯玉米粒擠壓力學(xué)特性與含水率、擠壓形式的關(guān)系，試驗(yàn)后建模，通過(guò)有限元分析得到應(yīng)力分布規(guī)律[22]。

魏麗娟等（2016）應(yīng)用有限元分析的方法，研究籽粒受載時(shí)的不同施力位置對(duì)育種小麥力學(xué)特性的影響[23]。

3 結(jié)語(yǔ)

燕麥籽粒的機(jī)械力學(xué)參數(shù)有：儲(chǔ)能模量、損耗模量、損耗角正切值、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、破壞力、破壞能、變形量、強(qiáng)度等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)法、有限元分析法等方法探究品種、頻率含水率、載荷類型、施載位置等因素對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的影響。研究燕麥籽粒的機(jī)械力學(xué)特性，能降低收獲、脫粒、加工、儲(chǔ)藏及運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中的破損率，提高品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可以加快燕麥籽粒收獲和加工機(jī)械的研制，增加加工自動(dòng)化程度以及高效快速脫粒的進(jìn)行，從而加快燕麥產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

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