李衣菲 ，武志 ，衣淑娟 ，毛欣

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學，大慶163319；2.黑龍江北大荒農(nóng)機有限公司）

玉米芽種應力松弛特性研究

李衣菲1，武志2，衣淑娟1，毛欣1

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學，大慶163319；2.黑龍江北大荒農(nóng)機有限公司）

研究玉米芽種的松弛特性對減小芽種損傷有重要意義。利用CTM2050微機控制萬能拉壓試驗機，對含水率20.8%、25.4%、29.9%、36.4%、變形量0.05、0.15、0.25 mm的德美亞1號芽種進行了應力松弛試驗，獲得了應力松弛曲線；利用Maxwell模型，得到研究松弛特性的重要指標：松弛模量與松弛時間等參數(shù)。分析了含水率和變形量對松弛應力、含水率對松弛模量和松弛時間的影響規(guī)律。試驗表明：含水率和變形量對松弛應力、含水率對松弛模量和松弛時間均有影響。

玉米芽種；松弛特性；試驗

玉米具有重要的食用價值和工業(yè)用途，且我國是玉米消費大國，2016年度我國玉米產(chǎn)量為2.19億t[1]。玉米芽種的特性對玉米生長有一定影響。玉米芽種質(zhì)地較軟，屬于黏彈性生物質(zhì)物料，其受外力擠壓后，抵御外界變形的能力對于保持芽種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要影響。因此探究玉米芽種的松弛特性指標特點，及相同品種在不同作用條件下的流變特性變化規(guī)律，是研究重點。目前很多學者對玉米秸稈與籽粒的壓縮、剪切、碰撞等力學特性進行了研究，如黃之斌[2]測得玉米籽粒剪切強度受剪切面積及籽粒組成成分影響，得到了剪切面積及載荷對剪切力的影響程度。程緒鐸[3]對下落撞擊后籽粒進行了靜態(tài)壓縮試驗研究，得出隨下落高度與籽粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷之間的變化規(guī)律。周秀文研究了玉米籽粒的碰撞與滾動摩擦等力學特性。但對芽種流變特性研究較少，多為水果或秸稈。如孫驪[4]將多元線性回歸與流變學模型參數(shù)分析方法運用到模擬試驗中，研究了蘋果貯存、運輸過程中機械損傷規(guī)律并分析了蘋果變形引起的延遲損傷特點。雷樂軍[5]對水稻秸稈卷壓過程進行了應力松弛試驗研究，得到了含水率、草捆干物質(zhì)質(zhì)量等因素對松弛指標：松弛模量及平衡彈性模量的影響。以前人研究為背景，以試驗研究為基礎(chǔ)，得出松弛模量和松弛時間兩個參數(shù)對于流變特性的影響，建立反映芽種流變特性的流變學模型。為芽種精量播種裝備的研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

黑龍江省常用玉米品種：德美亞1號玉米籽粒芽種，含水率分別為20.8%、25.4%、29.9%、36.4%。

1.2 芽種制備方法

選取一定量德美亞1號包衣玉米籽粒，置于容器內(nèi)。倒入50℃左右的溫水，攪拌30 s將其激活。倒出50℃左右的溫水，倒入10~15℃的溫水，浸泡40~48 h，待80%的籽粒中上部出現(xiàn)白色芽體時，制備結(jié)束。每隔一定時間，取出適量芽種，測其含水率，進行試驗[6]。

1.3 試驗儀器

CTM2050微機控制萬能拉壓試驗機、電腦、壓縮卡具，MS-100型水分測定儀。

1.4 試驗方法

依據(jù)預壓試驗，了解德美亞1號芽種（含水率36.4%）在彈性變形范圍內(nèi)，所能承受最大變形量，從而保證在不同試驗條件下應力松弛現(xiàn)象能夠發(fā)生。試驗設(shè)定試驗機上下壓頭以定速度壓縮芽種至變形量為0.05、0.15、0.25 mm，保持此變形量不變，當松弛曲線變化趨于水平時停止試驗；設(shè)定德美亞1號芽種在含水率分別為20.8%、25.4%、29.9%、36.4%條件下的被壓縮量為0.05 mm，當松弛曲線變化趨于水平時停止試驗，得到其應力松弛曲線[7]。通過MATBLE擬合德美亞1號芽種的松弛模量與時間關(guān)系曲線，得到含水率對松弛模量與時間的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 松弛特性指標

芽種的松弛特性指標包括松弛模量與松弛時間。采用廣義Maxwell模型（以兩個或兩個以上的單個麥克斯威爾模型并聯(lián)而成）如圖1，直接的反映出簡單的松弛指標規(guī)律，其應力松弛的一般表達式為（1）。

圖1 三單元玉米的廣義Maxwell模型Fig.1 Generalized Maxwell model of 3 units maize

式中：n—并聯(lián)的Maxwell單元模型個數(shù)；

σ（t）—任意時刻t的彈性回復力；

Ej—各Maxwell單元的松弛模量；

τi—各Maxwell單元的松弛時間；

ηj—各Maxwell元件中阻尼器粘性系數(shù)。

并利用識別松弛參數(shù)的Z變換法，它的定義公式為：

通過對時間（t）進行等間隔采集，進行Z變換，得到公式：

配合MATLAB程序，擬合出應力松弛曲線[8]，按照廣義Maxwell模型，擬合出類似此方程的流變學模型，分量Ej為松弛模量，分量τi為松弛時間。其中E1為第一分量（Ⅰ），松弛時間長，近似于固體；E2、E3為 2、3 分量（Ⅱ、Ⅲ），松弛時間短，近似于液體。E1代表玉米籽粒的骨架等結(jié)構(gòu)，E2、E3代表內(nèi)部蛋白質(zhì)、水分等液體組織。以含水率36.4%、變形量0.15 mm的德美亞1號芽種為例，得到芽種松弛方程松弛特性曲線如圖2。

隨時間增加，松弛模量逐步減小。曲線在20 s前快速遞減，20 s后減小速度緩慢，松弛模量接近常數(shù)。

2.2 含水率對松弛指標的影響

德美亞 1 號芽種在含水率 20.8、25.4、29.9、36.4%條件下，流變模型中分量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ單元的松弛模量與松弛時間變化值見表1。

表1 在含水率不同時德美亞1號芽種松弛指標表Table 1 Relaxation index table of Demeiya 1 bud in different moisture contents

由表1可看出，在不同含水率條件下，Ⅰ單元的松弛模量與時間始終大于Ⅱ、Ⅲ單元。且含水率對松弛模量及時間的影響如圖3~4。

圖3 含水率對松弛模量E1的影響Fig.3 Effect of moisture contents on relaxation modulus E1

由圖3可知，隨著含水率的增加，松弛模量、松弛時間逐步減小。在含水率為20.8%時，松弛模量最大值為8.59 MPa，松弛時間為804.7 s。在含水率36.4%時松弛模量最小，為3.95 MPa，松弛時間為714.3 s。含水率對松弛模量E1影響的關(guān)系曲線：y=-0.008x2+0.11x+9.25，R2=0.968 4；含水率對松弛時間影響的關(guān)系曲線：y=-0.295x2+10.08x+721.91，R2=0.997。

含水率對松弛模量和松弛時間影響的方差分析，見表2~3。

圖4 含水率對松弛時間的影響Fig.4 Effect of moisture contents on relaxation time

表2 含水率對松弛模量的單因素方差分析Table 2 The single factor analysis of variance of moisture content to the relaxation modulus

表3 含水率對松弛時間的單因素方差分析Table 3 The single factor analysis of variance of moisture content to the relaxation time

通過方差分析得F（351.464 8）＞F-crit（3.238 872），P-value（8.27E-15）≤0.01出含水率對松弛時間的影響極顯著。同理，含水率對松弛模量的影響也為極顯著。

2.3 變形量對芽種的應力松弛特性影響

圖5 玉米芽種松弛應力與時間關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve of the maize bud between relaxation stress and time

在含水率為36.4%，變形量為0.05、0.15、0.25 mm條件下，德美亞1號芽種的松弛應力與時間的關(guān)系曲線如圖5，不同變形量曲線變化趨勢類似。當對芽種施加外載荷時，芽種在其作用下迅速變形，應力迅速減小，變形穩(wěn)定時，應力變化趨于平穩(wěn)。變形量越大，初始應力越大，反之，初始應力越小，表明應力松弛變形量對松弛應力的大小有影響。變形量為0.05 mm時，初始應力為0.106 MPa，變形量為0.15 mm時，初始應力為0.057 MPa，變形量為0.25 mm時，初始應力為0.048 MPa。變形量越大，初始應力越大，反之，初始應力越小，表明應力松弛變形量對松弛應力的大小有影響。不同變形條件下，在相同松弛時間內(nèi)，松弛應力變化范圍值不同，變形量0.05 mm時，變化量為0.021 MPa，變形量0.15 mm時，變化量為0.024 MPa，變形量0.25 mm時，變化量為0.021 41 MPa。利用DPS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對單個玉米芽種應力松弛數(shù)據(jù)進行擬合，得到芽種的松弛應力-時間的關(guān)系曲線符合Richards模型[9]，表示式為，。

2.4 含水率對芽種的應力松弛特性影響

圖6 玉米芽種松弛應力與時間關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve of the maize bud between relaxation stress and time

在變形量0.05 mm，含水率為20.8%、25.4%、29.9%、36.4%條件下，德美亞1號芽種松弛應力與時間的關(guān)系變化規(guī)律相似，如圖6。不同含水率，芽種的初始松弛應力不同，含水率越大，初始應力越小。含水率為20.8%時，初始應力為0.1 MPa時，松弛試驗結(jié)束后，變化范圍為0.033 MPa，含水率為25.4%時，初始應力為0.083 MPa時，變化范圍為0.042 MPa，含水率為29.9%時，初始應力為0.073 MPa時，變化范圍為0.033 MPa，含水率為36.4%時，初始應力為0.059 MPa時，變化范圍為0.044 MPa。利用DPS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對單個玉米芽種應力松弛數(shù)據(jù)進行擬合，得到芽種的松弛應力-時間的關(guān)系曲線符合Richards模型[9]，表示式為,

3 結(jié)論

（1）用廣義Maxwell模型可以較好的反映德美亞1號芽種的應力松弛特性，并通過Z變換法、MATLAB軟件得出反應松弛特性指標松弛模量、松弛時間的應力松弛特性曲線。通過試驗測得，隨含水率增加，德美亞1號芽種的松弛模量與時間均減小。

（2）不同含水率對德美亞1號芽種松弛模量與松弛時間的影響，隨含水率增加，二者均減小，且影響為極顯著。

（3）德美亞1號芽種在一定變形量下，含水率越高，松弛應力越小；在一定含水率下，變形量越小，松弛應力越小。

［1］ http：//www.askci.com/news/chanye/20161212/15283382397.shtml.

［2］ 黃之斌.大豆、玉米籽粒儲運過程中壓縮、碰撞及剪切特性研究［D］.南京：南京財經(jīng)大學，2012.

［3］ 程緒鐸，馮家暢，嚴曉婕.碰撞對玉米籽粒結(jié)構(gòu)損傷的實驗研究［J］.糧食儲藏.2014，43（3）：19-22.

［4］ 孫驪，仇農(nóng)學，吳競爽.蘋果貯運時的機械損傷規(guī)律及評價［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，1996，12（4）：208-212.

［5］ 雷軍樂，王德福，張全超，等.完整稻稈卷壓過程應力松弛試驗［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（8）：76-83.

［6］ 尹海燕.水稻芽播氣吸式排種器的試驗研究［D］.長春：吉林農(nóng)業(yè)大學，2004.

［7］ 張洪霞.含水率對稻米籽粒應力松弛特性影響的研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學學報，2009，21（1）：37-39.

［8］ 雷得天，于松林，馬小愚，等.松弛參數(shù)的計算機識別［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，1997，28（2）：109-112.

［9］ 李衣菲.玉米芽種力學特性研究［D］.大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學，2016.

Research on Stress Relaxation Properties of Maize Bud

Li Yifei1，Wu Zhi2，Yi Shujuan1，Mao Xin1
（1.Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.Beidahuang Agricultural Machinery Co.Ltd.）

The study on the stress relaxation properties of maize bud was important to reduce the damage rate of maize bud.The bud of Demeiya 1，the moisture content of which was 20.8%，25.4%，29.9%，36.4%and the deflection was 0.05、0.15、0.25 mm，was conducted stress relaxation experiment and obtained stress relaxation curve.The important indexes of the relaxation characteristics，relaxation modulus and relaxation time，were obtained by using the Maxwell model.The effect of moisture content and deflection on relaxation stress and the effect of moisture content on relaxation modulus and relaxation time were analyzed.The experiment showed that moisture content and deflection had effect on relaxation stress and moisture content had effect on relaxation modulus and relaxation time.

maize bud；relaxation properties；experiment

S513

A

1002-2090（2017）06-0056-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.06.013

2016-10-15

省自然基金：玉米芽種精量播種裝置播種機理研究（E201331）；黑龍江省科技攻關(guān)項目：玉米芽種振動式定向排序裝置機理及試驗研究（GZ11B110）；省教育廳植質(zhì)缽育全程機械化栽培技術(shù)創(chuàng)新團隊（2014TD010）。

李衣菲（1990-），女，助理實驗師，黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設(shè)計方面的研究工作。

衣淑娟，女，教授，博士研究生導師，E-mail：yishujuan_2005@126.com。