豌豆子粒的力学性能试验分析

2015-03-20代治国雷昌浩刘开生陈崇张锋伟

湖北农业科学 2015年2期

代治国雷昌浩刘开生陈崇张锋伟

摘要：利用材料力学万能试验机进行了豌豆（Pisum sativum L.）压缩、剪切力学性能试验，并采用针尖压入法对豌豆子粒进行硬度试验分析。结果表明，破碎负载、弹性模量、剪切力、剪切强度随着含水率的增加均有明显下降;在相同含水率下，破碎负载、弹性模量、剪切力、剪切强度在平放时最大，侧放时次之，立放时最小;硬度与含水率呈显著性负相关，而与压痕深度相关性不明显。

关键词：豌豆（Pisum sativum L.）子粒;力学性能;硬度

中图分类号：S529 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）02-0461-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.053

Analyzing Mechanical Properties of Pea

DAI Zhi-guo1，LEI Chang-hao1，LIU Kai-sheng1，CHEN Chong1，ZHANG Feng-wei2

（1.Chongqing Economy and Trade Secondary Specialized School， Chongqing 402160， China;2.School of Engineering，

Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： Pea compression， shear mechanical tests were conducted by using the mechanical universal testing machine. The hardness of the pea was studied with needlepoint pressing-in method. The results showed that with the increase of moisture contents， crushing load， elastic modulus， shearing force and shearing strength decreased obviously. At the same contents of moisture， crushing load， elastic modulus， shearing force and shearing strength was the largest when it was placed in the position of lying in flat， smallest when placed in standing， and medium when placed with lying on side. Hardness and moisture content was significantly negatively correlated. There was no obvious correlation with the indentation depth.

Key words： pea grain;mechanical properties;hardness

豌豆（Pisum sativum L.）又名毕豆、国豆、荷兰豆、回回豆等，其性味甘平，具有和中下气、利小便、解疮毒等功效[1]，豌豆可制成糕点、豆馅、粉丝、粉皮、凉粉、淀粉等。豌豆子粒在收获、运输、干燥、贮藏过程中，易受到相关机具工作部件的碰撞、摩擦与挤压，造成豌豆子粒的损伤、破碎，从而影响豌豆的品质、利用率、经济价值和种子发芽率。而在豌豆子粒粉碎加工过程中，一般需要用机械的方法将豌豆子粒破碎、脱皮和脱胚，因此，对豌豆的力学特性进行研究具有重要的意义。国内外学者对小麦（Triticum aestivum Linn.）、莲子（Semen nelumbinis）、玉米（Zea mays）、花生（Arachis hypogaea Linn.）、杏核（Armeniaca）、大豆（Glycine max）等农作物的力学特性进行了大量的研究[2-12]，但未见对豌豆子粒进行挤压、剪切、硬度的力学特性研究的报道。本研究选择豌豆作为试验材料，通过豌豆在不同含水率下对其进行挤压、剪切、硬度试验，分析了其力学特性，为豌豆收获、储运及加工相关环节农产品作业机械的设计、加工工艺提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验选取豌豆品种为陇南1号，由甘肃省农业科学院提供。豌豆子粒饱满、无损伤、无虫害。浅绿色，圆形，颗粒直径大概6 mm，子粒千粒重234 g，选取含水率分别为10.3%、14.3%、16.3%、18.3%的豌豆子粒为研究对象。

试验仪器为深圳SANS公司制造的CMT2502型微机控制电子万能试验机。试验过程中可实时动态显示挤压力、位移、变形、加载速度及试验曲线，具有曲线高级分析功能，能自动计算弹性模量、屈服强度、破碎负载、最大变形等参数，最大试验力为500 N，力分辨率为0.01 N，位移分辨率为0.001 mm。

1.2 方法

1.2.1 豌豆子粒的压缩性能试验分别对不同含水率下的豌豆子粒采用平放、侧放、立放3种不同放置方式（图1）。试验所采用的加载压头为平板压头，加载速率为3 mm/min，同一试验重复20次。

1.2.2 豌豆子粒的剪切性能试验分别对不同含水率下的豌豆子粒采用平放、侧放、立放3种不同放置方式进行剪切试验（图2）。试验所采用的刀具为上海吉列公司制造的飞鹰牌单面保安刀片，加载速率为3 mm/min，同一试验重复20次，分别测得剪切时豌豆的极限剪切力和剪切强度，并取其平均值。

1.2.3 豌豆子粒的硬度特性试验将豌豆子粒用粗糙度为240的砂纸磨平，露出相应的待测部位，形成待测面。将豌豆子粒的另一侧也磨平，形成底座面。打磨时，豌豆子粒的待测面和底面都不要与豌豆两瓣子叶之间的结合面垂直，以避免针尖扎到结合缝上，造成误差。选用直径为1.40 mm，长度为80 mm，针尖锥度为18.6°的大号钢针，垂直夹持到试验机活动横梁端，并将钢针上端顶死，以确保钢针受压时，不产生纵向位移。将制作好的试样稳稳地放在试验机压缩平台上，将针尖对准待测面，进行压入试验。钢针插入深度定为0.5 mm，加载速度定为3 mm/min，试样标距L0为100 mm，试样直径D0为10 mm。

2 结果与分析

2.1 豌豆子粒的压缩性能试验结果

1）豌豆子粒压缩性能试验结果见表1，不同含水率和放置方式下的豌豆破碎负载及其变化规律如图3所示。在选取试验因素水平范围内，同一受力方向下的破碎负载随含水率提高而减小，含水率为18.3%时破碎负载最小，含水率为10.3%时破碎负载最大。在同一含水率下，平放时破碎负载最大，侧放时次之，立放时最小。

通过Matlab软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和破碎负载之间的函数关系式表示为：

FP=467.992 2-5.335 7X-0.526 1X2 R2=0.992 1 （1）

FC=401.852 4-13.991 2X-0.059 7X2 R2=0.981 4 （2）

FL=226.941 6-0.007 4X-0.432 4X2 R2=0.979 6 （3）

由式（1）至式（3）可知，豌豆含水率和破碎负载之间关系近似为二次函数，在3种不同放置方式下，含水率与破碎负载的关系曲线近似为开口向下的抛物线。其中，平压时决定系数R2=0.992 1;侧压时决定系数R2=0.981 4;立压时决定系数R2=0.979 6，关系函数拟合良好。

2）豌豆弹性模量是衡量产生弹性形变的难易程度，弹性模量越大表明其在一定压力作用下发生的弹性变形越小。本试验应用的CMT2502型微机控制电子万能试验机具有自动测量并记录弹性模量的功能，可以测得豌豆在任意压力和形变量下的弹性模量，计算弹性模量计算平均值（表1）。豌豆子粒在不同含水率和不同放置方式下的弹性模量变化规律如图4所示。3种不同放置方式下的豌豆弹性模量均随含水率的增大而逐渐降低。在相同含水率下，平放时弹性模量最大，侧放次之，立放最小。由Matlab软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和弹性模量之间的关系式表示为：

EP=749.592-33.693X r2=0.985 5 （4）

EC=715.732-34.759X r2=0.983 4 （5）

EL=655.072-32.343X r2=0.972 2 （6）

由式（4）至式（6）可知，豌豆含水率和弹性模量之间关系近似为递减的一次函数，3种不同放置方式下，含水率与弹性模量的关系曲线近似为直线。其中，平放时决定系数r2=0.985 5;侧放时决定系数r2=0.983 4;立放时决定系数r2=0.972 2，关系函数拟合良好。

2.2 豌豆子粒的剪切性能试验结果

1）豌豆子粒剪切试验结果见表2，不同含水率和放置方式下的豌豆剪切力及其变化规律如图5所示。在相同的放置方式下，豌豆的剪切力随含水率增加而降低，含水率为18.3%时剪切力最小，含水率为10.3%时剪切力最大。

在同一含水率下，平放时豌豆的剪切力最大，侧放次之，立放最小。通过Matlab软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和剪切力之间的函数关系式表示为：

FP=82.736 2-1.484 4X-0.082 4X2 R2=0.997 6 （7）

FC=70.412 3-2.265 1X-0.033 5X2 R2=0.965 1 （8）

FL=66.949 2-2.035 2X-0.042 3X2 R2=0.934 9 （9）

由式（7）至式（9）可知，豌豆含水率和破碎负载之间关系近似为二次函数，3种不同放置方式下，含水率与剪切力的关系曲线近似为开口向下的抛物线。其中，平压时决定系数R2=0.997 6;侧压时决定系数R2=0.965 1;立压时决定系数R2=0.934 9，关系函数拟合良好。

2）本试验使用的CMT2502型微机控制电子万能试验机具有自动测量并记录剪切强度的功能，可以测得豌豆在剪切时的剪切强度，计算剪切强度平均值（表2）。豌豆子粒在不同含水率和不同放置方式下的剪切强度变化规律如图6所示。3种不同放置方式下的豌豆剪切强度均随含水率的增大而逐渐降低。在相同含水率下，平放时剪切强度最大，侧放次之，立放最小。由Matlab软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和剪切强度之间的关系式表示为：

？滓P=0.870 2-0.009 6X-0.001 2X2 R2=0.964 5

（10）

？滓C=0.588 2-2.035 2X-0.000 9X2 R2=0.993 1

（11）

？滓L=0.823 7-0.023 9X-0.000 6X2 R2=0.978 2

（12）

由式（10）至（12）可知，豌豆的含水率和剪切强度之间关系近似为二次函数，在3种不同放置方式下，含水率与剪切强度的关系曲线近似为开口向下的抛物线。其中，平压时决定系数R2=0.964 5;侧压时决定系数R2=0.993 1;立压时决定系数R2=0.978 2，关系函数拟合良好。

2.3 豌豆子粒的硬度特性试验结果

1）豌豆子粒不同含水率的硬度。对4组不同含水率的豌豆子粒，每组选取20粒，对其进行针尖压痕试验，压痕深度为0.5 mm，得到含水率为10.3%、14.3%、16.3%、18.3%的豌豆子粒的硬度分别为55.8、36.8、27.7、15.8 MPa。图7是4种不同含水率豌豆的载荷—压痕曲线。

2）豌豆子粒不同压痕深度的硬度。使用锥度为18.6°的钢针，分别以0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mm的压入深度，对4种不同含水率的豌豆子粒进行硬度测定，每个深度重复20次，取其豌豆硬度平均值（表3）。应用SPSS19.0统计分析软件针对表3中的豌豆子粒硬度试验结果，选取含水率、压痕深度作为方差来源进行相关方差分析，结果如表4所示。由表4可以看出，含水率对其硬度的作用均为显著，压痕深度对豌豆子粒硬度特性的作用不显著。

采用SPSS软件图形分析相关性得出，豌豆子粒的硬度与含水率在显著水平0.014下，呈显著性负相关，决定系数为0.985 3。豌豆子粒的含水率越大，豌豆子粒的硬度越小（图8）。

综上所述，豌豆子粒硬度与压痕深度之间相关系数为0.209 3，说明豌豆子粒的硬度与压痕深度呈正相关，但相关不显著。

3 小结与讨论

1）通过对含水率为10.3%～18.3%豌豆进行力学特性试验，探明了不同含水率下豌豆子粒挤压力学特性、剪切力学特性以及硬度的变化规律，建立了豌豆子粒的破碎负载、弹性模量、剪切力、剪切强度、硬度与含水率之间的函数关系。

2）在平放、侧放及立放3种不同放置方式下挤压时，随着含水率的增加，豌豆子粒的破碎负载和弹性模量均有明显的下降，而最大屈服变形量却升高。在同一含水率下，平放挤压时破碎负载和弹性模量最大，侧放挤压时次之，立放挤压时最小。

3）在平放、侧放及立放3种不同放置方式下剪切时，随着含水率的增加，豌豆子粒的剪切力和剪切强度均有明显的下降，而最大屈服变形量却升高。在同一含水率下，平放挤压时剪切力和剪切强度最大，侧放挤压时次之，立放挤压时最小。

4）利用压痕加载曲线的斜率，通过虚拟弹性模量的方法，可以测定豌豆子粒的硬度。通过试验结果与方差分析可以得到，豌豆子粒的硬度与含水率呈显著负相关，豌豆子粒的含水率越低，豌豆子粒硬度越大;豌豆子粒的硬度与压痕深度呈正相关，但相关不显著。

参考文献：

[1] 曹伟，陈锦屏，李红民，等.南瓜酶法制汁工艺研究[J].西北大学学报，2000，30（3）：244-246.

[2] 胡婷，焦群英，付志一，等.小麦茎秆的抗弯复合材料力学模型[J].应用力学报，2007，24（1）：279-283.

[3] 程玉来，孙戌旺.小麦籽粒抗剪切力与其品质性状的关系[J].农业工程学报，2009，25（6）：314-316.

[4] 袁月明，栾玉振.玉米籽粒力学性质的试验研究[J].吉林农业大学学报，1996，18（4）：75-78.