谷子籽粒压缩力学性质及损伤裂纹形成机理

孙静鑫，杨作梅，郭玉明，崔清亮，武新慧，张燕青



谷子籽粒压缩力学性质及损伤裂纹形成机理

孙静鑫，杨作梅，郭玉明※，崔清亮，武新慧，张燕青

（山西农业大学工学院，太谷 030801）

在谷子联合收获机及谷子加工机械装备设计研制中需要掌握谷子籽粒的基本物性参数和力学性质，以及受压致谷子谷壳与米粒损伤及裂纹形成过程，从而确定和优化工作参数。为此该文测定了不同含水率下（25.1%，20.9%，17.5%，15.2%）4种优质谷子品种（晋谷21，张杂10号，吨谷，长谷）籽粒的基本物性参数，包括千粒质量、三轴尺寸等，并研究了不同含水率、品种和压缩方位（长度、宽度和高度方向的压缩方位）对谷子籽粒的压缩力学性质的影响，对试验数据进行了多响应完全随机区组分析。结果表明：同一品种谷子籽粒的长、宽、高、千粒质量、算数平均径、几何平均径均随含水率的降低而减小，不同品种间的物性参数差异显著（<0.001）；影响屈服载荷、变形量、破坏能以及表观弹性模量的主要因子依次是压缩方位、含水率、品种。对于同一种谷子，籽粒的长度、宽度和高度方位压缩时的屈服载荷和表观弹性模量都随着含水率的升高而减小，压缩变形量和破坏能随着含水率的降低呈先减小后增大的趋势。长度、宽度和高度方位压缩时，损伤裂纹的形成过程及发生机理、扩展形态和部位均不同，分别是：从籽粒的尖冠处沿着胚和胚乳连接处扩展，形成几乎贯穿籽粒长度方向的裂纹；从上下两接触点处由应力集中形成的贯穿籽粒宽度方向的裂纹；从腹面的种脐处沿胚乳抗压性最弱的部位延伸且贯穿籽粒一半的裂纹。研究结果为谷子播种，联合收获机及相关加工机械的设计、参数优化提供依据。

含水率；力学特性；弹性模量；谷子籽粒；品种；压缩方位

0 引 言

谷子古称粟或者稷，去皮后称为小米，除含有淀粉、蛋白质等主要营养成分外，还含有维生素B1和多种矿物质元素，具有补血健脑，安眠等功效。谷子在收割、脱粒、分离、清选、运输及贮藏等过程中受到压缩与碰撞造成损伤，损伤轻则会破损种皮，附着在谷壳外的腐生微生物和植物病原微生物便会侵入种子内部，加速种子老化劣变[1]，严重影响谷子的食用品质；损伤出现裂纹或破碎，储藏寿命缩短，丧失其活性，使种子不能发芽，降低种子的发芽率[2]。国内外学者对大豆、玉米、小麦、水稻等[3-7]谷物籽粒在不同方位的压缩特性进行了相关研究，以及运用ANSYS进行了有限元分析[8-9]，表明含水率、压缩方位、品种对谷物籽粒的挤压力、破坏能、表观弹性模量等有重要影响[10-13]；还有学者研究了此类谷物在压缩时裂纹的生成规律[14-16]，结果表明：压缩方位不同，裂纹的形状、数量和生成规律不同。而对于谷子的相关系统研究相对较少，Edward[17]研究了谷子含水率从5%变到22.5%时，其三轴尺寸、几何直径、球度、千粒质量、休止角、容重等的变化，杨作梅等[18]研究了含水率对谷子屈服载荷、变形量及表观弹性模量的影响。但尚未探明谷子压缩特性除受到含水率影响，还和品种、压缩方位等因素有关的结果。因此，本文系统地研究含水率、品种和压缩方位对谷子籽粒物性参数、压缩力学性质的影响以及不同压缩方位下籽粒损伤裂纹的形成机理，可为谷子联合收获机及相关加工机械的设计、参数优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

本试验样本选自山西农业大学试验田，是山西地区广泛种植的4种优质谷子品种：晋谷21，张杂10号，吨谷，长谷。在2016年10月份收获期取样进行试验。为了保持刚收获谷子籽粒的含水率，收获后迅速装入双层密封袋内，并置于冰箱内低温（1 ℃）冷藏。每次试验前，取出样品，在室温（23±1）℃下静置0.5 h。晋谷21，张杂10号，吨谷，长谷收获时的含水率分别为：25.97%，25.80%，24.43%，24.11%，各品种样本测试时的含水率分别为：25.1%，20.9%，17.5%，15.2%。

1.2 试验仪器与设备

日立SU5000扫描电子显微镜（日本日立公司生产），体式显微成像装置包括：SZ680连续变倍体式显微镜（目镜10X/23 mm，物镜变倍范围0.68～4.7X）、CCD摄像头，数显游标卡尺（精度0.01 mm）等工具；电子天平SQP型（赛多利斯科学仪器北京有限公司生产，检定分度值为10 mg，量程范围：20～510 mg）；快速谷物水分测定仪GAC2100AGRI（美国帝强公司生产，测量误差不超过±0.2%）；物性分析仪TA.XT.Plus（英国Stable Micro System生产，测试距离分辨率0.001 mm，测试速度范围0.01～40 mm/s）。

1.3 方 法

1.3.1 不同含水率样本的制备

为了不影响籽粒的力学性质，对于含水率高于所需含水率的谷子，采用自然晾干法[19]，将薄层谷子置于无阳光直射的室内，利用空气流通，使谷子的含水率降低，调整过程中注意每隔30 min测定一次含水率，以免时间过长，水分变化量过大；对于含水率低于所需含水率的谷子，采用加湿法[18]将含水率提高，喷洒去离子水的质量采用式（1）计算，将配置好的试验样品低温密封静置3 d以上，使含水率均匀。

式中0为谷子的初始质量，g；1为去离子水的质量，g；0为谷子的初始含水率，%，1为谷子所需的含水率，%。

1.3.2 籽粒千粒质量和三轴尺寸的测定

种子的大小通常用籽粒的三轴尺寸和千粒质量来表示，千粒质量是衡量种子品质的主要指标，三轴尺寸在种子清选上有重要意义[1]。本文采用千粒法，随机挑选1 000粒谷子籽粒，在电子天平上称质量[20]，重复两次求平均值。

测量谷子籽粒的三轴尺寸时，每次挑选一粒无虫害、无损伤的籽粒后，用数显游标卡尺测量其长（），宽（），厚（），如图1a所示，重复测量100粒求平均值[21]，谷子的纵切面图如图1b所示。

式中S为球度，%；为籽粒的长，mm；为籽粒的宽，mm；为籽粒的厚，mm。

单一粒径用谷子籽粒的三轴算术平均值D和几何平均值D表示：

式中D为算术平均值，mm；D为几何平均值，mm。

a. 谷子三轴尺寸

a. Triaxial size of millet

b. 谷子纵切面（×60倍）

b. Longitudinal section of millet (×60 times)

注：和分别为谷子籽粒的长、宽和高，mm。

Note:,andare length, width and height of millet grain, respectively, mm.

图1 谷子三轴尺寸及纵切面

Fig.1 Triaxial size and longitudinal section of millet

1.3.3 样本三轴压缩试验

选取试验模式为压缩模式，采用100 mm×90 mm的压缩底座和SMS P/36R圆柱形压缩探头作为压缩装置，如图2所示。试验时，测前速度为0.5 mm/s，压缩速度为0.01 mm/s，测后速度为1.0 mm/s，触发力为0.049 N，测前将物性分析仪预热20 min。测试前先用游标卡尺测量谷子籽粒的三轴尺寸，再将其固定在压缩底座上进行压缩试验，用尖头镊子去除压缩完后籽粒的谷壳，立即放到体式显微镜下观察并拍照。

a. 压缩装置

a. Compression device

b. 三轴压缩示意图

b. Diagram of three axial compression

注：为压缩力，N。

Note:is compressive force, N.

图2 谷子籽粒三轴压缩装置及示意图

Fig.2 Compression device and diagram of three axial compression of millet grain

谷子籽粒在收获、运输及贮藏等过程中所受到的压缩载荷的方向不同，损伤程度也不同，因此对籽粒进行、、轴3个方位的压缩试验非常重要。由于谷子籽粒小、质量轻、形状不规则，试验时难以用常规方法在不影响试验结果的前提下固定籽粒，采用黏性透明宽胶带对籽粒进行固定，如图2a所示，对籽粒进行三轴压缩试验的示意图如图2b所示。

方位压缩时，用赫兹公式[22]计算谷子的表观接触模量为

由于谷子与压缩板的两接触面曲率半径几乎相同[14]，所以可以将式（5）简化为[23]：

1.4 数据处理方法

通过完全析因方法设计试验，分别以谷子品种、含水率和压缩方位为试验因素，选取4个品种，4个含水率，3个压缩方位，进行“24×3”共48个处理，每个处理重复30次试验。考虑屈服载荷、变形量、破坏能以及表观弹性模量4个响应变量，采用SAS中manova语句进行多元方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种谷子籽粒在不同含水率下的基本物性参数

测取不同含水率、不同品种谷子籽粒的三轴尺寸、千粒质量，测试时的室温为（23±1）℃，通过三轴尺寸计算出球度、算数平均径、几何平均径，结果如表1所示。品种、含水率对谷子籽粒的基本物性参数的影响见表2。

表1 谷子籽粒的基本物性参数

表2 谷子籽粒的基本物性参数的显著性分析（P值）

由表2可知：品种、含水率、含水率和品种的相互作用对谷子籽粒的长、宽、高、千粒质量、算数平均径、几何平均径均有显著影响（<0.001），品种、品种和含水率的互作对球度影响显著（<0.001），而含水率对球度的影响不显著（>0.05）。

从表1中可看出，当谷子的含水率从15.2%升高到25.1%时，籽粒的长、宽、高、千粒质量、算数平均径、几何平均径均随含水率的升高而增大。谷子的体积包括水分、固相物质和气相填充的孔隙，孔隙随含水率的变化在不断的变化，随着含水率的降低，籽粒内部水分流失，水分流失的空间一部分完全缩减，另一部分被气相填充，最终导致籽粒的三轴尺寸减小[24]。

当谷子的含水率为25.1%时，千粒质量从大到小依次为晋谷21、吨谷、长谷、张杂10号，说明晋谷21的籽粒更饱满、均匀、充实，内部贮藏物质多。用作种子，晋谷21的发芽率为87.3%，吨谷的发芽率为77.3%，长谷的发芽率为64.7%，张杂10号的发芽率为33.2%，晋谷21的发芽率最高[1]。

各含水率下谷子的球度均在84%以上，籽粒的算术平均径在1.750～1.852 mm之间，几何平均径在1.732～1.834 mm之间，所以可将谷子形状近似看作椭球体[25]，在相关机械设计过程中，对谷子进行建模仿真分析时可将谷子模型近似简化为椭球体[6]。

2.2 含水率对籽粒压缩力学性质的影响

谷子籽粒压缩力与位移的关系曲线（以晋谷21为例）如图3所示。曲线具有较明显屈服拐点，在到达屈服点之前，压缩力的大小随位移量的增加近似线性增加[26]，体式显微镜下观察籽粒在屈服前未出现裂纹，如图4b所示。到达屈服点后，压缩力达到第一个峰值，此时籽粒微观结构发生错位，继而籽粒表面开始产生肉眼可见裂纹，如图4c所示，因此，对于谷子籽粒的屈服点是籽粒出现显著损伤的分界点，将该点对应的压缩力作为谷子受压的屈服载荷，而相应位移量即为谷子籽粒屈服时的变形量的2倍；此前的曲线与横坐标（位移）围成的面积的大小即为破坏能。此后压缩力先减小后增大，位移量继续增加，裂纹逐渐扩展、延伸，压缩力波动变化，随之谷子籽粒出现多条裂纹致破裂，如图4d所示。

图3 谷子压缩力-位移曲线（晋谷21）

注：以含水率为15.2%的晋谷21为例，下同。

不同品种谷子籽粒在不同含水率下的压缩试验结果及表观弹性模量计算结果如表3、4所示。

表3 谷子籽粒压缩试验结果

注：轴、轴和轴分别为谷子籽粒长度、宽度和厚度方向的压缩方位，下同。

Note:axis,axis andaxis are the compression azimuth of length, width and thickness direction of millet grain, the same below.

表4 谷子籽粒表观弹性模量和破坏能

表5中，代表品种、代表含水率、代表压缩方位。由表5可知：在0.01水平上含水率、压缩方位、品种对屈服载荷、变形量、破坏能和表观弹性模量均有显著性影响。参照值可见，影响屈服载荷、变形量、破坏能以及表观弹性模量的主要因子依次是压缩方位，含水率，品种。

表5 谷子籽粒压缩试验结果方差分析

2.2.1 含水率与屈服载荷的关系

由表3可知：对于同一种谷子，含水率在15.2%～25.1%范围内时，籽粒的、、轴方位压缩时所需的屈服载荷都随着含水率的升高而减小，含水率在20.9%～25.1%时，屈服载荷减小缓慢。谷子的含水率越低，籽粒的硬度和强度越高，其抗压性就越好，所需的屈服载荷就越大。

2.2.2 含水率与变形量的关系

由于压缩底座是固定的，且籽粒因压缩发生的小形变及接触状况具有对称性，故压缩探头的位移量是压缩变形量的2倍[27]，因此位移量的一半即变形量，表3中的变形量是屈服点对应的变形量。由表3可知，对于同一种谷子，随着含水率的降低，压缩变形量呈先减小后增大的趋势，轴方位压缩时，变形量在含水率为20.9%时最小，而、轴方位压缩时，变形量均在含水率为17.5%时最小。分析原因认为，随着含水率的降低，谷子的三轴尺寸减小，内部组织结合紧密，抗压能力增强；而含水率越高，内部组织越软，不同方位压缩时，因内部结构不同，在不同的含水率水平显现出软化情况。轴方位压缩时，含水率高于20.9%时，胚和胚乳连接处表现出软化情况，弹性变形能力增强；而、轴方位压缩时，含水率高于17.5%时，谷子籽粒的胚乳部分软化情况显现出来，弹性变形能力增强，因此变形逐渐增大。

2.2.3 含水率与破坏能的关系

破坏能是籽粒出现破坏所需的最小能量，与屈服载荷、变形量有关，屈服点的破坏能数值上等于屈服点以前的曲线与横坐标围成的面积大小（图3中阴影部分）。由表4可知，对于同一种谷子，在不同压缩方位下破坏能均随着含水率的升高先减小后增大，在含水率为20.9%时最小。分析原因认为，在一定含水率范围内，随着含水率升高，内部组织变软，屈服载荷减小，变形量先减小后增大，破坏能快速下降；当含水率升高到20.9%时，屈服载荷下降平缓，轴方位压缩时，变形量在20.9%最小，、轴方位压缩时，变形量在17.5%时最小，因此破坏能增大。

2.2.4 含水率与表观弹性模量的关系

谷子表观弹性模量是反映籽粒材料本身产生弹性变形能力的性质，即反映材料的塑形与脆性性能，其大小与籽粒的三轴尺寸、压缩载荷、变形量等有关。为减少误差，在“压缩力-位移”曲线上屈服载荷的70%～80%处[28]，等间距选取3个点作为计算表观弹性模量的压缩载荷，对应位移量的一半作为变形量，对计算结果求平均值即为表观弹性模量。

由表4可知：同一种谷子，在不同压缩方位下表观弹性模量均随着含水率的升高而减小，说明在弹性范围内，谷子的含水率越高，越容易产生弹性变形，即籽粒产生相同的变形量时需要的载荷越小或者在相同的载荷作用下，含水率越高，产生的弹性变形越大，与屈服载荷的试验结果一致，说明屈服载荷起主要作用。

2.3 压缩方位对籽粒压缩力学特性的影响

2.3.1 压缩方位与屈服载荷的关系

谷子籽粒在不同方位压缩时裂纹的生成规律如图5所示。

轴方位压缩时，是一条从籽粒的尖冠处沿着胚和胚乳连接处扩展、延伸形成几乎贯穿籽粒轴方向裂纹。由于籽粒的尖冠处抗压性最弱，胚和胚乳连接处抗压性较胚乳弱，因此压缩时，裂纹的起始点是籽粒的尖冠处[7]，而后沿着胚和胚乳连接处扩展、延伸，形成籽粒背面的曲线裂纹；籽粒腹面是一条从籽粒的尖冠处沿着种脐（腹面有一凸起的斑点）边缘到下接触点（籽粒与底座接触点）近似直线的裂纹，由于轴方位压缩时，两接触点的接触面积小，容易发生应力集中[29]，因此在腹面由于应力集中产生近似直线的裂纹，籽粒的两侧面均是胚乳，抗压性较强且无应力集中，因此无裂纹形成，如图5a所示。轴方位压缩时，是一条过胚和胚乳连接处且贯穿籽粒轴方向的近似直线的裂纹，在籽粒的背面和腹面近似是一条直线，在侧面是一条曲线，裂纹的起始点分别是籽粒和探头、籽粒和底座的接触点。这主要是由应力集中引起的，当施加到一定载荷时，在两接触点处出现应力局部增大，开始产生微裂纹，微裂纹沿胚乳在轴方位抗压性最弱的部位延伸，最后在背面和腹面产生近似于直线的裂纹，但由于背面和腹面的抗压性最弱的部位不同，这两条裂纹并不在同一条直线上，而是通过侧面的曲线连接，如图5b所示。

轴方位压缩时，裂纹是一条过种脐且贯穿籽粒一半的曲线。压缩时，背面向上放置，背面中部的胚内凹且比周围的胚乳稍低，探头首先接触的是背面的胚乳，胚乳的抗压性较强，当压缩到胚和胚乳的连接处时，由于胚和胚乳的连接处的抗压性较弱，开始产生裂纹；腹面在籽粒的种脐处由于应力集中开始出现裂纹，背面和腹面的初始裂纹沿胚乳抗压性最弱的部位延伸，最终在侧面形成一条近似直线的裂纹，如图5c所示。

图5 不同压缩方位的裂纹规律

由表3可知，同一种谷子，含水率相同时，、、轴方位压缩时的屈服载荷均依次增大。分析原因认为，3个方位压缩时均有不同程度的应力集中现象，接触面积越小，越容易发生应力集中，籽粒越容易发生破裂，轴方位压缩时，谷子籽粒的顶部受压，顶部的胚、胚与胚乳连接处的抗破裂性很弱[7]，很容易受到破坏，且轴方位压缩时接触面积最小，因此轴方位压缩时屈服载荷最小；、轴方位压缩时，籽粒的胚乳部分受压，但受压面积不同，轴方位压缩比轴方位的接触面积大，谷子籽粒的抗破裂能力强[8]，且轴方位受应力集中影响比轴方位的小，因此，受相同外载荷作用时，籽粒的轴方位较轴方位更易出现损伤[25]。说明谷子籽粒的屈服载荷除与含水率有关外，还与谷子籽粒的压缩方位、内部结构有关。

2.3.2 压缩方位与变形量的关系

由表3可看出：同一种谷子在同一含水率不同方位压缩时，轴方位的变形量最大，轴方位的次之，轴方位的最小。其主要原因是：轴方位压缩时，籽粒的谷壳与籽实（俗称小米）之间在轴方位上有空隙，探头接触籽粒开始加载时，压缩的只是谷壳，压缩载荷很小，继续加载，当谷壳与籽实接触时，开始压缩籽实，压缩载荷骤升，压缩到一定程度，籽粒顶部有胚的一端破裂，接着胚和胚乳的连接处破裂，因此，轴方位压缩产生的变形量最大；轴方位和轴方位压缩时，籽粒的胚乳部分受压，但轴方位变形主要是由于应力集中引起的，而轴方位变形主要是由于内部组织结构的抗压性不同引起的，因此相同载荷下，轴方位的变形量小于轴方位。

综上分析说明：同一种谷子在3个方位上的形态结构和坚实度不同[30-31]，所以籽粒的变形量还与压缩方位、形态结构有关。

2.3.3 压缩方位与破坏能的关系

由表5可知，压缩方位对破坏能的影响最大。由表4可看出：同一种谷子在同一含水率不同方位压缩时，轴方位压缩所需的破坏能最大，轴方位的次之，轴方位的最小，变化规律与变形量在不同方位压缩时的规律相似。

2.3.4 压缩方位与表观弹性模量的关系

由表4可看出：同一种谷子在同一含水率不同方位压缩时，表观弹性模量在、和轴方位压缩时依次增大。表观弹性模量越大说明：籽粒产生相同的形变量时需要的载荷越小或者在相同的载荷作用下，产生的弹性变形越大。、、轴方位压缩时的压缩载荷依次增大，而轴方位的变形量最大，轴方位的次之，轴方位的最小，表明不同方位材料性质各异，说明谷子是不均匀的、各向异性体，在谷子籽粒的有限元仿真和EDEM仿真时要考虑这个问题，以免出现较大误差。

2.4 品种不同对籽粒压缩力学性质的影响

由表5可知，品种对屈服载荷、变形量、破坏能、表观弹性模量的影响均极显著（<0.01）。由表3和表4可知：同一含水率下，、、轴方位压缩所需的屈服载荷、变形量、破坏能、表观弹性模量从大到小依次为晋谷21、吨谷、长谷、张杂10号、由表3可知，晋谷21与吨谷在3个压缩方位时所需的屈服载荷接近，说明2种谷子的抗压性能较好。

谷子中主要成分包括碳水化合物，蛋白质，脂肪[1]等。谷子的品种不同，籽粒的三轴尺寸不同，所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪等含量也不同[20]，籽粒尺寸越大，接触面积越大，同一方位压缩时的屈服载荷就越大；千粒质量越大，内部所含的营养物质越多，而碳水化合物和蛋白质在谷子中占80%以上[1]，在抗挤压中起着重要作用，所以在相同压缩条件下，晋谷21 和吨谷所需的屈服载荷最大，屈服时产生变形量最大。破坏能与屈服载荷、变形量有关，晋谷21 和吨谷的屈服载荷和变形量均最大，破坏能也最大，说明晋谷21 和吨谷的抗压性好，品质高，压缩过程中需吸收更多能量才能被破坏。因此，破坏能还与品种有关。籽粒产生相同的变形量时，承载能力较强的品种，表观弹性模量就越大。因此，表观弹性模量的大小与品种有关。

在设计相关机械时，应考虑谷子品种力学性质的不同，以最小力学性质指标作为设计参数；在谷子良种选用上可选择承载能力较好的谷子品种（如晋谷21），有利于降低籽粒在机械收获、脱粒及其加工作业中的破碎率。

3 结 论

该文进行了不同含水率下，不同品种谷子籽粒的压缩力学性质试验研究，并分析了压缩时籽粒损伤裂纹的形成过程及产生机理。主要结论如下：

1）谷子籽粒的长、宽、高、千粒质量、算数平均径和几何平均径受含水率和品种的影响显著（<0.001），均随含水率的降低而减小。含水率对球度的影响不大（>0.05），而品种对球度的影响显著（<0.001）。在0.01水平上，含水率、压缩方位、品种对屈服载荷、变形量、破坏能和表观弹性模量均有显著性影响。影响的主要因子依次是压缩方位、含水率、品种。

2）对于同一种谷子，籽粒的、、轴方位压缩时的屈服载荷和表观弹性模量都随着含水率的升高而减小，含水率在20.9%～25.1%时，屈服载荷减小缓慢；压缩变形量和破坏能随着含水率的降低呈先减小后增大的趋势。

3）谷子籽粒损伤裂纹的形成过程及机理为：轴方位压缩时，是一条从籽粒的尖冠处沿着胚和胚乳连接处扩展、延伸形成几乎贯穿籽粒轴方向裂纹；轴方位压缩时，是一条在籽粒和探头、籽粒和底座的接触点处由应力集中形成的贯穿籽粒轴方向的裂纹；轴方位压缩时，是一条从背面胚和胚乳的连接处到腹面的种脐处沿胚乳抗压性最弱的部位延伸且贯穿籽粒一半的裂纹。

4）、、轴方位压缩时的屈服载荷和表观弹性模量依次增大，轴方位的变形量和破坏能最大，轴方位的次之，轴方位的最小。

5）同一含水率下，、、轴方位压缩所需的屈服载荷、变形量、破坏能和表观弹性模量从大到小依次为晋谷21、吨谷、长谷、张杂10号，所以晋谷21 和吨谷的抗压性好，品质高。

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Compression mechanical properties and crack formation law of millet grain

Sun Jingxin, YangZuomei, Guo Yuming※, Cui Qingliang, Wu Xinhui, Zhang Yanqing

(,,030801,)

Millet contains protein, vitamin B1 and other mineral elements needed for human health, which has functions of enhancing blood circulation, brain tonic, and sleep quality. In recent years, the market demand for millet is rising. However, the mechanization level of millet harvesting is low. Manual harvesting is very common, which requires high labor intensity, has low efficiency and results in insufficient supply of millet. In this paper, we systematically investigated effects of moisture content and varieties of millet on its physical parameters, effects of millet varieties and compression azimuth on the compression mechanical properties (including yield load, deformation, failure energy and apparent elastic modulus) of millet, and effects of compression azimuth on crack formation of millet. The study results are expected to provide the basis for the design and optimization of millet harvester and related processing machinery. In this paper, the 1000-grain weight was measured by an electronic balance, the triaxial sizes by a vernier caliper, and the moisture content by fast grain moisture analyzer for four millet varieties: Zhangza-10, Dungu, Jingu-21, Changgu. The sphericity of the millet, the arithmetic mean diameter and the geometric diameter were calculated using the triaxial sizes. The compression tests were carried out alongaxis using a texture analyzer and the data were analyzed by SAS statistics software. The yield load, deformation, and failure energy were obtained from the force-distance curve measured by a texture analyzer. At the same time, the apparent elastic modulus was calculated according to the Hertz formula. The experimental results were summarized as follows in six categories. 1) For the physical parameters of the millet, with a moisture content between 15.2% and 25.1%，the length, width, height, 1 000-grain weight, average diameter and geometric mean diameter of millet grain decreased as the moisture content decreased. The millet length, width and thickness range from 2.028 to 2.112 mm, 1.818 to 1.931 mm, 1.413 to 1.513 mm, respectively. The sphericity of millet was more than 84%; the arithmetic mean diameter varied from 1.750 mm to 1.852 mm; and the geometric mean diameter 1.732 mm to 1.834 mm. Therefore, the shape of millet can be regarded as ellipsoid. There were significant differences (<0.001) in the triaxial sizes, 1000-grain weight, sphericity, arithmetic mean diameter and geometric mean diameter among different varieties. When the moisture content of millet was about 25%, the 1000-grain weight of Jingu-21 was 3.473 g, which was the heaviest millet, while Zhangza-10 was 3.264 g, which was the lightest millet. The moisture content has a negligible effect on the sphericity. The effect of varieties on sphericity was significant (<0.001). 2) For factors on the compression mechanical properties, the influence of moisture content, compression azimuth, and variety on the compression mechanical properties were significant (<0.01). The significant factors affecting the compression mechanical properties were compression azimuth, moisture content, and variety in a sequence from the most significant to the least significant. 3) For the effects of the moisture content, for the same kind of millet, the yield load and apparent elastic modulus decreased as the moisture content increased during compression inaxis. The yield load decreased slowly when moisture content ranged from 20.9% to 25.1%. The deformation and failure energy first decreased and then increased as the moisture content increased. For the same azimuth compression, the better the quality of the millet, the more compact the internal structure, and the smaller the deformation. 4) For crack formation of the millet: on theaxial, a crack started from the crest of the grain along the junction of embryo and endosperm, and then extended throughout theaxis. On theaxis, a crack started from the connection point of grain and probe and the connection point of grain and base throughout theaxis because of stress concentration. On the Z axis, a crack started from the junction of embryo and endosperm on the back to the ventral hilum along the weakest part of endosperm resistance extending throughout half of the grain. 5) For the effects of compression azimuth, the yield load increased in turn on theandaxis and the deformation and failure energy decreased on the, andaxis in turn. The apparent elastic modulus of the millet increased in turn on theandaxis. This result indicated that millet was not uniform and it was an anisotropic body. 6) For the effects of millet varieties, with the same moisture content, the compression mechanical properties of Jingu-21, Dungu, Changgu and Zhangza-10 varied from large to small. This indicated that Jingu-21 had a relatively good compression resistance and quality.

moisture content; mechanical properties; elastic modulus; millet grain; varieties; compression azimuth

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.040

S515; S220.1

A

1002-6819(2017)-18-0306-09

2017-07-01

2017-09-11

国家重点研发计划课题（2016YFD0701801）；山西农业大学科技创新基金项目（201212）；山西农业大学博士科研启动基金项目（412576）

孙静鑫，山西运城人，博士生，主要从事农业物料机械特性及农业机械化装备方面的研究。Email：Sunjingx0607@126.com

郭玉明，山西平定人，教授，博士生导师，主要从事农业生物力学与物料机械特性方面的研究。Email：guoyuming99@sina.com