大豆脱粒过程籽粒力学特性试验研究

滕悦江,金诚谦,,3,印 祥,3,倪有亮,解鸿儒,陈艳普,郭飞扬,刘 鹏

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院,山东 淄博 255049;2.农业农村部南京农业机械化研究所,南京 210014;3.山东省旱作农业机械化与信息化重点实验室,山东 淄博 255049)

0 引言

大豆含有丰富的优质蛋白、不饱和脂肪酸、钙及B族维生素,是我国居民膳食中优质蛋白质的重要来源[1],也是转化为肉、蛋、奶的主要原料,可以供给热能、修补体内组织和调节生理功能[2-3]。大豆生产全程机械化是大豆产业高效发展的重要保障。资料表明:当前我国大豆在机械收获环节的破损率为5%～10%,在输送环节的损伤率更大[4-6]。大豆外部机械损伤形式多样、复杂,可归纳为破碎、两瓣和破损3种形式;大豆内部损伤可分为子叶损伤、错位和胚芽损伤3种形式[7]。大豆外部损伤容易在后续的分选和输送过程中消耗掉而造成直接经济损失,会降低品质,容易造成感染,不利于保鲜,缩短储存期[8-10]。大豆内部损伤不但会加剧后续分选和输送环节的破损,且若用作种子时会降低发芽率而造成减产[11]。因此,研究大豆籽粒在不同条件下的力学特性,对于降低大豆在机械收获、输送、储藏环节中的破碎率具有十分重要的作用和意义[12-14]。

关于大豆力学特性、损伤等的研究,前人做了大量工作并取得了有益的成果。高连兴、刘德军[15]等研究了含水率对大豆静压机械特性的影响,程绪铎、严晓婕、黄之斌[16]等研究了储藏条件(温度、含水率、储藏时间)对大豆籽粒力学特性(最大破坏力、最大破坏力能、最大破坏应变)的影响;张涛、张锋伟、吴建民[17]等研究了大豆籽粒在不同受载情况下的力学特性,并探索其化学-力学特性之间的关系。以上学者对大豆籽粒力学特性的研究虽然取得了显著成果,但仅仅是单独研究籽粒力学特性,并未将籽粒力学特性与收获机械部件的作用力关联起来。

本文选取含水率作为试验因素,通过材料试验机进行大豆力学特性试验。试验中针对不同受力方向、加载速度、刀片角度、钢针锥度及压入深度等试验方式,研究各影响因素、试验手段对大豆籽粒力学特性的影响规律,为改进大豆脱粒和输送装置、确定大豆最佳机械收获时间和其它工艺参数提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

为确保试验科学性和可靠性,试验采用安徽省淮北市濉溪县柳丰农业科学研究所种植的5个大豆品种作为试验材料,分别为皖豆33、皖豆37、徐豆14、徐豆20及皖宿01-15,各大豆品种籽粒相关物理特性参数如表1所示。为了减少随机误差,同一品种大豆要求粒形、质量和色泽较为接近、无病虫害、籽粒饱满,且经过统计得到不同品种籽粒大小所服从的正态分布,选择具有代表品种粒径大小的试样。

表1 各大豆品种籽粒相关物理特性参数

试验设备有美国英斯特朗公司生产的Instron 3340系列单立柱台式材料试验机,如图1所示。该试验机最大试验力为1000N,力分辨率为0.001N,位移分辨率为0.001mm。籽粒压破、剪切和针尖压入夹具如图2所示。另外,还有日本KETT(凯特)PM-8188-A水分计、DGL-2002A电热鼓风干燥箱、游标卡尺及数码相机。

图1 万能材料试验机

图2 各试验夹具

压破试验所采用的夹具上压盘直径为50mm,下压盘直径为100mm;剪切试验采用的夹具刀片厚度为2mm,刀刃分为10°、15°、20°、25°、30°等5种;顶破试验采用的钢针长60mm,直径1.2mm,锥度分为为19°、21°、22.6°、24°、26°等5种。

1.2 试验方案

大豆籽粒力学试验主要分为压破试验、剪切试验和顶破试验3类。压破试验以大豆含水率、加载方向、加载速度为影响因素,选取5个含水率水平,即14%、18%、22%、26%、30%;选择3个典型受力方向,即平压(加载方向垂直于大豆两子叶接触面)、立压(加载方向垂直于大豆两子叶接触面短轴方向)、侧压(加载方向垂直于大豆两子叶接触面长轴方向),如图3所示;选取5个加载速度水平,即5、10、15、20、25mm/min。剪切试验以刀片角度、加载速度和含水率为影响因素,刀片角度分为10°、15°、20°、25°、30°,加载速度和含水率参数设置同上。针尖压入试验以钢针锥度、压入深度和含水率为影响因素,钢针锥度为19°、21°、22.6°、24°、26°,压入深度分为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mm,含水率参数设置同上。

图3 压破试验中大豆受力方向

2 籽粒压破试验

2.1 籽粒压破试验过程

大豆籽粒压破试验10个样品载荷-位移曲线如图4所示。

图4 籽粒压破过程载荷-位移图

试验发现大豆压破过程主要分为4个阶段:第1阶段,载荷缓慢增加;第2阶段,载荷发生短时间内平稳;第3阶段,载荷增加速率加大;第4阶段,载荷急剧下降,大豆籽粒发生破裂。

2.2 压破试验数据分析

2.2.1 压破力与受力方向的关系

为了探究不同受力方向对大豆籽粒压破力的影响,对各大豆品种进行相同的含水率、相同加载速度条件下不同受力方向的压破试验。各品种大豆籽粒含水率调整为22%,试验加载速度设为25mm/min,受力方向分为平压、侧压、立压3种,测得压破力与大豆受力方向的关系如图5所示。

图5 压破力与受力方向的关系

由图5可知:3种受力方向中,平压时压破力最大,立压时压破力最小。平压时,徐豆20的压破力最大,达到57.84N;皖豆33的压破力最小,为53.01N。立压时,徐豆14的压破力最大,为45.43N;皖豆33的压破力最小,为41.52N。

分析不同放置方式对应压破力差异的原因可知:平压时,加载方向垂直于大豆两子叶接触面,籽粒破裂面也垂直于大豆两子叶接触面,表现为子叶断裂;而立放和侧放时,加载方向平行于大豆两子叶接触面,籽粒破裂面多为两子叶接触面,表现为两子叶开裂,这里连接力相对籽粒其余部分较小,因此平压时压破力最大。侧压与立压相比,侧压时破裂面多出现在两子叶接触面短轴的端点处,而立压时破裂面多出现在两子叶接触面长轴的端点处,因此立压时的压破力小于侧压时的压破力。3种受力方向条件下大豆籽粒破裂效果如图6所示,从左至右依次为平压、立压、侧压。

图6 3种受力方向大豆籽粒破裂效果对比图

2.2.2 压破力与加载速度的关系

为了探究不同加载速度对大豆籽粒压破力的影响,对各大豆品种进行相同的含水率、相同加载方向条件下不同加载速度的压破试验。各品种大豆籽粒含水率调整为22%,施压方向选为平压,加载速度分别为5、10、15、20、25mm/min,测得压破力与加载速度的关系如图7所示。

图7 压破力与加载速度的关系

由图7可知:籽粒压破力随着加载速度的增加呈现降低的趋势。5个品种中,当加载速度低于15mm/min时,徐豆14的压破力最大,皖豆33的压破力最小;当加载速度大于等于15mm/min时,徐豆20的压破力最大,皖豆33的压破力最小,加载速度在5～25mm/min的范围内,压破力最大为82.83N,最小为53.01N。

试验获得的压破力与加载速度的关系,为大豆联合收获机脱粒滚筒转速的设计提供了参考依据和技术支撑。

2.2.3 压破力与含水率的关系

为了探究不同含水率对大豆籽粒压破力的影响,对各大豆品种进行相同受力方向、相同加载速度条件下不同含水率的压破试验。受力方向设为平压,试验加载速度设为25mm/min,含水率分别为14%、18%、22%、26%、30%,测得压破力与含水率的关系如图8所示。

图8 压破力与含水率的关系

由图8可知:含水率由14%增大到30%的过程中,各品种籽粒压破力整体上均呈现先增大后降低的趋势。当含水率为22%时,各品种大豆籽粒压破力均最大,此时徐豆20的籽粒压破力最大,为57.84N;当含水率为30%时,各品种大豆籽粒压破力均最小,此时皖豆33的籽粒压破力最小,为38.49N。

同时发现,不同含水率大豆在进行压破试验时,表现的破损情况不同。当含水率低于18%时,籽粒破损多为炸裂:当含水率高于26%时,籽粒破损多为塑性变形、开裂:当含水率在18%～26%之间时,两种破损形式均有发生。分析含水率对大豆压破力影响的主要原因认为:含水率的不同,导致大豆内部组织、机械强度不同。含水率较高时,大豆内部组织较软,机械强度较低,抵抗破裂的能力较弱,受压容易变形破裂;随着含水率的降低,大豆籽粒内部组织变硬且强度提高,受压时相比于高含水率较不易变形,不易破裂,因此压破力升高,降低到某一含水率时达到峰值;当含水率继续降低时,大豆籽粒内部连接力减小,脆性增强,在受压时容易炸裂。因此,压破力随着含水率的升高呈现先增大后减小的趋势。

通过MatLab软件分别对5种大豆籽粒的压破力与含水率之间的关系进行拟合,函数关系式为

y1(w)=-0.163w2+6.713w-15.57

(1)

y2(w)=-0.139w2+5.732w-2.212

(2)

y3(w)=-0.125w2+5.302w+3.423

(3)

y4(w)=-0.1668w2+6.891w-15.09

(4)

y5(w)=-0.1513w2+6.09w-3.302

(5)

其中,y1(w)、y2(w)、y3(w)、y4(w)、y5(w)分别代表皖豆33、徐豆14、皖宿01-15、皖豆37、徐豆20的压破力(N);w代表籽粒含水率(%)。各关系式的相关系数R2分别为0.9708、0.9847、0.9739、0.9831、0.9866,关系函数拟合良好。大豆籽粒压破力与含水率之间的关系,为确定合适的大豆收获时间提供了技术支撑。由试验可知:为减少在脱粒系统打击作用下大豆破碎率,籽粒含水率控制在18%～26%之间比较合适。

3 籽粒剪切试验

3.1 籽粒剪切试验过程

大豆籽粒剪切试验10个样品载荷-位移曲线如图9所示。图9中,大豆剪切过程主要分为5个阶段:第1阶段,载荷小幅度缓慢增加;第2阶段,载荷短时间内保持不变;第3阶段,载荷增加速率加大,并发生小幅度降低;第4阶段,载荷继续增大,直至达到最大值;第5阶段,载荷开始下降。

图9 籽粒剪切过程载荷-位移图

3.2 剪切试验数据分析

3.2.1 极限剪切力与刀片角度的关系

为了探究刀片角度对大豆籽粒极限剪切力的影响,对各大豆品种进行相同的含水率、相同加载速度条件下不同刀片角度的剪切试验。刀片角度θ的定义如图10所示。

图10 刀片角度定义方式

各品种大豆籽粒含水率调整为22%,试验加载速度分为25mm/min,刀片角度分别为10°、15°、20°、25°、30°,测得籽粒极限剪切力与刀片角度的关系如图11所示。

由图11可知:各品种大豆籽粒极限剪切力随着刀片角度的增加而增大。当刀片角度为10°时,徐豆20的极限剪切力最大,为15.12N;皖宿01-15的极限剪切力最小,为12.12N。当刀片角度为30°时,徐豆20的极限剪切力最大,为26.31N;豌豆33的极限剪切力最小,为23.27N。这是由于刀片角度越小,剪切时大豆籽粒给予刀片竖直方向的阻力越小,因此所需的剪切力也越小。

3.2.2 极限剪切力与加载速度的关系

为了探究不同加载速度对大豆籽粒极限剪切力的影响,对各大豆品种进行相同的含水率条件下不同加载速度的剪切试验。各品种大豆籽粒含水率调整为22%,试验加载速度分为5、10、15、20、25mm/min等5个水平,测得籽粒极限剪切力与加载速度的关系如图12所示。

图12 极限剪切力与加载速度的关系

由图12可知:大豆籽粒极限剪切力随着刀片加载速度的提高呈现降低的趋势。在加载速度为5mm/min时,徐豆20的极限剪切力最大,为25.84N;在加载速度为25mm/min时,皖豆33的极限剪切力最小,为16.24N。这是由于刀片加载速度越大,所具备的动能越大,剪切试验时有更多的动能转化为剪切大豆所需的机械能,因此刀片剪切速度越快,剪切大豆籽粒所需的极限剪切力越小。

3.2.3 极限剪切力与含水率的关系

为了探究含水率对大豆籽粒极限剪切力的影响,对各大豆品种进行相同加载速度条件下不同含水率的剪切试验。试验加载速度设为25mm/min,含水率分别调整为10%、14%、18%、22%、26%,测得极限剪切力与含水率的关系如图13所示。

图13 极限剪切力与含水率的关系

由图13可知:随着含水率的升高,各品种大豆籽粒极限剪切力都呈现减小的趋势。当含水率为14%时,徐豆20的极限剪切力最大,为22.71N;皖豆33的极限剪切力最小,为19.34N。当含水率为30%时,依然是徐豆20的极限剪切力最大,为18.38N;皖豆33的极限剪切力最小,为14.88N。

分析上述现象产生的原因认为:随着含水率的升高,籽粒变软,硬度降低,抵抗变形的能力变弱;刀片在相同的作业参数下进行剪切试验,大豆籽粒的极限剪切力随之减小。

通过MatLab软件分别对5种大豆籽粒的极限剪切力与含水率之间的关系进行拟合,函数关系式为

J1(w)=-0.307w+25.69

(6)

J2(w)=-0.3372w+26.98

(7)

J3(w)=-0.354w+27

(8)

J4(w)=-0.3667w+28.19

(9)

J5(w)=-0.392w+28.95

(10)

其中,J1(w)、J2(w)、J3(w)、J4(w)、J5(w)分别代表皖豆33、徐豆14、皖宿01-15、皖豆37、徐豆20的极限剪切力(N);w代表籽粒含水率(%)。各关系式的相关系数R2分别为0.9755、0.9636、0.9775、0.991、0.9783,关系函数拟合良好。

4 籽粒顶破试验

4.1 籽粒顶破试验过程

籽粒顶破试验时载荷-位移曲线图如图14所示。在针尖下压过程中,载荷平稳增加,最初载荷曲线轨迹相近;随着压入深度的增加,不同试样的载荷略有不同,在达到设定压入深度时试验自动停止,系统自动取曲线上两点求出曲线斜率。

图14 顶破试验载荷-位移曲线图

4.2 顶破试验数据分析

4.2.1 籽粒硬度与钢针压入深度的关系

由于压破试验和剪切试验都有明显的试验终止点,而针尖压入试验终止点由人为设置,因此有必要探究终止点对针尖压入试验的影响。当含水率为22%、加载速度为2mm/min、针尖锥度为23°时,将针尖压入深度设置5个水平,分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mm,测得籽粒硬度与钢针压入深度的关系如图15所示。

图15 硬度与钢针压入深度的关系

由图15可知:钢针压入深度在0.2～1.0mm范围内时,钢针压入深度对籽粒硬度无明显影响;徐豆20的硬度最大,约为21N/mm;皖豆37的硬度最小,约为12.5N/mm。

4.2.2 籽粒硬度与钢针锥度的关系

为了探究不同锥度钢针对测量的大豆籽粒硬度的影响,在含水率为22%、试验加载速度为2mm/min、压痕深度为0.2mm条件下,将钢针锥度分为19°、21°、23°、25°、27°等5个水平进行试验,结果如图16所示。

图16 硬度与钢针锥度的关系

由图16可知:当钢针锥度为19°时,徐豆20的硬度最大,为13.22N/mm;徐豆14的硬度最小,为8.37N/mm;当钢针锥度增加到27°时;徐豆20的硬度最大,为25.87N/mm,皖豆37的硬度最小,为17.83N/mm。在钢针锥度由19°升高至27°的过程中,籽粒硬度随着钢针锥度的增大而增大。这是由于随着钢针锥度的增大,顶破同样深度的籽粒所受到的阻力变大,钢针所需的加载力随之增大,单位距离所需的加载力也将增大。

4.2.3 籽粒硬度与含水率的关系

为了探究含水率对大豆籽粒硬度的影响,在试验加载速度为2mm/min、钢针锥度为23°、压痕深度为0.2mm条件下,将籽粒含水率分为14%、18%、22%、26%、30%等5个水平进行试验,测得籽粒硬度与含水率的关系如图17所示。

图17 硬度与含水率的关系

由图17可知:随着含水率的增大,籽粒硬度呈现逐渐降低的趋势。当含水率为10%时,徐豆20的硬度最大,为32.23N/mm;皖豆37的硬度最小,为27.43N/mm。当含水率为26%时,徐豆20的硬度降到14.33N/mm;此时徐豆14的硬度最小,为8.98N·mm-1。

通过MatLab软件分别对5种大豆籽粒的极限剪切力与含水率之间的关系进行拟合,函数关系式为

R1(w)=-1.157w+40.93

(11)

R2(w)=-1.258w+42.85

(12)

R3(w)=-1.273w+44.96

(13)

R4(w)=-1.107w+37.97

(14)

R5(w)=-1.097w+44.14

(15)

其中,R1(w)、R2(w)、R3(w)、R4(w)、R5(w)分别代表皖豆33、徐豆14、皖宿01-15、皖豆37、徐豆20的硬度(N/mm);w分别代表皖豆33、徐豆14、皖宿01-15、皖豆37、徐豆20的硬度(N/mm);w代表籽粒含水率(%)。各关系式的相关系数R2分别为0.9936、0.9821、0.993、0.9785、0.9763,关系函数拟合良好。

5 结论

1)大豆压破试验中,相同含水率、相同加载速度条件下,平压时压破力最大,压破力的范围为53.01～57.84N;立压时压破力最小,压破力的范围为41.52～45.43N。这表明,大豆籽粒具有各向异性的材料特性;相同受力方向、相同含水率条件下,随着加载速度的增加,压破力呈逐渐减小的趋势,压破力的范围为53.01～82.83N。

2)分析压破试验破损结果可知:不同受力方向、不同含水率条件下,大豆破损情况不同。正压试验中,籽粒破损多为大豆子叶断裂,而侧压和立压试验中,籽粒破损多为两子叶开裂。当含水率低于18%时,籽粒破损多为炸裂;当含水率高于26%时,籽粒破损多为塑性变形开裂;当含水率在18%至26%之间时,两种破损形式均有发生。

3)大豆剪切试验发现:相同含水率、相同加载速度条件下,极限剪切力随刀片角度增加而增大,籽粒极限剪切力的范围为12.12～26.31N;相同刀片角度、相同含水率条件下,籽粒极限剪切力随加载速度的增加而逐渐降低,极限剪切力的范围为18.84～25.84N;在相同刀片角度、相同加载速度条件下,籽粒极限剪切力随含水率的升高而逐渐降低,极限剪切力的范围为16.28～23.71N。

4)大豆顶破试验发现:在相同试验条件下,钢针锥度对籽粒硬度有很大影响,随钢针锥度的增加而增大,硬度范围为9.31～25.87N/mm;相同条件下,籽粒硬度随含水率的增加而降低,硬度范围为8.98～32.23N/mm;在钢针压入深度0.2～1.0mm范围内,压入深度对籽粒硬度没有显著影响。

5)大豆机械化收获过程中,在相同作业参数条件下,大豆籽粒压破力、极限剪切力、硬度越大,则机械收获的破碎率越低。因此,根据本文力学试验数据,建议在大豆籽粒含水率为18%～26%时进行机械收获和运输效果最佳。