成熟期白芸豆压缩特性试验

2020-10-19牛永泽衣淑娟陶桂香

农机化研究 2020年4期

牛永泽,毛欣,衣淑娟,陶桂香

(黑龙江八一农垦大学工程学院,黑龙江大庆 163319)

0 引言

白芸豆生物学名菜豆,别名四季豆、白腰豆等,我国云南、贵州、甘肃、内蒙古、黑龙江、吉林等省份均有种植。大白芸豆的荚壳数量相当大,如每公顷产干豆3 000kg,则荚壳就有900kg[1]。白芸豆籽粒不仅可以带来经济效益,其豆荚还可以促进畜牧业的发展。

由于白芸豆下部豆荚先成熟、上部豆荚后成熟,导致白芸豆的收获较困难,且因为生长特点不适合直接收获,所以只能采用分段式收获[2]。目前,收获的主要方式是采用人工收割后场院晾晒再脱粒。又由于白芸豆籽粒淀粉含量较高,收获时很容易引起籽粒破碎,成熟期的白芸豆的豆荚极易开裂,联合收获将引起大量炸荚,会加重损失[3]。

为了进一步减少损失,为白芸豆收获机和脱粒机研制提供参考,对白芸豆进行基本物料特性的测定和压缩特性试验。初步试验表明:白芸豆在含水率低于21%时易发生炸荚,大豆发生炸荚时的含水率为25%[4]。所以,白芸豆发生炸荚时的含水率比大豆低。

1 试验材料与仪器

1.1 试验材料

白芸豆由农户种植、提供,为黑龙江地区的小粒白芸豆。试验时,测量3种不同含水率的白芸豆备用。

1.2 试验仪器

水分测定仪为上海佳实电子科技有限公司生产的 MS-100 型测定仪,该仪器采用热烘干原理,自动显示被测物的水分数值,操作简单,数据稳定、准确;万能材料试验机为协强仪器制造(上海)有限公司的型号为CTM2050的微机控制电子万能材料试验机,其最大载荷为50kg,功率为0.4kW;另外,还有精度为0.1mg 的电子分析天平、精度为0.01mm的电子数显游标卡尺及角度仪等。

2 白芸豆基本物料特性

试验开始前选取成熟期的白芸豆豆荚,按成色的不同分为3组,取出里面的籽粒,测量每组籽粒的平均含水率。

2.1 三轴尺寸

将已经测好含水率籽粒按不同含水率分成3组,每组50粒,用游标卡尺分别测量每组籽粒的长、宽、厚,计算平均值,得到不同含水率下白芸豆的三轴尺寸,如图1所示。

图1 三轴尺寸Fig.1 Three axis size

由图1可以看出:在一定的含水率范围内,白芸豆籽粒的三轴尺寸随含水率的增加而增大,但变化范围不大,这与含水率的范围有关。由于测量的主要是收获时期的白芸豆籽粒,籽粒已经成熟,所以大小差异不大。

2.2 百粒质量

将籽粒按3种不同平均含水率分成5组,每组100粒,用天平测量其每组的质量,计算平均值,得到不同含水率下白芸豆的百粒质量,如图2所示。

图2 百粒质量Fig.2 Hundred grain weight

由图2可以看出:在一定含水率范围内,白芸豆籽粒的百粒质量随着含水率的增加而增大。

2.3 滑动摩擦角

选取3组含水率不同的白芸豆籽粒100粒,将其放在摩擦角测量装置上测量,板材与白芸豆脱粒机型板材质相同。试验开始时,轻缓地抬起倾斜板,当大部分籽粒滑动时,记下角度仪的读数,即为滑动摩擦角,如图3所示。

图3 滑动摩擦角Fig.3 Sliding friction angle

由图3可以看出:含水率为7.1%时,白芸豆籽粒滑动摩擦角为14.39°;含水率为8.4%时,白芸豆籽粒滑动摩擦角为15.06°;含水率为10.1%时,白芸豆籽粒滑动摩擦角为15.47°。随着含水率增加滑动摩擦角也有一定的增加但是变化不是很大,越成熟的白芸豆含水率越低,所以在收获时保证出粮口的斜面在16°以上即可。

2.4 自然休止角

选取3组含水率不同的白芸豆籽粒100粒,将其倒入自制漏斗内,使籽粒从漏斗底部排入至水平面上,待所有籽粒排出,且水平面籽粒停止流动后,采用角度仪测量休止角,结果如图4所示。

图4 自然休止角Fig.4 Angle of natural rest

由图4可以看出:在一定含水率范围内,自然休止角随着含水率的增加而增大。含水率为8.4%时,自然休止角为24.03°;含水率为10.1%时,自然休止角为25.1°。可以看出,自然休止角的增加趋势缓慢。

3 白芸豆籽粒压缩特性试验

3.1 试验方法

试验前对白芸豆进行挑选,采用人工筛选的方式将含水率基本相同的白芸豆放在一起,筛选时可以通过观察豆荚的成熟情况选取白芸豆,豆荚越干籽粒的含水率也就越低;然后,将筛选过的白芸豆籽粒随机选取若干、剪碎,放到水分测定仪的载物盘上,记录初始质量,进行含水率的测量。

试验在准静态状态下进行,通过万能材料试验机,可实现计算机自动控制和数据自动采集。试验时,通过电脑输入指令,万能试验机接受指令,从而进行上下移动;当上压头接触到被测物体时,受力载荷信号通过试验机上的测力传感器传入到电脑,在电脑上就可以清晰的看到被测物体的受力状态,可测定白芸豆籽粒破损时的最大静压力。

试验过程中,测量选取5组含水率不同的白芸豆,每组30粒,分别进行正放、侧放、立放、用万能材料试验机对白芸豆进行压缩试验。试验时,籽粒放置于载物静压盘上,上压头固定不动,当下压头以 20mm/min的速度向上运动、上压头接触到放置于下压头的籽粒后,电脑显示屏开始显示压力数据,并逐渐增大;当白芸豆籽粒破碎时,压力骤减,此时记录最大峰值为籽粒所能承受的最大静压力。

3.2 试验结果分析

3.2.1 籽粒最大静压力与含水率关系

籽粒受压缩载荷试验结果如表1所示。用Excel对表中的最大静压力平均值进行统计,绘制折线图,如图5所示。

表1 籽粒最大静压力Table 1 Maximum static pressure of grain

图5 白芸豆所能承受的最大静压力与含水率曲线Fig.5 Maximum static pressure and moisture content curves of white kidney beans

由图5可以看出:正放所承受的最大静压力要大于侧放和立放。无论是侧放还是立放,白芸豆籽粒所能承受的最大静压力都随含水率的增加先增大后减小;当含水率在12.3%时,籽粒所能承受的最大静压力达到最大值。产生这种情况的原因是由于白芸豆的韧性随含水率不断变化而导致的最大静压力出现峰值。由图5可知:含水率相同时,放置方式的不同对最大静压力产生影响,相同含水率下白芸豆侧放时所需的最大静压力略高于立放时白芸豆所需最大静压力。

3.2.2 籽粒静压力与变形量关系

图6为含水率为20.5%白芸豆籽粒正放时在压缩过程中力随变形量的变化曲线。由图6可以看出:随着载荷不断增加,白芸豆变形量越来越大,但直到载荷达到最大值时曲线仍没有下降,此时白芸豆早已经破碎。这是由于白芸豆的生物特性导致的,此时的白芸豆韧性极强,导致曲线不断上升,直至达到万能材料试验机的最大量程,迫使万能材料试验机停止运动。

图6 正放时白芸豆所能承受的静压力与变形量曲线Fig.6 Static pressure and deformation curves of white kidney beans when being placed

图7为含水率为20.5%白芸豆籽粒侧放时在压缩过程中力随变形量的变化曲线,图8为立放时的力随变形量的变化曲线图。

图7 侧放时白芸豆所能承受的静压力与变形量曲线Fig.7 The static pressure and deformation curve of the white kidney bean under lateral setting

图8 立放时白芸豆所能承受的静压力与变形量曲线Fig.8 Static pressure and deformation curve of white kidney bean under standing

由图7可以看出:随着变形量的不断增加,白芸豆所受的力越来越大;在含水率为20.5%时,白芸豆在 4.82mm 处籽粒破碎,压缩载荷为178.21N。由图8可以看出:在含水率为20.5%时,白芸豆在6.48mm 处,籽粒破碎,压缩载荷为104.11N。

3.2.3 籽粒最大变形量与含水率关系

为了方便比较,用Excel做出最大变形量、含水率、放置方式的折线图,如图9所示。

图9 含水率与最大变形量曲线Fig.9 Moisture content and maximum deformation curve

由图9可以看出:白芸豆的变形量随着含水率的升高先增大后减小,且当含水率在20.5%时变形量达到最高点。与图1相比较,白芸豆的最大静压力也是先增大后减小的,表明白芸豆的最大静压力与韧性成正比。但是,白芸豆最大静压力的峰值在含水率为12.3%时,而位移的峰值在含水率为20.5%时,产生这一差异的原因是白芸豆的抗压强度。白芸豆在含水率为20.5%时的抗压强度要低于含水率12.3%时的抗压强度,所以白芸豆的最大静压力的峰值出现在含水率为12.3%时。

4 豆荚的压缩特性试验

4.1 试验方法

试验前对白芸豆豆荚(含籽粒)进行挑选,将筛选过的白芸豆豆荚(含籽粒)随机选取若干、剪碎,放到水分测定仪的载物盘上,记录初始质量,进行含水率的测量。

试验在准静态状态下进行,通过万能材料试验机进行试验。试验时,为了能固定被测物,先对豆荚施加一定的预紧力。试验选取5组含水率不同的豆荚(含籽粒),将其放在压缩试验台上,进行正放、侧方、立放3种放置方式的观察,试验原理与籽粒压缩试验一样。试验开始时,电脑显示屏开始显示压力数据,并逐渐增大;当白芸豆豆荚炸荚时,压力骤减,此时记录最大峰值为豆荚炸荚所能承受的最大静压力。

4.2 试验结果分析

4.2.1 豆荚最大静压力与含水率关系

豆荚受压缩载荷试验结果如表2所示。

表2 豆荚最大静压力Table 2 Maximum static pressure of pods

由表2可以看出:当含水率为20.2%以下时,豆荚发生炸裂,但正放、含水率为20.2%时也没有炸荚。这是因为正放时豆荚没有炸荚前上压头便碰到了豆荚里面的籽粒,导致测不出炸荚时的最大静压力。为了清楚地比较白芸豆豆荚的特点,用Excel绘制折线图,如图10所示。

图10 豆荚所需最大静压力与含水率曲线Fig.10 Maximum static pressure and moisture content curve for pods

由图10可以看出:豆荚炸荚的最大静压力随着含水率的增加而增加。由于正放、含水率为20.2%时没有数值,所以前两个数值也符合这个规律,且能够得到正放时所需的最大静压力要大于侧放和立放,而侧放所需的最大静压力要略大于立放。

4.2.2 豆荚静压力与变形量关系

图11～图13分别为含水率为16.6%白芸豆豆荚3种放置方式在压缩过程中力随位移的变化曲线。

图11 正放时豆荚所能承受的静压力与变形量曲线Fig.11 Static pressure and deformation curves of pod can be sustained when placed

白芸豆豆荚在受到载荷后发生变形,当炸荚时力突然减小,此时出现的峰值即为豆荚炸荚所能承受的最大静压力。由图11可以看出:当含水率为16.6%时,豆荚在 1.49mm 处,豆荚炸荚,静压力为37.62N。由图12可以看出:当含水率为16.6%时,豆荚在1.75mm 处,豆荚炸荚,静压力为5.26N。由图13可以看出:当含水率为16.6%时,豆荚在1.65mm 处,豆荚炸荚,静压力为4.41N。