不同含水率对油莎豆物理特性及力学特性的影响*

2022-02-25何勋吕严柳王万章周正何豪郭海钦

中国农机化学报 2022年1期

何勋，吕严柳，王万章，周正，何豪，郭海钦

(河南农业大学机电工程学院，郑州市，450002)

0 引言

油莎豆是一种利用价值极高的油、粮、饲多用新型作物，富含淀粉、糖、油脂、蛋白质、膳食纤维等，是最具潜力的油料替代作物之一，能替代大豆作为油料作物弥补食用油缺口，保障食用油安全，提高食用油自给率[1-3]。开展油莎豆全程机械化生产装备及加工工艺研究，对其本身进行基础的物理力学特性研究是非常必要的[4-7]。在油莎豆生产过程中，收获时进行挖掘、升运、豆草分离、清洗干燥等过程中存在挤压摩擦从而使油莎豆的破损率上升。研究表明，含水率对块茎类作物果实的物理力学特性具有显著影响[8-10]。因此，探究油莎豆的物理力学特性以及力学参数与含水率之间的变化规律，对油莎豆生产及干燥装备设计具有指导意义。

国外涉及油莎豆的相关物理力学特性的研究甚少，主要有研究不同品种油莎豆在4种含水率水平下的物理力学特性[11]及研究含水率对油莎豆物理特性的影响[12]，而国内在油莎豆相关物理特性和力学特性的研究鲜有报道。为此，为探究国内推广种植品种的油莎豆物理力学特性，本文在常温条件下对不同含水率的油莎豆进行了压缩试验、摩擦特性试验、休止角试验，以明确不同含水率条件下油莎豆三轴尺寸、平均几何粒径、球度、最大破碎力、滚动摩擦系数、休止角的变化规律，为油莎豆全程机械化生产过程中相关机具的设计提供参考。

1 试验材料与设备

1.1 试验材料

本试验材料选用河南省新郑市郭家镇敬家庄试验基地示范推广种植的圆粒品种(引进西班牙)，外表呈棕色，类球型，平均长度11.50 mm，平均宽度10.04 mm，平均厚度11.56 mm，其基本特征尺寸见图1。

图1 油莎豆特征尺寸

该品种收获期含水率为44.4%，平均单粒重为0.83 g，通过处理，分别得到20%、25%、30%、35%、40%含水率下的油莎豆样品，每个含水率水平下选出均匀、无破损且无虫害的颗粒作为试验样本。

1.2 主要设备与仪器

主要试验设备有ZQ-890B型电动拉力试验机(测试速度0.5～500 mm/min，测试行程350 mm，测力精度优于±1%)，物料摩擦学特性参数综合测试装置，101-00A型电热鼓风干燥箱，数显倾角仪。其中，电动拉力试验机由测试主机和计算机组成，见图2。

图2 电动拉力试验机

2 试验方法

2.1 三轴尺寸的测定

三轴尺寸是物料最基本的本征特征，油莎豆含水率的变化在一定程度上影响其形态尺寸的大小，一般情况下，含水率越小越干瘪，基本形态尺寸越小。对于油莎豆散粒物料，用球度和平均几何粒径来表示其形态尺寸[13]。其中，球度是表示物料实际形状和球体之间的差异，其计算公式见式(1)。

(1)

粒径表示物料的几何尺寸和形态，油莎豆籽粒较小，其粒径常用几何平均粒径来表示[14]。测试时，随机选取100粒无破损且无虫害的油莎豆，用游标卡尺分别测量其长、宽、厚的尺寸，取平均值。其中，几何平均粒径的计算公式见式(2)。

(2)

2.2 摩擦特性的测定

用实验室自制的物料摩擦学特性参数综合测试装置测量油莎豆与钢板之间的滚动摩擦系数[15]，见图3。用泡沫胶将不同含水率条件下的油莎豆单层固定于同一平面，放置在水平测试板中部，匀速绞动手柄使测试板缓慢上升，直至油莎豆发生移动，读出此时数显倾角仪的数值，其正切值即为滚动摩擦系数。每一组含水率条件下油莎豆的滚动摩擦系数重复测量30次，取平均值。

图3 物料摩擦学特性参数综合测试装置

2.3 压缩力学特性的测定

试验前，设定电动拉力试验机的上下限位，测试模式为压缩定位移。试验时，将油莎豆置于圆形压盘上，点击下降按钮，直至上压头接触油莎豆时停止，将数据清零。点击start按钮，机器以3 mm/min的速度均匀缓慢向下移动，直至油莎豆表面出现裂纹或者听到破裂声，继续加载至完全破碎前停止。点击暂停按钮，记录“压力—变形曲线”并保存数据。油莎豆的破裂点对应的压力值即为最大破碎力值。

2.4 休止角的测定

休止角是散粒物料从一定高度连续下落到平面时，所堆积成的圆锥体母线与底平面的夹角，反映物料的内摩擦特性和散落性能[16]。采用排出法测量油莎豆的休止角，首先将无底圆筒置于水平铁板上，再将油莎豆装满无底圆筒里，人工缓慢垂直向上提起，使油莎豆形成一个自然锥体，锥体与水平面夹角即为休止角。

3 结果与分析

3.1 油莎豆含水率对三轴尺寸的影响

每个含水率梯度下分别测量100组油莎豆的三轴尺寸，得到其长、宽、厚平均值及平均几何粒径和球度，测试结果见表1。由表1可知，在含水率为20%～40%的变化范围内，油莎豆的三轴尺寸变化较小，平均几何粒径和球度随着含水率的增加而增加。

从表1可以看出，油莎豆的含水率与三轴尺寸、球度之间无显著关系(p>0.05)，因油莎豆为椭球型，颗粒较小，内部含油脂较多，籽粒收缩不明显，则其形态尺寸差异较小，受含水率影响较小。含水率与平均几何粒径之间有显著关系(p<0.05)，利用Origin 9.1软件对其数据进行拟合，结果见图4。

图4 油莎豆平均几何粒径随含水率的变化

表1 油莎豆三轴尺寸测试结果

通过数据拟合分析可得，油莎豆的平均几何粒径与含水率之间的函数关系，见式(3)。

Dg=0.002 83X2-0.101 15X+10.754 49

(3)

式中：X——油莎豆含水率，%。

由函数关系式可知，油莎豆的平均几何粒径受含水率的影响显著(决定系数R2=0.957 83)，平均几何粒径随含水率的增加而增加。

3.2 油莎豆含水率对滚动摩擦系数的影响

滚动摩擦系数表明了物料与接触表面之间的摩擦特性，是谷物机械加工设计中的重要参数。分别对不同含水率条件下的油莎豆进行摩擦特性测试，测定结果见表2。由表2可知，油莎豆与钢板之间的滚动摩擦系数随着含水率的增加而增加，含水率变化范围为20%～40%时，油莎豆滚动摩擦系数变化范围为0.302～0.378。

表2 油莎豆与钢板之间的滚动摩擦系数

油莎豆的含水率的变化范围为20%～40%时，油莎豆籽粒湿度随着含水率增加而增大，与钢板之间的吸附黏结性增大，越不易滚动，故油莎豆与钢板之间的滚动摩擦系数随着含水率增加而增大。利用Origin 9.1软件对其数据进行拟合，结果见图5。

图5 油莎豆滚动摩擦系数随含水率的变化

通过数据拟合分析可得，油莎豆与钢板之间的滚动摩擦系数与含水率之间的函数关系，见式(4)。

μ=0.003 82X+0.225 6

(4)

由函数关系式可知，油莎豆的滚动摩擦系数受含水率的影响显著(决定系数R2=0.999 74)，拟合曲线为递增的曲线，滚动摩擦系数随含水率的增加而线性增加。

3.3 油莎豆含水率对最大破碎力的影响

每个含水率梯度下测量50粒大小均匀、无破损且无虫害的油莎豆的最大破碎力，经试验测得含水率为25%时油莎豆的典型压缩变形曲线，见图6。由图6可知，油莎豆压缩变形曲线有明显的屈服点，在加载的起始阶段，压力与变形成线性变化，到达屈服点后，随变形量的增加而减小。随着变形量的继续增加，压力会继续以线性的方式增加直至破裂点，再继续施加载荷，压力随变形量的增加而减小。

图6 油莎豆压缩变形曲线图(含水率25%)

最大破碎力是指谷物在屈服点处对应的压力[17]，试验测试结果见表3。由表3可知，含水率对油莎豆籽粒的最大破碎力影响极显著(p<0.001)。在含水率为20%～30%范围内，油莎豆最大破碎力随含水率增加而增大，在含水率为30%时油莎豆最大破碎力达到最大值210.169±34.786 N。在含水率高于30%后，油莎豆的最大破碎力随含水率增加而减小。分析其原因可知，油莎豆籽粒富含油脂，含水率越高，内部结合越紧密，硬度也较高，因而最大破碎力逐渐增大。当含水率增加到一定程度时，油莎豆籽粒内部组织开始变软，硬度降低，抵抗变形能力渐小[18-19]，故最大破碎力降低。从降低机械损伤的角度，油莎豆在含水率为30%时抗挤压特性最好，为油莎豆收获、输送、清洗、干燥等装备的设计及参数优化提供理论参考。