高粱籽粒压缩力学特性研究

冯禹， 邱述金， 原向阳， 崔清亮， 季志强

（1.山西农业大学农业工程学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学农学院，山西 太谷 030801；3.河北省承德市农林科学院，河北 承德 067000）

高粱又称乌禾、蜀黍，是重要的耐旱作物，具有高产、抗旱、抗盐碱、抗涝、耐贫瘠等特点，是一种古老的栽培作物，在我国有着悠久的栽培历史[1]。在收获、脱粒、加工、运输以及贮藏过程中，高粱籽粒会受到有关机械部件的压缩载荷作用，从而造成高粱籽粒的损伤破裂，不仅影响食用品质，还会降低种子的发芽率[2-4]。因此，研究高粱籽粒在静态时的压缩力学特性，明确籽粒受载荷时的破碎力，可减少高粱籽粒在收获、运输、储藏和加工中的损失[5-7]，也可为相关农业机械的精确设计提供依据[8-9]。目前，国内外对小麦、玉米、大豆、水稻等大籽粒农作物进行了相关研究，发现含水率、压缩方位和品种对籽粒的挤压力、破坏能、表观弹性模量等有重要影响[10-13]。高连兴等[14]通过大豆静压试验探明了不同含水率下大豆不同方向静压机械特性及其变化规律，表明大豆不同压缩方向的破裂强度和弹性模量均随含水率的升高而下降；张克平等[15]测得了不同含水率的小麦籽粒在3种压缩形式下的力学参数，发现破碎负载、弹性模量、屈服强度随着含水率的升高均显著降低；孙静鑫等[16]测定了不同含水率下谷子籽粒的基本物性参数，并探明了不同含水率、品种和压缩方位对谷子籽粒的压缩力学性质的影响规律；吴中华等[17]通过机械压缩测量试验及大样本分析，得到了稻米籽粒压缩破裂载荷的统计分布特性,探明了温度和含水率对稻米籽粒破裂载荷的影响机理。

高粱籽粒在机械收获加工过程中的受力情况复杂，目前对其受力特性的研究较少。本文通过模拟高粱籽粒在不同机械载荷作用下的力学过程，研究不同品种、含水率、压缩方向对高粱籽粒的压缩力学特性的影响，并建立各力学指标随含水率变化的数学模型，为设计高粱籽粒收获装备与优化加工工艺提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用广泛种植于华北地区的辽杂37号、晋杂34号、兴湘梁2号为供试材料。采用烘干法测得初始含水率（湿基）分别为8.65%、8.94%、9.36%。

1.2 试验设备与仪器

TA.XT.Plus物性分析仪(英国Stable Micro System公司），测试速度范围0.01～40.00 mm·s-1，测试距离精度0.001 mm，测试力量精度0.000 2%；DHG-9023A型电热恒温鼓风烘箱（无锡三鑫精工电气设备有限公司），0～300℃；电子天平MP2002(上海精密仪器仪表有限公司)，量程300 g，精度0.01 g；SZ680连续变倍体式显微镜（物镜变倍范围0.68～4.70×，目镜10×/23 mm）。

1.3 试验方法

1.3.1 试验样本制备 选取颗粒饱满、表面无损伤、没有霉变的高粱籽粒分别制备5种不同含水率的试验样本：12.4%、14.3%、17.1%、19.6%、22.5%。每个品种称取5份500 g初始含水率的高粱籽粒，放置于干燥、密封良好的玻璃罐中，通过式（1）确定所需加入去离子水的质量，制备不同含水率的样本[18]。为使水分吸收均匀，边加水边搅拌，每隔3～4 h搅动1次。1 d后，将得到的不同含水率样本装入塑料袋中密封，置于2℃冰箱内冷藏3 d以上，让其吸水均匀，期间每天摇动3～5次。在进行试验前，将试验样本从冰箱中取出,常温下静置0.5 h左右至室温20℃。

式中，M为需要加入去离子水的质量，g；m为试验样本的质量，g；H1为试验样本的初始湿基含水率，%；H2为需要配制获得的目标样本的湿基含水率，%。

1.3.2 试验设计 以品种、含水率、压缩方向为试验因素，以高粱籽粒受到压缩而破损时的压缩变形量、屈服载荷和破坏能为试验指标进行压缩力学特性试验。

采用刚性平板作为加载装置，在物性分析仪上编写程序并调至压缩模式。选取P/36R的圆柱形探头和100 mm×90 mm的压缩底座作为压缩装置。设置测前速度为1 mm·s-1,测后速度为0.01 mm·s-1,触发力为0.049 N。试验时，将高粱籽粒置于刚性平板正中心，运行压缩程序，观察“力-位移”曲线变化，出现载荷有较大突变时，立即停止加载，记录每次试验中破坏力并计算对应的破坏能。每次压缩完成的高粱籽粒立即用体式显微镜观察并拍照。采用式（2）计算破坏能，其数值用物性分析仪的图形分析软件来获得。

式中，W表示破坏能，mJ；F表示屈服载荷，N；DF为达到屈服载荷时对应的压缩变形量，mm。

高粱籽粒在收获、运输以及机械化加工过程中受到压缩载荷的方向不同，需要对高粱籽粒进行X轴、Y轴、Z轴3个压缩方向（图1）的研究，其中，X、Y、Z分别为高粱籽粒的长、宽、高。由于高粱籽粒体积小且形状不规则，为了确保对高粱籽粒从不同的压缩方位施加载荷，筛选出大小相近的高粱籽粒，提前用双面胶固定底部。

图1 3轴压缩Fig.1 Compression from 3 axials

1.3.3 数据分析 利用SAS对试验数据进行方差分析以及一元多项式回归分析。

2 结果与分析

2.1 压缩曲线分析

高粱籽粒在压缩变形过程中具有明显的生物屈服点。以含水率17.1%、Z轴方向压缩为例（图2），当所加载荷未达到屈服点时，力与变形量近似呈线性关系。屈服点又称为应变软化点，当所加载荷达到此点时，则会引起物料微观结构的破坏，当所加载荷小于屈服点时，载荷不会带来明显的伤害，故将屈服点时所对应的力定为高粱籽粒的最大挤压力F（N），即籽粒在压缩变形过程中力-位移曲线上的第1个峰值点。最大挤压力可由物性分析仪上的图形分析软件来直接读取。屈服载荷即高粱籽粒在屈服点时对应的载荷大小。而最大挤压力以前的曲线与横坐标轴所围成的面积（图2阴影区域）为对应的破坏能W（mJ），即籽粒在压缩变形过程中力-位移曲线上第1个峰值点与横坐标轴所围成的面积。此后随着载荷的增加，高粱籽粒发生局部组织破坏，进入塑性区。最后随着载荷的增加，达到最大峰值点，即破裂点，此时物料在所加载荷的作用下发生宏观结构的破坏。

图2 高粱籽粒压缩力-位移曲线Fig.2 Compressive force-distance curve of sorghum grain

2.2 压缩变形量分析

2.2.1 压缩变形量测试结果分析 压缩变形量表示的是籽粒达到生物屈服点时的位移量。不同含水率下3个品种高粱籽粒的压缩变形量测试结果如表1所示。可以看出，对于同一高粱品种，无论何种压缩方向，压缩变形量随含水率升高先减小后增大。当含水率从12.4%升高到17.1%时，压缩变形量呈下降趋势，且变化趋势比较平缓，3个方向的压缩变形量均在含水率为17.1%时达到最小值；当含水率从17.1%升高到22.5%时，压缩变形量又呈上升趋势。在同一含水率下，3个高粱品种均表现为Z轴方向的压缩变形量最大，Y轴次之，X轴方向的压缩变形量最小。当处于同一含水率和压缩方向时，兴湘梁2号高粱的压缩变形量比其他2个品种大，表明在相同的条件下，兴湘梁2号高粱抵抗外部载荷变形的能力较其他2个品种强，辽杂37号次之，晋杂34号高粱抵抗外部变形的能力最差。

表1 压缩变形量测试结果Table 1 Test results of compression deformation

2.2.2 压缩变形量影响因素显著性分析 利用SAS对压缩变形量试验结果进行显著性分析，结果如表2所示。可知，品种、含水率、压缩方向均对压缩变形量有极显著的影响。根据F值[19]，品种是影响压缩变形量的主要因子，影响压缩变形量的试验因子顺序依次是品种＞含水率＞压缩方向。

表2 压缩变形量显著性分析Table 2 Significant analysis of compression deformation

2.2.3 不同品种含水率与压缩变形量的回归分析 采用一元多项式回归分析，拟合方程及检验结果如表3所示。可以看出，高粱籽粒的压缩变形量与含水率呈二次多项式关系，回归模型的P值均小于0.05，且决定系数R2均在0.96以上，说明回归模型显著且拟合精度较高。

表3 含水率与压缩变形量的回归分析Table 3 Regression analysis of moisture content and compression deformation

2.3 屈服载荷分析

2.3.1 屈服载荷测试结果分析 屈服载荷是指高粱籽粒在生物屈服点时对应的压缩载荷。不同含水率下3个品种高粱籽粒的屈服载荷测试结果如表4所示。可以看出，对于同一高粱品种，无论何种压缩方向，屈服载荷均随着含水率的升高而减小。在同一含水率下，Z轴方向达到屈服点时所需载荷最大，Y轴方向次之，X轴方向达到屈服点时所需载荷最小。在相同的压缩条件下，兴湘梁2号需要的屈服载荷最大，辽杂37号次之，晋杂34号需要的屈服载荷最小，且兴湘梁2号显著高于其他2个品种，说明兴湘梁2号高粱抗压性能好、品质高。因此，兴湘梁2号的籽粒在机械化收获、脱粒过程中抵抗破裂的能力较强；但辽杂37号、晋杂34号高粱更利于在机械化过程中破碎加工。

表4 屈服载荷测试结果Table 4 Test results of yield load

2.3.2 屈服载荷显著性分析 由表5可知，品种、含水率、压缩方向均对屈服载荷有极显著的影响。根据F值[19]，影响屈服载荷的主要试验因子依次是含水率＞品种＞压缩方向。

表5 屈服载荷显著性分析Table 5 Significant analysis of yield load

2.3.3 不同品种含水率与屈服载荷的回归分析 由表6可得，高粱籽粒的屈服载荷与含水率呈线性关系，回归模型的P值均小于0.01，且决定系数R2均在0.96以上，说明回归模型极显著且拟合精度较高。

表6 含水率与屈服载荷的回归分析Table 6 Regression analysis of moisture content and yield load

2.4 破坏能分析

2.4.1 破坏能测试结果分析 破坏能是指高粱籽粒在屈服点时由于受到屈服载荷的作用，发生最初的结构破坏所需要的最小能量。不同含水率下3个品种高粱籽粒的破坏能测试结果如表7所示。

从表7可以看出，对于同一高粱品种，无论何种压缩方向，破坏能随着含水率的升高先减小后增大。当含水率从12.4%升高到17.1%时，破坏能呈下降趋势，且下降幅度较为明显，此后随着含水率的增加，破坏能又呈缓慢上升趋势。不同压缩方向对破坏能的影响与压缩变形量和屈服载荷有着相似的变化规律，即Z轴方向压缩时所需的破坏能最大，Y轴方向次之，X轴方向压缩时所需的破坏能最小。在相同的压缩条件下，兴湘梁2号需要的破坏能最大，辽杂37号次之，晋杂34号需要的破坏能最小，变化规律与屈服载荷相似，说明兴湘梁2号在压缩过程中需要吸收更多能量才能被破坏，是抵抗外部载荷能力较强的高粱品种。

表7 破坏能测试结果Table 7 Test results of damage energy

2.4.2 破坏能显著性分析 由表8可知，品种、含水率、压缩方向均对破坏能有极显著的影响。根据F值[19]，影响破坏能的试验因子依次是品种＞压缩方向＞含水率。

表8 破坏能显著性分析Table 8 Significant analysis of damage energy

2.4.3 不同品种含水率与破坏能的回归分析 由表9可知，高粱籽粒的破坏能与含水率呈三次多项式关系，回归模型的P值均小于0.05，且决定系数R2均在0.95以上，说明回归模型显著且拟合精度较高。

表9 含水率与破坏能的回归分析Table 9 Regression analysis of moisture content and Damage energy

3 讨论

高粱籽粒由颖和种仁组成：颖由护颖和包在其内的内颖组成，二者合称为外壳；外壳表面光滑，厚而隆起；种仁由皮层、胚乳和胚组成，皮层由果皮和种皮组成。皮层较厚，果皮外层细胞全部角质化，较为坚硬，因此，不同品种的高粱籽粒在抵抗破裂的能力不同。本研究结果表明，兴湘梁2号的品质较好，抗破裂能力较强，而辽杂37号、晋杂34号高粱更利于机械破碎加工。

高粱籽粒在收获、运输以及机械化加工过程中易受到不同方向压缩载荷的影响。含水率的差异导致了高粱籽粒内部组织和机械强度的不同，从而造成了屈服载荷的不同[20]。本研究结果表明，含水率对屈服载荷的影响最大，屈服载荷均随着含水率的升高而减小。在同一种含水率下，Z轴方向的屈服载荷最大，Y轴次之，X轴方向最小。分析其原因，屈服载荷的大小与高粱籽粒的受压部位有关。X轴方向压缩时，压缩探头与高粱籽粒顶部的尖点花柱遗迹相接触，由于接触点的接触面积很小，容易发生应力集中，高粱籽粒顶部抗压性较弱，故容易受到破坏而产生裂纹，且X轴方向压缩时接触面积最小，因此X轴方向压缩时所需要的屈服载荷最小；Y轴、Z轴方向压缩时，高粱籽粒内部的胚乳部分受压，但由于高粱籽粒Y轴方向压缩时的受压面积比Z轴方向压缩时的受压面积小，导致受到相同的外部载荷作用时，Y轴方向受到应力集中的影响比Z轴大，籽粒更容易受外力而破损，故Z轴方向压缩时的屈服载荷比Y轴大。在设计高粱籽粒收获加工等装备时，应考虑高粱籽粒的压缩力学特性，提高生产质量，降低籽粒损耗。