谷物力学特性的试验研究

朱红媛,王树林,刘春山,李捷涵,王贞旭,陈思羽 ,刘洪义

(1.佳木斯大学 机械工程学院,黑龙江 佳木斯 154000;2.黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081)

0 引言

粮食物理特性的研究对粮食储运、装卸运输机械和仓储设施的设计具有重要意义[1-5]。张丰尧[6]通过室内直剪试验标定了大豆的细观力学参数,并通过直剪试验对试样颗粒的应力状态、接触状态、等细观机理进行研究。王永刚[7]在玉米籽粒力学特性试验中得出:随含水率的升高,籽粒抗压强度虽逐渐降低,但其籽粒表面韧性随含水率的变化而变化,造成了剪切玉米籽粒顶面与腹面时其最小破裂载荷随含水率的升高而出现增大的现象。顾炳龙、杨亚洲[8]等人通过离散元软件 EDEM的颗粒仿真效果,对花生品种 23 进行了参数测定试验,结果表明:对于相同的材料,花生仁和花生壳的静摩擦系数是不同的。杨亚洲、刘姗姗[9]等人对花生仁的三轴尺寸、压缩特性及剪切特性进行了测试。万忠民、吴凡[10]等人对不同条件下粮食油料散落性进行实验研究,采用传统平板法和固定漏斗法测定了大豆、水稻和油菜在不同水分和杂质条件下的自流角和静态角。O Resende、PC Corrêa[11]等人通过测定糙米和脱壳稻谷在不同含水率下的断裂力、变形量、最大压缩力和比例变形模量,研究了糙米和脱壳稻谷在不同含水率下的力学性能。I Nengah Suastawa[12]等外国学者对稻谷与橡胶表面的摩擦进行实验研究,测定了稻谷含水量对蒸腾系数的影响,显示了摩擦因数的平均值。

本文以谷物为研究对象,着重分析玉米、大豆、大米和红饭豆的摩擦特性、抗压特性以及水分对大豆摩擦特性和抗压特性的影响,旨在为粮食的物理特性参数研究提供重要依据。

1 粮食的摩擦特性研究

粮食之间的内摩擦角、粮食颗粒与仓壁材料摩擦因数都是决定卸粮成拱最基本的力学参数,是设计、制造粮食加工机械以及谷仓等设备技术参数的主要依据[13]。为此,以玉米、大豆、大米、红饭豆为研究对象,利用自制力学参数测试装置进行摩擦试验研究。

1.1 试验材料与仪器

测量对象为一定量的大米、红饭豆、玉米和花生。试验装置为自制力学特性参数测试装置,如图1所示。

图1 力学参数测试装置Fig.1 Testing device for mechanical parameters

1.2 试验原理

自制测试装置平台为合金钢制作的摩擦板,采用斜面法测量。将合金钢摩擦板水平铺在桌面,放置待测的粮食籽粒于其上合适的位置;拉动牵引绳对摩擦板一端施加力,使摩擦板整体沿转动轴转动方向倾斜。当粮食籽粒在摩擦板上发生滑动时停止施加力,此时摩擦板与水平面的夹角为粮食与合金钢板静摩擦的临界角,其切线值为粮食-摩擦板的静摩擦因数;重复测量20次,取平均值计算静摩擦因数,计算公式为

(1)

式中μ-静摩擦因数;

α-静摩擦临界角;

H-摩擦板升起的高度;

L-刻度尺距顶点的距离。

1.3 试验结果分析

通过试验得出花生的平均静摩擦因数为0.25,红饭豆的平均静摩擦因数实为0.28,玉米的平均静摩擦因数为0.34,大米的平均静摩擦因数为0.30。试验数据如表1所示。

表1 粮食摩擦因数数据Table 1 Data of grain friction coefficient

本次试验中,花生、红饭豆、玉米、大米的平均静摩擦因数具有明显差异,即红饭豆>玉米>大米>花生。试验结果表明,静摩擦因数与粮食本身粗糙程度以及形状大小有一定关系。本次试验中,花生的外形较其他品种谷物圆润且颗粒较大,所以静摩擦因数最小。

2 谷物的压缩特性试验研究

粮食的耐压特性指标是设计粮食贮藏、收获和加工系统的重要理论依据之一[14],破损率是影响粮食品质的重要指标,降低粮食破损率有利于提高粮食产量和质量。籽粒的损伤形式有表皮损伤、两瓣损伤和完全损伤,粮食收获破损率严重影响粮食的经济效益以及种用粮食的发芽率与出苗率[15]。

2.1 试验材料与仪器

试验材料为一定量的花生、玉米、红饭豆、大豆。试验测量仪器为ZSD-3型电子式压缩强度试验仪,如图2所示。压缩过程及破裂程度如图3～图6所示。

图2 ZSD-3型电子式压缩强度试验仪Fig.2 Zsd-3 electronic compression strength tester

图3 大豆压缩过程及破裂程度Fig.3 Compression process and rupture degree of soybean

图4 花生压缩过程及破裂程度Fig.4 Compression process and cracking degree of peanut

图5 玉米压缩过程及破裂程度Fig.5 Compression process and cracking degree of maize

图6 红饭豆压缩过程及破裂程度Fig.6 Compression process and rupture degree of Red Rice Bean

2.2 试验过程及原理

利用圆盘压缩夹具在ZSD-3型电子式压缩强度试验仪上进行试验。试验前,用右键设置夹具移动位置下限,以防压缩试验时夹具上下部分直接接触损坏仪器;用镊子将谷物放到圆盘压缩夹具正中央,点击右侧测试按钮使圆盘夹具上部分下降,进行谷物压缩破坏性试验。

2.3 试验结果分析

花生、玉米、红饭豆压缩力测试数据如表2所示。根据表2可知:大豆、花生、玉米、红饭豆的平均极限压力分别为101.92、27.37、78.89、34.01N。可看出谷物耐压特性大豆>玉米>红饭豆>花生,表明不同种类粮食之间耐压力存在显著的差异,花生易破碎。

表2 花生、玉米、红饭豆压缩力测试数据Table 2 Test data of compression force of peanut, corn and red rice bean

3 含水率对大豆摩擦特性影响试验

3.1 试验材料与仪器

试验材料为初始含水率分别为11.5%、13.3%、18.9%的黑农48大豆,如图7所示。试验仪器为自制力学特性参数测试装置。

图7 3种不同水分大豆Fig.7 Three different types of moisture soybean

3.2 试验结果分析

对3个不同含水率的黑农48大豆样品进行摩擦特性试验,重复测试15次,记录试验数据取平均值,计算静摩擦因数。试验得出初始含水率11.5%、13.3%、18.9%的大豆平均静摩擦因数分别为0.15、0.19、0.27。试验数据如图8所示。

图8 3种不同水分大豆平均静摩擦因数Fig.8 Average static friction coefficient of three different moisture soybean

根据试验数据分析可知,大豆与合金钢摩擦片的静摩擦因数随含水量的增加而增大。这主要是由于大豆与摩擦片的附着力随大豆种子含水量的增加而增大。另外,随着含水率的增加,大豆籽粒体积、表面积和表面粗糙度均增大,静摩擦因数也相应增大。

4 含水率对大豆压缩特性影响试验

4.1 试验材料与仪器

试验材料选取初水率分别为11.5%、13.3%、18.9%的黑农48大豆,试验仪器为ZSD-3型电子式压缩强度试验仪。

4.2 试验结果分析

对3种不同含水率的黑农48大豆进行压缩破坏性试验,重复测试10次,记录数据取平均值,计算平均压力。试验数据如图9所示。

图9 3种不同水分大豆平均极限压力Fig.9 Average compressibility of three soybean varieties with different moisture content

由图9可知:随着含水率的增加,大豆的抗压性降低,二者呈负相关;随着含水率的增加,动弹性的降低加速了大豆细胞壁的损伤,硬度也随之降低,大豆的抗压性逐渐减弱,大豆含水率越高,大豆质地越柔软,抗压性越差,力学指标随含水率的增加而降低。因此,随着大豆含水率的增加,平均极限压力减小。

5 结论

1)不同谷物静摩擦因数不同,静摩擦因数与粮食本身粗糙程度以及形状大小有一定关系。花生的平均静摩擦因数为0.25,红饭豆的平均静摩擦因数为0.28,玉米的平均静摩擦因数为0.34,大米的平均静摩擦因数为0.30。试验中,静摩擦因数排序为:红饭豆>玉米>大米>花生。

2)大豆、花生、玉米、红饭豆的平均极限压力分别为101.92、27.37、78.89、34.01N。试验中,谷物耐压特性排序为:大豆>玉米>红饭豆>花生。这表明,不同种类粮食之间耐压力存在显著的差异,花生易破碎。

3)含水率对谷物的摩擦特性和耐压特性均有影响。大豆与合金钢摩擦片的静摩擦因数随含水量的增加而增大。另外,随着含水率的增加,大豆动弹性的降低加速了大豆种子细胞壁的损伤,硬度也随之降低,大豆的抗逆性逐渐减弱。因此,随着大豆水分的增大耐压特性降低。