大豆堆體變模量的測定與分析

程緒鐸 陸琳琳 黃之斌 石翠霞

大豆堆體變模量的測定與分析

程緒鐸 陸琳琳 黃之斌 石翠霞

(南京財經大學食品科學與工程學院，南京 210046)

使用TSZ－6A型應變控制式三軸儀對不同圍壓(20～240 kPa)、不同含水率(12．1%，14．0%，15．7%，17．1%w．b)的黑龍江省春大豆堆的體變模量進行了測定，并分析了圍壓與含水率對大豆堆體變模量的影響。試驗結果表明:對含水率為12．1%～17．1%w．b、圍壓為20～240 kPa的大豆堆，其體變模量范圍為223．7～813．0 kPa。相同含水率的大豆堆的體變模量隨著圍壓(20～240 kPa)的增大而增大;同一圍壓下，大豆堆體變模量隨著含水率(12．1%～17．1%w．b)的增大而減小。

大豆堆 體變模量 圍壓 含水率

大豆是我國重要的糧食作物，也是提取食用油的重要經濟作物。大豆在裝卸、運輸、儲藏等過程中都會受到相應的沖擊載荷或壓縮載荷，引起內部應力變化，導致糧堆體積縮小、籽粒產生裂紋或永久變形，從而影響大豆的品質。因此，掌握大豆堆的壓縮特性對于減少大豆在裝卸、運輸、儲藏等過程中的機械損傷，提高加工質量有著很重要的作用。

大豆堆的體變模量是指其在外力作用下，所受的壓應力與體積變化之比，它是表征大豆壓縮特性的重要參數。國內外對于大豆籽粒的破碎力、彈性模量等力學特性的研究始于20世紀60年代［1－2］。M Liu等［3］研究了大豆籽粒及大豆種皮在不同溫度和不同含水率下的黏彈性，建立了廣義Maxwell模型，并于1990年研究了大豆子葉的力學特性和大豆籽粒的破壞力，用應力松弛、擠壓、彎曲試驗測得了大豆子葉的松弛模量、極限擠壓和拉伸強度。馬小愚等［4］研究了大豆籽粒的力學性質，發現同一含水率的籽粒在沿三軸方向擠壓，其破裂力有顯著差異;含水率對籽粒的屈服力及破壞力的影響特別顯著。劉傳云等［5］用材料性能測試機測定了大豆籽粒的表觀接觸彈性模量為294 MPa。劉志云等［6］利用TA．XT plus物性質構測試儀，對一百粒內蒙古產大豆籽粒進行受力與變形的測量，根據胡克定律計算出彈性模量(E)，測算出大豆籽粒的平均彈性模量為20．39 MPa。

國內外對大豆籽粒的壓縮特性的研究較多，但對大豆堆的壓縮特性的研究國內外均未見公開報導，也未見有關大豆堆體變模量的研究報導。故本課題利用TSZ－6A型應變控制式三軸儀對大豆堆的體變模量進行了測定與分析。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

本試驗所用大豆是黑龍江省的春大豆，原始水分是12．1%w．b，容重為677 g/L，其大中小粒徑分別為7．73，7．40，6．98 mm(隨機取樣100粒大豆粒，用游標卡尺測其3個粒徑，小數位讀到0．01 mm，最后求其平均值)。

1．2 試驗儀器與設備

應變控制式三軸儀(圖1):南京土壤儀器廠有限公司;PQX型多段可編程人工氣候箱:寧波東南儀器有限公司;HG202－2(2A/2AD)電熱干燥箱:南京盈鑫實驗儀器有限公司;JSFD－100型粉碎機:上海嘉定糧油儀器有限公司。

圖1 應變控制式三軸儀示意圖

1．3 試驗原理

三軸壓縮試驗用圓柱形試樣，每個試樣確定不同恒定周圍壓力σ3=σ3=σ3(即三主應力相等)，如圖2所示。

圖2 糧食應力分布情況

體變模量是樣品所受的壓應力與體積變化之比，其定義為［7］:

式中:σ1為大豆樣品所受的軸向壓應力/kPa;σ2，σ3為大豆樣品所受的圍壓應力/kPa;為大豆樣品所受的平均壓應力(圍壓)/kPa;V為大豆樣品的初始體積/cm3;ΔV為大豆樣品的變化體積/cm3;k為大豆樣品的體變模量/kPa。

1．4 試驗方法

1．4．1 試驗樣品的準備

首先將原始樣品進行篩選去除雜質，然后通過105℃烘干法測定其水分為9．8%w．b［7］。試驗所需4個水分的大豆調節方法具體如下:根據公式(3)計算出調節到目標水分所需要增加的蒸餾水的質量，然后將加過水的大豆放進密封袋中置于15℃的人工氣調箱里一個星期使水分均勻。試驗前需將樣品拿出放在室溫條件下2 h方可進行試驗［8－10］。

式中:Q為所需增加蒸餾水的質量/kg;Wi為大豆的質量/kg;Mi為大豆含水率/%;Mf為調節后大豆含水率/%。Mi，Mf均為濕基數據。

1．4．2 體變模量的測定

在壓力室的底座上，首先放上不透水板，并將橡皮膜套在承膜筒內，兩端翻出筒外，從吸氣孔吸氣，使膜緊貼承膜筒內壁。然后裝入樣品，壓緊然后依次放上不透水石和試樣帽。翻起承膜筒兩端，用橡皮圈將橡皮膜分別扎緊底座和試樣帽上。

將壓力室罩頂部活塞提高，放下壓力室罩，將活塞對準試樣帽中心，均勻地擰緊底座連接螺母，再將軸向測力計對準活塞。

開排氣孔和排水閥，向壓力室內注滿純水，待壓力室頂部排氣孔有水溢出時，關閉排氣孔。

關排水閥，利用反壓調壓筒手輪將體變測量管的液面調至零處。

通過反壓對試樣施壓，記錄每次的體積變化。

2 結果與分析

2．1 大豆堆的體積與圍壓、含水率的關系

對大豆堆(含水率分別為:12．1%、14．0%、15．7%、17．1%w．b)進行體積壓縮試驗，初始壓應力為20 kPa，每次施加的壓應力增量為20 kPa，直至240 kPa，記錄體積變化值，試驗結果見表1、圖3。

表1 不同圍壓與不同含水率情況下的大豆堆體積/cm3

圖3 大豆堆體積與圍壓、含水率的關系曲線

由圖3可以看出，大豆堆(含水率分別為:12．1%、14．0%、15．7%、17．1%w．b)的體積隨著圍壓(20～240 kPa)的增大而減小，體積的變化量分別為108．2、111．4、112．6、113．7 cm3。當圍壓達到240 kPa時，再增加圍壓時，體積不再縮小。

2．2 體變模量與圍壓、含水率的關系

根據表1的測定結果，可以計算出大豆堆(含水率分別為:12．1%、14．0%、15．7%、17．1%w．b)的體變模量，結果如表2、圖4所示。

表2 不同圍壓與不同含水率情況下的大豆堆體變模量/kPa

圖4 大豆堆體變模量與圍壓、含水率的關系曲線

由圖4可見，大豆堆(含水率分別為:12．1%、14．0%、15．7%、17．1%w．b，圍壓為:20～240 kPa。)的體變模量的變化范圍分別為247．2～813．0、232．4～795．0、228．3～786．1、223．7～778．7 kPa。在同一含水率下，大豆堆的體變模量隨著圍壓的增大而增大。在同一圍壓下，大豆堆的體變模量隨著含水率的增大而減小。

3 結論

3．1 大豆堆的體積隨著圍壓增大而減小，當圍壓達到240 kPa時，再增加圍壓時，體積不在縮小。

3．2 含水率為12．1%～17．1%w．b、圍壓為20～240 kPa時，大豆堆體變模量范圍為223．7～813．0 kPa。

3．3 在相同含水率下，大豆堆的體變模量隨著圍壓的增大而增大。

3．4 在相同圍壓下，大豆堆的體變模量隨著含水率的增大而減小。

［1］Amold P C，Roberts A W．Fundamental aspect of load－deformation behavior of wheat grains［J］．Transactions of the ASAE，1969，12(1):104－108

［2］Shelef P L，Mohsenin N N．Effect of moisture on mechanical properties of shelled corn［J］．Cereal Chemistry，1969，46(3):242－253

［3］Lin M，Haghighi K，Stroshine R L．Viscoelastic characterization of the soybean seed coat［J］．Transactions of the ASAE，1989，32(3):946－952

［4］馬小愚，雷得天．大豆籽粒力學性質的試驗研究［J］．農業機械學報，1988(3):69－75

［5］劉傳云，張強，毛志懷．大豆表觀接觸彈性模量的測定［J］．糧食與飼料工業，2007(10):12－14

［6］劉志云，溫吉華．大豆彈性模量的測量與研究［J］．糧食儲藏，2010，29(03):27－30

［7］安蓉蓉．糧食的內摩擦角、彈性模量及體變模量的實驗研究［D］．南京:南京財經大學，2010

［8］Suthar S H，Das S K．Some physical properties of karingda［citrullus lanatus(thumb)mansf］seeds［J］．Journal of Agricultural Engineering Research，1996，65(1):15－22

［9］陸琳琳．高大平房倉內糧食摩擦與壓縮特性研究［D］．南京:南京財經大學，2012

［10］南京水利科學研究院．土工試驗規程(SL237—1999)［M］．北京:中國水利水電出版社，1999．

Measurement and Analysis on Bulk Stain Modulus of Soybean Pile

Cheng Xuduo Lu Linlin Huang Zhibing Shi Cuixia
(College of Food Science and Engineering，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing 210046)

In this paper，bulk stain modulus of soybean pile of Heilongjiang province(moisture contents are 12．1%，14．0%，15．7%and 17．1%w．b and confining pressures are from 20 kPa to 240 kPa．)are measured by the strain control type three triaxial apparatus．The influences of the confining pressure and the moisture content on the bulk stain modulus of soybean pile are analyzed．The results show that the bulk stain modulus of soybean pile ranged from 223．7 kPa to 813．0 kPa in the moisture contents range of 12．1%～17．1%w．b and the confining pressure range of 20～240 kPa．The results also show that as confining pressure(20～240 kPa)increases，the bulk strain modulus of soybean pile increase in the same moisture content;and as moisture content of soybean pile(12．1%～17．1%w．b)increases，the bulk strain modulus of soybean pile decrease under the same confining pressure．

soybean pile，bulk strain modulus，confining pressure，moisture content

Q51

A

1003－0174(2012)10－0010－04

國家科技支撐計劃(2009BADA0B04－5)，南京財經大學科研基金(A2010025)

2012－01－25

程緒鐸，男，1957年出生，教授，糧食儲藏工程