稻谷的機械力學特性試驗

摘要：稻谷的損傷與破碎除與其受到的內外力的作用有關外，還與其本身的力學性能有關。通過對稻谷進行擠壓試驗和剪切試驗，測得了其力-位移曲線，分析了稻谷的破碎過程。試驗研究了稻谷品種和含水率對稻谷力學性能的影響，較全面地獲得了稻谷的力學性能指標，可為稻谷的加工處理提供一定的理論依據。

關鍵詞：稻谷；力學特性；破壞力

中圖分類號：S511；S313 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）21-4880-04

Research on the Mechanical Properties of Rice Kernel

REN Zu-fang，XU Qiao-ming，WU Jie，REN Yi-lin

（College of Engineering， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

Abstract： Besides internal and external stress， the injury to rice grains is concerned with mechanical properties. The force-deformation curve of rice kernel was measured by the shear test and compression test. Some phenomena that occurred in the tests were described. The influence of different varieties and moisture content on mechanical properties of rice kernel was determined respectively. The mechanical properties indexes of rice kernel were obtained by the tests fairly comprehensively. The theoretical basis was improved for processing of rice kernel.

Key words： rice kernel； mechanical property； failure force

中國水稻栽培面積占全國糧食種植總面積的24%左右，占世界稻作總面積的20%；稻谷產量占全國糧食總產量的45%以上，占世界糧食總產量的36%，其地位舉足輕重[1]。有關研究表明，稻谷的含水率對稻谷的力學特性影響很大，分析結果顯示含水率對各力學指標的影響均顯著[2-5]；由于結構成分和子粒形狀尺寸的影響，不同品種的谷粒各力學指標也存在顯著的差異[6-11]；在不同的成熟期，稻谷的飽滿程度、含水率和種子的發芽率都不同，從而導致其各力學指標也有較大差異[10，11]。

隨著稻谷新品種的出現，需要對新品種進行更全面的力學研究，為稻谷收獲、加工、儲運裝備的設計與優化提供依據。因此，將對3個品種的稻谷進行力學試驗研究，通過對稻谷進行擠壓和剪切等試驗了解稻谷的力學性能，為稻谷的保存、運輸和加工提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

RGT-10微機控制電子萬能試驗機、HN101-2A數顯電熱鼓風干燥箱、DZF-6020型真空干燥箱、BS10002電子天平、游標卡尺。

1.2 制樣及試驗方法

試驗稻谷品種為培兩優3076、苯兩優9號和珍珠糯，由湖北省農業科學院糧食作物研究所提供。每種稻谷取500顆，平均分成5組，于水中浸泡10 h后，去除表面明水。將其中4組稻谷分別干燥10、20、30、40 min，剩余1組稻谷不經任何處理，每組取部分稻谷測定含水率，其余稻谷備用。含水率的測定采用GB/T 21305-2007。

1.3 稻谷的擠壓力學試驗

采用自制壓頭進行擠壓試驗。如圖1所示，壓頭圓盤直徑為40 mm，支座長度為50 mm，經預試驗及參考有關資料[11，12]，選取加載速度為2 mm/min。

在苯兩優9號4組含水率不同的稻谷中每組取10～20顆，將稻谷放置在試驗機平臺上，利用平板壓頭下壓的壓力進行擠壓試驗。同時選取珍珠糯含水率為14.80%、苯兩優9號含水率為14.74%、培兩優3076含水率為14.70%的稻谷進行試驗（因為3種稻谷的含水率相差不到0.5%，可以近似地認為3種稻谷含水率相同），每種稻谷取10～20顆；將稻谷放置在試驗機平臺上，利用平板壓頭下壓的壓力進行擠壓試驗。

1.4 稻谷的剪切力學試驗

剪切試驗采用自制壓頭進行（圖2）。壓頭寬度為3 mm，支座間距固定為5.5 mm，加載速度為2 mm/min。

在培兩優3076的4組稻谷中每組取10～20顆，將稻谷放置在試驗機平臺上搭建的支座之間，利用自制剪切壓頭下壓的壓力進行剪切試驗，試驗時保證壓頭壓在谷粒的中間位置。同時選取珍珠糯、苯兩優9號、培兩優3076中含水率相近的一組進行試驗，每種稻谷取10～20顆。

2 結果與分析

2.1 稻谷的機械力學曲線及破碎過程分析

2.1.1 稻谷典型的擠壓力-位移曲線 從圖3可以看出，稻谷的典型擠壓力-位移曲線大體可以分為OA、OB、OC、OD 4段。在B點峰值之前，有一個小峰值A。這主要是因為稻谷谷殼比糙米的韌性要大，而糙米的脆性很大，在擠壓過程中負載力先達到了使糙米出現裂紋斷裂的值。因為谷殼并沒有明顯損傷，到B點時谷殼出現裂紋，曲線開始下降，出現BC段的屈服階段。曲線到達C點時，谷殼徹底地開裂，使糙米也失去了最后的緩沖保護。進入CD段，谷粒逐漸被壓扁，胚乳逐漸粉碎。此時載荷雖然還在上升，但是稻谷的形變已經幾乎不再隨著載荷的上升而增加了。圖4和圖5是分別對苯兩優9號和珍珠糯進行擠壓力學試驗時出現峰值A后剝去谷殼的圖片。從圖4和圖5可以看出，稻谷都在中間的位置斷裂，這是因為中間的厚度最大，在受擠壓時這部分受到的力也最大，但斷裂面的形狀不規則。

2.1.2 稻谷典型的剪切力-位移曲線 從圖6可以看出，曲線可以大致分為OA、OB兩部分。與擠壓力-位移曲線相似，同樣有一個小峰值A。此時稻谷的外殼并沒有明顯的破損裂紋，糙米已經沿著短軸方向出現裂紋或斷裂。由于谷殼并沒有破裂，一直到達峰值B，B點的值就是剪切破壞力。B點之后剪切負載呈直線下降，此時稻谷的變形已趨近于零。從圖7和圖8可以看出，因為中間的厚度最大，在受擠壓時這部分受到的力也最大，而且和擠壓力學試驗相比，壓頭與稻谷的接觸面小，所以稻谷沿短軸方向斷裂。

2.2 含水率對稻谷力學性能的影響

2.2.1 含水率對稻谷擠壓力學性能的影響 選取苯兩優9號4組不同含水率的稻谷進行含水率對稻谷擠壓破壞力的試驗。通過SPSS軟件對數據擬合回歸方程并進行回歸分析，得到含水率對稻谷擠壓破壞力的回歸方程如下：

F=174.75+4 803.80 χ2-31 806.29 χ3 （1）

式中，F為擠壓破壞力（N），χ為含水率。

對此非線性回歸方程進行擬合分析，得到觀測值與擬合值之間的相關系數r=0.999 5，方程擬合很好。對實際數據和擬合的曲線進行繪制，得到含水率和擠壓破壞力之間的關系曲線（圖9）。

用SPSS軟件對擬合的回歸方程進行方差分析（表1）。從表1可以看出，F值遠大于F0.05（1，2），故回歸方程顯著。可以得知含水率對稻谷的擠壓破壞力具有顯著影響，從圖9和式（1）可以看出，隨著含水率的增加，稻谷的擠壓破壞力呈明顯下降的趨勢。

2.2.2 含水率對稻谷剪切力學性能的影響 取4組不同含水率的培兩優3076稻谷考察含水率對稻谷剪切破壞力的影響。通過SPSS軟件對數據擬合回歸方程，并進行回歸分析，得到含水率對稻谷剪切破壞力的回歸方程如下：

F=23.86+376.61 χ2-1 738.60 χ3 （2）

從表1中可以看出，F值遠小于臨界值F0.05（1，2），所以回歸方程不顯著。如圖10所示，含水率對剪切破壞力的實際測試數值較為分散，沒有一定的分布規律，與擬合曲線相差較大。由此可見，含水率對稻谷的剪切破壞力影響并不顯著。根據試驗數據繪制了含水率對剪切破壞力的關系曲線，從圖10可以看出，含水率低于15%時，剪切破壞力隨著含水率的增大而增大；含水率高于15%時，剪切破壞力隨著含水率的增大而減小。

2.3 稻谷品種對稻谷力學性能的影響

2.3.1 稻谷品種對稻谷擠壓力學性能的影響 選取珍珠糯、培兩優3076和苯兩優9號含水率相近的一組進行力學性能的研究。不同稻谷品種具有不同的破壞力和破壞能。表2是稻谷品種對擠壓破壞力的方差分析結果。從表2可以看出，P小于0.05，稻谷品種對這3種稻谷的擠壓破壞力影響顯著。這主要是由于谷粒由谷殼、皮層、胚和胚乳4部分組成，不同品種四者的組織結構成分不同，所以它們受外力作用時所表現的力學性能也不同。

2.3.2 稻谷品種對稻谷剪切力學性能的影響 選取珍珠糯、培兩優3076和苯兩優9號含水率相近的一組進行力學性能的對比。從表2可以看出，P小于0.05，所以，品種對這3種稻谷的剪切破壞力影響顯著，出現這種結果的原因和擠壓力學性能相同。

3 小結

選取稻谷品種、含水率作為試驗因素，通過具體的試驗操作得出試驗數據，分析確定各因素與力學性能指標——破壞力之間的關系。通過對稻谷進行擠壓試驗和剪切試驗，較全面地獲得了稻谷的力學性能指標，為稻谷的加工處理提供一定的理論依據。

含水率對稻谷擠壓破壞力的影響顯著，其回歸方程隨著含水率的增加，稻谷的擠壓破壞力呈明顯下降趨勢。含水率對稻谷的剪切破壞力的影響不顯著。另外通過數據分析可以得出，隨著含水率的增加，稻谷的擠壓破壞力和剪切破壞力總體上都呈下降趨勢。

通過對不同品種稻谷進行力學性能試驗，發現不同品種對稻谷擠壓破壞力的影響顯著，對稻谷剪切破壞力也有顯著的影響。這可能與不同品種稻谷的結構成分及形狀尺寸有關。

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收稿日期：2012-04-09

基金項目：國家轉基因重大專項（2011ZX08001-001）；華中農業大學交叉基金項目（52902-0900201115）

作者簡介：任祖方（1985-），男，河南周口人，碩士，研究方向為圖像處理及農業機械化，（電話）13517293284（電子信箱）jeans198578@163.com；

通訊作者，任奕林（1970-），女，湖北武漢人，副教授，博士，主要從事農產品加工與裝備方面的研究，（電話）18627186972（電子信箱）

renyiling@mail.hzau.edu.cn。