稻谷籽粒的壓縮特性與儲藏壓力關系的研究

嚴曉婕 程緒鐸 馮家暢

（南京財經大學食品科學與工程學院1，南京 210046）（糧食儲運國家工程實驗室2，南京 210046）

稻谷籽粒的壓縮特性與儲藏壓力關系的研究

嚴曉婕1，2程緒鐸1，2馮家暢1，2

（南京財經大學食品科學與工程學院1，南京 210046）（糧食儲運國家工程實驗室2，南京 210046）

選取南粳5055品種稻谷為試驗樣品，使其在6個LHT－1型回彈模量儀中儲藏2個月，頂部分別加載50、100、150、200、250和300 kPa。利用Brookfield質構儀對回彈模量儀裝樣筒內的頂部與底部樣品進行壓縮實驗。結果表明：儲藏2個月，儲藏壓力為0～300 kPa，稻谷籽粒的最大破壞力、最大破壞能、最大破壞應變、表觀接觸彈性模量和最大接觸應力的變化范圍分別為81.58～3.78 N，8.10～6.27 MJ，0.139 2～0.116 8，71.32～57.68 MPa，40.84～19.11 MPa。隨著稻谷儲藏壓力的增加，最大破壞力、最大破壞能、最大破壞應變、表觀接觸彈性模量和最大接觸應變皆減小。

稻谷籽粒 儲藏壓力 壓縮特性

我國是稻谷生產大國，稻谷種植面積現已達到3×107畝，總產量超 2.0×108t[1]。因生態區域氣候條件多樣，大量稻谷的儲藏安全問題不容忽視。稻谷籽粒在儲藏過程中易受到壓縮載荷，在一定的糧堆高度內，若糧堆較高，則深處的稻谷籽粒受到的豎直壓力較大，當壓力超過了稻谷籽粒能承受的范圍，稻谷籽粒就會產生變形，甚至破裂，從而改變或破壞了它的顆粒質構，也改變了它的生理狀態和活動環境，影響安全儲藏，使其更容易受微生物的侵蝕，進而影響倉儲企業的整體效益[2]。因此，研究儲藏壓力對稻谷籽粒的壓縮特性影響非常重要。

國內外學者對谷物力學特性的研究起步始于20世紀60年代。Prasad等[3]研究含水率在12%～24%范圍內時，稻谷在準靜態壓縮載荷作用下的特性。隨著含水率的增加，稻谷的最大壓力范圍為160.7～40.6 N，并呈現逐漸減小的趨勢，韌性模量范圍為3.96～30.87 MJ。Chattopadhyay等[4]研究出了 IR－8品種糙米的黏彈性與時間和含水率的關系方程。Sadeghi等[5]測定了Sorkheh和Sazandegi這2個品種的稻谷3種水分下的平均破壞力、破壞能、彈性模量和韌性。結果表明：稻谷的品種和含水率都對稻谷的力學特性有顯著影響。劉傳云等[6]利用材料性能測試機按美國農業與生物工程師協會ASAE S368.4 DEC2000（R2006）標準對大豆樣品進行了壓力試驗，得到大豆的表觀接觸彈性模量。并且通過對大豆試樣的力與變形量曲線分析，發現大豆樣品壓縮時沒有明顯的屈服點。在破裂點前，力與變形基本呈線性關系。張洪霞等[7]采用平板加載壓頭對稻米籽粒進行應力松弛試驗，研究了含水率對稻米籽粒應力松弛特性的影響，通過多項式回歸分析建立了稻米籽粒應力松弛各力學指標隨含水率變化關系的數學模型，結果表明不同含水率稻米的松弛模量隨含水率的增加而減小，且稻米的黏彈性還與溫度有關。

相關研究大都集中在水分、品種等對稻谷籽粒壓縮特性的影響，儲藏壓力對稻谷籽粒壓縮特性的影響研究鮮見相關報道。本試驗針對6個頂部儲藏壓力下儲藏2個月后的南粳5055品種稻谷，對其籽粒的壓縮特性參數（最大破壞力、最大破壞能、最大破壞應變、表觀接觸彈性模量、最大接觸應力）進行了測定，并研究了儲藏壓力對稻谷籽粒壓縮特性的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗所用稻谷品種為南粳5055，于2013年收獲于南京高淳，原始水分為12.95%，試驗前已在室溫下儲藏3個月，表1為其尺寸圖（稻谷一般呈橢圓形，一共有3個直徑，最大直徑，最小直徑，中直徑）。

表1 樣品尺寸/mm

1.2 試驗儀器

Brookfield質構儀：CT3（50 kg），美國產；游標卡尺：測量精度0.01 mm，中國桂林產；HG202－2（2A/2AD）電熱干燥箱：南京盈鑫實驗儀器有限公司生產；AL204型分析天平：上海嘉定糧油儀器有限公司生產；JSFD－粉碎機：上海嘉定糧油儀器有限公司生產；LHT－1型糧食回彈模量儀：南京土壤儀器廠有限公司。

1.3 原理與方法

1.3.1 糧堆加壓儲藏試驗原理

將稻谷樣品裝入回彈模量儀的裝樣筒里，頂部加蓋防潮布并施加載荷，在豎直壓力作用下稻谷堆無側向膨脹，豎直方向上長度受壓縮短，體積減小，但密度隨之增大。

開始試驗后，稻谷受到來自傳壓板的豎直壓應力σ1，底座對稻谷垂直向上的支持壓應力σ4，鋼筒側面的側壓應力σ2、σ3。筒中稻谷樣品應力分布如圖1所示。圖2為LHT－1型糧食回彈模量實物圖。

圖1 稻谷樣品應力分布

圖2 LHT－1型糧食回彈模量實物圖

采用微元法求樣品在試驗過程中所受的平均豎直壓應力，裝樣筒半徑是R，糧堆高度是H，筒壁和糧食間摩擦系數為μ，糧食內摩擦角為φ。裝樣筒內稻谷堆表面下深度y處稻谷微元受力示意圖如圖3所示。

圖3 裝樣筒內稻谷微元受力

作用于微元體上豎直方向的力相互平衡，合力等于零：

式中：pv為稻谷微元體的豎直壓應力，ph為稻谷微元體的側向壓應力，ρ為稻谷的容重，g為重力加速度，A為筒的橫截面面積。

稻谷在筒內受壓時處于主動應力狀態，側向壓應力與豎直壓應力的比為：

式中：p0為上表面壓應力。

1.3.2 糧堆加壓儲藏試驗方法

裝樣：將回彈模量儀裝樣筒清理干凈，連續勻速的倒入樣品，將樣品表面鋪平之后，蓋上傳壓板，并加蓋防潮布，保證傳壓板上表面與裝樣筒上端齊平。

保持橫梁拉桿垂直，轉動平衡錘調整杠桿至水平，用M16螺母固定平衡錘。

旋轉傳壓螺釘與傳壓板接觸，調整0～30 mm百分表的觸頭位置，注意百分表的預壓量達29 mm，調零。

根據試驗要求，對6個LHT－1型糧食回彈模量儀分別加載 50、100、150、200、250、300 kPa的壓力砝碼。

隨著試樣的下沉，杠桿向下傾斜，為防止杠桿傾斜影響加荷精度，調節調平手輪，使杠桿處于水平位置。

按時間讀取百分表的讀數，記錄時間、沉降量兩

將式（2）代入式（1），并對其進行積分得稻谷樣品深度y處的豎直壓應力為：個數據，直到儲藏試驗結束。

1.3.3 稻谷籽粒的壓縮試驗原理與方法

用游標卡尺測定稻谷的長軸（X軸），中軸（Y軸），短軸（Z軸）的長度，以下為Z軸壓縮時，利用式（4）～式（6）計算出稻谷與壓力板接觸部分的曲率半徑R、R′和參數cosθ。

圖4 稻谷籽粒尺寸示意圖

由于稻谷為橢圓形狀籽粒，根據ASAE S368.4DEC2000（R2006）標準的壓縮工具選定條件，選擇壓縮底座為TA－RT－KIT，壓縮探頭為TA10進行壓縮。由于稻谷的形狀限制，只能對其Z軸進行壓縮試驗。

根據 ASAE S368.4DEC2000（R2006）標準，每種樣品必須重復20次以上才得到有效結果，因此本試驗每種壓力下儲藏的樣品都重復進行30次壓縮。

根據 ASAE S368.4DEC2000（R2006）標準，將得到的實驗數據用赫茲公式（7）計算出稻谷的表觀接觸彈性模量 E[8]。

式中：E為表觀接觸彈性模量/MPa；F為加載載荷/N；D為形量/m；μ為泊松比；R、R′為稻谷與探頭或底座接觸處稻谷的曲率半徑/m；K為中間常數，由表 2查得[8]。

表2 不同θ角下的m，n和k值

樣品與壓縮探頭的接觸面的長半軸a和短半軸b通過式（10）和式（11）計算而得。而最大接觸應力由a、b值進一步計算而得。

式中：FR為稻谷籽粒的最大破壞力/N；m，n為常量，由表2查詢而得。

根據測出的30個樣品的壓縮力與位移的關系作出其壓縮作用力與壓縮變形量的變化曲線，曲線對應的最高點的力即壓縮的最大破壞力，此點對應的橫坐標數值即壓縮破裂時的最大破壞變形量，而壓縮作用力曲線與最大變形量之間的面積即壓縮的最大破壞能。

2 結果與分析

該品種稻谷不同頂部壓力下的容重、內摩擦角和摩擦系數，結果見表3[9]。根據式（3）計算可得稻谷在裝樣筒底部受到的垂直壓強，結果如表3所示。

表3 不同頂部壓力下的稻谷容重、內摩擦角、摩擦系數和底部豎直壓力

2.1 稻谷籽粒壓縮變形量與載荷的關系曲線

對不同頂部壓力下儲藏2個月的稻谷籽粒的壓縮特性進行測定，其壓縮作用力與壓縮位移的關系圖形如圖5所示（以儲藏壓力為100 kPa的稻谷為例）。

圖5 稻谷籽粒壓縮作用力與變形量的關系曲線

由圖5可得出，隨著壓縮形變的增加，稻谷籽粒的壓縮作用力逐漸增加，當到達破裂點時，壓縮作用力急速下降，且稻谷籽粒在壓縮時無屈服點。

2.2 不同儲藏壓力儲藏后的稻谷籽粒的壓縮特性參數

在不同儲藏的壓力下儲藏，稻谷籽粒的壓縮特性會發生變化。利用Brookfield質構儀對不同壓力下儲藏的稻谷籽粒的最大破壞力、最大破壞能、最大破壞形變進行測定，并通過公式（9）和（12）得到其彈性模量和最大接觸應力，結果如表4所示。

表4 不同儲藏壓力下儲藏后的稻谷籽粒的壓縮特性參數

2.3 稻谷籽粒壓縮特性與儲藏壓力的關系

根據表4的數據做圖，可以得到儲藏壓力與稻谷籽粒的各項壓縮特性的關系，如圖6～圖10。

在儲藏壓力為0～300 kPa時，稻谷籽粒的最大破壞力從81.58 N減少到73.78 N，幾乎呈線性負相關，根據結果可擬合方程為FR＝－0.026 6pv＋81.85（R2＝0.99），其中pv表示儲藏壓力（kPa），pv∈[0，300]；FR表示稻谷籽粒的最大破壞力（N）。

圖6 稻谷籽粒的最大破壞力與儲藏壓力的關系

在儲藏壓力為0～300 kPa時，稻谷籽粒的最大破壞能變化范圍為6.27～8.10 mJ，幾乎呈線性負相關，根據結果可擬合方程為ER＝－0.006 3pv＋8.020 1（R2＝0.979 3），式中：pv為儲藏壓力/kPa，pv∈[0，300]；ER為稻谷籽粒的最大破壞能（m J）。

在儲藏壓力為0～300 kPa時，稻谷籽粒的最大破壞應變變化范圍為0.116 8～0.139 2，幾乎呈線性負相關，根據結果可擬合方程為ε＝－8×10－5pv＋0.137 5（R2＝0.958 2），式中：pv為儲藏壓力/kPa，pv∈[0，300]；ε為稻谷籽粒的最大破壞應變。

圖7 稻谷籽粒的最大破壞能與儲藏壓力的關系

圖8 稻谷籽粒的最大破壞應變與儲藏壓力的關系

在儲藏壓力為0～300 kPa時，稻谷籽粒的彈性模量變化范圍為171.32～57.68 MPa，幾乎呈線性負相關，根據結果可擬合方程為E＝－0.387 4pv＋163.1（R2＝0.970 9），式中：pv為儲藏壓力/kPa，pv∈[0，300]；E為稻谷籽粒的彈性模量。

圖9 稻谷籽粒的彈性模量與儲藏壓力的關系

在儲藏壓力為0～300 kPa時，稻谷籽粒的最大接觸應力變化范圍為40.84～19.11 MPa，幾乎呈線性負相關，根據結果可擬合方程為Smax＝－0.074 4pv＋39.922（R2＝0.981 2），式中：pv為儲藏壓力/kPa，pv∈[0，300]；Smax為稻谷籽粒的最大接觸應力。

圖10 稻谷籽粒的最大接觸應力與儲藏壓力的關系

3 結論

在儲藏壓力為0～300 kPa條件下儲藏2個月，南粳5055稻谷籽粒的壓縮特性與儲藏壓力的關系如下：

稻谷籽粒的最大破壞力隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍為81.58～73.78 N；稻谷籽粒的最大破壞能隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍為8.10～6.27 MJ；稻谷籽粒的最大破壞應變隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍為0.139 2～0.116 8；稻谷籽粒的彈性模量隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍為171.32～57.68 MPa；稻谷籽粒的最大接觸應力隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍為40.84～19.11 MPa。

[1]Sun X.Analysis of ricemarket in 2012 and the trend outlook in 2013[J].Cereals＆Oils，2013，26（4），44－47

[2]張洪霞，馬小愚，雷得天.大米籽粒壓縮特性的試驗研究[J].黑龍江八一農墾大學學報，2004，16（1）：42－45

[3]Prasad S，Gupta C P.Behavior of paddy grains under quasi－static compressive loading[J].Transactions of the ASAE.1973，16（2）：328－330

[4]Chattopadhyay P K，Hamann D D，Hammerle JR.Effect of deformation rate and moisture content on rice grain stiffness[J].Cereal Chemistery，1981，25（4）：117－121

[5]Sadeghi M，Araghi H A，Hemmat A.Physico－mechanical properties of rough rice（Oryza sativa L.）grain as affected by variety and moisture content[J].Agricultural Engineering International：CIGR Journal，2010，12（3）：129－136

[6]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

[7]張洪霞.含水率對稻米籽粒應力松弛特性影響的研究[J].黑龍江八一農墾大學學報，2009，21（1）：37－39

[8]American Society of Agriculture and Biological Engineers ASAE S368.4 DEC2000，Compression Test of Food Material of Convex Shape[S].2006：72－76.

[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.

The Experimental Research on the Relationship of Compressional Properties of Paddy Grains and Storage Pressure

Yan Xiaojie1，2Cheng Xuduo1，2Feng Jiachang1，2

（College of Food Science and Engineering，Nanjing University of Finance and Economics1，Nanjing 210046）（National Engineering Laboratory for Grains Storage and Transportation2，Nanjing 210046）

In the paper，the paddy grains Nanjing 5055 had been stored in six LHT－1 reboundmodulus testers for 2 months under top pressures of 50，100，150，200，250 and 300 kPa respectively.An experimental study was established to determine the compressional properties of paddy grains by Brookfield Texture Analyzer.The paddy grains for testwere chosen from the top and bottom of the silo.The results showed that alongwith the storage pressure increasing from 0 to 300 kPa，the rupture force of paddy grains was decreased from 81.58 to 73.78 N，the rupture energy from 8.10 to 6.27 MJ，the rupture strain from 0.139 2 to 0.116 8，the apparent contactmodulus of elasticity from 171.32 to 57.68 MPa and the maximum contact stress from 40.84 to 19.11 MPa.All of the compressional properties of the paddy grains expressed a negative linear relationship with storage pressure.

paddy grains，storage pressure，compressional properties

TS210.4

A

1003－0174（2015）10－0078－05

國家自然科學基金（31371865），公益性行業科研專項（201313001）

2014－04－08

嚴曉婕，女，1991年出生，碩士，糧食儲藏工程

程緒鐸，男，1957年出生，教授，糧食儲藏工程