塊狀酒曲力學特性試驗

郭洋洋，閆銀發，2，李法德，2，高天浩，陳超科，宋占華，2*

1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安271018

2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安271018

塊狀酒曲力學特性試驗

郭洋洋1，閆銀發1，2，李法德1，2，高天浩1，陳超科1，宋占華1，2*

1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安271018

2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安271018

本文運用WDW-5E型微機控制電子式萬能試驗機對平板曲、包包曲進行了壓縮、彎曲、剪切試驗。試驗研究表明：平板曲的抗壓強度是2.15±0.19 MPa，抗壓彈性模量為61.68±6.89 MPa，抗彎強度為0.97±0.12 MPa，抗彎彈性模量為11.66±1.53 MPa，剪切強度為0.109±0.007 MPa；包包曲的抗壓強度為1.20±0.13 MPa，抗壓彈性模量為31.12±3.96 MPa，抗彎強度為0.58±0.08 MPa，抗彎彈性模量為14.95±2.37 MPa，剪切強度為0.305±0.115 MPa；包包曲的力學特性參數顯著低于平板曲的力學特性參數（P＜0.01），但包包曲抗彎彈性模量、剪切強度顯著高于平板曲的抗彎彈性模量、剪切強度（P＜0.01）。此研究結果可為酒曲粉碎機的設計提供理論依據。

酒曲；力學特性

酒曲可分為散曲和塊曲。塊曲，顧名思義是具有一定形狀的酒曲，其外形為長方體，長約為200～450 mm，寬約為100～300 mm，高約為50～200 mm，含水率約為12%～15%，密度約為657 kg/m3，擠壓強度約為1.78 MPa。曲坯成型時經過充分的壓縮，干燥后質地結實，有一定的強度；曲坯在培養和貯藏過程中失去的大部分水分使得表面有一定的硬度；曲料配有20%～40%的豌豆等粘性物，使曲坯的粘性增強，加之發酵后曲塊內部大量生長菌絲，致使曲塊具有較強的韌性［1］。因此，塊狀酒曲是一種干固塊狀物體，具有一定的強度、韌性和硬度。由塊狀酒曲的制作過程可知，可以假設塊狀酒曲的力學特性呈現出各向同性的特點；塊狀酒曲的力學特性指標有抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、剪切強度、拉伸壓縮彈性模量（楊氏模量）、彎曲彈性模量等，根據不同的試驗目的，測量的力學特性指標不同［2］。因此，利用WDW-5E型微機控制電子式萬能試驗機進行壓縮、彎曲、剪切等試驗對塊狀酒曲的力學特性進行研究，可以為酒曲粉碎機的結構的設計提供參考。

1　材料與方法

1.1材料

塊狀酒曲可以分為平板曲和包包曲，平板曲與包包曲有一定的區別，其外形區別如圖1所示。包包曲的理化指標糖化力、酸度、發酵力均優于平板曲，感官指標也較平板曲佳［3］。本次力學特性試驗所用的塊狀酒曲為曲阜圣達機械有限公司提供。

試驗所用批次的平板曲的尺寸約為230 mm×150 mm×55 mm，質量約為1.61 kg，包包曲的尺寸約為270 mm×165 mm×（75 mm～100 mm），質量約為2.91 kg。

圖1　塊狀酒曲Fig.1 Block Koji

1.2試驗設備

試驗用的主要儀器設備有WDW-5E型微機控制電子式萬能試驗機（濟南試金集團有限公司）、DZF-605型真空干燥箱（上海博訊實業有限公司）、JA5003A型電子天平（上海精天電子儀器有限公司）以及鋼絲鋸、游標卡尺、米尺、刀具等。

1.3試樣制備

塊狀酒曲的形狀是長方體，且尺寸較大，若以整塊塊曲為試樣進行壓縮、彎曲、剪切等力學特性試驗，所需試驗力過大，WDW-5E型微機控制電子式萬能試驗機的壓力傳感器的量程僅為5 kN，無法完成試驗。因此，需要通過游標卡尺、鋼絲鋸、刀具等工具將整塊塊狀酒曲分割成尺寸較小的試樣。由于塊狀酒曲沒有標準的取樣工具，只能依靠人工測量尺寸、定位及分割，因此，所制備的試驗樣品的尺寸精度只能控制在一定范圍以內。制備平板曲和包包曲兩種試樣的工藝過程相同，試驗內容也相同。

1.3.1壓縮試樣制備壓縮試樣為長方體，尺寸為16 mm×16 mm×25 mm，尺寸精度≤±1 mm，制作過程必須盡量保證壓縮試樣的橫截面為正方形，壓縮試樣如圖2（a）所示。

圖2　酒曲試樣Fig.2 Specimens of block Koji

圖3　彎曲試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of bending test

圖4　剪切試驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of shearing test

1.3.2彎曲試樣制備彎曲試樣同樣為長方體，如圖2（b）所示。尺寸為16 mm×16 mm×70 mm，精度≤±1 mm。彎曲試驗采用三點彎曲試驗法，如圖3所示。

1.3.3剪切試樣制備剪切試驗的試樣也是長方體，如圖2（c）所示，尺寸為16 mm×16 mm×50 mm，精度≤±1 mm。剪切試驗如圖4所示。

1.4試驗方法

1.4.1壓縮試驗壓縮試驗過程如圖5所示。試驗在WDW-5E型微機控制電子式萬能試驗機上進行，試驗過程中電腦自動記錄壓力和位移。試驗采用剛性平板壓頭，首先取試樣、測量其尺寸并記錄，把試樣置于球面滑動支座的中心位置，壓頭以10 mm/min的速度施壓，電腦記錄破壞載荷。

圖5　壓縮試驗Fig.5 Compression test process

式中：σy—抗壓強度，MPa；Pmax—破壞載荷，N；A—試樣承壓面積，mm2。

根據儀器記錄的試驗力和位移數據，做出應力-應變曲線，確定彈性直線段，如圖6所示。在直線段上讀取相距較遠的A、B兩點之間的應力變化量和相應的應變變化量，按式2計算線段的斜率，即壓縮彈性模量（GB/T 22315－2008）。

圖6　圖解法測定彈性模量Fig.6 Modulus of elasticity with graphic determination

式中：Ey—塊狀酒曲壓縮彈性模量，MPa。

1.4.2彎曲試驗彎曲試驗如圖7所示，在WDW-5E型微機控制電子式萬能試驗機上，采用三點彎曲試驗法。支座和壓頭頂端均裝有壓輥，支座間距L=30 mm，壓輥直徑為20 mm［2］，可自由轉動，以消除試驗過程中試樣與壓頭及支座之間的橫向摩擦力。把試樣置于支座上，調整壓頭處于支座中間及試樣的正上方，由于試樣制作過程無法保證橫截面長寬尺寸完全相等，因此，放置時應保證使試樣橫截面上的尺寸稍大的方向處于水平位置，壓頭以10 mm/min的速度加載。

圖7　彎曲試驗Fig.7 Bending test

式中：σw—抗彎強度，MPa；Pmax—破壞載荷，N；L—支點跨距，mm；b、h—橫截面尺寸，mm。

彎曲彈性模量的計算方法與壓縮彈性模量的計算方法相似，計算公式為4（GB/T 14452－1993）：

式中：Ew—彎曲彈性模量，MPa；L—支點跨距，mm；ΔF—彎曲試驗力變化量，N；Δf—撓度變化量，mm；b、h—橫截面的尺寸，mm。

1.4.3剪切試驗塊狀酒曲剪切試驗如圖8所示，在WDW-5E型微機控制電子式萬能試驗機上，把剪切試樣對稱放置于萬能試驗機的V型夾具中，切刀以10 mm/min的速度施加剪切載荷，并用電腦記錄破壞載荷。

式中：στ—抗壓強度，MPa；Pmax—破壞載荷，N；A—試樣截面積，mm2。

圖8　剪切試驗Fig.8 Shearing test

1.4.4試樣含水率的測定試樣的含水率測定采用烘干法。試驗完成后立即對試樣拍照、稱重并填入記錄表，然后把同一組的試樣一起放入干燥箱，在105±2℃的溫度下干燥8 h后，將試樣取出，從中隨機選定2～3個試樣進行第1次稱重，以后每隔2 h便稱重1次，直至最后2次的重量之差不超過0.002 g時為止，即可認為試樣已經達到全干狀態。然后把試樣全部從干燥箱中取出，放入提前準備好的裝有適量干燥劑的玻璃干燥器中，蓋好干燥器蓋，等待試樣冷卻至室溫以后進行稱重，最后計算試樣的含水率［5］。

2　試驗結果與分析

2.1壓縮試驗

壓縮試驗主要是研究在相同載荷加載速度條件下平板曲、包包曲的抗壓強度和壓縮彈性模量的大小（圖9）。在一定的壓縮載荷加載速度下，平板曲和包包曲的壓力-變形曲線的變化趨勢基本相同，首先壓力隨變形量的增加呈線性快速增大，變形達到1～2 mm時試樣產生破壞，壓力達到最大值，并出現一段非線性的變化，隨后壓力明顯減小，直至試樣完全破碎。壓力呈線性增長時，其斜率即為試樣的抗壓彈性模量。曲線形狀比較陡峭，沒有明顯的屈服階段，表明塊狀酒曲屬于脆性材料。

壓縮試驗測得的平板曲的抗壓強度為2.15±0.19 MPa，抗壓彈性模量為61.68±6.89 MPa，包包曲的抗壓強度為1.20±0.13 MPa，抗壓彈性模量為31.12±3.96 MPa，如圖10、圖11所示。

圖9　塊狀酒曲壓縮曲線Fig.9 Compression curves of block Koji

圖10　塊狀酒曲抗壓強度Fig.10 Pressure-proof intensity of block Koji

圖11　塊狀酒曲抗壓彈性模量Fig.11 Pressure-proof elastic modulus of block Koji

2.2彎曲試驗

彎曲試驗主要是研究在相同載荷加載速度條件下平板曲、包包曲的抗彎強度和抗彎彈性模量數值的大小。由圖12可知，在一定的載荷加載速度下，平板曲和包包曲的彎曲試驗力-變形曲線趨勢相同，彎曲試驗力隨著變形量的增加而增長，逐漸達到破壞極限，在這個過程中，首先經歷一段非線性階段，隨后出現一段明顯的線性階段，線性段的斜率與試樣的抗彎彈性模量成正比，最后彎曲試驗力開始下降，試樣斷裂。

彎曲試驗測得的平板曲的抗彎強度為0.97±0.12 MPa，抗彎彈性模量為11.66±1.53 MPa，包包曲的抗彎強度為0.58±0.08 MPa，抗彎彈性模量為14.95±2.37 MPa，如圖13、圖14所示。

圖12　塊狀酒曲彎曲曲線Fig.12 Bending curves of block Koji

圖13　塊狀酒曲抗彎強度Fig.13 The bending intensities of block Koji

圖14　塊狀酒曲抗彎彈性模量Fig.14 The elastic modulus of block Koji

2.3剪切試驗

塊狀酒曲剪切的試驗主要是研究在相同的載荷加載速率條件下，平板曲、包包曲的剪切強度的大小。由圖15可知，在一定的載荷加載速度的條件下，平板曲和包包曲試樣的剪切試驗的試驗力-變形曲線的趨勢相似，試樣的剪切力隨著位移量的變化先是增長后出現一個明顯的回落點，然后迅速的再次呈現出線性增長的關系，直到試樣被剪切斷裂，剪切力迅速下降。由于剪切試樣是長方體，與V型夾具之間是線接觸，夾具的摩擦系數較小，在剪切力加載的過程中試樣細微轉動，因此，剪切力-位移曲線中出現回落點。

試驗測得平板曲的剪切強度為0.109±0.007 MPa，包包曲的剪切強度為0.305±0.115 MPa（圖16）。

圖15　塊狀酒曲剪切曲線Fig.15 Shearing curves of block Koji

圖16　塊狀酒曲剪切強度Fig.16 The shearing intensities of block Koji

2.4試樣含水率

采用烘干法測得的平板曲、包包曲的含水率為12%～14%。

3　結論

（1）利用萬能試驗機測得平板曲、包包曲力學特性參數的結果為：平板曲的抗壓強度為2.15±0.19 MPa，抗壓彈性模量為61.68±6.89 MPa，抗彎強度為0.97±0.12 MPa，抗彎彈性模量為11.66±1.53 MPa，剪切強度為0.109±0.007 MPa；包包曲的抗壓強度為1.20±0.13 MPa，抗壓彈性模量為31.12±3.96 MPa，抗彎強度為0.58±0.08 MPa，抗彎彈性模量為14.95±2.37 MPa，剪切強度為0.305±0.115 MPa。

（2）包包曲的力學特性參數顯著低于平板曲的力學特性參數（P＜0.01），但包包曲抗彎彈性模量、剪切強度顯著高于平板曲的抗彎彈性模量、剪切強度（P＜0.01）

（3）通過力學特性試驗平板曲、包包曲的抗壓強度、抗壓彈性模量、抗彎強度、抗彎彈性模量、剪切強度的大小關系，為塊狀酒曲的破碎方式的選擇提供了依據。

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Mechanics Characteristics of Block Koji

GUO Yang-yang1，YAN Yin-fa1，2，LI Fa-de1，2，GAO Tian-hao1，CHEN Chao-ke1，SONG Zhan-hua1，2*
1.College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment，Tai'an 271018，China

The compression，bending and shear tests of the flat-plate Koji and convex-center Koji were conducted by using WDW-5E microcomputer control electronic universal testing machine.The compressive strength，compressive modulus，flexural strength，flexural modulus of elasticity，shear strength and other mechanical parameters of the flat-plate Koji and convex-center Koji were measured.The compressive strength of the flat-plate Koji is 2.15±0.19 MPa，the compressive elastic modulus is 61.68±6.89 MPa，the bending strength is 0.97±0.12 MPa，the bending elastic modulus is 11.66±1.53 MPa，and the shear strength is 0.109±0.007 MPa；the compressive strength of the convex-center Koji is 1.20±0.13 MPa，the compressive elastic modulus is 31.12±3.96 MPa，the bending strength is 0.58±0.08 MPa，the bending elastic modulus is 14.95±2.37 MPa，and the shear strength is 0.305±0.115 MPa；The mechanical characteristic parameters of the convex-center Koji is generally lower than the flat-plate Koji（P＜0.01），but the shear strength and the flexural modulus elasticity of the convex-center Koji is bigger than the flat-plate Koji.The results provide a theoretical basis for the design of mechanized crushing block Koji machine.

Flat-plate Koji；mechanical characteristics

TS261.2

A

1000-2324（2016）05-0740-05

2015-04-24

2015-05-18

郭洋洋（1989-），男，碩士研究生，主要從事白酒釀造設備機械化工作.E-mail：guoyyang8901@126.com

Author for correspondence.E-mail：songzh6688@163.com