成熟期白蕓豆壓縮特性試驗

牛永澤,毛 欣,衣淑娟,陶桂香

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

白蕓豆生物學名菜豆,別名四季豆、白腰豆等,我國云南、貴州、甘肅、內蒙古、黑龍江、吉林等省份均有種植。大白蕓豆的莢殼數量相當大,如每公頃產干豆3 000kg,則莢殼就有900kg[1]。白蕓豆籽粒不僅可以帶來經濟效益,其豆莢還可以促進畜牧業的發展。

由于白蕓豆下部豆莢先成熟、上部豆莢后成熟,導致白蕓豆的收獲較困難,且因為生長特點不適合直接收獲,所以只能采用分段式收獲[2]。目前,收獲的主要方式是采用人工收割后場院晾曬再脫粒。又由于白蕓豆籽粒淀粉含量較高,收獲時很容易引起籽粒破碎,成熟期的白蕓豆的豆莢極易開裂,聯合收獲將引起大量炸莢,會加重損失[3]。

為了進一步減少損失,為白蕓豆收獲機和脫粒機研制提供參考,對白蕓豆進行基本物料特性的測定和壓縮特性試驗。初步試驗表明:白蕓豆在含水率低于21%時易發生炸莢,大豆發生炸莢時的含水率為25%[4]。所以,白蕓豆發生炸莢時的含水率比大豆低。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗材料

白蕓豆由農戶種植、提供,為黑龍江地區的小粒白蕓豆。試驗時,測量3種不同含水率的白蕓豆備用。

1.2 試驗儀器

水分測定儀為上海佳實電子科技有限公司生產的 MS-100 型測定儀,該儀器采用熱烘干原理,自動顯示被測物的水分數值,操作簡單,數據穩定、準確;萬能材料試驗機為協強儀器制造(上海)有限公司的型號為CTM2050的微機控制電子萬能材料試驗機,其最大載荷為50kg,功率為0.4kW;另外,還有精度為0.1mg 的電子分析天平、精度為0.01mm的電子數顯游標卡尺及角度儀等。

2 白蕓豆基本物料特性

試驗開始前選取成熟期的白蕓豆豆莢,按成色的不同分為3組,取出里面的籽粒,測量每組籽粒的平均含水率。

2.1 三軸尺寸

將已經測好含水率籽粒按不同含水率分成3組,每組50粒,用游標卡尺分別測量每組籽粒的長、寬、厚,計算平均值,得到不同含水率下白蕓豆的三軸尺寸,如圖1所示。

圖1 三軸尺寸Fig.1 Three axis size

由圖1可以看出:在一定的含水率范圍內,白蕓豆籽粒的三軸尺寸隨含水率的增加而增大,但變化范圍不大,這與含水率的范圍有關。由于測量的主要是收獲時期的白蕓豆籽粒,籽粒已經成熟,所以大小差異不大。

2.2 百粒質量

將籽粒按3種不同平均含水率分成5組,每組100粒,用天平測量其每組的質量,計算平均值,得到不同含水率下白蕓豆的百粒質量,如圖2所示。

圖2 百粒質量Fig.2 Hundred grain weight

由圖2可以看出:在一定含水率范圍內,白蕓豆籽粒的百粒質量隨著含水率的增加而增大。

2.3 滑動摩擦角

選取3組含水率不同的白蕓豆籽粒100粒,將其放在摩擦角測量裝置上測量,板材與白蕓豆脫粒機型板材質相同。試驗開始時,輕緩地抬起傾斜板,當大部分籽?；瑒訒r,記下角度儀的讀數,即為滑動摩擦角,如圖3所示。

圖3 滑動摩擦角Fig.3 Sliding friction angle

由圖3可以看出:含水率為7.1%時,白蕓豆籽?；瑒幽Σ两菫?4.39°;含水率為8.4%時,白蕓豆籽?；瑒幽Σ两菫?5.06°;含水率為10.1%時,白蕓豆籽粒滑動摩擦角為15.47°。隨著含水率增加滑動摩擦角也有一定的增加但是變化不是很大,越成熟的白蕓豆含水率越低,所以在收獲時保證出糧口的斜面在16°以上即可。

2.4 自然休止角

選取3組含水率不同的白蕓豆籽粒100粒,將其倒入自制漏斗內,使籽粒從漏斗底部排入至水平面上,待所有籽粒排出,且水平面籽粒停止流動后,采用角度儀測量休止角,結果如圖4所示。

圖4 自然休止角Fig.4 Angle of natural rest

由圖4可以看出:在一定含水率范圍內,自然休止角隨著含水率的增加而增大。含水率為8.4%時,自然休止角為24.03°;含水率為10.1%時,自然休止角為25.1°?？梢钥闯?自然休止角的增加趨勢緩慢。

3 白蕓豆籽粒壓縮特性試驗

3.1 試驗方法

試驗前對白蕓豆進行挑選,采用人工篩選的方式將含水率基本相同的白蕓豆放在一起,篩選時可以通過觀察豆莢的成熟情況選取白蕓豆,豆莢越干籽粒的含水率也就越低;然后,將篩選過的白蕓豆籽粒隨機選取若干、剪碎,放到水分測定儀的載物盤上,記錄初始質量,進行含水率的測量。

試驗在準靜態狀態下進行,通過萬能材料試驗機,可實現計算機自動控制和數據自動采集。試驗時,通過電腦輸入指令,萬能試驗機接受指令,從而進行上下移動;當上壓頭接觸到被測物體時,受力載荷信號通過試驗機上的測力傳感器傳入到電腦,在電腦上就可以清晰的看到被測物體的受力狀態,可測定白蕓豆籽粒破損時的最大靜壓力。

試驗過程中,測量選取5組含水率不同的白蕓豆,每組30粒,分別進行正放、側放、立放、用萬能材料試驗機對白蕓豆進行壓縮試驗。試驗時,籽粒放置于載物靜壓盤上,上壓頭固定不動,當下壓頭以 20mm/min的速度向上運動、上壓頭接觸到放置于下壓頭的籽粒后,電腦顯示屏開始顯示壓力數據,并逐漸增大;當白蕓豆籽粒破碎時,壓力驟減,此時記錄最大峰值為籽粒所能承受的最大靜壓力。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 籽粒最大靜壓力與含水率關系

籽粒受壓縮載荷試驗結果如表1所示。用Excel對表中的最大靜壓力平均值進行統計,繪制折線圖,如圖5所示。

表1 籽粒最大靜壓力Table 1 Maximum static pressure of grain

圖5 白蕓豆所能承受的最大靜壓力與含水率曲線Fig.5 Maximum static pressure and moisture content curves of white kidney beans

由圖5可以看出:正放所承受的最大靜壓力要大于側放和立放。無論是側放還是立放,白蕓豆籽粒所能承受的最大靜壓力都隨含水率的增加先增大后減小;當含水率在12.3%時,籽粒所能承受的最大靜壓力達到最大值。產生這種情況的原因是由于白蕓豆的韌性隨含水率不斷變化而導致的最大靜壓力出現峰值。由圖5可知:含水率相同時,放置方式的不同對最大靜壓力產生影響,相同含水率下白蕓豆側放時所需的最大靜壓力略高于立放時白蕓豆所需最大靜壓力。

3.2.2 籽粒靜壓力與變形量關系

圖6為含水率為20.5%白蕓豆籽粒正放時在壓縮過程中力隨變形量的變化曲線。由圖6可以看出:隨著載荷不斷增加,白蕓豆變形量越來越大,但直到載荷達到最大值時曲線仍沒有下降,此時白蕓豆早已經破碎。這是由于白蕓豆的生物特性導致的,此時的白蕓豆韌性極強,導致曲線不斷上升,直至達到萬能材料試驗機的最大量程,迫使萬能材料試驗機停止運動。

圖6 正放時白蕓豆所能承受的靜壓力與變形量曲線Fig.6 Static pressure and deformation curves of white kidney beans when being placed

圖7為含水率為20.5%白蕓豆籽粒側放時在壓縮過程中力隨變形量的變化曲線,圖8為立放時的力隨變形量的變化曲線圖。

圖7 側放時白蕓豆所能承受的靜壓力與變形量曲線Fig.7 The static pressure and deformation curve of the white kidney bean under lateral setting

圖8 立放時白蕓豆所能承受的靜壓力與變形量曲線Fig.8 Static pressure and deformation curve of white kidney bean under standing

由圖7可以看出:隨著變形量的不斷增加,白蕓豆所受的力越來越大;在含水率為20.5%時,白蕓豆在 4.82mm 處籽粒破碎,壓縮載荷為178.21N。由圖8可以看出:在含水率為20.5%時,白蕓豆在6.48mm 處,籽粒破碎,壓縮載荷 為104.11N。

3.2.3 籽粒最大變形量與含水率關系

為了方便比較,用Excel做出最大變形量、含水率、放置方式的折線圖,如圖9所示。

圖9 含水率與最大變形量曲線Fig.9 Moisture content and maximum deformation curve

由圖9可以看出:白蕓豆的變形量隨著含水率的升高先增大后減小,且當含水率在20.5%時變形量達到最高點。與圖1相比較,白蕓豆的最大靜壓力也是先增大后減小的,表明白蕓豆的最大靜壓力與韌性成正比。但是,白蕓豆最大靜壓力的峰值在含水率為12.3%時,而位移的峰值在含水率為20.5%時,產生這一差異的原因是白蕓豆的抗壓強度。白蕓豆在含水率為20.5%時的抗壓強度要低于含水率12.3%時的抗壓強度,所以白蕓豆的最大靜壓力的峰值出現在含水率為12.3%時。

4 豆莢的壓縮特性試驗

4.1 試驗方法

試驗前對白蕓豆豆莢(含籽粒)進行挑選,將篩選過的白蕓豆豆莢(含籽粒)隨機選取若干、剪碎,放到水分測定儀的載物盤上,記錄初始質量,進行含水率的測量。

試驗在準靜態狀態下進行,通過萬能材料試驗機進行試驗。試驗時,為了能固定被測物,先對豆莢施加一定的預緊力。試驗選取5組含水率不同的豆莢(含籽粒),將其放在壓縮試驗臺上,進行正放、側方、立放3種放置方式的觀察,試驗原理與籽粒壓縮試驗一樣。試驗開始時,電腦顯示屏開始顯示壓力數據,并逐漸增大;當白蕓豆豆莢炸莢時,壓力驟減,此時記錄最大峰值為豆莢炸莢所能承受的最大靜壓力。

4.2 試驗結果分析

4.2.1 豆莢最大靜壓力與含水率關系

豆莢受壓縮載荷試驗結果如表2所示。

表2 豆莢最大靜壓力Table 2 Maximum static pressure of pods

由表2可以看出:當含水率為20.2%以下時,豆莢發生炸裂,但正放、含水率為20.2%時也沒有炸莢。這是因為正放時豆莢沒有炸莢前上壓頭便碰到了豆莢里面的籽粒,導致測不出炸莢時的最大靜壓力。為了清楚地比較白蕓豆豆莢的特點,用Excel繪制折線圖,如圖10所示。

圖10 豆莢所需最大靜壓力與含水率曲線Fig.10 Maximum static pressure and moisture content curve for pods

由圖10可以看出:豆莢炸莢的最大靜壓力隨著含水率的增加而增加。由于正放、含水率為20.2%時沒有數值,所以前兩個數值也符合這個規律,且能夠得到正放時所需的最大靜壓力要大于側放和立放,而側放所需的最大靜壓力要略大于立放。

4.2.2 豆莢靜壓力與變形量關系

圖11～圖13分別為含水率為16.6%白蕓豆豆莢3種放置方式在壓縮過程中力隨位移的變化曲線。

圖11 正放時豆莢所能承受的靜壓力與變形量曲線Fig.11 Static pressure and deformation curves of pod can be sustained when placed

白蕓豆豆莢在受到載荷后發生變形,當炸莢時力突然減小,此時出現的峰值即為豆莢炸莢所能承受的最大靜壓力。由圖11可以看出:當含水率為16.6%時,豆莢在 1.49mm 處,豆莢炸莢,靜壓力為37.62N。由圖12可以看出:當含水率為16.6%時,豆莢在1.75mm 處,豆莢炸莢,靜壓力為5.26N。由圖13可以看出:當含水率為16.6%時,豆莢在1.65mm 處,豆莢炸莢,靜壓力為4.41N。

圖12 側放時豆莢所能承受的靜壓力與變形量曲線Fig.12 The static pressure and deformation curve of pod can be borne on the side

圖13 立放時豆莢所能承受的靜壓力與變形量曲線Fig.13 Static pressure and deformation curves of pods that can be sustained when standing in place

4.2.3 豆莢最大變形量與含水率關系

圖14為豆莢最大變形量隨含水率的變化關系。由圖14可以看出:豆莢的最大變形量在一定含水率范圍內是隨含水率的升高而增大的,且側放和立放時規律比較明顯;含水率為20.2%時,正放不發生炸莢。前兩個含水率也滿足此規律。

圖14 最大變形量與含水率曲線Fig.14 Maximum deformation and moisture content curve

5 結論

1) 試驗表明:在3種含水率下,白蕓豆基本的物料特性三軸尺寸、百粒質量、滑動摩擦角、自然休止角均隨含水率的增加而增加,且增加的幅度逐漸減小。

2) 籽粒試驗表明:當籽粒含水率為12.3%以上時,最大靜壓力隨著含水率的增加而降低;當含水率為12.3%以下時,最大靜壓力隨著含水率的降低而降低,含水率越低越容易破碎;白蕓豆籽粒所能承受的最大靜壓力依次是正放﹥側放﹥立放。

3) 豆莢試驗表明:當含水率低于20.2%時,豆莢發生炸莢;隨著含水率的降低,炸莢所需的最大靜壓力降低;白蕓豆豆莢在所能承受的最大靜壓力依次是正放﹥側放﹥立放。