裸燕麥籽粒剪切特性研究*

邱述金，李霖霖，崔清亮，楊作梅，馮禹，郭玉明

(1. 山西農業大學農業工程學院，山西太谷，030801；2. 太原理工大學機械與運載工程學院，太原市，030024)

0 引言

燕麥俗稱莜麥，屬禾本科燕麥屬，是一年生草本作物。裸燕麥籽粒纖細瘦長，有腹溝，葉鞘光滑或背有微毛，形狀多呈筒形、紡錘形。皮燕麥籽粒帶殼，大多數飼用。裸燕麥籽粒不帶殼，是我國主要種植的品種，食用價值很高。裸燕麥的生長周期短，具有極強的抗旱、耐寒、耐脊的特性，并且具有很高的營養價值和藥用價值，越來越受到廣大消費者的喜愛，市場的需求量很大[1]。山西省的裸燕麥種植主要分布在晉西北，面積有170 khm2，年產量15萬t左右，占據全國產量的10%[2]。國外燕麥品種以皮燕麥為主，收獲方式多以更換割臺、調節運動參數等機械化手段進行。國內燕麥種植以裸燕麥為主，利用谷物聯合收獲機工作時籽粒破碎嚴重，籽粒損傷率大，因而主要以人工、半人工收獲為主。從20世紀中期開始，國內外學者對玉米[3]、大豆[4]、小麥[5]和稻谷[6]等大籽粒谷物的力學特性進行研究[7-9]，關于裸燕麥籽粒的研究也隨之開始。Anazodo等[10]在標準壓縮和彎曲模式下測試玉米籽粒的物理力學特性，發現玉米種子和收獲期對籽粒的力學特性有顯著影響；Lu等[11]通過壓縮和三點彎曲試驗研究了稻米精米產量與籽粒力學特性的關聯性；Verma等[12]研究了玉米的熱力學特性，發現玉米籽粒破裂力、破裂能和破碎變形與含水率有關；Chenarbon等[13]對不同含水率的3種玉米籽粒分別施加沖擊載荷，發現玉米籽粒的品種和含水率對其破損率有較大影響；楊作梅等[14]利用物性分析儀和赫茲接觸理論發現了谷子的破壞力隨含水率升高而降低的規律；李春娣等[15]通過質構儀研究了大豆籽粒的壓縮力學特性，發現了破壞力、破壞能、彈性模量、破壞應力、破壞應變與含水量之間的關系，并建立了各項參數與含水率之間的關系模型；耿令新等[16]設計一種燕麥籽粒揉搓式除雜裝置，具有脫凈率高、損失率低、損傷小的優點；趙楠等[17]綜述了燕麥籽粒的粘彈性研究和機械破碎力學研究進展，指出燕麥籽粒的機械力學參數包括破壞力、破壞能、變形量和強度等；張澤璞等[18]對裸燕麥籽粒的壓縮力學性能以及破裂生成規律進行了研究。目前針對玉米、大豆、小麥和稻谷等谷粒的力學特性研究已經取得了較多成果，但針對裸燕麥籽粒的剪切特性研究還尚未報道。本文研究含水率、剪切方向、剪切速度對裸燕麥籽粒剪切破壞力學特性的影響規律，為燕麥機械化生產提供理論支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗樣品采用廣泛種植于山西的晉燕18號，產地為山西農業大學試驗田。試驗時選取顆粒飽滿、表面無損傷、沒有霉變的裸燕麥籽粒作為試驗樣本。試驗前測得裸燕麥籽粒的初始含水率為11.33%(濕基，下同)，在大量文獻中表明含水率是影響谷物籽粒相關力學特性的重要因素[19]。為了探究不同含水率對裸燕麥籽粒剪切破壞力學特性的影響，需提前進行含水率配制的準備工作。參考文獻[20]的方法制備5種不同含水率的裸燕麥籽粒作為試驗樣本。為了獲得不同含水率的裸燕麥籽粒樣本，先通過電子天平分別稱取5份500 g初始含水率的裸燕麥籽粒，將其放置于干燥、密封良好的玻璃罐中，再通過式(1)，計算得到所需加入去離子水的質量，以此來配制不同含水率的樣本。

(1)

式中：M——需要加入去離子水的質量，g；

m——試驗樣本的質量，g；

H1——試驗樣本的初始濕基含水率，%；

H2——需要配制獲得的目標樣本的濕基含水率，%。

需要注意的是，若所需目標樣本的含水率較高(如大于16%)時，需要以分多次、每次少量的方式來加入去離子水，目的是為了能夠獲得準確的目標試驗樣本，提高試驗的可靠性。在加入水的過程中，要控制玻璃棒攪拌與噴水二者同步進行，且所有樣品在此過程中需每隔3～4 h攪動一次，使水分能夠均勻吸收。1 d后，將配置得到的不同含水率的試驗樣本裝入密封塑料袋中密封以保持含水率的穩定，再置于2 ℃冰箱內冷藏3 d以上，讓其吸水均勻，期間每天搖動3～5次。在進行試驗前，需提前將試驗樣本從冰箱中取出，在常溫下靜置0.5 h左右，使其恢復至室溫20 ℃，再利用水分容重儀測定試驗樣本的實際含水率，作為所配置樣本的最終含水率。每個樣本分別測定5次，取配制樣本的含水率分別為12.04%、13.64%、17.02%、20.73%、22.56%。

主要試驗設備有：美國Fowler數顯式游標卡尺，測量范圍0～150 mm，測量精度0.01 mm；TA.XT.Plus物性分析儀，測試速度范圍0.01～40 mm/s，測試距離精度0.001 mm，測試力量精度0.000 2%；電子天平MP2002，量程300 g，精度0.01 g。

1.2 試驗設計

裸燕麥籽粒在收獲、運輸和加工過程中含水率存在差異，在不同剪切載荷的作用下，產生的破碎損傷程度也各不相同，研究裸燕麥籽粒的剪切破壞力學特性具有重要意義。

在研究裸燕麥籽粒不同含水率的剪切特性試驗時，控制裸燕麥籽粒的剪切速度為0.12 mm/s、剪切方向為腹溝向下不變，選取含水率12.04%、13.64%、17.02%、20.73%、22.56%為試驗因素進行試驗；在研究裸燕麥籽粒不同剪切方向的剪切特性試驗時，控制裸燕麥籽粒的含水率為22.56%、剪切速度為0.12 mm/s不變，選取剪切方向腹溝側向、腹溝正向、軸線方向為試驗因素進行試驗；在研究裸燕麥籽粒不同剪切速度的剪切特性試驗時，控制裸燕麥籽粒的含水率為22.56%、剪切方向為腹溝向下不變，選取剪切速度0.02 mm/s、0.04 mm/s、0.08 mm/s、0.12 mm/s為試驗因素進行試驗；以剪切破壞力和剪切破壞能為評價指標，研究各因素對評價指標的影響規律。

采用厚度為3 mm的剛性平板作為加載裝置(圖1)，在物性分析儀編寫裸燕麥籽粒剪切程序，底座配合剛性平板中心間隙也為3 mm。剪切速度根據試驗要求進行設定，觸發力為0.098 N，試驗前將物性分析儀預熱15 min。試驗樣品提前取出，置于室內半個小時左右，恢復至室溫。從密封袋取出一粒無傷無損的籽粒，迅速將密封袋密封，避免籽粒的含水率發生變化。先用游標卡尺測定裸燕麥籽粒的三軸尺寸：長(L)、寬(W)、高(H)，試驗時將裸燕麥籽粒根據試驗要求放在底座平臺上，同時保證裸燕麥籽粒中心與間隙中心保持一致，運行裸燕麥籽粒剪切試驗程序，觀察力—位移曲線變化，出現載荷有較大突變時，立即停止加載。每個處理重復20次。

圖1 加載裝置

1.3 評價方法

燕麥籽粒在剪切變形過程中具有明顯的生物屈服點[21]，如圖2所示。當所加載荷未達到屈服點時，這一階段力與變形量近似成線性關系。屈服點又稱為應變軟化點，通常認為，當所加載荷達到此點時，則會引起物料微觀結構的破壞，當所加載荷小于屈服點時，載荷不會帶來明顯的傷害。故將屈服點所對應的力的大小定為裸燕麥籽粒的最大剪切破壞力F，即籽粒在剪切變形過程中力—位移曲線上的第一個峰值。而最大剪切破壞力以前的曲線與橫坐標軸所圍成的面積(圖2中陰影區域)為對應的破壞能，也叫剪切破壞能W，即籽粒在剪切變形過程中力—位移曲線上第一個峰值點與橫坐標軸所圍成的面積。此后隨著載荷的增加，裸燕麥籽粒發生局部組織破壞，進入塑性區。最后隨著載荷的增加，達到最大峰值點，即圖2所示破裂點，此時物料在所加載荷的作用下發生宏觀結構的破壞。剪切破壞能采用式(2)進行計算。

(2)

式中：D——試驗曲線第一峰值點橫坐標的數值。

圖2 燕麥剪切破壞力—位移曲線(晉燕18號)

1.4 數據處理

利用統計分析軟件SAS[22]進行數據處理，分別對含水率、剪切方向和剪切速度進行了方差分析，獲得了各因素對剪切破壞力和剪切破壞能的影響規律。

2 結果與分析

2.1 含水率對剪切破壞力學特性影響

不同含水率裸燕麥籽粒剪切試驗結果如表1所示。從表1可以看出，裸燕麥籽粒的剪切破壞力隨含水率的增加，呈現出下降的趨勢，由23.97 N(含水率12.04%)下降到14.63 N(含水率22.56%)；剪切破壞能隨含水率的增加，也呈下降趨勢，由15.58 J(含水率12.04%)下降到9.40 J(含水率22.56%)。

表1 不同含水率裸燕麥籽粒剪切試驗結果Tab. 1 Results of shear experiment of naked oats with different moisture content

對試驗結果進行方差分析，結果如表2所示。

表2 不同含水率裸燕麥籽粒剪切特性方差分析Tab. 2 Analysis of variance of shear characteristics of naked oats with different moisture content

從表2可以看出，含水率對裸燕麥籽粒剪切破壞力方差分析顯著性P值<0.005，決定系數R2=0.974 3。根據統計學顯著性檢驗方法所得到的P值，一般以P<0.05 為有顯著統計學差異。決定系數R2的大小決定了變量間相關的密切程度。R2越大，自變量對因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動占總變動的百分比越高。故含水率對裸燕麥籽粒剪切破壞力方差分析模型是顯著的。同理，含水率對裸燕麥籽粒剪切破壞能方差分析模型顯著，顯著性P值<0.005，決定系數R2=0.955 4。

采用一元線性回歸分析，擬合曲線方程及檢驗結果如表3所示。

表3 含水率對裸燕麥籽粒剪切特性的回歸模型Tab. 3 Regression model of moisture content on shear characteristics of naked oats

從表3可以看出，回歸模型的P值<0.005，決定系數R2分別達到了0.974 3和0.955 4，說明一元線性回歸顯著且擬合精度較高。在含水率12.04%～22.56%范圍內，裸燕麥籽粒的剪切破壞力與剪切破壞能均呈現出隨含水率的提高而降低的趨勢。

2.2 剪切方向對剪切破壞力學特性的影響

不同剪切方向裸燕麥籽粒剪切試驗結果如表4所示。從表4可以看出，裸燕麥籽粒腹溝側向時，剪切破壞力最大，為18.86 N；腹溝向上時，剪切破壞力最小，為14.44 N。

表4 不同剪切方向下裸燕麥籽粒剪切試驗結果Tab. 4 Results of grain shearing experiment of naked oats at different shear directions

對試驗結果進行方差分析，結果如表5所示。

表5 裸燕麥籽粒剪切方向方差分析Tab. 5 Variance analysis of grain shear characteristics of naked oats at shear directions

由表5可以看出，剪切方向對裸燕麥籽粒剪切破壞力方差分析模型是極顯著的，顯著性P值<0.001，決定性系數R2=0.998 1；剪切方向對裸燕麥籽粒剪切破壞能方差分析模型顯著，顯著性P值<0.005，決定系數R2=0.955 4。

2.3 剪切速度對剪切破壞力學特性的影響

不同剪切速度裸燕麥籽粒剪切試驗結果如表6所示。從表6可以看出，隨剪切速度的增加，裸燕麥籽粒的剪切破壞力變化不顯著，剪切破壞力處于14.53～15.69 N之間；剪切破壞能隨剪切速度的增加，呈現出增大趨勢，由9.40 J增加到13.01 J。

表6 不同剪切速度下裸燕麥籽粒剪切試驗結果Tab. 6 Results of grain shearing experiment of naked oats under different velocity

對試驗結果進行方差分析，結果如表7所示。由表7可以看出，剪切速度在試驗速度范圍內對剪切破壞力的影響顯著性P值>0.05，可認為統計學差異不顯著，即在0.02～0.12 mm/s范圍內，剪切速度對裸燕麥籽粒的剪切破壞力影響不顯著，決定性系數R2為0.044 7。剪切速度對裸燕麥籽粒剪切破壞能的影響顯著，顯著性P值<0.05，決定系數R2為0.970 4，隨剪切速度的增加，裸燕麥籽粒的剪切破壞能增大。

表7 裸燕麥籽粒剪切速度方差分析Tab. 7 Variance analysis of grain shear characteristics of naked oats at loading speed

3 結論

對裸燕麥籽粒進行了不同含水率、不同剪切速度和不同剪切方向的剪切破壞力學特性試驗，獲得了各因素對剪切破壞力、剪切破壞能的影響規律，并建立了含水率對剪切特性影響的力學模型，為裸燕麥籽粒的機械化播種、收獲、運輸及加工以及農業裝備的設計與開發提供理論參考。

1) 含水率對剪切破壞力、剪切破壞能的影響顯著，含水率為12.04%～22.56%的裸燕麥籽粒，隨著含水率的增加，剪切破壞力與剪切破壞能均呈現出減小的趨勢。

2) 剪切方向對剪切破壞力、剪切破壞能的影響顯著，裸燕麥籽粒腹溝側向時，剪切破壞力最大，為18.86 N；腹溝向上時，剪切破壞力最小，為14.44 N。

3) 剪切速度對剪切破壞力影響不顯著，剪切速度對剪切破壞能影響顯著，隨剪切速度的增加，裸燕麥籽粒的剪切破壞能增大。