高粱籽粒壓縮力學特性研究

馮禹， 邱述金， 原向陽， 崔清亮， 季志強

（1.山西農業大學農業工程學院，山西 太谷 030801；2.山西農業大學農學院，山西 太谷 030801；3.河北省承德市農林科學院，河北 承德 067000）

高粱又稱烏禾、蜀黍，是重要的耐旱作物，具有高產、抗旱、抗鹽堿、抗澇、耐貧瘠等特點，是一種古老的栽培作物，在我國有著悠久的栽培歷史[1]。在收獲、脫粒、加工、運輸以及貯藏過程中，高粱籽粒會受到有關機械部件的壓縮載荷作用，從而造成高粱籽粒的損傷破裂，不僅影響食用品質，還會降低種子的發芽率[2-4]。因此，研究高粱籽粒在靜態時的壓縮力學特性，明確籽粒受載荷時的破碎力，可減少高粱籽粒在收獲、運輸、儲藏和加工中的損失[5-7]，也可為相關農業機械的精確設計提供依據[8-9]。目前，國內外對小麥、玉米、大豆、水稻等大籽粒農作物進行了相關研究，發現含水率、壓縮方位和品種對籽粒的擠壓力、破壞能、表觀彈性模量等有重要影響[10-13]。高連興等[14]通過大豆靜壓試驗探明了不同含水率下大豆不同方向靜壓機械特性及其變化規律，表明大豆不同壓縮方向的破裂強度和彈性模量均隨含水率的升高而下降；張克平等[15]測得了不同含水率的小麥籽粒在3種壓縮形式下的力學參數，發現破碎負載、彈性模量、屈服強度隨著含水率的升高均顯著降低；孫靜鑫等[16]測定了不同含水率下谷子籽粒的基本物性參數，并探明了不同含水率、品種和壓縮方位對谷子籽粒的壓縮力學性質的影響規律；吳中華等[17]通過機械壓縮測量試驗及大樣本分析，得到了稻米籽粒壓縮破裂載荷的統計分布特性,探明了溫度和含水率對稻米籽粒破裂載荷的影響機理。

高粱籽粒在機械收獲加工過程中的受力情況復雜，目前對其受力特性的研究較少。本文通過模擬高粱籽粒在不同機械載荷作用下的力學過程，研究不同品種、含水率、壓縮方向對高粱籽粒的壓縮力學特性的影響，并建立各力學指標隨含水率變化的數學模型，為設計高粱籽粒收獲裝備與優化加工工藝提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用廣泛種植于華北地區的遼雜37號、晉雜34號、興湘梁2號為供試材料。采用烘干法測得初始含水率（濕基）分別為8.65%、8.94%、9.36%。

1.2 試驗設備與儀器

TA.XT.Plus物性分析儀(英國Stable Micro System公司），測試速度范圍0.01～40.00 mm·s-1，測試距離精度0.001 mm，測試力量精度0.000 2%；DHG-9023A型電熱恒溫鼓風烘箱（無錫三鑫精工電氣設備有限公司），0～300℃；電子天平MP2002(上海精密儀器儀表有限公司)，量程300 g，精度0.01 g；SZ680連續變倍體式顯微鏡（物鏡變倍范圍0.68～4.70×，目鏡10×/23 mm）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗樣本制備 選取顆粒飽滿、表面無損傷、沒有霉變的高粱籽粒分別制備5種不同含水率的試驗樣本：12.4%、14.3%、17.1%、19.6%、22.5%。每個品種稱取5份500 g初始含水率的高粱籽粒，放置于干燥、密封良好的玻璃罐中，通過式（1）確定所需加入去離子水的質量，制備不同含水率的樣本[18]。為使水分吸收均勻，邊加水邊攪拌，每隔3～4 h攪動1次。1 d后，將得到的不同含水率樣本裝入塑料袋中密封，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，將試驗樣本從冰箱中取出,常溫下靜置0.5 h左右至室溫20℃。

式中，M為需要加入去離子水的質量，g；m為試驗樣本的質量，g；H1為試驗樣本的初始濕基含水率，%；H2為需要配制獲得的目標樣本的濕基含水率，%。

1.3.2 試驗設計 以品種、含水率、壓縮方向為試驗因素，以高粱籽粒受到壓縮而破損時的壓縮變形量、屈服載荷和破壞能為試驗指標進行壓縮力學特性試驗。

采用剛性平板作為加載裝置，在物性分析儀上編寫程序并調至壓縮模式。選取P/36R的圓柱形探頭和100 mm×90 mm的壓縮底座作為壓縮裝置。設置測前速度為1 mm·s-1,測后速度為0.01 mm·s-1,觸發力為0.049 N。試驗時，將高粱籽粒置于剛性平板正中心，運行壓縮程序，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，記錄每次試驗中破壞力并計算對應的破壞能。每次壓縮完成的高粱籽粒立即用體式顯微鏡觀察并拍照。采用式（2）計算破壞能，其數值用物性分析儀的圖形分析軟件來獲得。

式中，W表示破壞能，mJ；F表示屈服載荷，N；DF為達到屈服載荷時對應的壓縮變形量，mm。

高粱籽粒在收獲、運輸以及機械化加工過程中受到壓縮載荷的方向不同，需要對高粱籽粒進行X軸、Y軸、Z軸3個壓縮方向（圖1）的研究，其中，X、Y、Z分別為高粱籽粒的長、寬、高。由于高粱籽粒體積小且形狀不規則，為了確保對高粱籽粒從不同的壓縮方位施加載荷，篩選出大小相近的高粱籽粒，提前用雙面膠固定底部。

圖1 3軸壓縮Fig.1 Compression from 3 axials

1.3.3 數據分析 利用SAS對試驗數據進行方差分析以及一元多項式回歸分析。

2 結果與分析

2.1 壓縮曲線分析

高粱籽粒在壓縮變形過程中具有明顯的生物屈服點。以含水率17.1%、Z軸方向壓縮為例（圖2），當所加載荷未達到屈服點時，力與變形量近似呈線性關系。屈服點又稱為應變軟化點，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，故將屈服點時所對應的力定為高粱籽粒的最大擠壓力F（N），即籽粒在壓縮變形過程中力-位移曲線上的第1個峰值點。最大擠壓力可由物性分析儀上的圖形分析軟件來直接讀取。屈服載荷即高粱籽粒在屈服點時對應的載荷大小。而最大擠壓力以前的曲線與橫坐標軸所圍成的面積（圖2陰影區域）為對應的破壞能W（mJ），即籽粒在壓縮變形過程中力-位移曲線上第1個峰值點與橫坐標軸所圍成的面積。此后隨著載荷的增加，高粱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。

圖2 高粱籽粒壓縮力-位移曲線Fig.2 Compressive force-distance curve of sorghum grain

2.2 壓縮變形量分析

2.2.1 壓縮變形量測試結果分析 壓縮變形量表示的是籽粒達到生物屈服點時的位移量。不同含水率下3個品種高粱籽粒的壓縮變形量測試結果如表1所示。可以看出，對于同一高粱品種，無論何種壓縮方向，壓縮變形量隨含水率升高先減小后增大。當含水率從12.4%升高到17.1%時，壓縮變形量呈下降趨勢，且變化趨勢比較平緩，3個方向的壓縮變形量均在含水率為17.1%時達到最小值；當含水率從17.1%升高到22.5%時，壓縮變形量又呈上升趨勢。在同一含水率下，3個高粱品種均表現為Z軸方向的壓縮變形量最大，Y軸次之，X軸方向的壓縮變形量最小。當處于同一含水率和壓縮方向時，興湘梁2號高粱的壓縮變形量比其他2個品種大，表明在相同的條件下，興湘梁2號高粱抵抗外部載荷變形的能力較其他2個品種強，遼雜37號次之，晉雜34號高粱抵抗外部變形的能力最差。

表1 壓縮變形量測試結果Table 1 Test results of compression deformation

2.2.2 壓縮變形量影響因素顯著性分析 利用SAS對壓縮變形量試驗結果進行顯著性分析，結果如表2所示?？芍?，品種、含水率、壓縮方向均對壓縮變形量有極顯著的影響。根據F值[19]，品種是影響壓縮變形量的主要因子，影響壓縮變形量的試驗因子順序依次是品種＞含水率＞壓縮方向。

表2 壓縮變形量顯著性分析Table 2 Significant analysis of compression deformation

2.2.3 不同品種含水率與壓縮變形量的回歸分析 采用一元多項式回歸分析，擬合方程及檢驗結果如表3所示。可以看出，高粱籽粒的壓縮變形量與含水率呈二次多項式關系，回歸模型的P值均小于0.05，且決定系數R2均在0.96以上，說明回歸模型顯著且擬合精度較高。

表3 含水率與壓縮變形量的回歸分析Table 3 Regression analysis of moisture content and compression deformation

2.3 屈服載荷分析

2.3.1 屈服載荷測試結果分析 屈服載荷是指高粱籽粒在生物屈服點時對應的壓縮載荷。不同含水率下3個品種高粱籽粒的屈服載荷測試結果如表4所示?？梢钥闯觯瑢τ谕桓吡黄贩N，無論何種壓縮方向，屈服載荷均隨著含水率的升高而減小。在同一含水率下，Z軸方向達到屈服點時所需載荷最大，Y軸方向次之，X軸方向達到屈服點時所需載荷最小。在相同的壓縮條件下，興湘梁2號需要的屈服載荷最大，遼雜37號次之，晉雜34號需要的屈服載荷最小，且興湘梁2號顯著高于其他2個品種，說明興湘梁2號高粱抗壓性能好、品質高。因此，興湘梁2號的籽粒在機械化收獲、脫粒過程中抵抗破裂的能力較強；但遼雜37號、晉雜34號高粱更利于在機械化過程中破碎加工。

表4 屈服載荷測試結果Table 4 Test results of yield load

2.3.2 屈服載荷顯著性分析 由表5可知，品種、含水率、壓縮方向均對屈服載荷有極顯著的影響。根據F值[19]，影響屈服載荷的主要試驗因子依次是含水率＞品種＞壓縮方向。

表5 屈服載荷顯著性分析Table 5 Significant analysis of yield load

2.3.3 不同品種含水率與屈服載荷的回歸分析 由表6可得，高粱籽粒的屈服載荷與含水率呈線性關系，回歸模型的P值均小于0.01，且決定系數R2均在0.96以上，說明回歸模型極顯著且擬合精度較高。

表6 含水率與屈服載荷的回歸分析Table 6 Regression analysis of moisture content and yield load

2.4 破壞能分析

2.4.1 破壞能測試結果分析 破壞能是指高粱籽粒在屈服點時由于受到屈服載荷的作用，發生最初的結構破壞所需要的最小能量。不同含水率下3個品種高粱籽粒的破壞能測試結果如表7所示。

從表7可以看出，對于同一高粱品種，無論何種壓縮方向，破壞能隨著含水率的升高先減小后增大。當含水率從12.4%升高到17.1%時，破壞能呈下降趨勢，且下降幅度較為明顯，此后隨著含水率的增加，破壞能又呈緩慢上升趨勢。不同壓縮方向對破壞能的影響與壓縮變形量和屈服載荷有著相似的變化規律，即Z軸方向壓縮時所需的破壞能最大，Y軸方向次之，X軸方向壓縮時所需的破壞能最小。在相同的壓縮條件下，興湘梁2號需要的破壞能最大，遼雜37號次之，晉雜34號需要的破壞能最小，變化規律與屈服載荷相似，說明興湘梁2號在壓縮過程中需要吸收更多能量才能被破壞，是抵抗外部載荷能力較強的高粱品種。

表7 破壞能測試結果Table 7 Test results of damage energy

2.4.2 破壞能顯著性分析 由表8可知，品種、含水率、壓縮方向均對破壞能有極顯著的影響。根據F值[19]，影響破壞能的試驗因子依次是品種＞壓縮方向＞含水率。

表8 破壞能顯著性分析Table 8 Significant analysis of damage energy

2.4.3 不同品種含水率與破壞能的回歸分析 由表9可知，高粱籽粒的破壞能與含水率呈三次多項式關系，回歸模型的P值均小于0.05，且決定系數R2均在0.95以上，說明回歸模型顯著且擬合精度較高。

表9 含水率與破壞能的回歸分析Table 9 Regression analysis of moisture content and Damage energy

3 討論

高粱籽粒由穎和種仁組成：穎由護穎和包在其內的內穎組成，二者合稱為外殼；外殼表面光滑，厚而隆起；種仁由皮層、胚乳和胚組成，皮層由果皮和種皮組成。皮層較厚，果皮外層細胞全部角質化，較為堅硬，因此，不同品種的高粱籽粒在抵抗破裂的能力不同。本研究結果表明，興湘梁2號的品質較好，抗破裂能力較強，而遼雜37號、晉雜34號高粱更利于機械破碎加工。

高粱籽粒在收獲、運輸以及機械化加工過程中易受到不同方向壓縮載荷的影響。含水率的差異導致了高粱籽粒內部組織和機械強度的不同，從而造成了屈服載荷的不同[20]。本研究結果表明，含水率對屈服載荷的影響最大，屈服載荷均隨著含水率的升高而減小。在同一種含水率下，Z軸方向的屈服載荷最大，Y軸次之，X軸方向最小。分析其原因，屈服載荷的大小與高粱籽粒的受壓部位有關。X軸方向壓縮時，壓縮探頭與高粱籽粒頂部的尖點花柱遺跡相接觸，由于接觸點的接觸面積很小，容易發生應力集中，高粱籽粒頂部抗壓性較弱，故容易受到破壞而產生裂紋，且X軸方向壓縮時接觸面積最小，因此X軸方向壓縮時所需要的屈服載荷最?。籝軸、Z軸方向壓縮時，高粱籽粒內部的胚乳部分受壓，但由于高粱籽粒Y軸方向壓縮時的受壓面積比Z軸方向壓縮時的受壓面積小，導致受到相同的外部載荷作用時，Y軸方向受到應力集中的影響比Z軸大，籽粒更容易受外力而破損，故Z軸方向壓縮時的屈服載荷比Y軸大。在設計高粱籽粒收獲加工等裝備時，應考慮高粱籽粒的壓縮力學特性，提高生產質量，降低籽粒損耗。