稻谷的机械力学特性试验
时间：2022-06-30 11:32:37
摘要：稻谷的损伤与破碎除与其受到的内外力的作用有关外，还与其本身的力学性能有关。通过对稻谷进行挤压试验和剪切试验，测得了其力-位移曲线，分析了稻谷的破碎过程。试验研究了稻谷品种和含水率对稻谷力学性能的影响，较全面地获得了稻谷的力学性能指标，可为稻谷的加工处理提供一定的理论依据。
关键词：稻谷；力学特性；破坏力
中图分类号：S511；S313 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）21-4880-04
Research on the Mechanical Properties of Rice Kernel
REN Zu-fang，XU Qiao-ming，WU Jie，REN Yi-lin
（College of Engineering， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）
Abstract： Besides internal and external stress， the injury to rice grains is concerned with mechanical properties. The force-deformation curve of rice kernel was measured by the shear test and compression test. Some phenomena that occurred in the tests were described. The influence of different varieties and moisture content on mechanical properties of rice kernel was determined respectively. The mechanical properties indexes of rice kernel were obtained by the tests fairly comprehensively. The theoretical basis was improved for processing of rice kernel.
Key words： rice kernel； mechanical property； failure force
中国水稻栽培面积占全国粮食种植总面积的24%左右，占世界稻作总面积的20%；稻谷产量占全国粮食总产量的45%以上，占世界粮食总产量的36%，其地位举足轻重[1]。有关研究表明，稻谷的含水率对稻谷的力学特性影响很大，分析结果显示含水率对各力学指标的影响均显著[2-5]；由于结构成分和子粒形状尺寸的影响，不同品种的谷粒各力学指标也存在显著的差异[6-11]；在不同的成熟期，稻谷的饱满程度、含水率和种子的发芽率都不同，从而导致其各力学指标也有较大差异[10，11]。
随着稻谷新品种的出现，需要对新品种进行更全面的力学研究，为稻谷收获、加工、储运装备的设计与优化提供依据。因此，将对3个品种的稻谷进行力学试验研究，通过对稻谷进行挤压和剪切等试验了解稻谷的力学性能，为稻谷的保存、运输和加工提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验设备
RGT-10微机控制电子万能试验机、HN101-2A数显电热鼓风干燥箱、DZF-6020型真空干燥箱、BS10002电子天平、游标卡尺。
1.2 制样及试验方法
试验稻谷品种为培两优3076、苯两优9号和珍珠糯，由湖北省农业科学院粮食作物研究所提供。每种稻谷取500颗，平均分成5组，于水中浸泡10 h后，去除表面明水。将其中4组稻谷分别干燥10、20、30、40 min，剩余1组稻谷不经任何处理，每组取部分稻谷测定含水率，其余稻谷备用。含水率的测定采用GB/T 21305-2007。
1.3 稻谷的挤压力学试验
采用自制压头进行挤压试验。如图1所示，压头圆盘直径为40 mm，支座长度为50 mm，经预试验及参考有关资料[11，12]，选取加载速度为2 mm/min。
在苯两优9号4组含水率不同的稻谷中每组取10～20颗，将稻谷放置在试验机平台上，利用平板压头下压的压力进行挤压试验。同时选取珍珠糯含水率为14.80%、苯两优9号含水率为14.74%、培两优3076含水率为14.70%的稻谷进行试验（因为3种稻谷的含水率相差不到0.5%，可以近似地认为3种稻谷含水率相同），每种稻谷取10～20颗；将稻谷放置在试验机平台上，利用平板压头下压的压力进行挤压试验。
1.4 稻谷的剪切力学试验
剪切试验采用自制压头进行（图2）。压头宽度为3 mm，支座间距固定为5.5 mm，加载速度为2 mm/min。
在培两优3076的4组稻谷中每组取10～20颗，将稻谷放置在试验机平台上搭建的支座之间，利用自制剪切压头下压的压力进行剪切试验，试验时保证压头压在谷粒的中间位置。同时选取珍珠糯、苯两优9号、培两优3076中含水率相近的一组进行试验，每种稻谷取10～20颗。
2 结果与分析
2.1.1 稻谷典型的挤压力-位移曲线 从图3可以看出，稻谷的典型挤压力-位移曲线大体可以分为OA、OB、OC、OD 4段。在B点峰值之前，有一个小峰值A。这主要是因为稻谷谷壳比糙米的韧性要大，而糙米的脆性很大，在挤压过程中负载力先达到了使糙米出现裂纹断裂的值。因为谷壳并没有明显损伤，到B点时谷壳出现裂纹，曲线开始下降，出现BC段的屈服阶段。曲线到达C点时，谷壳彻底地开裂，使糙米也失去了最后的缓冲保护。进入CD段，谷粒逐渐被压扁，胚乳逐渐粉碎。此时载荷虽然还在上升，但是稻谷的形变已经几乎不再随着载荷的上升而增加了。图4和图5是分别对苯两优9号和珍珠糯进行挤压力学试验时出现峰值A后剥去谷壳的图片。从图4和图5可以看出，稻谷都在中间的位置断裂，这是因为中间的厚度最大，在受挤压时这部分受到的力也最大，但断裂面的形状不规则。
2.1.2 稻谷典型的剪切力-位移曲线 从图6可以看出，曲线可以大致分为OA、OB两部分。与挤压力-位移曲线相似，同样有一个小峰值A。此时稻谷的外壳并没有明显的破损裂纹，糙米已经沿着短轴方向出现裂纹或断裂。由于谷壳并没有破裂，一直到达峰值B，B点的值就是剪切破坏力。B点之后剪切负载呈直线下降，此时稻谷的变形已趋近于零。从图7和图8可以看出，因为中间的厚度最大，在受挤压时这部分受到的力也最大，而且和挤压力学试验相比，压头与稻谷的接触面小，所以稻谷沿短轴方向断裂。
2.2 含水率对稻谷力学性能的影响
2.2.1 含水率对稻谷挤压力学性能的影响 选取苯两优9号4组不同含水率的稻谷进行含水率对稻谷挤压破坏力的试验。通过SPSS软件对数据拟合回归方程并进行回归分析，得到含水率对稻谷挤压破坏力的回归方程如下：
F=174.75+4 803.80 χ2-31 806.29 χ3 （1）
式中，F为挤压破坏力（N），χ为含水率。
对此非线性回归方程进行拟合分析，得到观测值与拟合值之间的相关系数r=0.999 5，方程拟合很好。对实际数据和拟合的曲线进行绘制，得到含水率和挤压破坏力之间的关系曲线（图9）。
用SPSS软件对拟合的回归方程进行方差分析（表1）。从表1可以看出，F值远大于F0.05（1，2），故回归方程显著。可以得知含水率对稻谷的挤压破坏力具有显著影响，从图9和式（1）可以看出，随着含水率的增加，稻谷的挤压破坏力呈明显下降的趋势。
2.2.2 含水率对稻谷剪切力学性能的影响 取4组不同含水率的培两优3076稻谷考察含水率对稻谷剪切破坏力的影响。通过SPSS软件对数据拟合回归方程，并进行回归分析，得到含水率对稻谷剪切破坏力的回归方程如下：
F=23.86+376.61 χ2-1 738.60 χ3 （2）
从表1中可以看出，F值远小于临界值F0.05（1，2），所以回归方程不显著。如图10所示，含水率对剪切破坏力的实际测试数值较为分散，没有一定的分布规律，与拟合曲线相差较大。由此可见，含水率对稻谷的剪切破坏力影响并不显著。根据试验数据绘制了含水率对剪切破坏力的关系曲线，从图10可以看出，含水率低于15%时，剪切破坏力随着含水率的增大而增大；含水率高于15%时，剪切破坏力随着含水率的增大而减小。
2.3 稻谷品种对稻谷力学性能的影响
2.3.1 稻谷品种对稻谷挤压力学性能的影响 选取珍珠糯、培两优3076和苯两优9号含水率相近的一组进行力学性能的研究。不同稻谷品种具有不同的破坏力和破坏能。表2是稻谷品种对挤压破坏力的方差分析结果。从表2可以看出，P小于0.05，稻谷品种对这3种稻谷的挤压破坏力影响显著。这主要是由于谷粒由谷壳、皮层、胚和胚乳4部分组成，不同品种四者的组织结构成分不同，所以它们受外力作用时所表现的力学性能也不同。
2.3.2 稻谷品种对稻谷剪切力学性能的影响 选取珍珠糯、培两优3076和苯两优9号含水率相近的一组进行力学性能的对比。从表2可以看出，P小于0.05，所以，品种对这3种稻谷的剪切破坏力影响显著，出现这种结果的原因和挤压力学性能相同。
3 小结
选取稻谷品种、含水率作为试验因素，通过具体的试验操作得出试验数据，分析确定各因素与力学性能指标——破坏力之间的关系。通过对稻谷进行挤压试验和剪切试验，较全面地获得了稻谷的力学性能指标，为稻谷的加工处理提供一定的理论依据。
含水率对稻谷挤压破坏力的影响显著，其回归方程随着含水率的增加，稻谷的挤压破坏力呈明显下降趋势。含水率对稻谷的剪切破坏力的影响不显著。另外通过数据分析可以得出，随着含水率的增加，稻谷的挤压破坏力和剪切破坏力总体上都呈下降趋势。
通过对不同品种稻谷进行力学性能试验，发现不同品种对稻谷挤压破坏力的影响显著，对稻谷剪切破坏力也有显著的影响。这可能与不同品种稻谷的结构成分及形状尺寸有关。
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收稿日期：2012-04-09
基金项目：国家转基因重大专项（2011ZX08001-001）；华中农业大学交叉基金项目（52902-0900201115）
作者简介：任祖方（1985-），男，河南周口人，硕士，研究方向为图像处理及农业机械化，（电话）13517293284（电子信箱）；
通讯作者，任奕林（1970-），女，湖北武汉人，副教授，博士，主要从事农产品加工与装备方面的研究，（电话）18627186972（电子信箱）
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