大豆堆体变模量的测定与分析

程绪铎 陆琳琳 黄之斌 石翠霞

大豆堆体变模量的测定与分析

程绪铎 陆琳琳 黄之斌 石翠霞

(南京财经大学食品科学与工程学院，南京 210046)

使用TSZ－6A型应变控制式三轴仪对不同围压(20～240 kPa)、不同含水率(12．1%，14．0%，15．7%，17．1%w．b)的黑龙江省春大豆堆的体变模量进行了测定，并分析了围压与含水率对大豆堆体变模量的影响。试验结果表明:对含水率为12．1%～17．1%w．b、围压为20～240 kPa的大豆堆，其体变模量范围为223．7～813．0 kPa。相同含水率的大豆堆的体变模量随着围压(20～240 kPa)的增大而增大;同一围压下，大豆堆体变模量随着含水率(12．1%～17．1%w．b)的增大而减小。

大豆堆 体变模量 围压 含水率

大豆是我国重要的粮食作物，也是提取食用油的重要经济作物。大豆在装卸、运输、储藏等过程中都会受到相应的冲击载荷或压缩载荷，引起内部应力变化，导致粮堆体积缩小、籽粒产生裂纹或永久变形，从而影响大豆的品质。因此，掌握大豆堆的压缩特性对于减少大豆在装卸、运输、储藏等过程中的机械损伤，提高加工质量有着很重要的作用。

大豆堆的体变模量是指其在外力作用下，所受的压应力与体积变化之比，它是表征大豆压缩特性的重要参数。国内外对于大豆籽粒的破碎力、弹性模量等力学特性的研究始于20世纪60年代［1－2］。M Liu等［3］研究了大豆籽粒及大豆种皮在不同温度和不同含水率下的黏弹性，建立了广义Maxwell模型，并于1990年研究了大豆子叶的力学特性和大豆籽粒的破坏力，用应力松弛、挤压、弯曲试验测得了大豆子叶的松弛模量、极限挤压和拉伸强度。马小愚等［4］研究了大豆籽粒的力学性质，发现同一含水率的籽粒在沿三轴方向挤压，其破裂力有显著差异;含水率对籽粒的屈服力及破坏力的影响特别显著。刘传云等［5］用材料性能测试机测定了大豆籽粒的表观接触弹性模量为294 MPa。刘志云等［6］利用TA．XT plus物性质构测试仪，对一百粒内蒙古产大豆籽粒进行受力与变形的测量，根据胡克定律计算出弹性模量(E)，测算出大豆籽粒的平均弹性模量为20．39 MPa。

国内外对大豆籽粒的压缩特性的研究较多，但对大豆堆的压缩特性的研究国内外均未见公开报导，也未见有关大豆堆体变模量的研究报导。故本课题利用TSZ－6A型应变控制式三轴仪对大豆堆的体变模量进行了测定与分析。

1 材料与方法

1．1 试验材料

本试验所用大豆是黑龙江省的春大豆，原始水分是12．1%w．b，容重为677 g/L，其大中小粒径分别为7．73，7．40，6．98 mm(随机取样100粒大豆粒，用游标卡尺测其3个粒径，小数位读到0．01 mm，最后求其平均值)。

1．2 试验仪器与设备

应变控制式三轴仪(图1):南京土壤仪器厂有限公司;PQX型多段可编程人工气候箱:宁波东南仪器有限公司;HG202－2(2A/2AD)电热干燥箱:南京盈鑫实验仪器有限公司;JSFD－100型粉碎机:上海嘉定粮油仪器有限公司。

图1 应变控制式三轴仪示意图

1．3 试验原理

三轴压缩试验用圆柱形试样，每个试样确定不同恒定周围压力σ3=σ3=σ3(即三主应力相等)，如图2所示。

图2 粮食应力分布情况

体变模量是样品所受的压应力与体积变化之比，其定义为［7］:

式中:σ1为大豆样品所受的轴向压应力/kPa;σ2，σ3为大豆样品所受的围压应力/kPa;为大豆样品所受的平均压应力(围压)/kPa;V为大豆样品的初始体积/cm3;ΔV为大豆样品的变化体积/cm3;k为大豆样品的体变模量/kPa。

1．4 试验方法

1．4．1 试验样品的准备

首先将原始样品进行筛选去除杂质，然后通过105℃烘干法测定其水分为9．8%w．b［7］。试验所需4个水分的大豆调节方法具体如下:根据公式(3)计算出调节到目标水分所需要增加的蒸馏水的质量，然后将加过水的大豆放进密封袋中置于15℃的人工气调箱里一个星期使水分均匀。试验前需将样品拿出放在室温条件下2 h方可进行试验［8－10］。

式中:Q为所需增加蒸馏水的质量/kg;Wi为大豆的质量/kg;Mi为大豆含水率/%;Mf为调节后大豆含水率/%。Mi，Mf均为湿基数据。

1．4．2 体变模量的测定

在压力室的底座上，首先放上不透水板，并将橡皮膜套在承膜筒内，两端翻出筒外，从吸气孔吸气，使膜紧贴承膜筒内壁。然后装入样品，压紧然后依次放上不透水石和试样帽。翻起承膜筒两端，用橡皮圈将橡皮膜分别扎紧底座和试样帽上。

将压力室罩顶部活塞提高，放下压力室罩，将活塞对准试样帽中心，均匀地拧紧底座连接螺母，再将轴向测力计对准活塞。

开排气孔和排水阀，向压力室内注满纯水，待压力室顶部排气孔有水溢出时，关闭排气孔。

关排水阀，利用反压调压筒手轮将体变测量管的液面调至零处。

通过反压对试样施压，记录每次的体积变化。

2 结果与分析

2．1 大豆堆的体积与围压、含水率的关系

对大豆堆(含水率分别为:12．1%、14．0%、15．7%、17．1%w．b)进行体积压缩试验，初始压应力为20 kPa，每次施加的压应力增量为20 kPa，直至240 kPa，记录体积变化值，试验结果见表1、图3。

表1 不同围压与不同含水率情况下的大豆堆体积/cm3

图3 大豆堆体积与围压、含水率的关系曲线

由图3可以看出，大豆堆(含水率分别为:12．1%、14．0%、15．7%、17．1%w．b)的体积随着围压(20～240 kPa)的增大而减小，体积的变化量分别为108．2、111．4、112．6、113．7 cm3。当围压达到240 kPa时，再增加围压时，体积不再缩小。

2．2 体变模量与围压、含水率的关系

根据表1的测定结果，可以计算出大豆堆(含水率分别为:12．1%、14．0%、15．7%、17．1%w．b)的体变模量，结果如表2、图4所示。

表2 不同围压与不同含水率情况下的大豆堆体变模量/kPa

图4 大豆堆体变模量与围压、含水率的关系曲线

由图4可见，大豆堆(含水率分别为:12．1%、14．0%、15．7%、17．1%w．b，围压为:20～240 kPa。)的体变模量的变化范围分别为247．2～813．0、232．4～795．0、228．3～786．1、223．7～778．7 kPa。在同一含水率下，大豆堆的体变模量随着围压的增大而增大。在同一围压下，大豆堆的体变模量随着含水率的增大而减小。

3 结论

3．1 大豆堆的体积随着围压增大而减小，当围压达到240 kPa时，再增加围压时，体积不在缩小。

3．2 含水率为12．1%～17．1%w．b、围压为20～240 kPa时，大豆堆体变模量范围为223．7～813．0 kPa。

3．3 在相同含水率下，大豆堆的体变模量随着围压的增大而增大。

3．4 在相同围压下，大豆堆的体变模量随着含水率的增大而减小。

［1］Amold P C，Roberts A W．Fundamental aspect of load－deformation behavior of wheat grains［J］．Transactions of the ASAE，1969，12(1):104－108

［2］Shelef P L，Mohsenin N N．Effect of moisture on mechanical properties of shelled corn［J］．Cereal Chemistry，1969，46(3):242－253

［3］Lin M，Haghighi K，Stroshine R L．Viscoelastic characterization of the soybean seed coat［J］．Transactions of the ASAE，1989，32(3):946－952

［4］马小愚，雷得天．大豆籽粒力学性质的试验研究［J］．农业机械学报，1988(3):69－75

［5］刘传云，张强，毛志怀．大豆表观接触弹性模量的测定［J］．粮食与饲料工业，2007(10):12－14

［6］刘志云，温吉华．大豆弹性模量的测量与研究［J］．粮食储藏，2010，29(03):27－30

［7］安蓉蓉．粮食的内摩擦角、弹性模量及体变模量的实验研究［D］．南京:南京财经大学，2010

［8］Suthar S H，Das S K．Some physical properties of karingda［citrullus lanatus(thumb)mansf］seeds［J］．Journal of Agricultural Engineering Research，1996，65(1):15－22

［9］陆琳琳．高大平房仓内粮食摩擦与压缩特性研究［D］．南京:南京财经大学，2012

［10］南京水利科学研究院．土工试验规程(SL237—1999)［M］．北京:中国水利水电出版社，1999．

Measurement and Analysis on Bulk Stain Modulus of Soybean Pile

Cheng Xuduo Lu Linlin Huang Zhibing Shi Cuixia
(College of Food Science and Engineering，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing 210046)

In this paper，bulk stain modulus of soybean pile of Heilongjiang province(moisture contents are 12．1%，14．0%，15．7%and 17．1%w．b and confining pressures are from 20 kPa to 240 kPa．)are measured by the strain control type three triaxial apparatus．The influences of the confining pressure and the moisture content on the bulk stain modulus of soybean pile are analyzed．The results show that the bulk stain modulus of soybean pile ranged from 223．7 kPa to 813．0 kPa in the moisture contents range of 12．1%～17．1%w．b and the confining pressure range of 20～240 kPa．The results also show that as confining pressure(20～240 kPa)increases，the bulk strain modulus of soybean pile increase in the same moisture content;and as moisture content of soybean pile(12．1%～17．1%w．b)increases，the bulk strain modulus of soybean pile decrease under the same confining pressure．

soybean pile，bulk strain modulus，confining pressure，moisture content

Q51

A

1003－0174(2012)10－0010－04

国家科技支撑计划(2009BADA0B04－5)，南京财经大学科研基金(A2010025)

2012－01－25

程绪铎，男，1957年出生，教授，粮食储藏工程