向日葵籽粒压缩试验及分析

李心平，于亚飞，姬江涛

(河南科技大学 农业装备工程学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

我国是向日葵种植大国,其主要分布在我国北方，种植面积约140万hm2，在世界上居第六位。葵花籽粒不仅是重要的油料原料也是重要的食用作物，葵花仁含有大量的蛋白质、油脂、维生素及微量元素[1]。

国外农业机械已实现机械化及自动化，我国农机相对滞后，特别是我国葵花生产的相关机械与发达国家相比有较大差距。我国已研制的向日葵生产加工机械存在很多问题，如生产效率低下、破碎率高等问题[2-3]。所以，研究葵花籽粒的力学特性有助于改进和发展葵花加工机械。目前，国内外关于葵花籽粒的力学特性的研究很少，国外的Gupta R K等做过葵花籽粒的压缩试验，但是试验内容较少，没有分析破裂原因[4-6]。国内的王博等通过不同含水率、加载速度及加载方向对葵花籽粒进行压缩试验，通过单因素试验得到葵花籽在不同方向最大破裂力、变形量和能量消耗总和，通过正交试验得到各因素对葵花籽破裂影响的显著性[7-8]。

综上所述,本文利用查阅法、观察法获得葵花籽粒的生物学特性，并利用两种葵花品种进行多因素试验，通过分析试验结果获得葵花籽粒的最大破裂力和破裂规律，以掌握葵花籽粒的力学特性。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

试验选取的葵花品种为SH363和S31，SH363为食用型葵花，S31为油葵，均为手工采摘，收获时葵花籽的含水率分别为25%、26%。将两品种含水率分别处理至10.5%、13.5%、15.6%、18.9%、22.5% 5个等级。试验时，从各含水率中随机抽取3个作为试验样本。

试验设备：DNS10电子万能试验机，101A型恒温烘干箱，MP4000电子天平和相机。

试验在DNS10电子万能试验机上进行，该机结构如图1所示，传感器型号为CLY-20，最大量程20kN。

1.电脑 2.主机 3.活动横梁 4.压力传感器 5.下压盘 6.上压盘 7.上横梁图1 电子万能试验机Fig.1 Electronic universal testing machine

试验操控软件为TestExpert.NET，通过与测量控制系统进行连接，实现对试验过程的数据采集和控制。

1.2 试验方法

试验时，将不同品种、含水率和放置方式的完整葵花籽粒放在下压盘上，下压盘中间贴有双面胶保持葵花籽粒的放置状态；点击开始按钮后，活动横梁开始向上移动，当上压盘接触到葵花籽粒后，活动横梁自动以5mm/min的速度均匀缓慢地向上移动，计算机开始记录数据。试验设定的断裂敏感度为最大值的80%，即压力降至最大压力的80%时，活动横梁自动停止，试验结束。计算机输出载荷、应力数据及相应图表，然后控制活动横梁向下移动，取下葵花籽，观察并记录葵花籽粒的破裂情况；重复上一过程，每次试验均更换双面胶。试验中葵花籽粒竖直放置示意图如图2所示。

1. 上压盘 2.葵花籽粒 3.双面胶 4.下压盘图2 试验示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of test

1.3 试验因素和指标

将葵花品种、含水率及放置方式作为试验因素，把破裂时的最大载荷作为试验指标，采用三因素随机分组进行试验，结果如表1所示。

籽粒放置方式包括立放、侧放及平放3种：立放时受力面为顶部和底部，侧放时受力面为缝合线处，平放时受力面为籽粒两侧的腹面。

2 结果与分析

2.1 葵花籽粒受压最大破裂力的方差分析

用SPSS统计分析软件对葵花籽粒抗压特性试验结果进行方差分析,结果如表2所示。最大破裂力方差分析模型是显著的，显著水平小于0.05，决定系数R2为0.816。a(品种)、b(放置方式)、c(含水率)、a·c均显著；a·b、b·c、a·b·c不显著。

表1 葵花籽粒压缩试验结果与处理Table 1 Result and dispose of sunflower seed compression test

表2 葵花籽粒最大破裂力方差分析Table 2 Variance analysis for the utmost breaking power of sunflower seed

2.2 含水率对葵花籽粒最大破裂力的影响

图3、图4表示在同一品种不同放置方式下，含水率与最大破裂力的关系。

从图3、图4中可以发现以下规律，含水率对籽粒的力学性质影响是很大的。当SH363和S31平放时，最大破裂力均随含水率的增加而先增加后降低；含水率在13.5%和15.6%时，SH363和S31平放时的最大破裂力达到最大值。

在含水率一定的情况下，SH363和S31平放时的最大破裂力远大于侧放和立放的；SH363立放时的最大破裂力略大于侧放时的最大破裂力；S31立放的最大破裂力与侧放的最大破裂力相差不大。

图3 不同放置方式下SH363含水率与最大破裂力的关系图Fig.3 Relation curve of moisture content and the maximum rupture force for SH363 under different placement

图4 不同放置方式下S31的含水率与最大破裂力的关系图Fig.4 Relation curve of moisture content and the maximum rupture force for S31 under different placement

葵花籽壳由韧性纤维组成，其硬度随含水率的增加而降低，韧性随含水率的增加而增强。当籽粒含水率低时，葵花籽壳体具有高脆性，施加载荷后，主要发生弹性变形，变形量小；当籽粒含水率高时，葵花籽壳体具有高弹性，施加载荷后，主要发生塑性变形，变形量大。当籽粒含水率在15.6%左右时，壳体先发生弹性变形后发生塑性变形，两种变形同时存在，壳体最大破裂力达到最大。葵花籽粒立放与侧放时，受力点为籽粒的顶点与缝合线，顶点与缝合线处的纤维组织不均匀,抗压强度低,壳体容易破裂。

2.3 放置方式对葵花籽粒最大破裂力及破裂方式的影响

从图5～图7可知：在3种不同放置方式下，SH363的最大破裂力均大于S31最大破裂力，且SH363和S31平放时的最大破裂力随含水率的变化趋势基本一致；平放时，压力作用于葵花籽两腹面，由于籽粒腹面的弯曲弧度较小，受压面积大，最大破裂力大；立放时，壳体的受力面为籽粒两顶点。侧放时，壳体的受力面为缝合线。立放和侧放时，受力面积小，应力集中，容易破裂。

2.4 品种对葵花籽粒最大破裂力的影响

由图5～图7可知：含水率相同时，对于不同放置方式，363的最大破裂力大于S31的最大破裂力。不同品种葵花籽粒的大小和形状存在较大差异，食葵籽粒大，皮壳厚；油葵籽粒小，皮壳薄且相对食葵较圆，所以食葵破裂力大于油葵。

图5 立放时含水率与最大破裂力的关系Fig.5 Relation curve of moisture content and the maximum rupture force for two varieties under vertical

图6 侧放时含水率与最大破裂力的关系Fig.6 Relation curve of moisture content and the maximum rupture force for two varieties under side

图7 平放时含水率与最大破裂力的关系Fig.7 Relation curve of moisture content and the largest breaking power for two varieties under flat

3 葵花籽粒壳体破裂的观察分析

通过观察分析试验发现:当放置方式相同，品种、含水率不同时，葵花籽壳体发生破裂的基本规律大致是相同的；当品种、含水率和放置方式均不同时，葵花籽粒壳体的破裂方向均沿纵向破裂。

3.1 葵花籽平放

由图8可知：葵花籽平放时，裂纹方向由籽粒的受压部位向顶部或底部沿壳体的两腹面延伸破裂，顶部裂纹多于底部。

平放时，葵花籽粒的受压面为两腹面，葵花籽截面受力简图如图9所示。葵花籽受到一对法向集中力F与壳体内力的合力相等，形成平衡状态，当外力大于壳体的最大内力时，壳体发生破裂。

图9 葵花籽平放时壳体截面受力分析图Fig.9 Analysis shells section diagram of force on sunflower seed under flat manner

3.2 葵花籽侧放和立放

由图8可知：葵花籽侧放时，缝合线为受压部位，破裂全部是顶部的缝合线开裂；葵花籽立放时，籽粒两顶点受力，破裂发生在壳体的缝合线处或壳体的腹面。

缝合线和籽粒两顶点为壳体结合处，纤维排列不紧密，由于葵花籽形状近似扁平水滴，当缝合线和顶点受到一对法向集中力时，其内力较大，所以最大破裂力较小。

4 结论

1)含水率对葵花籽最大破裂力的影响显著：含水率低时，壳体的硬度大、韧性低，受压时主要发生弹性变形，变形量小，壳体易破裂。含水率高时，壳体硬度降低，韧性大，受压时主要发生塑性变形，变形量大，壳体易破裂；当含水率在13.5%～15.6%时，壳体的硬度和韧性适中，受压时壳体先发生弹性变形后发生塑性变形，此时，壳体的最大破裂力最大。

2)放置方式对葵花籽最大破裂力的影响显著。对于不同品种、不同含水率，平放时，其最大破裂力远大于立放和侧放、立放和侧放的最大破裂力相差不大。

3)品种对葵花籽最大破裂力的影响显著，由于两品种存在结构、大小、形状的差异，所以在相同含水率不同放置方式下，SH363的最大破裂力均大于S31的最大破裂力。

4)不同品种、放置方式，葵花籽壳体破裂时裂纹均沿纵向，横向不易断裂。平放时，裂纹在籽粒两腹面延伸并破裂。侧放时，裂纹沿缝合线破裂。立放时，破裂发生在壳体的缝合线处或壳体的腹面。