块状酒曲力学特性试验

郭洋洋，闫银发，2，李法德，2，高天浩，陈超科，宋占华，2*

1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安271018

2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安271018

块状酒曲力学特性试验

郭洋洋1，闫银发1，2，李法德1，2，高天浩1，陈超科1，宋占华1，2*

1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安271018

2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安271018

本文运用WDW-5E型微机控制电子式万能试验机对平板曲、包包曲进行了压缩、弯曲、剪切试验。试验研究表明：平板曲的抗压强度是2.15±0.19 MPa，抗压弹性模量为61.68±6.89 MPa，抗弯强度为0.97±0.12 MPa，抗弯弹性模量为11.66±1.53 MPa，剪切强度为0.109±0.007 MPa；包包曲的抗压强度为1.20±0.13 MPa，抗压弹性模量为31.12±3.96 MPa，抗弯强度为0.58±0.08 MPa，抗弯弹性模量为14.95±2.37 MPa，剪切强度为0.305±0.115 MPa；包包曲的力学特性参数显著低于平板曲的力学特性参数（P＜0.01），但包包曲抗弯弹性模量、剪切强度显著高于平板曲的抗弯弹性模量、剪切强度（P＜0.01）。此研究结果可为酒曲粉碎机的设计提供理论依据。

酒曲；力学特性

酒曲可分为散曲和块曲。块曲，顾名思义是具有一定形状的酒曲，其外形为长方体，长约为200～450 mm，宽约为100～300 mm，高约为50～200 mm，含水率约为12%～15%，密度约为657 kg/m3，挤压强度约为1.78 MPa。曲坯成型时经过充分的压缩，干燥后质地结实，有一定的强度；曲坯在培养和贮藏过程中失去的大部分水分使得表面有一定的硬度；曲料配有20%～40%的豌豆等粘性物，使曲坯的粘性增强，加之发酵后曲块内部大量生长菌丝，致使曲块具有较强的韧性［1］。因此，块状酒曲是一种干固块状物体，具有一定的强度、韧性和硬度。由块状酒曲的制作过程可知，可以假设块状酒曲的力学特性呈现出各向同性的特点；块状酒曲的力学特性指标有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、剪切强度、拉伸压缩弹性模量（杨氏模量）、弯曲弹性模量等，根据不同的试验目的，测量的力学特性指标不同［2］。因此，利用WDW-5E型微机控制电子式万能试验机进行压缩、弯曲、剪切等试验对块状酒曲的力学特性进行研究，可以为酒曲粉碎机的结构的设计提供参考。

1　材料与方法

1.1材料

块状酒曲可以分为平板曲和包包曲，平板曲与包包曲有一定的区别，其外形区别如图1所示。包包曲的理化指标糖化力、酸度、发酵力均优于平板曲，感官指标也较平板曲佳［3］。本次力学特性试验所用的块状酒曲为曲阜圣达机械有限公司提供。

试验所用批次的平板曲的尺寸约为230 mm×150 mm×55 mm，质量约为1.61 kg，包包曲的尺寸约为270 mm×165 mm×（75 mm～100 mm），质量约为2.91 kg。

图1　块状酒曲Fig.1 Block Koji

1.2试验设备

试验用的主要仪器设备有WDW-5E型微机控制电子式万能试验机（济南试金集团有限公司）、DZF-605型真空干燥箱（上海博讯实业有限公司）、JA5003A型电子天平（上海精天电子仪器有限公司）以及钢丝锯、游标卡尺、米尺、刀具等。

1.3试样制备

块状酒曲的形状是长方体，且尺寸较大，若以整块块曲为试样进行压缩、弯曲、剪切等力学特性试验，所需试验力过大，WDW-5E型微机控制电子式万能试验机的压力传感器的量程仅为5 kN，无法完成试验。因此，需要通过游标卡尺、钢丝锯、刀具等工具将整块块状酒曲分割成尺寸较小的试样。由于块状酒曲没有标准的取样工具，只能依靠人工测量尺寸、定位及分割，因此，所制备的试验样品的尺寸精度只能控制在一定范围以内。制备平板曲和包包曲两种试样的工艺过程相同，试验内容也相同。

1.3.1压缩试样制备压缩试样为长方体，尺寸为16 mm×16 mm×25 mm，尺寸精度≤±1 mm，制作过程必须尽量保证压缩试样的横截面为正方形，压缩试样如图2（a）所示。

图2　酒曲试样Fig.2 Specimens of block Koji

图3　弯曲试验示意图Fig.3 Schematic diagram of bending test

图4　剪切试验示意图Fig.4 Schematic diagram of shearing test

1.3.2弯曲试样制备弯曲试样同样为长方体，如图2（b）所示。尺寸为16 mm×16 mm×70 mm，精度≤±1 mm。弯曲试验采用三点弯曲试验法，如图3所示。

1.3.3剪切试样制备剪切试验的试样也是长方体，如图2（c）所示，尺寸为16 mm×16 mm×50 mm，精度≤±1 mm。剪切试验如图4所示。

1.4试验方法

1.4.1压缩试验压缩试验过程如图5所示。试验在WDW-5E型微机控制电子式万能试验机上进行，试验过程中电脑自动记录压力和位移。试验采用刚性平板压头，首先取试样、测量其尺寸并记录，把试样置于球面滑动支座的中心位置，压头以10 mm/min的速度施压，电脑记录破坏载荷。

图5　压缩试验Fig.5 Compression test process

式中：σy—抗压强度，MPa；Pmax—破坏载荷，N；A—试样承压面积，mm2。

根据仪器记录的试验力和位移数据，做出应力-应变曲线，确定弹性直线段，如图6所示。在直线段上读取相距较远的A、B两点之间的应力变化量和相应的应变变化量，按式2计算线段的斜率，即压缩弹性模量（GB/T 22315－2008）。

图6　图解法测定弹性模量Fig.6 Modulus of elasticity with graphic determination

式中：Ey—块状酒曲压缩弹性模量，MPa。

1.4.2弯曲试验弯曲试验如图7所示，在WDW-5E型微机控制电子式万能试验机上，采用三点弯曲试验法。支座和压头顶端均装有压辊，支座间距L=30 mm，压辊直径为20 mm［2］，可自由转动，以消除试验过程中试样与压头及支座之间的横向摩擦力。把试样置于支座上，调整压头处于支座中间及试样的正上方，由于试样制作过程无法保证横截面长宽尺寸完全相等，因此，放置时应保证使试样横截面上的尺寸稍大的方向处于水平位置，压头以10 mm/min的速度加载。

图7　弯曲试验Fig.7 Bending test

式中：σw—抗弯强度，MPa；Pmax—破坏载荷，N；L—支点跨距，mm；b、h—横截面尺寸，mm。

弯曲弹性模量的计算方法与压缩弹性模量的计算方法相似，计算公式为4（GB/T 14452－1993）：

式中：Ew—弯曲弹性模量，MPa；L—支点跨距，mm；ΔF—弯曲试验力变化量，N；Δf—挠度变化量，mm；b、h—横截面的尺寸，mm。

1.4.3剪切试验块状酒曲剪切试验如图8所示，在WDW-5E型微机控制电子式万能试验机上，把剪切试样对称放置于万能试验机的V型夹具中，切刀以10 mm/min的速度施加剪切载荷，并用电脑记录破坏载荷。

式中：στ—抗压强度，MPa；Pmax—破坏载荷，N；A—试样截面积，mm2。

图8　剪切试验Fig.8 Shearing test

1.4.4试样含水率的测定试样的含水率测定采用烘干法。试验完成后立即对试样拍照、称重并填入记录表，然后把同一组的试样一起放入干燥箱，在105±2℃的温度下干燥8 h后，将试样取出，从中随机选定2～3个试样进行第1次称重，以后每隔2 h便称重1次，直至最后2次的重量之差不超过0.002 g时为止，即可认为试样已经达到全干状态。然后把试样全部从干燥箱中取出，放入提前准备好的装有适量干燥剂的玻璃干燥器中，盖好干燥器盖，等待试样冷却至室温以后进行称重，最后计算试样的含水率［5］。

2　试验结果与分析

2.1压缩试验

压缩试验主要是研究在相同载荷加载速度条件下平板曲、包包曲的抗压强度和压缩弹性模量的大小（图9）。在一定的压缩载荷加载速度下，平板曲和包包曲的压力-变形曲线的变化趋势基本相同，首先压力随变形量的增加呈线性快速增大，变形达到1～2 mm时试样产生破坏，压力达到最大值，并出现一段非线性的变化，随后压力明显减小，直至试样完全破碎。压力呈线性增长时，其斜率即为试样的抗压弹性模量。曲线形状比较陡峭，没有明显的屈服阶段，表明块状酒曲属于脆性材料。

压缩试验测得的平板曲的抗压强度为2.15±0.19 MPa，抗压弹性模量为61.68±6.89 MPa，包包曲的抗压强度为1.20±0.13 MPa，抗压弹性模量为31.12±3.96 MPa，如图10、图11所示。

图9　块状酒曲压缩曲线Fig.9 Compression curves of block Koji

图10　块状酒曲抗压强度Fig.10 Pressure-proof intensity of block Koji

图11　块状酒曲抗压弹性模量Fig.11 Pressure-proof elastic modulus of block Koji

2.2弯曲试验

弯曲试验主要是研究在相同载荷加载速度条件下平板曲、包包曲的抗弯强度和抗弯弹性模量数值的大小。由图12可知，在一定的载荷加载速度下，平板曲和包包曲的弯曲试验力-变形曲线趋势相同，弯曲试验力随着变形量的增加而增长，逐渐达到破坏极限，在这个过程中，首先经历一段非线性阶段，随后出现一段明显的线性阶段，线性段的斜率与试样的抗弯弹性模量成正比，最后弯曲试验力开始下降，试样断裂。

弯曲试验测得的平板曲的抗弯强度为0.97±0.12 MPa，抗弯弹性模量为11.66±1.53 MPa，包包曲的抗弯强度为0.58±0.08 MPa，抗弯弹性模量为14.95±2.37 MPa，如图13、图14所示。

图12　块状酒曲弯曲曲线Fig.12 Bending curves of block Koji

图13　块状酒曲抗弯强度Fig.13 The bending intensities of block Koji

图14　块状酒曲抗弯弹性模量Fig.14 The elastic modulus of block Koji

2.3剪切试验

块状酒曲剪切的试验主要是研究在相同的载荷加载速率条件下，平板曲、包包曲的剪切强度的大小。由图15可知，在一定的载荷加载速度的条件下，平板曲和包包曲试样的剪切试验的试验力-变形曲线的趋势相似，试样的剪切力随着位移量的变化先是增长后出现一个明显的回落点，然后迅速的再次呈现出线性增长的关系，直到试样被剪切断裂，剪切力迅速下降。由于剪切试样是长方体，与V型夹具之间是线接触，夹具的摩擦系数较小，在剪切力加载的过程中试样细微转动，因此，剪切力-位移曲线中出现回落点。

试验测得平板曲的剪切强度为0.109±0.007 MPa，包包曲的剪切强度为0.305±0.115 MPa（图16）。

图15　块状酒曲剪切曲线Fig.15 Shearing curves of block Koji

图16　块状酒曲剪切强度Fig.16 The shearing intensities of block Koji

2.4试样含水率

采用烘干法测得的平板曲、包包曲的含水率为12%～14%。

3　结论

（1）利用万能试验机测得平板曲、包包曲力学特性参数的结果为：平板曲的抗压强度为2.15±0.19 MPa，抗压弹性模量为61.68±6.89 MPa，抗弯强度为0.97±0.12 MPa，抗弯弹性模量为11.66±1.53 MPa，剪切强度为0.109±0.007 MPa；包包曲的抗压强度为1.20±0.13 MPa，抗压弹性模量为31.12±3.96 MPa，抗弯强度为0.58±0.08 MPa，抗弯弹性模量为14.95±2.37 MPa，剪切强度为0.305±0.115 MPa。

（2）包包曲的力学特性参数显著低于平板曲的力学特性参数（P＜0.01），但包包曲抗弯弹性模量、剪切强度显著高于平板曲的抗弯弹性模量、剪切强度（P＜0.01）

（3）通过力学特性试验平板曲、包包曲的抗压强度、抗压弹性模量、抗弯强度、抗弯弹性模量、剪切强度的大小关系，为块状酒曲的破碎方式的选择提供了依据。

［1］付捷，崔勇，罗钢，等.双级粉碎在酒厂曲块粉碎中的应用［J］.酿酒，2011（3）：69-70

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Mechanics Characteristics of Block Koji

GUO Yang-yang1，YAN Yin-fa1，2，LI Fa-de1，2，GAO Tian-hao1，CHEN Chao-ke1，SONG Zhan-hua1，2*
1.College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment，Tai'an 271018，China

The compression，bending and shear tests of the flat-plate Koji and convex-center Koji were conducted by using WDW-5E microcomputer control electronic universal testing machine.The compressive strength，compressive modulus，flexural strength，flexural modulus of elasticity，shear strength and other mechanical parameters of the flat-plate Koji and convex-center Koji were measured.The compressive strength of the flat-plate Koji is 2.15±0.19 MPa，the compressive elastic modulus is 61.68±6.89 MPa，the bending strength is 0.97±0.12 MPa，the bending elastic modulus is 11.66±1.53 MPa，and the shear strength is 0.109±0.007 MPa；the compressive strength of the convex-center Koji is 1.20±0.13 MPa，the compressive elastic modulus is 31.12±3.96 MPa，the bending strength is 0.58±0.08 MPa，the bending elastic modulus is 14.95±2.37 MPa，and the shear strength is 0.305±0.115 MPa；The mechanical characteristic parameters of the convex-center Koji is generally lower than the flat-plate Koji（P＜0.01），but the shear strength and the flexural modulus elasticity of the convex-center Koji is bigger than the flat-plate Koji.The results provide a theoretical basis for the design of mechanized crushing block Koji machine.

Flat-plate Koji；mechanical characteristics

TS261.2

A

1000-2324（2016）05-0740-05

2015-04-24

2015-05-18

郭洋洋（1989-），男，硕士研究生，主要从事白酒酿造设备机械化工作.E-mail：guoyyang8901@126.com

Author for correspondence.E-mail：songzh6688@163.com