向日葵籽粒碰撞试验研究分析

李心平，于亚飞，耿令新，王升升，庞 靖，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,种植主要分布在北方，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，因为葵花仁含大量的蛋白质、油脂、维生素及微量元素[1-6]。

近年来，我国对农业机械领域的研发力度不断增强，农机装备的数量和质量都有了很大的提高。但是，我国向日葵生产加工机械的水平与发达国家相比仍有较大差距。我国的葵花脱粒机仍存在很多问题，如生产效率低下及破碎率高等[7]。所以，研究葵花籽粒的力学特性有助于改进和发展向日葵生产加工机械。目前，国内外关于葵花籽粒力学特性的研究较少， R.K. Gupta等研究了葵花籽粒的空气动力特性及品种和含水率对葵花籽粒终端速度的影响，试验没有研究葵花籽粒的动力学特性[8-10]。E. E. Perez等研究了向日葵的生物特性和力学特性[11]。国内姜楠等研究了水稻籽粒在轴流滚筒内与钉齿碰撞前后运动状态的对比并得到籽粒的运动规律[12]。黄小毛等研究了油菜籽粒点面接触碰撞中恢复系数的测定，得到恢复系数与材料和下落高度之间的关系[13-14]。由于水稻、油菜籽粒与向日葵的物理特性不同，所以需进行向日葵的碰撞试验研究，进而获得向日葵籽粒的动力学特性和破裂规律。

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破裂规律，掌握葵花籽粒的动力学特性。

1 葵花籽粒的生物特性

葵花籽粒由果皮(壳)和种子组成，种子由种皮、两片子叶和胚组成。果皮分3层：外果皮膜质，上有短毛；中果皮革质，硬而厚；内果皮绒毛状。种皮内为两片肥大的子叶，以及胚根、胚茎、胚芽，没有胚乳。胚根、胚茎、胚芽位于种子的尖端。种皮由外表皮及内表皮两层组成，呈白色薄膜。中果皮革质为纵向的硬质纤维。葵花籽的外形近似于拉长的扁型水滴，两边的两条楞线为缝合线，是壳体的结合面，葵花籽粒长度方向为纵向，靠近胚的一端为顶，另一端为底。

葵花籽按其特征和用途可分为两类：食用型和油用型。食用型葵花籽的籽粒大，皮壳厚，出仁率低；油用型葵花籽的籽粒小，籽仁饱满充实，皮壳薄，出仁率高。

葵花籽壳是一种介于晶体和非晶体之间的非有序晶体结构，纵向平行排列的韧性纤维使之具有很强的弹塑性。纵向分布的韧性纤维通过紧密排列形成壳体，具有较强抗压性特性，缝合线处的纤维组织排列不均匀，抗压强度较低，受载荷时容易破裂。

2 材料与方法

2.1 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26%及28%，将含水率处理为5个等级。

SH363和S31葵花籽的含水率处理结果为8%、12%、16%、20%、24%。试验选用20个完好无损的葵花籽，从中随机抽取5个作为试验样本。

主要试验设备有Phantom M110高速摄像机，101A-1型恒温烘干箱，HX2002T精度0.01g量程2kg的电子天平，OTS-600型气泵，气压调节范围0～12MPa，欧普补光灯，试验台，电脑和相机。

试验在试验台上进行，该试验台由机架、碰撞板、标尺、导管、活塞、连接线、连接螺母、气枪、U型锁及气管组成，如图1所示。碰撞板通过螺栓固定在机架的活动槽内，活动槽有两条，每条活动槽由两条等长的角钢间距11mm相向焊接在机架上，碰撞板与导管的距离通过活动槽进行调节。标尺固定在机架上。气枪通过U型锁固定在机架上，气枪进气口通过气管连接气泵，出气口通过连接螺母和乳胶将导管固定在气枪上，连接线一端固定在气枪上，另一端连接活塞，活塞在导管内自由滑动。导管为水平状态，碰撞板为竖直状态，导管长30cm，碰撞板距导管末端8cm，标尺在机架上方的长度为10cm，可为后续高速摄像机软件处理速度做距离标记。机架主体材料为角钢焊接而成，碰撞板选用5mm厚的Q235，以减少碰撞后能量的损失。

1.机架 2.碰撞板 3.标尺 4.导管 5.活塞 6.连接线 7.连接螺母 8.气枪 9.U型锁 10.气管

试验系统由高速摄像机、补光灯、电脑、试验台及气泵组成，如图2所示。气泵通过气管连接到试验台上并给气枪供气。高速摄像机拍摄试验全过程，电脑通过数据线连接高速摄像机显示拍摄过程并保存。

1.电脑 2.补光灯 3.试验台 4.高速摄像机 5.气泵

试验操控软件为PCC2.6，该软件通过数据线与高速摄像机进行通讯，实现对试验过程的图像采集和控制并进行后续处理和保存。

2.2 试验方法

由于籽粒顶部受力面积小，籽粒滑出导管后不易发生翻转，所以籽粒顶部朝向碰撞板。试验前将气泵压强设定为8MPa，软件PCC的分辨率设置为1 600×900，调整高速摄像机的拍摄时间和清晰度。试验时，将不同品种、含水率的完整葵花籽粒逐个放入导管内靠近连接螺母的一端，同时按下气枪开关和高速摄像机记录开关。试验开始，高压气体进入导管推动活塞和籽粒加速向前滑动。当籽粒滑出导管后，连接线到达最大长度，活塞减速并停止，籽粒做匀速直线运动，然后与碰撞板发生碰撞。随后，高速摄像机自动停止拍摄，试验结束。观察并记录向日葵籽粒的破损情况和破损位置。通过PCC软件观察籽粒与碰撞板的碰撞过程，利用PCC软件计算籽粒离开导管后的平均速度并记录。由于导管末端距碰撞板的距离较短，阻力可忽略，平均速度的计算方法利用距离与时间的商求得。重复上一过程进行下一次试验，每一品种、含水率重复进行5次试验。

为方便记录破损情况和后续的数据处理，试验对破损进行数值化处理，量取裂纹的长度和裂纹所在葵花籽粒外表面的圆周长，记录数据。裂纹长度与圆周长度的比值记做破裂比值。

2.3 试验因素和指标

将葵花品种、含水率作为试验因素，把破裂情况和破裂比值作为试验指标，采用双因素随机分组进行试验，每一品种、含水率重复试验5次，处理结果如表1所示。

表1 葵花籽粒碰撞试验处理结果

由表1可得：葵花籽粒碰撞试验中SH363碰撞前的平均速度略小于S31，SH363的动量大于S31；含水率在20%时，SH363的平均单粒质量为0.182g，S31的平均单粒质量为0.113g。在相同的气压下，由于SH363的单粒质量大于S31，所以SH363的平均速度略小于S31，SH363的动量大于S31。

3 结果与分析

3.1 葵花籽粒碰撞破损比值的方差分析

用SPSS统计分析软件对葵花籽粒碰撞试验结果进行方差分析,结果如表2所示。破裂比值的方差分析模型是显著的，显著水平小于0.05，决定系数R2为0.576。表2中品种为a、含水率为b。从表中可知：a和b均显著，a×b不显著，即品种、含水率均显著；品种×含水率不显著，没有交互作用。

表2 对葵花籽粒碰撞试验破损比值的方差分析

3.2 葵花籽粒壳体破裂的观察分析

通过观察分析试验结果发现:当品种、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,葵花籽粒壳体的破裂方向均沿纤维方向破裂；裂纹主要发生在葵花籽粒的顶部缝合线和腹部中央，SH363的破裂比值大于S31的破裂比值，SH363的破裂情况大于S31的破裂情况。不同品种、含水率的葵花籽粒碰撞后的破裂状态如图3所示。

图3 不同品种葵花籽粒碰撞后破裂状态

Fig.3 The state of sunflower seeds rupture of different varieties after collision

3.3 葵花籽粒壳体的破裂分析

含水率低时，壳体的硬度大、韧性低，受力时主要发生弹性变形，变形量小，壳体容易破裂；含水率高时，壳体硬度降低，韧性增大，受力时主要发生塑性变形，变形量大，壳体容易破裂。为研究不同品种、含水率对葵花籽粒破裂比值的影响，以葵花籽粒各品种和含水率为母体，以破裂比值为因素，采用MatLab软件对表1的平均破裂比值进行回归分析，对数据进行曲线拟合。

图4为SH363的破裂比值随含水率变化的曲线。曲线的拟合方程为F(x)= 0.004 929x2-0.181 6x+1.881，相关系数为0.882 9。由图4可知：SH363破裂比值随含水率的增加先降低后增加。含水率在8%～18%时，曲线各点处斜率较大，破裂比值下降快；含水率在18%～24%时，破裂比值上升较慢。破裂比值在18%左右达到最小值。

图5为S31的破裂比值随含水率变化的曲线。曲线的拟合方程为F(x)= -0.000 677 1x3+0.036 37x2-0.616 4x+3.386,相关系数为0.999 6。由图5可知：S31破裂比值随含水率的增加先降低后增加再降低。含水率在8%～14%时，曲线各点处斜率较大，破裂比值下降快；含水率在14%～22%时，破裂比值上升；含水率在22%～24%时，破裂比值稍有降低。破裂比值在14%左右达到最小值。

图4 SH363破裂比值随含水率的变化曲线

图5 S31破裂比值随含水率的变化曲线

图6为SH363和S31两种品种破裂比值随含水率变化的比较图。

图6 SH363与S31破裂比值随含水率变化曲线的比较图

由图4和图5可知：含水率对葵花籽粒破裂比值的影响是显著的，SH363和S31的破裂比值随含水率的增加先减小后增大，两者破裂比值随含水率的下降速率大于上升速率；当含水率大于22%时，S31的破裂比值略微下降。由图6可知：品种对葵花籽粒破裂比值的影响也是显著的，当含水率相同时，SH363的破裂比值在任何含水率下均大于S31的破裂比值；SH363破裂比值在18%左右达到最小值，S31破裂比值在14%左右达到最小值。

4 结论

1)本研究为方便记录葵花籽粒的破损情况和后续的数据处理，试验对籽粒破裂进行数值化处理。量取裂纹的长度和裂纹所在葵花籽粒外表面的圆周长，记录数据。

2)含水率对葵花籽最大破裂比值的影响是显著的。含水率低时，壳体的硬度大、韧性低，碰撞时主要发生弹性变形，变形量小，壳体容易破裂；含水率高时，壳体硬度降低，韧性增大，碰撞时主要发生塑性变形，变形量大，壳体容易破裂。对于SH363，当含水率在18%左右时，壳体的硬度和韧性适中，碰撞时壳体先发生弹性变形和塑性变形，此时壳体的破裂比值最小，抗破裂能力最强。对于SH363，当含水率在14%左右时，壳体的破裂比值最小，抗破裂能力最强。

3)品种对葵花籽最大破裂力的影响是显著的，由于SH363和S31存在结构、籽粒大小、形状的差异，所以在同一含水率下，SH363的破裂比值均大于S31的破裂比值。

4)不同品种、含水率，葵花籽壳体破裂时裂纹均沿纵向发生在壳体的缝合线或腹部。壳体是由纵向的韧性纤维过紧密排列形成的，横向不易断裂。

参考文献：

[1] 王瑞元.葵花籽油是中国的优质食用油源[J].粮食与食品工业，2015,22 (6)：1-3.

[2] 李晓丽,张边江.油用向日葵的研究进展[J].安徽农业科学, 2009, 37 (27): 13015-13017.

[3] 王德兴，崔良基，魏守恩，等.我国当前发展油用向日葵生产的潜力[J].杂粮作物，2004,24(5)：294-297.

[4] 王鹏冬，杨新元，贾爱红，等.我国油用型向日葵研究发展概述[J].杂粮作物，2005,25(4)：241- 245.

[5] 崔良基，王德兴，刘悦.我国发展向日葵生产的优势及方向[J].中国油料作物学报，2008,10:542-544.

[6] 曾芸.向日葵在中国的传播及其影响[J].古今农业，2005(1):71-79.

[7] 郭树和，阮春光，姜明芝，等.5TK-900型葵花脱粒机[J].农牧与食品机械，1993(2):23.

[8] R K Gupta, Gopika Arora, Rajiv Sharma. Aerodynamic properties of sunflower seed [J].Journal of Food Engineering, 2007, 79: 899-904.

[9] R K Gupta, S K Das. Physical Properties of Sunflower Seeds [J].Journal agriculture engineering research, 1997, 66: 1-8.

[10] R K Gupta, S K Das. Fracture resistance of sunflower seed and kernel to compressive loading [J].Journal of Food Engineering, 2000, 46: 1-8.

[11] E E Perez, G H Crapiste, A A Carelli. Some Physical and Morphological Properties of Wild Sunflower Seeds [J].Biosystems Engineering, 2007, 96(1): 41-45.

[12] 姜楠，衣淑娟，张昆.不同滚筒转速轴流装置籽粒运动和碰撞对比分[J].农业机械学报,2011,42(11): 48- 56.

[13] 黄小毛，查显涛，潘海兵，等.油菜籽粒点面接触碰撞中恢复系数的测定及分析[J].农业工程学报，2014,30(24)：22-29.

[14] 郭贵生，吕新民，党革荣，等.油菜籽两次撞击脱壳性能试验[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2005,33(10)：100-104.