芝麻籽粒的剪切力学特性试验研究①

赵 静， 魏天路， 程前前, 刘飞凡

(蚌埠学院,机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

芝麻是胡麻的籽种，因含油量高达55%，列为我国主要油料作物之一。中国的气候、环境非常适宜芝麻的生长，我国种植芝麻丰富，主要分为黑芝麻和白芝麻两类[1]。据统计，我国芝麻种植面积约79万公顷，年产量约58万吨，但芝麻生产的机械化程度低，人工劳作强度大，工作效率低，生产成本高。随着芝麻的需求量和产量的日益增大，迫切需要对芝麻的播种进行机械技术革新。但机械作业时，机械结构会对芝麻籽粒产生损伤，直接影响芝麻种子的发芽率和收获率[2-3]。目前，国内外学者针对荞麦、藜麦、谷子等平均直径小于3mm的小粒径作物种子力学特性进行了相关研究，而关于芝麻籽粒的力学特性研究尚未见报道[4-8]。以芝麻籽粒抵抗剪切破碎负载为研究对象，进行了不同品种不同加载方向的剪切实验，得到了剪切力-位移曲线，分析了试验曲线的形成原因，并利用origin软件进行了试验结果的统计分析，旨为芝麻生产相关机械装备的设计研发提供基础数据和有效支撑。

1 试验材料的测试与制备

1.1 试验材料的物性参数

试验材料选取河南省农业科学院的郑芝HL05和郑芝13芝麻籽粒为研究对象，对两者进行形状尺寸的测量。芝麻籽粒呈扁卵圆形，有三方向尺寸：长度(纵向尺寸)、宽度(背腹尺寸)和厚度(横向尺寸)，从选取的试验品种中随机取100颗芝麻种子，用日本三丰500-196数显游标卡尺测量芝麻三方向尺寸并统计取均值[9]，测量结果见表1。由表1可看出，以郑芝HL05为代表的黑芝麻籽粒和以郑芝13为代表的白芝麻籽粒的外形尺寸差别不大。

表1 芝麻籽粒形状尺寸

1.2 试验材料的含水率制备

为避免含水率对试验结果的影响，对郑芝HL05和郑芝13芝麻籽粒进行预定含水率制备，含水率均设定为7%(芝麻种子的含水率一般为7%左右)[10]。每份取1000粒芝麻籽粒平铺于水分测试仪称量盘上，用奥豪斯MB25水分测试仪测量初始含水率。比较初始含水率和预定含水率，若初始含水率高于预定含水率，则用烘干法进行处理，用水分测试仪对其进行烘干，烘干温度设置为105℃，水分仪含水率显示为预定值时停止烘干并密封冷藏保存；若初始含水率低于预定含水率，则用赋水法处理，根据公式(1)计算所需添加去离子水的质量，均匀喷洒到选取样本上，低温密封保存12h。

(1)

式中：Q为所需添加去离子水的质量/g；m为样本的质量/g；w1为样本初始的含水率/%；w2为样本所需的含水率/%。

2 芝麻籽粒的剪切试验

2.1 试验设备

芝麻静载剪切试验采用的是英国SMS TA.XT express5质构仪，其测试速度范围0.01～40mm/s，测力精度0.1g。芝麻籽粒的剪切试验采用精细特种刀具A/CKB探头和不锈钢方块测试台面。

2.2 试验方法

根据芝麻的物性参数确定剪切的测试条件，测试速率0.1mm/s，停留间隔0.1s，数据采集频率100p/s，触发力0.0490N，设置探头约为样品受剪方向尺寸的一半探头停止加载并向上移动。每种样本分别按照平纵切，平横切和侧切三个方向进行剪切试验，为了实现剪切位置的准确性及侧切试验的可行性，用胶水将芝麻籽粒粘在不锈钢测试台面上，每个方向的剪切位置均为芝麻籽粒在该方向上尺寸的最大值，剪切试验加载模型如图1所示。

(a)平纵切 (b)平横切 (c)侧切

芝麻籽粒试验以芝麻品种和加载方向为试验因素，从试验样本中随机抽取，每次试验为单次试验，每组做平行试验5次，计算样本的均值和标准偏差，并用Origin软件对试验数据进行拟合及分析。

3 试验结果与分析

3.1 不同品种各加载方向芝麻籽粒剪切实验曲线

以郑芝HL05为代表的黑芝麻及以郑芝13为代表的白芝麻按照上述试验方法分别进行芝麻籽粒的平纵切、平横切及侧切。平纵切切入深度设置为0.5mm，其负载-位移曲线如图2所示；平横切切入深度设置为0.5mm，其负载-位移曲线如图3所示；侧切切入深度设置为0.9mm，其负载-位移曲线如图4所示。

(a)黑芝麻平纵切曲线

由图2可知：黑白芝麻平纵切的剪切力-位移曲线相似，平纵切时楔形刀片先与芝麻硬质外壳接触，随着切入深度的增加，刀片与外壳接触面积逐渐增大，芯仁部分也逐步被剪切，剪切力呈线性增加，直至芝麻平面的外壳切破，剪切力急速降低，之后刀片主要对芝麻芯仁进行剪切，由于伴随着小部分新的外壳被剪切，曲线沿水平线呈小范围波动。由图3可知：黑白芝麻平横切的剪切力-位移曲线相似，且与平纵切相比是同一平面不同方向的剪切试验，则与黑白芝麻平纵切的剪切力-位移曲线形成原理一致，但由于芝麻的宽度尺寸小于其长度尺寸，沿平横切方向比沿平纵切方向刀片与芝麻籽粒的剪切接触面积小，因此沿平横切方向上的剪切破损力比沿平纵切方向上的剪切破损力小。由图4可知：黑白芝麻侧切的剪切力-位移曲线相似，侧切时楔形刀片先与芝麻侧棱硬质外壳接触，随着切入深度的增加芯仁部分加入剪切，直至侧棱的硬质外壳被切破剪切力急速下降，之后刀片继续对平面外壳和芯仁的混合物进行剪切，所以剪切力大小呈小范围波动。由于芝麻呈扁卵圆形，中间部分略厚，因此曲线呈抛物线型。

(a)黑芝麻平横切曲线

(a)黑芝麻侧切曲线

3.2 芝麻籽粒剪切破碎负载方差分析

对黑白芝麻籽粒平纵切、平横切及侧切的破损负载进行单因素方差分析，分析结果如表2所示。分析结果表明：黑芝麻和白芝麻的籽粒平纵切破碎负载方差齐性检验的概率为0.40909(P>0.01)，平横切破碎负载方差齐性检验的概率为0.27992(P>0.01)，侧切破碎负载方差齐性检验的概率为0.68592(P>0.01)。这说明，芝麻品种对芝麻籽粒的剪切破碎负载影响不显著。

表2 不同品种各加载方向芝麻籽粒剪切破碎负载方差分析

3.3 芝麻籽粒剪切破碎负载非参数检验

按照上述试验方法进行平纵切、平横切及侧切加载，对相同品种不同加载方向芝麻籽粒的剪切破损力进行非参数检验，分析结果为：黑芝麻的组间P值为0.00306，白芝麻的组间P值为0.00447，即两芝麻品种的组间均有显著差异(P<0.05)，这说明芝麻籽粒受剪具有各向异性。相同品种不同加载方向两两组别间的非参数检验结果如表3所示，结果表明黑芝麻平纵切与侧切，白芝麻平纵切与侧切的破损力显著不同，相同品种其他两两组别间的破损力没有显著差异。

表3 相同品种不同加载方向芝麻籽粒剪切破碎负载非参数检验

3.4 芝麻籽粒不同加载方向剪切破碎负载统计

根据试验结果，对芝麻籽粒平纵切、平横切及侧切的剪切破碎负载进行统计，见表4。芝麻籽粒平纵切剪切破碎负载在2.96～4.33N区间，破损负载均值为3.51N，标准差为0.49；芝麻籽粒平横切剪切破碎负载在0.89～2.96N区间，破损负载均值为1.70N，标准差为0.69；芝麻籽粒侧切剪切破碎负载在0.50～1.42N区间，破损负载均值为0.92N，标准差为0.30。

表4 芝麻籽粒不同方向剪切破碎负载统计

4 结 论

1)对以郑芝HL05为代表的黑芝麻和以郑芝13为代表的白芝麻籽粒进行了形状参数测定，黑白芝麻籽粒形状尺寸参数差别不大。

2)在相同含水率下，对黑白芝麻分别进行了平纵切、平横切及侧切的剪切试验，分析结果表明芝麻品种对芝麻籽粒的剪切破碎负载影响不显著，芝麻籽粒受剪具有各向异性。

3)芝麻籽粒平纵方向剪切破碎率最大，平横切方向次之，侧切方向最小。平纵切剪切破碎负载在2.96～4.33N区间，平横切剪切破碎负载在0.89～2.96N区间，侧切剪切破碎负载在0.50～1.42N区间。