糙米机械破碎力学特性试验与分析

B2 D L2 R2 D 根据赫兹理论， 1 1 R R2 cos t 2 1 1 R2 R2
R2
（6） （7）
（8）
将（6）和（7）代入（8）可得
L2 B 2 （9） L2 B 2 将刚性平板与糙米的接触面近似看为矩形，则 面积计算式为 A接触 LD sin t cos t （10）
糙米力学特性测定 采用 JWXL 型物性测试仪对籽粒的力学特性进 行测试，感应力为 15 g，测定前速为 0.5 mm/s，试 验速度为 0.1 mm/s，测定后速为 10.0 mm/s，样品 断裂后（力学感应器检测到力突然下降时）探头返 回，每种样品取 100 粒做重复试验，取平均值。试 验装置如图 2。
1.2
a. 锥刺破碎
b. 三点弯曲破碎
c. 剪切破碎 注：d 为 2 支柱间距离，可调节。
d. 挤压破碎
Fig.2
图 2 力学特性测试装置 Test devices of mechanical force properties
Fig.1
图 1 糙米的三维尺寸 Three-dimensional of brown rice
类型 粳型 粳型 粳型 籼型 籼型 籼型 籼型 籼型 籼型 籼型
胚乳特性 全角质 全角质 全角质 部分粉质 全角质 部分粉质 部分粉质 部分粉质 部分粉质 全角质
产地 江苏 黑龙江 河和设备 JWXL 型物性测试仪（北京东孚久恒仪器技术有 限公司）；镀铬游标卡尺（江苏省地方国营竹签量具 厂）；JLGJ-4.5 型砻谷机，JNMJ-3 型碾米机，碎米 分离器（浙江省台州市新恩精密粮仪有限公司）。 1.3 样品制备 每个试验样品要充分混和均匀，然后用分样器 进行分样，得到测试样品，每个试验样品不少于 2 kg。 1.4 含水率测定 按照 ISO 712-1998 进行测定。 1.5 外形尺寸 从试验样品中随机抽取完整稻谷 50 粒，手工 脱壳，然后将糙米置于深色台面上，在自然光下用 游标卡尺逐个测量其长度、宽度、厚度，如图 1。 求平均值作为整批糙米样品的尺寸，根据糙米的长 度， 按国际大米分类标准 CODEX STAN 198-1995， 长粒型＞6.6 mm，中粒型 6.2～6.6 mm，短粒型＜ 6.2 mm。
第 18 期
周显青等：糙米机械破碎力学特性试验与分析
257
2
验前调整承重平台的位置，保证探头的刀口作用处 在两个可移动支柱的中间位置，如图 2b 所示。试 验时， 将 1 粒糙米样品沿长度方向跨放在 2 支柱上， 样品宽度方向与顶部弯曲探头长度方向一致，且每 次样品都放在支柱的同一个位置，目测使顶部弯曲 探头的刀口作用在样品的中间部位。 1.6.3 剪切试验 剪切探头长度为 30 mm、厚度为 3.0 mm，承重 平台上开有 3.0 mm 的槽。试验前调整承重平台的位 置， 保证探头的刀口与承重平台的槽 （槽宽为 3.0 mm） 对准，如图 2c 所示。将 1 粒糙米样品沿长度方向跨 放在承重平台的槽上， 样品宽度方向与剪切探头长度 方向一致，且每次都放在承重平台槽的同一个位置， 目测使剪切探头的刀口作用在样品的中间部位。 1.6.4 挤压破碎试验 压缩探头为直径 35 mm 的圆柱体，承重平台为 正方形。试验前调整承重平台的位置，保证压缩探头 的中心位置对准承重平台的中心位置， 如图 2d 所示。 试验时将 1 粒糙米样品平放（长度、宽度平面）在承 重平台上，且目测使压缩部位在压缩探头的中心。 1.7 糙米和精米破碎力测定与分析 1.7.1 糙米和精米破碎力测定 从各样品中拣出糙米（去除未熟粒、病虫害粒、碎 米等的净糙米）和碾磨后的完整精米（碾减率 f=10%） 100 粒以上，按照 1.6.2 方法测定三点弯曲破碎力。 1.7.2 糙米和精米破碎力分析 糙米 4 种力学类型的相关力学特性指标主要有 破碎力、破碎变形、破碎强度及破碎能。破碎力是 指使糙米断裂时的最大力；在力的作用下糙米样品 产生变形，直到样品断裂时的变形称为破碎变形； 破碎强度是指糙米某一截面上一点处的内力集度； 破碎能是指使糙米断裂所做的功。其中破碎力和破 碎变形可通过物性测试仪测定，破碎强度和破碎能 的计算公式如下 F dc 抗弯 弯曲 （1） 4I D c （2）
※
0
引
言
水稻是中国第一大粮食作物，在粮食生产和消 费中历来处于主导地位。稻谷在成熟过程中，由于 存在着成熟度的差异，收割后，在除杂、脱粒、运 输等流通过程中受到外界机械作用力，就会使稻谷 发生不同程度的破裂或破碎，从而对稻谷的加工品 同时还会影响稻谷的储 质和食用品质产生影响[1-3]。 藏、种子的发芽率等生理特性。稻谷品质优劣可通 过评价稻谷加工的不同产品如糙米、精米和米饭等 特性来表征，稻谷经砻谷机脱壳后得到糙米，糙米 经碾白得精米。因此，研究糙米与精米的力学特性 对提高稻谷储藏加工品质及技术参数的科学选择 有非常重要的指导意义。目前，国内外学者就稻米 籽粒的力学特性已开展了相关研究。如丁林峰和李 耀明等[4-5]研究稻谷的压缩特性，测得稻谷的力-位 移曲线和最大破坏力，得出其弹性模量和泊松比等
常规力学性能参数。 徐立章和李耀明等[6-8]研究水稻 谷粒的冲击特性，分析不同含水率时稻谷塑性、脆 性力学性质的差异 ,得出了稻谷与脱粒元件冲击损 伤临界速度计算公式。Siebenmorgen 等[9-10]研究糙 米的压缩强度、三点弯曲强度与整精米率的相关性 关系，得出糙米三点弯曲力与整精米率相关性较 大。李毅念等[11-12]在三点弯曲试验研究表明糙米腹 部、背部分别作为承压面的三点弯曲破碎力、破碎 力学性能与微观结构都存在一定的差异，且腹部的 结构强度小于背部。但采用物性测试仪对不同粒型 粒质的糙米， 以及糙米与其精米的锥刺、 三点弯曲、 剪切、 挤压 4 种机械破碎力学特性进行测试与分析， 探索糙米粒型和粒质及糙米皮层对糙米破碎力学特 性的影响，至今鲜有报道。本文采用物性测试仪为主 要力学测定仪器， 采用自行设计力学试验装置和探头， 测定糙米及其精米的锥刺、三点弯曲、剪切以及挤压 破碎力，一方面研究受不同力作用时糙米及其精米的 破碎力学特性，另一方面研究糙米粒型和粒质及糙米 皮层对糙米破碎力学特性的影响，试图探索用工程断 裂理论解释糙米受力特性及其与籽粒特性的关系，旨 在为糙米储藏加工技术参数的确定提供依据。
2 D B DB 2 S z ydA A 3 2 2 12
（5）
式中，σ 抗剪为抗剪破碎强度，Pa；F 剪切为剪切破碎 力，N；Sz 为横截面上距中性轴以外部分的面积对 中性轴的静矩，m3。 糙米籽粒的形状近似椭球体，糙米在厚度方向 上两端受到 2 个平行刚性平板的挤压，接触点的主 曲率半径可表示为
收稿日期：2011-12-12 修订日期：2012-07-05
基金项目： “十一五”国家科技支撑计划重点专项“国际标准研制”— —粮食类国际标准研制与开发（2006BAK04A20-25） ； “十一五”国家科 技支撑计划项目：糙米集装储运减损技术和设备研发与示范 （2009BADA0B02-1） 作者简介：周显青（1964－） ，男，江西吉水县人，博士，教授，主要 从事谷物科学及产后加工利用。郑州 450052。 ※通信作者：张玉荣（1967－） ，女，新疆阜康县人，教授，主要从事 农产品储藏与品质分析。郑州 河南工业大学粮油食品学院，450052。 Email：zyurong@ 河南工业大学粮油食品学院，
（河南工业大学粮油食品学院，郑州 450052） 摘 要：为了研究糙米机械破碎力学特性及其与籽粒结构特性的关系。采用物性测试仪对糙米的锥刺、三点弯曲、 剪切、挤压 4 种机械破碎力学特性进行测试与分析，并对糙米和精米的破碎力学特性（三点弯曲）进行了比较。 结果表明：糙米的断裂是由于内部胚乳组织不均匀，在外力作用下首先形成内部裂纹，裂纹尖端处的应力集中又 进一步促进裂纹扩展，最终导致籽粒断裂；厚度为（1.0±0.5）mm 的不同样品锥刺破碎力在 10 N 左右，各样品籽 粒内部的结合力相差较小，籽粒的断裂主要与厚度及胚乳特性有关，其中三点弯曲力更能反映籽粒的破碎特性， 糙米的糠层对籽粒有一定的保护作用，糙米力学特性比精米好。该文为糙米储藏加工技术参数的确定提供依据。 关键词：力学特性，质地，粮食，糙米，破碎特性 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.18.036 中图分类号：TS210.1；S511 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-18-0255-08 周显青，张玉荣，褚洪强，等. 糙米机械破碎力学特性试验与分析[J]. 农业工程学报，2012，28(18)：255－262. Zhou Xianqing, Zhang Yurong, Chu Hongqiang, et al. Experiment and analysis of mechanical properties of mechanical crushing brown rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(18): 255－262. (in Chinese with English abstract)
1.6
1.6.1 锥刺试验 锥刺探头底部为针形，与糙米样品接触，承重平 台为正方形。试验前调整承重平台的位置，以确保锥 刺探头的针尖位置对准承重平台的中心位置，如图 2a 所示。为了保证锥刺时糙米样品（去除未熟粒、病虫 害粒、碎米等的净糙米）不移动位置，需沿糙米的厚 度方向将两面的凸起部位磨平（经过磨平方法的探索 试验，要求严格控制磨平用力，以避免籽粒胚乳结构 破坏），控制到厚度为（1.0±0.5）mm，再放在承重平 台中心处，进行测定。 1.6.2 三点弯曲试验 弯曲探头长度为 60 mm、宽度为 1.0 mm，2 个 可移动支柱与糙米接触处宽度也是 1.0 mm， 可移动 支柱的下端有 2 个便于装螺丝的内螺纹，承重平台 从中心位置向两侧分别开有长 25 mm、宽 5.0 mm 的槽，用螺丝和螺母将支柱安装到槽内，根据测试 糙米的长度不同，2 支柱之间的距离 d 可调节。试