玉米芽種應(yīng)力松弛特性研究

李衣菲 ，武志 ，衣淑娟 ，毛欣

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶163319；2.黑龍江北大荒農(nóng)機(jī)有限公司）

玉米芽種應(yīng)力松弛特性研究

李衣菲1，武志2，衣淑娟1，毛欣1

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶163319；2.黑龍江北大荒農(nóng)機(jī)有限公司）

研究玉米芽種的松弛特性對(duì)減小芽種損傷有重要意義。利用CTM2050微機(jī)控制萬(wàn)能拉壓試驗(yàn)機(jī)，對(duì)含水率20.8%、25.4%、29.9%、36.4%、變形量0.05、0.15、0.25 mm的德美亞1號(hào)芽種進(jìn)行了應(yīng)力松弛試驗(yàn)，獲得了應(yīng)力松弛曲線(xiàn)；利用Maxwell模型，得到研究松弛特性的重要指標(biāo)：松弛模量與松弛時(shí)間等參數(shù)。分析了含水率和變形量對(duì)松弛應(yīng)力、含水率對(duì)松弛模量和松弛時(shí)間的影響規(guī)律。試驗(yàn)表明：含水率和變形量對(duì)松弛應(yīng)力、含水率對(duì)松弛模量和松弛時(shí)間均有影響。

玉米芽種；松弛特性；試驗(yàn)

玉米具有重要的食用價(jià)值和工業(yè)用途，且我國(guó)是玉米消費(fèi)大國(guó)，2016年度我國(guó)玉米產(chǎn)量為2.19億t[1]。玉米芽種的特性對(duì)玉米生長(zhǎng)有一定影響。玉米芽種質(zhì)地較軟，屬于黏彈性生物質(zhì)物料，其受外力擠壓后，抵御外界變形的能力對(duì)于保持芽種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要影響。因此探究玉米芽種的松弛特性指標(biāo)特點(diǎn)，及相同品種在不同作用條件下的流變特性變化規(guī)律，是研究重點(diǎn)。目前很多學(xué)者對(duì)玉米秸稈與籽粒的壓縮、剪切、碰撞等力學(xué)特性進(jìn)行了研究，如黃之斌[2]測(cè)得玉米籽粒剪切強(qiáng)度受剪切面積及籽粒組成成分影響，得到了剪切面積及載荷對(duì)剪切力的影響程度。程緒鐸[3]對(duì)下落撞擊后籽粒進(jìn)行了靜態(tài)壓縮試驗(yàn)研究，得出隨下落高度與籽粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷之間的變化規(guī)律。周秀文研究了玉米籽粒的碰撞與滾動(dòng)摩擦等力學(xué)特性。但對(duì)芽種流變特性研究較少，多為水果或秸稈。如孫驪[4]將多元線(xiàn)性回歸與流變學(xué)模型參數(shù)分析方法運(yùn)用到模擬試驗(yàn)中，研究了蘋(píng)果貯存、運(yùn)輸過(guò)程中機(jī)械損傷規(guī)律并分析了蘋(píng)果變形引起的延遲損傷特點(diǎn)。雷樂(lè)軍[5]對(duì)水稻秸稈卷壓過(guò)程進(jìn)行了應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究，得到了含水率、草捆干物質(zhì)質(zhì)量等因素對(duì)松弛指標(biāo)：松弛模量及平衡彈性模量的影響。以前人研究為背景，以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，得出松弛模量和松弛時(shí)間兩個(gè)參數(shù)對(duì)于流變特性的影響，建立反映芽種流變特性的流變學(xué)模型。為芽種精量播種裝備的研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

黑龍江省常用玉米品種：德美亞1號(hào)玉米籽粒芽種，含水率分別為20.8%、25.4%、29.9%、36.4%。

1.2 芽種制備方法

選取一定量德美亞1號(hào)包衣玉米籽粒，置于容器內(nèi)。倒入50℃左右的溫水，攪拌30 s將其激活。倒出50℃左右的溫水，倒入10~15℃的溫水，浸泡40~48 h，待80%的籽粒中上部出現(xiàn)白色芽體時(shí)，制備結(jié)束。每隔一定時(shí)間，取出適量芽種，測(cè)其含水率，進(jìn)行試驗(yàn)[6]。

1.3 試驗(yàn)儀器

CTM2050微機(jī)控制萬(wàn)能拉壓試驗(yàn)機(jī)、電腦、壓縮卡具，MS-100型水分測(cè)定儀。

1.4 試驗(yàn)方法

依據(jù)預(yù)壓試驗(yàn)，了解德美亞1號(hào)芽種（含水率36.4%）在彈性變形范圍內(nèi)，所能承受最大變形量，從而保證在不同試驗(yàn)條件下應(yīng)力松弛現(xiàn)象能夠發(fā)生。試驗(yàn)設(shè)定試驗(yàn)機(jī)上下壓頭以定速度壓縮芽種至變形量為0.05、0.15、0.25 mm，保持此變形量不變，當(dāng)松弛曲線(xiàn)變化趨于水平時(shí)停止試驗(yàn)；設(shè)定德美亞1號(hào)芽種在含水率分別為20.8%、25.4%、29.9%、36.4%條件下的被壓縮量為0.05 mm，當(dāng)松弛曲線(xiàn)變化趨于水平時(shí)停止試驗(yàn)，得到其應(yīng)力松弛曲線(xiàn)[7]。通過(guò)MATBLE擬合德美亞1號(hào)芽種的松弛模量與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，得到含水率對(duì)松弛模量與時(shí)間的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 松弛特性指標(biāo)

芽種的松弛特性指標(biāo)包括松弛模量與松弛時(shí)間。采用廣義Maxwell模型（以?xún)蓚€(gè)或兩個(gè)以上的單個(gè)麥克斯威爾模型并聯(lián)而成）如圖1，直接的反映出簡(jiǎn)單的松弛指標(biāo)規(guī)律，其應(yīng)力松弛的一般表達(dá)式為（1）。

圖1 三單元玉米的廣義Maxwell模型Fig.1 Generalized Maxwell model of 3 units maize

式中：n—并聯(lián)的Maxwell單元模型個(gè)數(shù)；

σ（t）—任意時(shí)刻t的彈性回復(fù)力；

Ej—各Maxwell單元的松弛模量；

τi—各Maxwell單元的松弛時(shí)間；

ηj—各Maxwell元件中阻尼器粘性系數(shù)。

并利用識(shí)別松弛參數(shù)的Z變換法，它的定義公式為：

通過(guò)對(duì)時(shí)間（t）進(jìn)行等間隔采集，進(jìn)行Z變換，得到公式：

配合MATLAB程序，擬合出應(yīng)力松弛曲線(xiàn)[8]，按照廣義Maxwell模型，擬合出類(lèi)似此方程的流變學(xué)模型，分量Ej為松弛模量，分量τi為松弛時(shí)間。其中E1為第一分量（Ⅰ），松弛時(shí)間長(zhǎng)，近似于固體；E2、E3為 2、3 分量（Ⅱ、Ⅲ），松弛時(shí)間短，近似于液體。E1代表玉米籽粒的骨架等結(jié)構(gòu)，E2、E3代表內(nèi)部蛋白質(zhì)、水分等液體組織。以含水率36.4%、變形量0.15 mm的德美亞1號(hào)芽種為例，得到芽種松弛方程松弛特性曲線(xiàn)如圖2。

隨時(shí)間增加，松弛模量逐步減小。曲線(xiàn)在20 s前快速遞減，20 s后減小速度緩慢，松弛模量接近常數(shù)。

2.2 含水率對(duì)松弛指標(biāo)的影響

德美亞 1 號(hào)芽種在含水率 20.8、25.4、29.9、36.4%條件下，流變模型中分量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ單元的松弛模量與松弛時(shí)間變化值見(jiàn)表1。

表1 在含水率不同時(shí)德美亞1號(hào)芽種松弛指標(biāo)表Table 1 Relaxation index table of Demeiya 1 bud in different moisture contents

由表1可看出，在不同含水率條件下，Ⅰ單元的松弛模量與時(shí)間始終大于Ⅱ、Ⅲ單元。且含水率對(duì)松弛模量及時(shí)間的影響如圖3~4。

圖3 含水率對(duì)松弛模量E1的影響Fig.3 Effect of moisture contents on relaxation modulus E1

由圖3可知，隨著含水率的增加，松弛模量、松弛時(shí)間逐步減小。在含水率為20.8%時(shí)，松弛模量最大值為8.59 MPa，松弛時(shí)間為804.7 s。在含水率36.4%時(shí)松弛模量最小，為3.95 MPa，松弛時(shí)間為714.3 s。含水率對(duì)松弛模量E1影響的關(guān)系曲線(xiàn)：y=-0.008x2+0.11x+9.25，R2=0.968 4；含水率對(duì)松弛時(shí)間影響的關(guān)系曲線(xiàn)：y=-0.295x2+10.08x+721.91，R2=0.997。

含水率對(duì)松弛模量和松弛時(shí)間影響的方差分析，見(jiàn)表2~3。

圖4 含水率對(duì)松弛時(shí)間的影響Fig.4 Effect of moisture contents on relaxation time

表2 含水率對(duì)松弛模量的單因素方差分析Table 2 The single factor analysis of variance of moisture content to the relaxation modulus

表3 含水率對(duì)松弛時(shí)間的單因素方差分析Table 3 The single factor analysis of variance of moisture content to the relaxation time

通過(guò)方差分析得F（351.464 8）＞F-crit（3.238 872），P-value（8.27E-15）≤0.01出含水率對(duì)松弛時(shí)間的影響極顯著。同理，含水率對(duì)松弛模量的影響也為極顯著。

2.3 變形量對(duì)芽種的應(yīng)力松弛特性影響

圖5 玉米芽種松弛應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relationship curve of the maize bud between relaxation stress and time

在含水率為36.4%，變形量為0.05、0.15、0.25 mm條件下，德美亞1號(hào)芽種的松弛應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5，不同變形量曲線(xiàn)變化趨勢(shì)類(lèi)似。當(dāng)對(duì)芽種施加外載荷時(shí)，芽種在其作用下迅速變形，應(yīng)力迅速減小，變形穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)。變形量越大，初始應(yīng)力越大，反之，初始應(yīng)力越小，表明應(yīng)力松弛變形量對(duì)松弛應(yīng)力的大小有影響。變形量為0.05 mm時(shí)，初始應(yīng)力為0.106 MPa，變形量為0.15 mm時(shí)，初始應(yīng)力為0.057 MPa，變形量為0.25 mm時(shí)，初始應(yīng)力為0.048 MPa。變形量越大，初始應(yīng)力越大，反之，初始應(yīng)力越小，表明應(yīng)力松弛變形量對(duì)松弛應(yīng)力的大小有影響。不同變形條件下，在相同松弛時(shí)間內(nèi)，松弛應(yīng)力變化范圍值不同，變形量0.05 mm時(shí)，變化量為0.021 MPa，變形量0.15 mm時(shí)，變化量為0.024 MPa，變形量0.25 mm時(shí)，變化量為0.021 41 MPa。利用DPS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)單個(gè)玉米芽種應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到芽種的松弛應(yīng)力-時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)符合Richards模型[9]，表示式為，。

2.4 含水率對(duì)芽種的應(yīng)力松弛特性影響

圖6 玉米芽種松弛應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relationship curve of the maize bud between relaxation stress and time

在變形量0.05 mm，含水率為20.8%、25.4%、29.9%、36.4%條件下，德美亞1號(hào)芽種松弛應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系變化規(guī)律相似，如圖6。不同含水率，芽種的初始松弛應(yīng)力不同，含水率越大，初始應(yīng)力越小。含水率為20.8%時(shí)，初始應(yīng)力為0.1 MPa時(shí)，松弛試驗(yàn)結(jié)束后，變化范圍為0.033 MPa，含水率為25.4%時(shí)，初始應(yīng)力為0.083 MPa時(shí)，變化范圍為0.042 MPa，含水率為29.9%時(shí)，初始應(yīng)力為0.073 MPa時(shí)，變化范圍為0.033 MPa，含水率為36.4%時(shí)，初始應(yīng)力為0.059 MPa時(shí)，變化范圍為0.044 MPa。利用DPS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)單個(gè)玉米芽種應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到芽種的松弛應(yīng)力-時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)符合Richards模型[9]，表示式為,

3 結(jié)論

（1）用廣義Maxwell模型可以較好的反映德美亞1號(hào)芽種的應(yīng)力松弛特性，并通過(guò)Z變換法、MATLAB軟件得出反應(yīng)松弛特性指標(biāo)松弛模量、松弛時(shí)間的應(yīng)力松弛特性曲線(xiàn)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得，隨含水率增加，德美亞1號(hào)芽種的松弛模量與時(shí)間均減小。

（2）不同含水率對(duì)德美亞1號(hào)芽種松弛模量與松弛時(shí)間的影響，隨含水率增加，二者均減小，且影響為極顯著。

（3）德美亞1號(hào)芽種在一定變形量下，含水率越高，松弛應(yīng)力越小；在一定含水率下，變形量越小，松弛應(yīng)力越小。

［1］ http：//www.askci.com/news/chanye/20161212/15283382397.shtml.

［2］ 黃之斌.大豆、玉米籽粒儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中壓縮、碰撞及剪切特性研究［D］.南京：南京財(cái)經(jīng)大學(xué)，2012.

［3］ 程緒鐸，馮家暢，嚴(yán)曉婕.碰撞對(duì)玉米籽粒結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)驗(yàn)研究［J］.糧食儲(chǔ)藏.2014，43（3）：19-22.

［4］ 孫驪，仇農(nóng)學(xué)，吳競(jìng)爽.蘋(píng)果貯運(yùn)時(shí)的機(jī)械損傷規(guī)律及評(píng)價(jià)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1996，12（4）：208-212.

［5］ 雷軍樂(lè)，王德福，張全超，等.完整稻稈卷壓過(guò)程應(yīng)力松弛試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（8）：76-83.

［6］ 尹海燕.水稻芽播氣吸式排種器的試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

［7］ 張洪霞.含水率對(duì)稻米籽粒應(yīng)力松弛特性影響的研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21（1）：37-39.

［8］ 雷得天，于松林，馬小愚，等.松弛參數(shù)的計(jì)算機(jī)識(shí)別［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1997，28（2）：109-112.

［9］ 李衣菲.玉米芽種力學(xué)特性研究［D］.大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2016.

Research on Stress Relaxation Properties of Maize Bud

Li Yifei1，Wu Zhi2，Yi Shujuan1，Mao Xin1
（1.Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.Beidahuang Agricultural Machinery Co.Ltd.）

The study on the stress relaxation properties of maize bud was important to reduce the damage rate of maize bud.The bud of Demeiya 1，the moisture content of which was 20.8%，25.4%，29.9%，36.4%and the deflection was 0.05、0.15、0.25 mm，was conducted stress relaxation experiment and obtained stress relaxation curve.The important indexes of the relaxation characteristics，relaxation modulus and relaxation time，were obtained by using the Maxwell model.The effect of moisture content and deflection on relaxation stress and the effect of moisture content on relaxation modulus and relaxation time were analyzed.The experiment showed that moisture content and deflection had effect on relaxation stress and moisture content had effect on relaxation modulus and relaxation time.

maize bud；relaxation properties；experiment

S513

A

1002-2090（2017）06-0056-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.06.013

2016-10-15

省自然基金：玉米芽種精量播種裝置播種機(jī)理研究（E201331）；黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目：玉米芽種振動(dòng)式定向排序裝置機(jī)理及試驗(yàn)研究（GZ11B110）；省教育廳植質(zhì)缽育全程機(jī)械化栽培技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2014TD010）。

李衣菲（1990-），女，助理實(shí)驗(yàn)師，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的研究工作。

衣淑娟，女，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：yishujuan_2005@126.com。