蕎麥籽粒生物力學性質及內芯黏彈性試驗研究

孫靜鑫，郭玉明，楊作梅，崔清亮，武新慧，張燕青

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蕎麥籽粒生物力學性質及內芯黏彈性試驗研究

孫靜鑫，郭玉明※，楊作梅，崔清亮，武新慧，張燕青

（山西農業(yè)大學工學院，太谷 030801）

針對可供相關作業(yè)機械設計參考的蕎麥籽粒生物力學性質指標可用參數缺乏的現(xiàn)狀，該文研究了優(yōu)種蕎麥籽粒的常規(guī)力學性質及芯粉黏彈性力學性質，并對相關影響因素進行了分析。試驗測定了不同品種蕎麥籽粒在不同含水率下的三軸尺寸、千粒質量、容重等基本物性參數，采用斜面儀、休止角測定裝置測定了蕎麥籽粒的滑動摩擦系數及休止角，應用DMA（Q800）動態(tài)力學性能分析儀測定了蕎麥（粉狀）的動態(tài)黏彈性，運用物性分析儀測定了蕎麥籽粒的破壞力、破壞能等力學性質，利用擺錘式動載試驗機測定了蕎麥籽粒所能承受的最大撞擊載荷。結果表明：同一品種蕎麥籽粒的長、寬、高、千粒質量、幾何平均徑均隨含水率的降低而減小，容重隨著含水率的降低而增大；摩擦系數隨含水率的降低而減小，籽粒與Q235鋼板的摩擦系數最大，與7075鋁合金板的次之，與304不銹鋼板的最??；休止角隨含水率的降低而減小；隨著含水率的降低，破壞力、表觀彈性模量和最大接觸應力逐漸增大，變形量逐漸減小，破壞能呈上升趨勢。而在相同含水率下，不同品種蕎麥籽粒的物性參數及上述力學特性參數均呈現(xiàn)極顯著差異（<0.0001）。蕎麥粉末的儲能模量隨含水率的降低而增大，彈性性能提高，損耗模量和損耗正切隨含水率的降低而減小，黏性性能降低。同一品種蕎麥在相同含水率下，撞擊載荷越大，破碎率越高；同一撞擊載荷下，隨著含水率的降低，籽粒的破碎率先減小后增大。研究結果可為蕎麥收獲及加工裝備研制、參數優(yōu)化提供基礎依據。

生物力學；黏彈性；摩擦；蕎麥籽粒

0 引 言

蕎麥有“五谷之王”的美譽，以其非常高的藥用和食用價值頗受大眾推崇[1]。但是，目前中國蕎麥的收獲、加工機械化水平較低，專門針對蕎麥分段收獲、聯(lián)合收獲及去殼、制粉加工等機械裝備的研制備受關注。在蕎麥機械化收獲、加工過程中，籽粒受到工作部件的擠壓、撞擊、摩擦等載荷的作用，因此蕎麥籽粒擠壓、撞擊、摩擦等相關力學特性參數[2]是蕎麥機械化生產裝備關鍵部件設計的重要基礎。此外，蕎麥仁是由一層韌性較好的種皮和內包粉體（子葉、胚乳）組成，粉體的動態(tài)黏彈性對蕎麥外殼與蕎麥仁的間隙有一定影響，是蕎麥脫粒、去殼、加工及受力損傷應考慮的因素，為此需要研究粉體的動態(tài)黏彈性性質。

通常由滑動摩擦系數、休止角來表達作物籽粒物料的摩擦特性。國外學者對農業(yè)散粒物料的摩擦特性研究始于19世紀，采用斜面儀測量小麥、玉米及大豆等主要作物的摩擦系數[3-4]。國內學者對小麥、稻谷、油菜、玉米、谷子、芡實等籽粒物料的摩擦特性進行了試驗研 究[5-11]，表明含水率、接觸材料、粒徑與摩擦特性有很大的相關性。

動態(tài)黏彈性性質主要由儲能模量、損耗模量和損耗正切等參數來表示。國內外學者對玉米、水稻、小麥等主要作物籽粒的動態(tài)黏彈性進行了研究[12-16]，揭示了頻率、溫度和含水率對儲能模量、損耗模量和損耗正切有重要影響。

蕎麥擠壓力學性質一般用破壞力、變形量、破壞能來反映[17]，目前國外對蕎麥的研究主要集中在蕎麥面粉的理化性質分析上[18-19]，國內關于蕎麥擠壓已有對單個品種浸濕處理與未處理的籽粒、仁的破壞力、破壞能的測定研究，取得一些有益結果[20-22]，但對不同蕎麥品種、不同含水率以及受力損傷破壞過程的擠壓力學性質的全面研究還鮮有報道。

本文針對蕎麥籽粒生物力學性質指標可供相關作業(yè)機械設計參考的可用參數還很缺乏的現(xiàn)狀，測定了不同品種蕎麥的三軸尺寸、千粒質量、容重等基本物性參數，并系統(tǒng)研究了品種和含水率對擠壓、撞擊力學性質的影響，籽粒的含水率、表面微結構、形狀、品種以及與不同工作部件接觸材料（304不銹鋼板、7075鋁合金板、Q235鋼板）等對摩擦特性影響，以及蕎麥籽粒內芯粉體材料的動態(tài)黏彈性性質。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗樣本選自山西農業(yè)大學試驗田，甜蕎2種：晉蕎1號，籽粒深褐色，三棱形；榆蕎4號，籽粒褐色，正三梭錐形。苦蕎4種：黑豐1號，籽粒桃形黑色；黑豐10號，籽粒錐形黑色；昭苦1號，籽粒桃形灰白色；川蕎1號，籽粒黑色，長錐形。在2017年10月份收獲期取樣進行試驗，晉蕎1號、榆蕎4號、黑豐1號、黑豐10號、昭苦1號和川蕎1號在收獲時的含水率分別為：20.78%、19.35%、19.40%、20.73%、21.4%，22.8%，為了保持剛收獲蕎麥籽粒的含水率，收獲后迅速裝入密封袋內，并置于冰箱內低溫（1 ℃）冷藏。每次試驗前，取出樣品，在室溫（22±2）℃下靜置0.5 h。各樣本測試時的含水率分別為：22.8%，19.4%，15.6%，13.2%，11.1%。

1.2 試驗儀器與設備

TR211表面粗糙度儀（分辨率1′10-6mm），SU5000掃描電子顯微鏡（日立公司），體式顯微成像裝置，數顯游標卡尺（精度0.01 mm）；快速谷物水分測定儀GAC2100AGRI（美國帝強公司，誤差±0.2%）；物性分析儀TA.XT（英國Stable Micro System）；DMA動態(tài)熱機械分析儀Q800，（美國 TA 公司，模量精度±1%）；TQ-1000Y型粉碎機；自制斜面儀、休止角測定裝置； ZBC50擺錘式動載試驗機（SANS公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同含水率樣本的制備

為獲得不同含水率的試驗樣本，參照文獻[17]，對含水率高于所需含水率的蕎麥，采用自然晾干法降低含水率，將薄層蕎麥置于室內，利用空氣流通，使蕎麥的含水率降低，調整過程中每隔30 min用快速谷物水分測定儀測定1次含水率，測量3次求均值，將達到所需含水率的蕎麥放入雙層密封袋內，并置于冰箱內低溫（1 ℃）保存；對于含水率低于所需含水率的蕎麥，采用噴水法[5]制作樣本，噴灑去離子水的質量采用（1）式計算，將試驗樣品低溫密封靜置3 d以上，使含水率均勻。每次試驗前，提前取出樣本置于密封袋中在室內放置0.5 h，使樣品恢復至室溫，保證含水率不變。

式中0為蕎麥的初始質量，g；1為去離子水的質量，g；0為蕎麥的初始含水率，%；1為蕎麥所需的含水率，%。

1.3.2 蕎麥籽粒物理參數的測定

圖1為蕎麥籽粒的縱剖面圖及三軸尺寸。用數顯游標卡和天平分別測量籽粒的三軸尺寸（每個樣本測量100粒）和千粒質量（每個樣本用“百粒法”測量10次），計算籽粒幾何平均徑D，計算公式為

式中為籽粒的長，mm；為籽粒的寬，mm；為籽粒的高，mm。

注：和分別為蕎麥籽粒的長、寬和高，mm。

Note:andare length、width and height of buckwheat grain respectively, mm.

圖1 蕎麥籽?？v剖面及三軸尺寸

Fig.1 Longitudinal profile and triaxial size of buckwheat grain

容重是反映籽粒形狀、大小、成熟度、飽滿度及結構緊密程度等的綜合指標，也是等級評判，育種選種，谷物儲藏、干燥等工程問題的重要參數[23]，蕎麥籽粒的容重根據GB/T 5498-2013《容重測定法》測定。

1.3.3 蕎麥籽?；瑒幽Σ料禂禍y定

將單層蕎麥籽粒裝入30 mm′30 mm′10 mm的無底容器內并放置在斜面儀上[2]，使傾斜角逐漸增大，當籽粒剛開始在斜面上滑動時，對應斜面的傾角為滑動摩擦角，如圖2a所示。

式中為籽粒所受的重力，N；為摩擦力，N；F為支持力，N；為蕎麥籽粒的滑動摩擦系數；為斜面與水平面的夾角，（°）。

注：F分別為蕎麥籽粒所受的重力、摩擦力、支持力，N；為斜面與水平面的夾角，（°）。

Note：and Fare gravity, friction and support of buckwheat grain, respectively, N;is the angle between the inclined plane and the horizontal plane, (°).

圖2 斜面儀及蕎麥籽粒受力示意圖

Fig.2 Bevel instrument and force diagram of buckwheat grain

1.3.4 接觸材料表面粗糙度的測量

測量籽粒與不同材料間摩擦系數前，先測定不同接觸材料的表面粗糙度，測試前擦凈材料的被測表面，將儀器正確、平穩(wěn)地放置在被測表面，確保傳感器的滑行軌跡垂直于材料被測表面的加工紋理方向；測量時傳感器在被測表面上以1 mm/s的速度滑行約5 mm即可獲得表面粗糙度（Ra），測量3次求平均值。

1.3.5 蕎麥籽粒休止角的測量

休止角反映了蕎麥籽粒群的內摩擦性能和散落性能，與蕎麥籽粒的含水率、形狀、尺寸等有關，采用注入法測定蕎麥籽粒的休止角，裝置如圖3所示：

1. 鐵架臺 2. 漏斗 3. 籽粒料堆 4. 墊塊

1. Iron support 2. Funnel 3. Grain windrow 4. Heel block

注：為休止角，（°）；為蕎麥自然堆積高度，mm；為墊塊直徑，mm。

Note:is angle of repose, (°);is natural stack height of buckwheat, mm；is diameter of heel block, mm.

圖3 蕎麥籽粒休止角測定裝置

Fig.3 Repose angle measurement device of buckwheat grain

休止角計算公式為

式中為休止角，（°）；為蕎麥自然堆積高度，mm；為墊塊直徑，mm。

1.3.6 蕎麥芯粉黏彈性性質測定

將晾干后的去殼榆蕎4號的籽粒在粉碎機中粉碎，然后過0.2 mm孔徑的篩子[24]，并測量榆蕎4號粉末的初始含水率為11.6%。制備含水率分別為11.1%、13.2%、15.6%、19.4%、22.8%的蕎麥粉末[17]。

選用DMA（Q800）的雙懸臂和粉末夾具對蕎麥粉末進行不同頻率下測試，測定蕎麥粉末的黏彈性參數（儲能模量￠、損耗模量2和損耗正切tan）。試驗中，保持應變不變，將對蕎麥粉末施加載荷的環(huán)境溫度升高到27 ℃，對蕎麥粉末進行1 Hz到100 Hz的頻率掃描[15]。采用對數取點，取20個點。

DMA（Q800）采用無接觸、直接驅動馬達提供一個正弦應力檢測物料的黏彈性變化，由于農業(yè)物料具有黏彈性，應變滯后于應力[16]，應變和應力分別為

式中0為應變幅，%；為響應系數；為角頻率，rad/s；為時間，s；*為復應力幅，MPa；0為應力幅，MPa。復數模量由（7）式計算。

式中E為復數動態(tài)壓縮模量，MPa；為儲能模量，MPa，反映物料的彈性性質；2為損耗模量，MPa，反映物料的黏性性質。

式中tan為損耗正切。

1.3.7 擠壓力測定

采用物性分析儀的壓縮模式對籽粒的擠壓力進行測定，將籽粒平放在底座上，選用P/36R圓柱探頭進行擠壓，測前速度0.6 mm/s，測試速度0.02 mm/s，測后速度1.0 mm/s，觸發(fā)力0.049 N。

蕎麥籽粒的表觀彈性模量、最大接觸應力由下式 計算[25]

1.3.8 撞擊載荷測定

將單個籽粒固定在自制夾具上，在擺錘式動載試驗機上對蕎麥籽粒進行撞擊試驗，計算作了理想化假設[26]。

通過式（18）求出擺錘與籽粒接觸時的速度[27]：

式中1為擺桿質量，kg；2為擺錘質量，kg；為擺桿長度，m；為重力加速度，m/s2；J為轉動慣量，kg?m2；為擺線與豎直方向的夾角，（°）；為擺錘與籽粒接觸時的角速度，rad/s；為擺錘與籽粒接觸時的線速度，m/s；、、分別為擺錘的長、寬、高，m。

在不同角度釋放擺錘，可以得到不同的撞擊速度，根據角度、形變量計算出撞擊載荷

式中K為動載荷系數；△為籽粒的形變量，m；F為撞擊載荷，N；0為擺錘與擺桿的質量之和，kg。

1.4 數據處理

本試驗以蕎麥品種、含水率為試驗因素，選取6個品種，5個含水率水平，共30個處理，每個處理重復30次試驗。用Excel計算樣本均值和標準偏差，采用SAS進行顯著性分析，用Matlab進行擬合。

2 結果與分析

2.1 蕎麥籽粒在不同含水率下的基本物性參數

不同品種蕎麥籽粒在不同含水率下的基本物性參數及顯著性分析結果如表1所示。

表1 蕎麥籽粒的基本物性參數及顯著性分析

注：表中測量值為“平均值±標準差”，下同。

Note: The values in the table are “average ± standard deviation”, the same below.

從表1中可看出，品種、含水率對蕎麥籽粒的長、寬、高、容重、幾何平均徑、千粒質量均影響極顯著（<0.0001）；品種和含水率的相互作用對長、寬、高、容重影響極顯著（<0.0001），而對幾何平均徑和千粒質量不顯著

由表1中可得，當蕎麥的含水率在11.1%～22.8%之間時，籽粒的長、寬、高、千粒質量、幾何平均徑均隨含水率的降低而減小。甜蕎中，榆蕎4號三軸尺寸、幾何平均徑及千粒質量最大；苦蕎中，川蕎1號的長最大，昭苦1號的最小，黑豐10號的寬、高最大，川蕎1號的最小；黑豐10號的幾何平均徑最大，千粒質量最大，川蕎1號的幾何平均徑最小。

蕎麥籽粒的水分以機械結合水、物理化學結合水及化學結合水3種形式存在[28]，機械結合水主要在籽粒表面和粗毛細血管內，易蒸發(fā)；物理化學結合水，包括吸附水分、滲透水分和結構水分；化學結合水，是指籽粒內部與物料結合牢固的解析水，一般干燥難以去除。含水率降低，籽粒所含的機械結合水和物理化學結合水越來越少，而化學結合水基本不變，籽粒內部細胞的體積縮減，因此籽粒的三軸尺寸減小[28]。同一品種蕎麥，籽粒的幾何平均徑的大小由三軸尺寸的大小決定，也隨含水率的降低而減??；相同含水率下，籽粒的千粒質量與三軸尺寸呈正相關。

容重與籽粒的飽滿度、含水率、結構緊密程度等有關。同一品種蕎麥，含水率越低，容重越大。由表1可知，相同含水率下，甜蕎中，榆蕎4號粒徑最大，容重最?。豢嗍w中，昭苦1號的容重最大，籽粒飽滿、結構最緊密。

2.2 蕎麥摩擦特性及其影響因素分析

不同品種蕎麥籽粒在不同含水率下與不同材料的的摩擦系數和休止角及顯著性分析結果如表2所示。

表2 蕎麥摩擦系數及顯著性分析

由表2可知，在0.01水平上，品種和含水率對蕎麥籽粒與鋼板等材料的摩擦系數、休止角的影響極顯著（<0.0001）。同一種蕎麥，含水率在11.1%～22.8%之間時，摩擦系數和休止角隨著含水率的降低而減小。由于含水率越高，籽粒表面與接觸材料表面的黏附力越大，摩擦系數越大，流動性越差，休止角也越大[2-3,7]。

相同含水率下，同一品種蕎麥籽粒與Q235鋼板的摩擦系數最大，與7075鋁合金板的次之，與304不銹鋼板的最小，主要是由材料的表面粗糙度差異引起的。3種材料按粗糙度從大到小依次為：Q235鋼板（=8.41′10-4mm）>7075鋁合金板（=3.25′10-4mm）>304不銹鋼板（= 2.01′10-4mm），蕎麥籽粒與表面粗糙度小的材料接觸時所受的摩擦阻力小，從減小摩擦的角度考慮，蕎麥籽粒脫粒、分選等工作部件的材料宜選擇304不銹鋼板。

摩擦系數除與籽粒含水率、接觸材料的表面粗糙度有關外，還與顆粒表面微結構、籽粒形狀等有關。蕎麥對于同一接觸材料在含水率相同情況下，苦蕎中黑豐1號的摩擦系數、休止角最大，黑豐10號的最小；甜蕎中晉蕎1號的摩擦系數、休止角最大，榆蕎4號的最小，蕎麥對于3種接觸材料均有相同的規(guī)律。

對于同一接觸材料在含水率相同情況下，甜蕎的摩擦系數和休止角比苦蕎的小，這是由于甜蕎的外殼表面光滑，而苦蕎表面有三棱三溝，棱圓鈍且表面較粗糙，在掃描電鏡（SEM）下對甜蕎和苦蕎的外殼表面進行觀察，獲得20倍、100倍和500倍的電鏡圖，如圖4所示。

×20×100×500 a. 黑豐1號 a. Heifeng-1 ×20×100×500 b. 榆蕎4號 b. Yuqiao-4

由圖4可知，相同放大倍數下，甜蕎表面凹凸度小，表明具有小的表面粗糙度，對應甜蕎的摩擦系數和休止角較小。

蕎麥籽粒與不同接觸材料的摩擦系數與含水率、休止角與含水率的擬合函數見表3。由表3可知，摩擦系數、休止角與含水率的關系近似為線性遞增關系，2均大于0.94，擬合關系良好。

表3 蕎麥籽粒摩擦系數、休止角與含水率的擬合函數

注：s、a、i、和分別為與304不銹鋼板、7075鋁合金板、Q235鋼板的摩擦系數、休止角和含水率；2為決定系數。

Note:s、a、i、andarefriction coefficient with 304 stainless steel plate、7075 aluminum alloy plate and Q235 steel plate、angle of repose and moisture content, respectively;2is determination coefficient.

2.3 含水率對蕎麥粉末動態(tài)黏彈性的影響

蕎麥屬于黏彈性體[2]，儲能模量（）是黏彈性材料由于彈性形變而儲存的能量，反映物料的彈性特性；損耗模量（）是黏彈性材料產生變形時損失的能量，反映物料的黏性特性。損耗正切（tan）是損耗模量與儲能模量的比值，反映材料黏彈性的比例。

應用DMA(Q800)動態(tài)力學性能分析儀對6種蕎麥粉體的動態(tài)黏彈性性質進行了試驗測定，結果顯示6種蕎麥粉體的儲能模量、損耗模量以及損耗正切隨含水率、掃描頻率的變化具有一致的趨勢，本文以具有代表性的蕎麥品種榆蕎4號在不同含水率下的動態(tài)黏彈性性質試驗為例進行介紹。榆蕎4號蕎麥具有顆粒大、千粒質量大、產量高、易脫殼等優(yōu)點，在山西、河北、陜西等地廣泛種植。其粉末的儲能模量、損耗模量和損耗因子（tan）隨含水率變化的頻率掃描曲線如圖5所示。從圖5可看出，儲能模量、損耗模量和損耗正切隨頻率的增加呈上升趨勢；含水率在11.1%～22.8%之間時，儲能模量隨含水率的升高而減小，損耗模量和損耗正切隨含水率的升高而增大。當其粉末的含水率從11.1%升高到22.8%時，掃描頻率為1 Hz時，蕎麥粉末的儲能模量從7394.1 MPa減小到6826.0 MPa，損耗模量從79.5 MPa增大到115.3 MPa，損耗正切從0.011增大到0.017。損耗模量越小表示材料越接近理性彈性體，因此同一品種蕎麥粉體的含水率越低，損耗模量越小，儲能模量越大，彈性性能提高，黏性性能降低；反之彈性性能降低，黏性性能提高。試驗方法、過程、結論等具有普遍性，可為雜糧類作物籽粒及其粉體黏彈性性質的研究與應用提供參考。

圖5 榆蕎4號蕎麥粉末動態(tài)黏彈性頻率掃描曲線

2.4 含水率對籽粒擠壓力學性質的影響

6個品種蕎麥籽粒的擠壓力—位移曲線變化趨勢與圖6的一致，均沒有屈服拐點，只有破裂點，本文以具有代表性的試驗結果—含水率為22.8%時黑豐1號蕎麥籽粒的擠壓力—位移曲線為例進行闡述。將破裂點對應的擠壓力作為蕎麥受壓的破壞力（F），而相應位移量即為蕎麥籽粒破裂時的變形量（d）；破裂點之前的曲線與橫坐標（位移）圍成的面積（圖中陰影區(qū)域）的大小即為破壞能。

由圖7可看出，蕎麥籽粒的外殼擠壓損傷（圖7a）與自然損傷（圖7b）具有相似的破裂形式，說明自然損傷與擠壓損傷的裂口形式基本一致，均是一條果皮棱上的縱向裂口。由于棱線處纖維組織不均勻，抗擠壓強度低，是蕎麥外殼最薄弱的部位，且棱邊是蕎麥殼瓣結合的部位，在擠壓過程中，容易引起應力集中[29]；所不同的是，擠壓損傷的蕎麥仁出現(xiàn)裂紋（圖7c），而自然損傷的蕎麥仁完好，沒有裂紋（圖7d）。外殼與內芯仁之間有空隙，探頭接觸籽粒開始加載時，擠壓的只是外殼，外殼因抗擠壓強度較高而未出現(xiàn)裂口，繼續(xù)加載，當外殼與內芯仁接觸時，開始擠壓仁，仁是種皮包裹著的粉體，抗擠壓強度低，開始產生塑性變形，擠壓到一定程度，內芯仁產生裂紋，繼續(xù)加載，外殼棱上由于抗擠壓強度低和應力集中出現(xiàn)裂口；蕎麥干燥時，外殼的水分先損失，外殼由于水分減少而發(fā)生收縮，受到拉伸應力，而蕎麥仁含水率較高，收縮變形小，且外殼受擠壓、摩擦等組合外載荷作用，當外殼棱上受到的應力大于其強度極限時，出現(xiàn)裂口，而內芯仁由于韌皮的包裹未出現(xiàn)破壞。

不同品種蕎麥籽粒在不同含水率下的擠壓試驗結果及表觀彈性模量、最大接觸應力如表4所示。

注：含水率為11.1%。

表4 蕎麥籽粒擠壓試驗結果及顯著性分析

2.4.1 擠壓力學性質與含水率的關系

由表4可知，在0.01水平上，含水率、品種、含水率和品種互作對破壞力、變形量、破壞能、表觀彈性模量和最大接觸應力均有極顯著的影響（<0.0001）。

同一品種蕎麥，含水率在11.1%～22.8%之間時，隨著含水率的降低，破壞力逐漸增大，如：榆蕎4號的從11.99 N增大到28.56 N，黑豐1號的從21.09 N增大到51.10 N。表明蕎麥的含水率越低，籽粒的硬度和強度越高，其抗壓性就越好，所需的屈服載荷就越大。

隨著含水率的升高，變形量逐漸增大，籽粒產生較大的塑性變形。如：榆蕎4號的從0.48 mm增大到0.85 mm，黑豐1號的從0.55 mm增大到1.10 mm。

破壞能是籽粒出現(xiàn)破壞所需的最小能量，與破壞力、變形量有關，破裂點的破壞能數值上等于破裂點以前的曲線與橫坐標圍成的面積大小（圖6中陰影部分）。對于同一品種蕎麥，含水率在11.1%～22.8%之間時，破壞能隨著含水率的升高呈下降趨勢，含水率為22.8%時，晉蕎1號、榆蕎4號、黑豐10號、黑豐1號、昭苦1號、川蕎1號的破壞能分別為7.32、5.20、19.58、11.85、12.42、14.58 mJ，破壞能最小。

蕎麥籽粒表觀彈性模量是反映籽粒材料本身產生彈性變形能力的性質，其大小與籽粒的三軸尺寸、破壞力、變形量等有關。表觀彈性模量隨含水率的降低而增大，與蕎麥粉末的儲能模量變化趨勢一致。

最大接觸應力在接觸表面中心處產生，與含水率呈負相關。用MATLAB擬合蕎麥籽粒擠壓力、變形量、破壞能、表觀彈性模量及最大接觸應力與含水率之間的函數關系表達式如表5所示。

表5 蕎麥籽粒擠壓試驗結果與含水率的擬合函數

注：F、d、、和分別為破壞力（N）、變形量（mm）、破壞能（mJ）、表觀彈性模量（MPa）、最大接觸應力（MPa）、含水率，2為決定系數。

Note:F、d、、andarefailure force (N)、deformation (mm)、failure energy (mJ)、apparent elastic modulus (MPa)、maximum contact stress (MPa) and moisture content, respectively,2is determination coefficient.

由表5知，破壞力和破壞能與含水率呈三次多項式關系，變形量與含水率呈二次多項式關系，最大接觸應力和表觀彈性模量與含水率基本呈線性遞減關系，2均大于0.93，擬合關系良好。

2.4.2 擠壓力學性質與品種的關系

由表4可知，品種對蕎麥的擠壓力學性質有極顯著影響（<0.0001）。相同含水率下，甜蕎中，榆蕎4號的破壞力、變形量、破壞能、表觀彈性模量、最大接觸應力均最小；苦蕎中，黑豐10號的破壞力、變形量、破壞能最大，黑豐1號的破壞力、破壞能、表觀彈性模量、最大接觸應力均最??；昭苦1號的變形量最小，表觀彈性模量、最大接觸應力最大；破壞能與破壞力的變化一致。這是由于同一含水率下，品種不同，籽粒的形狀、三軸尺寸和千粒質量不同，接觸方式、接觸面積和內部物質不同，導致抗擠壓能力也不同[17]。

由表4可知，甜蕎所需的破壞力和破壞能均小于苦蕎，因此甜蕎易于脫殼，苦蕎較難脫殼。在苦蕎麥脫殼時，避免直接對籽粒進行擠壓，可采取先對籽粒預處理的方法（如：熟化、浸濕或者汽蒸等），使處理后的蕎麥外殼的硬度和強度減小，更易被脫去，而蕎麥仁的硬度和強度增大，不易破碎，從而提高蕎麥脫殼的整、半仁率。但是蕎麥的品種不同，相同含水率下破壞力和破壞能也有差異，因此對于不同品種的蕎麥，確定不同的預處理方式及工藝參數（如：汽蒸溫度、浸泡時間、磨盤間隙、磨盤轉速等），以達到最佳脫殼效果[20-22]。

2.5 含水率對蕎麥籽粒所能承受撞擊載荷能力的影響

對于同一品種同一含水率下的蕎麥，不同籽粒之間的含水率、外形尺寸及質量等會有差別，所能承受的宏觀撞擊載荷也會不同[28]，本文以實際中常用的撞擊破碎率來反映同一品種同一含水率下蕎麥籽粒承受撞擊載荷的能力。每個樣本重復30次試驗，在顯微鏡下觀察籽粒有無破碎，計算破碎率[30]。

式中3為破碎的籽粒的總質量，g；4為未破碎的籽粒的總質量，g。

由蕎麥的擠壓試驗結果可知，甜蕎中，榆蕎4號的破壞力、變形量、破壞能均最小；苦蕎中，黑豐1號的破壞力、破壞能均最小，因此對榆蕎4號和黑豐1號進行了撞擊試驗。

蕎麥籽粒的撞擊試驗結果如表6所示。

由表6可知，黑豐1號蕎麥籽粒的抗撞擊能力比榆蕎4號的大，因此黑豐1號蕎麥較難脫殼；同一品種蕎麥在相同含水率下，撞擊載荷越大，籽粒的破碎率越高，在撞擊載荷分別為20.70和42.58 N時，榆蕎4號和黑豐1號的破碎率近似為0；在撞擊載荷分別為48.27和60.96 N時，榆蕎4號和黑豐1號的破碎率幾乎為100%。同一撞擊載荷下，隨著含水率的降低，籽粒的破碎率先減小后增大，在含水率為19.4%左右時，籽粒的破碎率達到最小。通過擬合，破碎率與含水率之間的函數關系式為：

式中1、2分別為撞擊載荷為27.77和48.27 N時的破碎率，%；為含水率，%。2分別為0.9876、0.9372。

由擬合關系式求得：當含水率分別為18.2%、18.4%時，破碎率1、2最小。經試驗得：當撞擊載荷為27.77 N，榆蕎4號含水率為18.2%時，籽粒的破碎率為2.9%；當撞擊載荷為48.27 N，黑豐1號含水率為18.4%時，籽粒的破碎率為11.7%，試驗結果與模型一致。

表6 榆蕎4號和黑豐1號蕎麥籽粒在不同撞擊載荷下破碎率試驗結果

3 結 論

本文主要進行了蕎麥的基本物性、摩擦特性、動態(tài)黏彈性及擠壓、撞擊力學性質的試驗，并分析了擠壓力學性質、摩擦特性、撞擊載荷與含水率的關系，主要結論有：

1）當蕎麥籽粒的含水率在11.1%～22.8%之間時，同一品種蕎麥籽粒的長、寬、高、千粒質量、幾何平均徑均隨含水率的降低而減小，容重隨著含水率的降低而增大。

2）同一品種蕎麥，籽粒與Q235鋼板的摩擦系數最大，與7075鋁合金板的次之，與304不銹鋼板的最小；摩擦系數和休止角隨著含水率的降低而減小。相同含水率下，甜蕎的摩擦系數和休止角比苦蕎的小。摩擦系數除與籽粒含水率、接觸材料的表面粗糙度有關外，還與顆粒表面微結構、籽粒形狀等有關。

3）同一種蕎麥，當其粉末的含水率從11.1%升高到22.8%時，掃描頻率為1 Hz時，蕎麥粉末的儲能模量從7394.1 MPa減小到6826.0 MPa，損耗模量從79.5 MPa增大到115.3 MPa，損耗正切從0.011增大到0.017；含水率越低，損耗模量越小，儲能模量越大，彈性性能越好，黏性性能降低。

4）含水率、品種、含水率和品種互作對蕎麥籽粒的擠壓力學性質影響極顯著。隨著含水率的升高，破壞力、表觀彈性模量和最大接觸應力逐漸減小，變形量逐漸增大，破壞能呈現(xiàn)下降趨勢。甜蕎所需的破壞力和破壞能均小于苦蕎，因此甜蕎較苦蕎易于脫殼。在苦蕎麥脫殼時，可先對籽粒進行預處理，減小蕎麥外殼的硬度和強度，增大蕎麥仁的硬度和強度，來提高苦蕎麥脫殼時的整、半仁率。

5）黑豐1號蕎麥籽粒的抗撞擊能力比榆蕎4號的大；同一品種蕎麥在相同含水率下，撞擊載荷越大，破碎率越高；當蕎麥籽粒的含水率在11.1%～22.8%之間時，同一撞擊載荷下，隨著籽粒的含水率的降低，籽粒的破碎率先減小后增大，當撞擊載荷為27.77 N，榆蕎4號含水率為18.2%時，籽粒的破碎率達到最小，為2.9%；當撞擊載荷為48.27 N，黑豐1號含水率為18.4%時，籽粒的破碎率達到最小，為11.7%。

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Experimental study on biomechanical properties of buckwheat grain and viscoelastic properties of buckwheat powder

Sun Jingxin, Guo Yuming※, Yang Zuomei, Cui Qingliang, Wu Xinhui, Zhang Yanqing

(030801,)

Buckwheat belongs tomill, which is one of the grain crops in China. Buckwheat is rich in protein, fat and other nutrients, as well as food fiber, sugar alcohol, phenolic acids, bioflavones and other disease-resistant ingredients. In recent years, buckwheat has become the preferred functional staple food for people which with cardiovascular disease and diabetes and are highly recommended for its high medicinal and edible value by the public. At present the mechanized production level of buckwheat is relatively low. The stress modes of relative working parts on grain are extrusion, impact, kneading and so on during the design process of buckwheat segmenting, combined harvesting, threshing, husking, milling, processing and other equipment. Therefore, the selection of design parameters for key components requires a comprehensive mastery of the conventional biomechanical properties that contain compress, impact and friction of different buckwheat grains. Viscoelastic properties of buckwheat powder were studied in this paper: 1) Basic physical parameters that contain triaxial size, 1000-grain weight and bulk weight of different buckwheat varieties (Jinqiao-1, Yuqiao-4, Heifeng-1, Heifeng-10, Zhaoku-1 and Chuanqiao-1) with different moisture content (22.8%, 19.4%, 15.6%, 13.2%, 11.1%)were measured. The results showed that the length, width, height, 1000-grain weight and geometric mean diameters of buckwheat grain decreased as the moisture content decreased, and the bulk density increased as the moisture content decreased. Themoench length, width and thickness range from 6.16 mm to 6.87 mm, 4.16 mm to 4.60 mm, 3.87 mm to 4.32 mm, and 1000-grain weight range from 32.34 g to 37.70 g, respectively. Thetataricum length, width and thickness range from 4.39 mm to 5.90 mm, 3.10 mm to 3.90 mm, 2.93 mm to 3.61 mm, and 1000-grain weight range from 21.32 g to 27.67 g, respectively. 2) The static sliding friction coefficient and the angle of repose of buckwheat grain were measured by inclined plane instrument and repose angle measuring device. The results showed that the friction coefficient decreased on Q235 steel plate, 7075 aluminum alloy plate and 304 stainless steel plate in turn. The friction coefficient and angle of repose decreased as the moisture content decreased, and the friction coefficient and angle of repose ofmoench were smaller than those oftataricum. The friction coefficient was not only related to grain moisture content, surface roughness of contact materials, but also related to grain surface characteristics and grain shape. 3) The dynamic viscoelastic test of buckwheat (powder) was carried out on DMA (Q800), and the storage modulus, loss modulus and loss factor of buckwheat powder were obtained. The storage modulus decreased as the moisture content increased. For the same buckwheat, the loss modulus and loss factor increased as the moisture content increased, and the lower the moisture content, the smaller the loss modulus, the bigger the storage modulus, the greater the elasticity and the smaller the viscosity. 4) The mechanical properties of grain, which contain failure force and failure energy, were measured by physical property analyzer. As the moisture content increased, the failure force, apparent modulus of elasticity and maximum contact stress decreased gradually, the amount of deformation gradually increased, and the failure energy showed a downward trend.The failure force and failure energy ofmoench were lower than that oftataricum, somoench was easier to peel thantataricum. In order to increase the whole and half kernel rate oftataricum, the grain could be pretreated first to reduce the hardness and strength of shell and increase the hardness and strength of kernel. 5) The impact force was measured by ZBC50 pendulum hammer impact tester. The broken rate of Yuqiao-4 and Heifeng-1 was approximately 0 when the impact force was 20.70 and 42.58 N respectively. Under the same impact force, the broken rate first decreased and then increased as the moisture content increased. And the experimental results were fitted. According to the fitting formula, the broken rate (1,2) was the lowest when moisture content was 18.2% and 18.4%, respectively. The experimental results showed that: the broken rate was 2.9% when the impact force was 27.77 N and the moisture content of Yuqiao-4 was 18.2%; the broken rate was 11.7% when the impact force was 48.27 N and the moisture content of Hefeng-1 was 18.4%, and the experimental results were consistent with the model. The results can provide comprehensive foundation support for the development of buckwheat mechanized production equipment and parameter optimization.

biomechanics; viscoelasticity; friction;buckwheat grain

孫靜鑫，郭玉明，楊作梅，崔清亮，武新慧，張燕青. 蕎麥籽粒生物力學性質及內芯黏彈性試驗研究[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(23)：287－298. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.037 http://www.tcsae.org

Sun Jingxin, Guo Yuming, Yang Zuomei, Cui Qingliang, Wu Xinhui, Zhang Yanqing. Experimental study on biomechanical properties of buckwheat grain and viscoelastic properties of buckwheat powder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 287－298. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.037 http://www.tcsae.org

2018-06-06

2018-10-01

國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFD0701801）

孫靜鑫，博士生，主要從事農業(yè)生物力學與物料機械特性方面的研究。Email：Sunjingx0607@126.com

郭玉明，教授，博士生導師，主要從事農業(yè)生物力學與物料機械特性方面的研究。Email：guoyuming99@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.037

S515; S220.1

A

1002-6819(2018)-23-0287-12