代治国１，雷昌浩１，刘开生１，陈 崇１，张锋伟２
（１．重庆市经贸中等专业学校，重庆 ４０２１６０；２．甘肃农业大学工学院，兰州 ７３００７０）
摘要：利用材料力学万能试验机进行了豌豆（Ｐｉｓｕｍ ｓａｔｉｖｕｍ Ｌ．）压缩、剪切力学性能试验，并采用针尖压入法对豌豆子粒进行硬度试验分析。结果表明，破碎负载、弹性模量、剪切力、剪切强度随着含水率的增加均有明显下降；在相同含水率下，破碎负载、弹性模量、剪切力、剪切强度在平放时最大，侧放时次之，立放时最小；硬度与含水率呈显著性负相关，而与压痕深度相关性不明显。
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关键词 ：豌豆（Ｐｉｓｕｍ ｓａｔｉｖｕｍ Ｌ．）子粒；力学性能；硬度
中图分类号：Ｓ５２９ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）02－0461-04
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.053
豌豆（Ｐｉｓｕｍ ｓａｔｉｖｕｍ Ｌ．）又名毕豆、国豆、荷兰豆、回回豆等，其性味甘平，具有和中下气、利小便、解疮毒等功效［１］，豌豆可制成糕点、豆馅、粉丝、粉皮、凉粉、淀粉等。豌豆子粒在收获、运输、干燥、贮藏过程中，易受到相关机具工作部件的碰撞、摩擦与挤压，造成豌豆子粒的损伤、破碎，从而影响豌豆的品质、利用率、经济价值和种子发芽率。而在豌豆子粒粉碎加工过程中，一般需要用机械的方法将豌豆子粒破碎、脱皮和脱胚，因此，对豌豆的力学特性进行研究具有重要的意义。国内外学者对小麦（Ｔｒｉｔｉｃｕｍ ａｅｓｔｉｖｕｍ Ｌｉｎｎ．）、莲子（Ｓｅｍｅｎ ｎｅｌｕｍｂｉｎｉｓ）、玉米（Ｚｅａ ｍａｙｓ）、花生（Ａｒａｃｈｉｓ ｈｙｐｏｇａｅａ Ｌｉｎｎ．）、杏核（Ａｒｍｅｎｉａｃａ）、大豆（Ｇｌｙｃｉｎｅ ｍａｘ）等农作物的力学特性进行了大量的研究［２－１２］，但未见对豌豆子粒进行挤压、剪切、硬度的力学特性研究的报道。本研究选择豌豆作为试验材料，通过豌豆在不同含水率下对其进行挤压、剪切、硬度试验，分析了其力学特性，为豌豆收获、储运及加工相关环节农产品作业机械的设计、加工工艺提供理论依据。
１ 材料与方法
１．１ 材料
本试验选取豌豆品种为陇南１号，由甘肃省农业科学院提供。豌豆子粒饱满、无损伤、无虫害。浅绿色，圆形，颗粒直径大概６ ｍｍ，子粒千粒重２３４ ｇ，选取含水率分别为１０．３％、１４．３％、１６．３％、１８．３％的豌豆子粒为研究对象。
试验仪器为深圳ＳＡＮＳ公司制造的ＣＭＴ２５０２型微机控制电子万能试验机。试验过程中可实时动态显示挤压力、位移、变形、加载速度及试验曲线，具有曲线高级分析功能，能自动计算弹性模量、屈服强度、破碎负载、最大变形等参数，最大试验力为５００ Ｎ，力分辨率为０．０１ Ｎ，位移分辨率为０．００１ ｍｍ。
１．２ 方法
１．２．１ 豌豆子粒的压缩性能试验 分别对不同含水率下的豌豆子粒采用平放、侧放、立放３种不同放置方式（图１）。试验所采用的加载压头为平板压头，加载速率为３ ｍｍ／ｍｉｎ，同一试验重复２０次。
１．２．２ 豌豆子粒的剪切性能试验 分别对不同含水率下的豌豆子粒采用平放、侧放、立放３种不同放置方式进行剪切试验（图２）。试验所采用的刀具为上海吉列公司制造的飞鹰牌单面保安刀片，加载速率为３ ｍｍ／ｍｉｎ，同一试验重复２０次，分别测得剪切时豌豆的极限剪切力和剪切强度，并取其平均值。
１．２．３ 豌豆子粒的硬度特性试验 将豌豆子粒用粗糙度为２４０的砂纸磨平，露出相应的待测部位，形成待测面。将豌豆子粒的另一侧也磨平，形成底座面。打磨时，豌豆子粒的待测面和底面都不要与豌豆两瓣子叶之间的结合面垂直，以避免针尖扎到结合缝上，造成误差。选用直径为１．４０ ｍｍ，长度为８０ ｍｍ，针尖锥度为１８．６°的大号钢针，垂直夹持到试验机活动横梁端，并将钢针上端顶死，以确保钢针受压时，不产生纵向位移。将制作好的试样稳稳地放在试验机压缩平台上，将针尖对准待测面，进行压入试验。钢针插入深度定为０．５ ｍｍ，加载速度定为３ ｍｍ／ｍｉｎ，试样标距Ｌ０为１００ ｍｍ，试样直径Ｄ０为１０ ｍｍ。
２ 结果与分析
２．１ 豌豆子粒的压缩性能试验结果
１）豌豆子粒压缩性能试验结果见表１，不同含水率和放置方式下的豌豆破碎负载及其变化规律如图３所示。在选取试验因素水平范围内，同一受力方向下的破碎负载随含水率提高而减小，含水率为１８．３％时破碎负载最小，含水率为１０．３％时破碎负载最大。在同一含水率下，平放时破碎负载最大，侧放时次之，立放时最小。
通过Ｍａｔｌａｂ软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和破碎负载之间的函数关系式表示为：
ＦＰ＝４６７．９９２ ２－５．３３５ ７Ｘ－０．５２６ １Ｘ２ Ｒ２＝０．９９２ １ （１）
ＦＣ＝４０１．８５２ ４－１３．９９１ ２Ｘ－０．０５９ ７Ｘ２ Ｒ２＝０．９８１ ４ （２）
ＦＬ＝２２６．９４１ ６－０．００７ ４Ｘ－０．４３２ ４Ｘ２ Ｒ２＝０．９７９ ６ （３）
由式（１）至式（３）可知，豌豆含水率和破碎负载之间关系近似为二次函数，在３种不同放置方式下，含水率与破碎负载的关系曲线近似为开口向下的抛物线。其中，平压时决定系数Ｒ２＝０．９９２ １；侧压时决定系数Ｒ２＝０．９８１ ４；立压时决定系数Ｒ２＝０．９７９ ６，关系函数拟合良好。
２）豌豆弹性模量是衡量产生弹性形变的难易程度，弹性模量越大表明其在一定压力作用下发生的弹性变形越小。本试验应用的ＣＭＴ２５０２型微机控制电子万能试验机具有自动测量并记录弹性模量的功能，可以测得豌豆在任意压力和形变量下的弹性模量，计算弹性模量计算平均值（表１）。豌豆子粒在不同含水率和不同放置方式下的弹性模量变化规律如图４所示。３种不同放置方式下的豌豆弹性模量均随含水率的增大而逐渐降低。在相同含水率下，平放时弹性模量最大，侧放次之，立放最小。由Ｍａｔｌａｂ软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和弹性模量之间的关系式表示为：
ＥＰ＝７４９．５９２－３３．６９３Ｘ ｒ２＝０．９８５ ５ （４）
ＥＣ＝７１５．７３２－３４．７５９Ｘ ｒ２＝０．９８３ ４ （５）
ＥＬ＝６５５．０７２－３２．３４３Ｘ ｒ２＝０．９７２ ２ （６）
由式（４）至式（６）可知，豌豆含水率和弹性模量之间关系近似为递减的一次函数，３种不同放置方式下，含水率与弹性模量的关系曲线近似为直线。其中，平放时决定系数ｒ２＝０．９８５ ５；侧放时决定系数ｒ２＝０．９８３ ４；立放时决定系数ｒ２＝０．９７２ ２，关系函数拟合良好。
２．２ 豌豆子粒的剪切性能试验结果
１）豌豆子粒剪切试验结果见表２，不同含水率和放置方式下的豌豆剪切力及其变化规律如图５所示。在相同的放置方式下，豌豆的剪切力随含水率增加而降低，含水率为１８．３％时剪切力最小，含水率为１０．３％时剪切力最大。
在同一含水率下，平放时豌豆的剪切力最大，侧放次之，立放最小。通过Ｍａｔｌａｂ软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和剪切力之间的函数关系式表示为：
ＦＰ＝８２．７３６ ２－１．４８４ ４Ｘ－０．０８２ ４Ｘ２ Ｒ２＝０．９９７ ６ （７）
ＦＣ＝７０．４１２ ３－２．２６５ １Ｘ－０．０３３ ５Ｘ２ Ｒ２＝０．９６５ １ （８）
ＦＬ＝６６．９４９ ２－２．０３５ ２Ｘ－０．０４２ ３Ｘ２ Ｒ２＝０．９３４ ９ （９）
由式（７）至式（９）可知，豌豆含水率和破碎负载之间关系近似为二次函数，３种不同放置方式下，含水率与剪切力的关系曲线近似为开口向下的抛物线。其中，平压时决定系数Ｒ２＝０．９９７ ６；侧压时决定系数Ｒ２＝０．９６５ １；立压时决定系数Ｒ２＝０．９３４ ９，关系函数拟合良好。
２）本试验使用的ＣＭＴ２５０２型微机控制电子万能试验机具有自动测量并记录剪切强度的功能，可以测得豌豆在剪切时的剪切强度，计算剪切强度平均值（表２）。豌豆子粒在不同含水率和不同放置方式下的剪切强度变化规律如图６所示。３种不同放置方式下的豌豆剪切强度均随含水率的增大而逐渐降低。在相同含水率下，平放时剪切强度最大，侧放次之，立放最小。由Ｍａｔｌａｂ软件分别拟合出平放、侧放和立放时豌豆含水率和剪切强度之间的关系式表示为：
σP=0.870 2－0.009 6X－0.001 2X2 R2=0.964 5（１０）
σC=0.588 2－2.035 2X－0.000 9X2 R2=0.993 1（１１）
σL=0.823 7－0.023 9X－0.000 6X2 R2=0.978 2（１２）
由式（１０）至（１２）可知，豌豆的含水率和剪切强度之间关系近似为二次函数，在３种不同放置方式下，含水率与剪切强度的关系曲线近似为开口向下的抛物线。其中，平压时决定系数Ｒ２＝０．９６４ ５；侧压时决定系数Ｒ２＝０．９９３ １；立压时决定系数Ｒ２＝０．９７８ ２，关系函数拟合良好。
２．３ 豌豆子粒的硬度特性试验结果
１）豌豆子粒不同含水率的硬度。对４组不同含水率的豌豆子粒，每组选取２０粒，对其进行针尖压痕试验，压痕深度为０．５ ｍｍ，得到含水率为１０．３％、１４．３％、１６．３％、１８．３％的豌豆子粒的硬度分别为５５．８、３６．８、２７．７、１５．８ ＭＰａ。图７是４种不同含水率豌豆的载荷—压痕曲线。
２）豌豆子粒不同压痕深度的硬度。使用锥度为１８．６°的钢针，分别以０．２、０．３、０．４、０．５、０．６ ｍｍ的压入深度，对４种不同含水率的豌豆子粒进行硬度测定，每个深度重复２０次，取其豌豆硬度平均值（表３）。应用ＳＰＳＳ１９．０统计分析软件针对表３中的豌豆子粒硬度试验结果，选取含水率、压痕深度作为方差来源进行相关方差分析，结果如表４所示。由表４可以看出，含水率对其硬度的作用均为显著，压痕深度对豌豆子粒硬度特性的作用不显著。
采用ＳＰＳＳ软件图形分析相关性得出，豌豆子粒的硬度与含水率在显著水平０．０１４下，呈显著性负相关，决定系数为０．９８５ ３。豌豆子粒的含水率越大，豌豆子粒的硬度越小（图８）。
综上所述，豌豆子粒硬度与压痕深度之间相关系数为０．２０９ ３，说明豌豆子粒的硬度与压痕深度呈正相关，但相关不显著。
３ 小结与讨论
１）通过对含水率为１０．３％～１８．３％豌豆进行力学特性试验，探明了不同含水率下豌豆子粒挤压力学特性、剪切力学特性以及硬度的变化规律，建立了豌豆子粒的破碎负载、弹性模量、剪切力、剪切强度、硬度与含水率之间的函数关系。
２）在平放、侧放及立放３种不同放置方式下挤压时，随着含水率的增加，豌豆子粒的破碎负载和弹性模量均有明显的下降，而最大屈服变形量却升高。在同一含水率下，平放挤压时破碎负载和弹性模量最大，侧放挤压时次之，立放挤压时最小。
３）在平放、侧放及立放３种不同放置方式下剪切时，随着含水率的增加，豌豆子粒的剪切力和剪切强度均有明显的下降，而最大屈服变形量却升高。在同一含水率下，平放挤压时剪切力和剪切强度最大，侧放挤压时次之，立放挤压时最小。
４）利用压痕加载曲线的斜率，通过虚拟弹性模量的方法，可以测定豌豆子粒的硬度。通过试验结果与方差分析可以得到，豌豆子粒的硬度与含水率呈显著负相关，豌豆子粒的含水率越低，豌豆子粒硬度越大；豌豆子粒的硬度与压痕深度呈正相关，但相关不显著。
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（责任编辑 屠 晶）