荞麦籽粒生物力学性质及内芯黏弹性试验研究

孙静鑫，郭玉明，杨作梅，崔清亮，武新慧，张燕青



荞麦籽粒生物力学性质及内芯黏弹性试验研究

孙静鑫，郭玉明※，杨作梅，崔清亮，武新慧，张燕青

（山西农业大学工学院，太谷 030801）

针对可供相关作业机械设计参考的荞麦籽粒生物力学性质指标可用参数缺乏的现状，该文研究了优种荞麦籽粒的常规力学性质及芯粉黏弹性力学性质，并对相关影响因素进行了分析。试验测定了不同品种荞麦籽粒在不同含水率下的三轴尺寸、千粒质量、容重等基本物性参数，采用斜面仪、休止角测定装置测定了荞麦籽粒的滑动摩擦系数及休止角，应用DMA（Q800）动态力学性能分析仪测定了荞麦（粉状）的动态黏弹性，运用物性分析仪测定了荞麦籽粒的破坏力、破坏能等力学性质，利用摆锤式动载试验机测定了荞麦籽粒所能承受的最大撞击载荷。结果表明：同一品种荞麦籽粒的长、宽、高、千粒质量、几何平均径均随含水率的降低而减小，容重随着含水率的降低而增大；摩擦系数随含水率的降低而减小，籽粒与Q235钢板的摩擦系数最大，与7075铝合金板的次之，与304不锈钢板的最小；休止角随含水率的降低而减小；随着含水率的降低，破坏力、表观弹性模量和最大接触应力逐渐增大，变形量逐渐减小，破坏能呈上升趋势。而在相同含水率下，不同品种荞麦籽粒的物性参数及上述力学特性参数均呈现极显著差异（<0.0001）。荞麦粉末的储能模量随含水率的降低而增大，弹性性能提高，损耗模量和损耗正切随含水率的降低而减小，黏性性能降低。同一品种荞麦在相同含水率下，撞击载荷越大，破碎率越高；同一撞击载荷下，随着含水率的降低，籽粒的破碎率先减小后增大。研究结果可为荞麦收获及加工装备研制、参数优化提供基础依据。

生物力学；黏弹性；摩擦；荞麦籽粒

0 引 言

荞麦有“五谷之王”的美誉，以其非常高的药用和食用价值颇受大众推崇[1]。但是，目前中国荞麦的收获、加工机械化水平较低，专门针对荞麦分段收获、联合收获及去壳、制粉加工等机械装备的研制备受关注。在荞麦机械化收获、加工过程中，籽粒受到工作部件的挤压、撞击、摩擦等载荷的作用，因此荞麦籽粒挤压、撞击、摩擦等相关力学特性参数[2]是荞麦机械化生产装备关键部件设计的重要基础。此外，荞麦仁是由一层韧性较好的种皮和内包粉体（子叶、胚乳）组成，粉体的动态黏弹性对荞麦外壳与荞麦仁的间隙有一定影响，是荞麦脱粒、去壳、加工及受力损伤应考虑的因素，为此需要研究粉体的动态黏弹性性质。

通常由滑动摩擦系数、休止角来表达作物籽粒物料的摩擦特性。国外学者对农业散粒物料的摩擦特性研究始于19世纪，采用斜面仪测量小麦、玉米及大豆等主要作物的摩擦系数[3-4]。国内学者对小麦、稻谷、油菜、玉米、谷子、芡实等籽粒物料的摩擦特性进行了试验研 究[5-11]，表明含水率、接触材料、粒径与摩擦特性有很大的相关性。

动态黏弹性性质主要由储能模量、损耗模量和损耗正切等参数来表示。国内外学者对玉米、水稻、小麦等主要作物籽粒的动态黏弹性进行了研究[12-16]，揭示了频率、温度和含水率对储能模量、损耗模量和损耗正切有重要影响。

荞麦挤压力学性质一般用破坏力、变形量、破坏能来反映[17]，目前国外对荞麦的研究主要集中在荞麦面粉的理化性质分析上[18-19]，国内关于荞麦挤压已有对单个品种浸湿处理与未处理的籽粒、仁的破坏力、破坏能的测定研究，取得一些有益结果[20-22]，但对不同荞麦品种、不同含水率以及受力损伤破坏过程的挤压力学性质的全面研究还鲜有报道。

本文针对荞麦籽粒生物力学性质指标可供相关作业机械设计参考的可用参数还很缺乏的现状，测定了不同品种荞麦的三轴尺寸、千粒质量、容重等基本物性参数，并系统研究了品种和含水率对挤压、撞击力学性质的影响，籽粒的含水率、表面微结构、形状、品种以及与不同工作部件接触材料（304不锈钢板、7075铝合金板、Q235钢板）等对摩擦特性影响，以及荞麦籽粒内芯粉体材料的动态黏弹性性质。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验样本选自山西农业大学试验田，甜荞2种：晋荞1号，籽粒深褐色，三棱形；榆荞4号，籽粒褐色，正三梭锥形。苦荞4种：黑丰1号，籽粒桃形黑色；黑丰10号，籽粒锥形黑色；昭苦1号，籽粒桃形灰白色；川荞1号，籽粒黑色，长锥形。在2017年10月份收获期取样进行试验，晋荞1号、榆荞4号、黑丰1号、黑丰10号、昭苦1号和川荞1号在收获时的含水率分别为：20.78%、19.35%、19.40%、20.73%、21.4%，22.8%，为了保持刚收获荞麦籽粒的含水率，收获后迅速装入密封袋内，并置于冰箱内低温（1 ℃）冷藏。每次试验前，取出样品，在室温（22±2）℃下静置0.5 h。各样本测试时的含水率分别为：22.8%，19.4%，15.6%，13.2%，11.1%。

1.2 试验仪器与设备

TR211表面粗糙度仪（分辨率1´10-6mm），SU5000扫描电子显微镜（日立公司），体式显微成像装置，数显游标卡尺（精度0.01 mm）；快速谷物水分测定仪GAC2100AGRI（美国帝强公司，误差±0.2%）；物性分析仪TA.XT（英国Stable Micro System）；DMA动态热机械分析仪Q800，（美国 TA 公司，模量精度±1%）；TQ-1000Y型粉碎机；自制斜面仪、休止角测定装置； ZBC50摆锤式动载试验机（SANS公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 不同含水率样本的制备

为获得不同含水率的试验样本，参照文献[17]，对含水率高于所需含水率的荞麦，采用自然晾干法降低含水率，将薄层荞麦置于室内，利用空气流通，使荞麦的含水率降低，调整过程中每隔30 min用快速谷物水分测定仪测定1次含水率，测量3次求均值，将达到所需含水率的荞麦放入双层密封袋内，并置于冰箱内低温（1 ℃）保存；对于含水率低于所需含水率的荞麦，采用喷水法[5]制作样本，喷洒去离子水的质量采用（1）式计算，将试验样品低温密封静置3 d以上，使含水率均匀。每次试验前，提前取出样本置于密封袋中在室内放置0.5 h，使样品恢复至室温，保证含水率不变。

式中0为荞麦的初始质量，g；1为去离子水的质量，g；0为荞麦的初始含水率，%；1为荞麦所需的含水率，%。

1.3.2 荞麦籽粒物理参数的测定

图1为荞麦籽粒的纵剖面图及三轴尺寸。用数显游标卡和天平分别测量籽粒的三轴尺寸（每个样本测量100粒）和千粒质量（每个样本用“百粒法”测量10次），计算籽粒几何平均径D，计算公式为

式中为籽粒的长，mm；为籽粒的宽，mm；为籽粒的高，mm。

注：和分别为荞麦籽粒的长、宽和高，mm。

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

图1 荞麦籽粒纵剖面及三轴尺寸

Fig.1 Longitudinal profile and triaxial size of buckwheat grain

容重是反映籽粒形状、大小、成熟度、饱满度及结构紧密程度等的综合指标，也是等级评判，育种选种，谷物储藏、干燥等工程问题的重要参数[23]，荞麦籽粒的容重根据GB/T 5498-2013《容重测定法》测定。

1.3.3 荞麦籽粒滑动摩擦系数测定

将单层荞麦籽粒装入30 mm´30 mm´10 mm的无底容器内并放置在斜面仪上[2]，使倾斜角逐渐增大，当籽粒刚开始在斜面上滑动时，对应斜面的倾角为滑动摩擦角，如图2a所示。

式中为籽粒所受的重力，N；为摩擦力，N；F为支持力，N；为荞麦籽粒的滑动摩擦系数；为斜面与水平面的夹角，（°）。

注：F分别为荞麦籽粒所受的重力、摩擦力、支持力，N；为斜面与水平面的夹角，（°）。

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

图2 斜面仪及荞麦籽粒受力示意图

Fig.2 Bevel instrument and force diagram of buckwheat grain

1.3.4 接触材料表面粗糙度的测量

测量籽粒与不同材料间摩擦系数前，先测定不同接触材料的表面粗糙度，测试前擦净材料的被测表面，将仪器正确、平稳地放置在被测表面，确保传感器的滑行轨迹垂直于材料被测表面的加工纹理方向；测量时传感器在被测表面上以1 mm/s的速度滑行约5 mm即可获得表面粗糙度（Ra），测量3次求平均值。

1.3.5 荞麦籽粒休止角的测量

休止角反映了荞麦籽粒群的内摩擦性能和散落性能，与荞麦籽粒的含水率、形状、尺寸等有关，采用注入法测定荞麦籽粒的休止角，装置如图3所示：

1. 铁架台 2. 漏斗 3. 籽粒料堆 4. 垫块

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

注：为休止角，（°）；为荞麦自然堆积高度，mm；为垫块直径，mm。

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

图3 荞麦籽粒休止角测定装置

Fig.3 Repose angle measurement device of buckwheat grain

休止角计算公式为

式中为休止角，（°）；为荞麦自然堆积高度，mm；为垫块直径，mm。

1.3.6 荞麦芯粉黏弹性性质测定

将晾干后的去壳榆荞4号的籽粒在粉碎机中粉碎，然后过0.2 mm孔径的筛子[24]，并测量榆荞4号粉末的初始含水率为11.6%。制备含水率分别为11.1%、13.2%、15.6%、19.4%、22.8%的荞麦粉末[17]。

选用DMA（Q800）的双悬臂和粉末夹具对荞麦粉末进行不同频率下测试，测定荞麦粉末的黏弹性参数（储能模量¢、损耗模量²和损耗正切tan）。试验中，保持应变不变，将对荞麦粉末施加载荷的环境温度升高到27 ℃，对荞麦粉末进行1 Hz到100 Hz的频率扫描[15]。采用对数取点，取20个点。

DMA（Q800）采用无接触、直接驱动马达提供一个正弦应力检测物料的黏弹性变化，由于农业物料具有黏弹性，应变滞后于应力[16]，应变和应力分别为

式中0为应变幅，%；为响应系数；为角频率，rad/s；为时间，s；*为复应力幅，MPa；0为应力幅，MPa。复数模量由（7）式计算。

式中E为复数动态压缩模量，MPa；为储能模量，MPa，反映物料的弹性性质；²为损耗模量，MPa，反映物料的黏性性质。

式中tan为损耗正切。

1.3.7 挤压力测定

采用物性分析仪的压缩模式对籽粒的挤压力进行测定，将籽粒平放在底座上，选用P/36R圆柱探头进行挤压，测前速度0.6 mm/s，测试速度0.02 mm/s，测后速度1.0 mm/s，触发力0.049 N。

荞麦籽粒的表观弹性模量、最大接触应力由下式 计算[25]

1.3.8 撞击载荷测定

将单个籽粒固定在自制夹具上，在摆锤式动载试验机上对荞麦籽粒进行撞击试验，计算作了理想化假设[26]。

通过式（18）求出摆锤与籽粒接触时的速度[27]：

式中1为摆杆质量，kg；2为摆锤质量，kg；为摆杆长度，m；为重力加速度，m/s2；J为转动惯量，kg∙m2；为摆线与竖直方向的夹角，（°）；为摆锤与籽粒接触时的角速度，rad/s；为摆锤与籽粒接触时的线速度，m/s；、、分别为摆锤的长、宽、高，m。

在不同角度释放摆锤，可以得到不同的撞击速度，根据角度、形变量计算出撞击载荷

式中K为动载荷系数；△为籽粒的形变量，m；F为撞击载荷，N；0为摆锤与摆杆的质量之和，kg。

1.4 数据处理

本试验以荞麦品种、含水率为试验因素，选取6个品种，5个含水率水平，共30个处理，每个处理重复30次试验。用Excel计算样本均值和标准偏差，采用SAS进行显著性分析，用Matlab进行拟合。

2 结果与分析

2.1 荞麦籽粒在不同含水率下的基本物性参数

不同品种荞麦籽粒在不同含水率下的基本物性参数及显著性分析结果如表1所示。

表1 荞麦籽粒的基本物性参数及显著性分析

注：表中测量值为“平均值±标准差”，下同。

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

从表1中可看出，品种、含水率对荞麦籽粒的长、宽、高、容重、几何平均径、千粒质量均影响极显著（<0.0001）；品种和含水率的相互作用对长、宽、高、容重影响极显著（<0.0001），而对几何平均径和千粒质量不显著

由表1中可得，当荞麦的含水率在11.1%～22.8%之间时，籽粒的长、宽、高、千粒质量、几何平均径均随含水率的降低而减小。甜荞中，榆荞4号三轴尺寸、几何平均径及千粒质量最大；苦荞中，川荞1号的长最大，昭苦1号的最小，黑丰10号的宽、高最大，川荞1号的最小；黑丰10号的几何平均径最大，千粒质量最大，川荞1号的几何平均径最小。

荞麦籽粒的水分以机械结合水、物理化学结合水及化学结合水3种形式存在[28]，机械结合水主要在籽粒表面和粗毛细血管内，易蒸发；物理化学结合水，包括吸附水分、渗透水分和结构水分；化学结合水，是指籽粒内部与物料结合牢固的解析水，一般干燥难以去除。含水率降低，籽粒所含的机械结合水和物理化学结合水越来越少，而化学结合水基本不变，籽粒内部细胞的体积缩减，因此籽粒的三轴尺寸减小[28]。同一品种荞麦，籽粒的几何平均径的大小由三轴尺寸的大小决定，也随含水率的降低而减小；相同含水率下，籽粒的千粒质量与三轴尺寸呈正相关。

容重与籽粒的饱满度、含水率、结构紧密程度等有关。同一品种荞麦，含水率越低，容重越大。由表1可知，相同含水率下，甜荞中，榆荞4号粒径最大，容重最小；苦荞中，昭苦1号的容重最大，籽粒饱满、结构最紧密。

2.2 荞麦摩擦特性及其影响因素分析

不同品种荞麦籽粒在不同含水率下与不同材料的的摩擦系数和休止角及显著性分析结果如表2所示。

表2 荞麦摩擦系数及显著性分析

由表2可知，在0.01水平上，品种和含水率对荞麦籽粒与钢板等材料的摩擦系数、休止角的影响极显著（<0.0001）。同一种荞麦，含水率在11.1%～22.8%之间时，摩擦系数和休止角随着含水率的降低而减小。由于含水率越高，籽粒表面与接触材料表面的黏附力越大，摩擦系数越大，流动性越差，休止角也越大[2-3,7]。

相同含水率下，同一品种荞麦籽粒与Q235钢板的摩擦系数最大，与7075铝合金板的次之，与304不锈钢板的最小，主要是由材料的表面粗糙度差异引起的。3种材料按粗糙度从大到小依次为：Q235钢板（=8.41´10-4mm）>7075铝合金板（=3.25´10-4mm）>304不锈钢板（= 2.01´10-4mm），荞麦籽粒与表面粗糙度小的材料接触时所受的摩擦阻力小，从减小摩擦的角度考虑，荞麦籽粒脱粒、分选等工作部件的材料宜选择304不锈钢板。

摩擦系数除与籽粒含水率、接触材料的表面粗糙度有关外，还与颗粒表面微结构、籽粒形状等有关。荞麦对于同一接触材料在含水率相同情况下，苦荞中黑丰1号的摩擦系数、休止角最大，黑丰10号的最小；甜荞中晋荞1号的摩擦系数、休止角最大，榆荞4号的最小，荞麦对于3种接触材料均有相同的规律。

对于同一接触材料在含水率相同情况下，甜荞的摩擦系数和休止角比苦荞的小，这是由于甜荞的外壳表面光滑，而苦荞表面有三棱三沟，棱圆钝且表面较粗糙，在扫描电镜（SEM）下对甜荞和苦荞的外壳表面进行观察，获得20倍、100倍和500倍的电镜图，如图4所示。

×20×100×500 a. 黑丰1号 a. Heifeng-1 ×20×100×500 b. 榆荞4号 b. Yuqiao-4

由图4可知，相同放大倍数下，甜荞表面凹凸度小，表明具有小的表面粗糙度，对应甜荞的摩擦系数和休止角较小。

荞麦籽粒与不同接触材料的摩擦系数与含水率、休止角与含水率的拟合函数见表3。由表3可知，摩擦系数、休止角与含水率的关系近似为线性递增关系，2均大于0.94，拟合关系良好。

表3 荞麦籽粒摩擦系数、休止角与含水率的拟合函数

注：s、a、i、和分别为与304不锈钢板、7075铝合金板、Q235钢板的摩擦系数、休止角和含水率；2为决定系数。

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 含水率对荞麦粉末动态黏弹性的影响

荞麦属于黏弹性体[2]，储能模量（）是黏弹性材料由于弹性形变而储存的能量，反映物料的弹性特性；损耗模量（）是黏弹性材料产生变形时损失的能量，反映物料的黏性特性。损耗正切（tan）是损耗模量与储能模量的比值，反映材料黏弹性的比例。

应用DMA(Q800)动态力学性能分析仪对6种荞麦粉体的动态黏弹性性质进行了试验测定，结果显示6种荞麦粉体的储能模量、损耗模量以及损耗正切随含水率、扫描频率的变化具有一致的趋势，本文以具有代表性的荞麦品种榆荞4号在不同含水率下的动态黏弹性性质试验为例进行介绍。榆荞4号荞麦具有颗粒大、千粒质量大、产量高、易脱壳等优点，在山西、河北、陕西等地广泛种植。其粉末的储能模量、损耗模量和损耗因子（tan）随含水率变化的频率扫描曲线如图5所示。从图5可看出，储能模量、损耗模量和损耗正切随频率的增加呈上升趋势；含水率在11.1%～22.8%之间时，储能模量随含水率的升高而减小，损耗模量和损耗正切随含水率的升高而增大。当其粉末的含水率从11.1%升高到22.8%时，扫描频率为1 Hz时，荞麦粉末的储能模量从7394.1 MPa减小到6826.0 MPa，损耗模量从79.5 MPa增大到115.3 MPa，损耗正切从0.011增大到0.017。损耗模量越小表示材料越接近理性弹性体，因此同一品种荞麦粉体的含水率越低，损耗模量越小，储能模量越大，弹性性能提高，黏性性能降低；反之弹性性能降低，黏性性能提高。试验方法、过程、结论等具有普遍性，可为杂粮类作物籽粒及其粉体黏弹性性质的研究与应用提供参考。

图5 榆荞4号荞麦粉末动态黏弹性频率扫描曲线

2.4 含水率对籽粒挤压力学性质的影响

6个品种荞麦籽粒的挤压力—位移曲线变化趋势与图6的一致，均没有屈服拐点，只有破裂点，本文以具有代表性的试验结果—含水率为22.8%时黑丰1号荞麦籽粒的挤压力—位移曲线为例进行阐述。将破裂点对应的挤压力作为荞麦受压的破坏力（F），而相应位移量即为荞麦籽粒破裂时的变形量（d）；破裂点之前的曲线与横坐标（位移）围成的面积（图中阴影区域）的大小即为破坏能。

由图7可看出，荞麦籽粒的外壳挤压损伤（图7a）与自然损伤（图7b）具有相似的破裂形式，说明自然损伤与挤压损伤的裂口形式基本一致，均是一条果皮棱上的纵向裂口。由于棱线处纤维组织不均匀，抗挤压强度低，是荞麦外壳最薄弱的部位，且棱边是荞麦壳瓣结合的部位，在挤压过程中，容易引起应力集中[29]；所不同的是，挤压损伤的荞麦仁出现裂纹（图7c），而自然损伤的荞麦仁完好，没有裂纹（图7d）。外壳与内芯仁之间有空隙，探头接触籽粒开始加载时，挤压的只是外壳，外壳因抗挤压强度较高而未出现裂口，继续加载，当外壳与内芯仁接触时，开始挤压仁，仁是种皮包裹着的粉体，抗挤压强度低，开始产生塑性变形，挤压到一定程度，内芯仁产生裂纹，继续加载，外壳棱上由于抗挤压强度低和应力集中出现裂口；荞麦干燥时，外壳的水分先损失，外壳由于水分减少而发生收缩，受到拉伸应力，而荞麦仁含水率较高，收缩变形小，且外壳受挤压、摩擦等组合外载荷作用，当外壳棱上受到的应力大于其强度极限时，出现裂口，而内芯仁由于韧皮的包裹未出现破坏。

不同品种荞麦籽粒在不同含水率下的挤压试验结果及表观弹性模量、最大接触应力如表4所示。

注：含水率为11.1%。

表4 荞麦籽粒挤压试验结果及显著性分析

2.4.1 挤压力学性质与含水率的关系

由表4可知，在0.01水平上，含水率、品种、含水率和品种互作对破坏力、变形量、破坏能、表观弹性模量和最大接触应力均有极显著的影响（<0.0001）。

同一品种荞麦，含水率在11.1%～22.8%之间时，随着含水率的降低，破坏力逐渐增大，如：榆荞4号的从11.99 N增大到28.56 N，黑丰1号的从21.09 N增大到51.10 N。表明荞麦的含水率越低，籽粒的硬度和强度越高，其抗压性就越好，所需的屈服载荷就越大。

随着含水率的升高，变形量逐渐增大，籽粒产生较大的塑性变形。如：榆荞4号的从0.48 mm增大到0.85 mm，黑丰1号的从0.55 mm增大到1.10 mm。

破坏能是籽粒出现破坏所需的最小能量，与破坏力、变形量有关，破裂点的破坏能数值上等于破裂点以前的曲线与横坐标围成的面积大小（图6中阴影部分）。对于同一品种荞麦，含水率在11.1%～22.8%之间时，破坏能随着含水率的升高呈下降趋势，含水率为22.8%时，晋荞1号、榆荞4号、黑丰10号、黑丰1号、昭苦1号、川荞1号的破坏能分别为7.32、5.20、19.58、11.85、12.42、14.58 mJ，破坏能最小。

荞麦籽粒表观弹性模量是反映籽粒材料本身产生弹性变形能力的性质，其大小与籽粒的三轴尺寸、破坏力、变形量等有关。表观弹性模量随含水率的降低而增大，与荞麦粉末的储能模量变化趋势一致。

最大接触应力在接触表面中心处产生，与含水率呈负相关。用MATLAB拟合荞麦籽粒挤压力、变形量、破坏能、表观弹性模量及最大接触应力与含水率之间的函数关系表达式如表5所示。

表5 荞麦籽粒挤压试验结果与含水率的拟合函数

注：F、d、、和分别为破坏力（N）、变形量（mm）、破坏能（mJ）、表观弹性模量（MPa）、最大接触应力（MPa）、含水率，2为决定系数。

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，破坏力和破坏能与含水率呈三次多项式关系，变形量与含水率呈二次多项式关系，最大接触应力和表观弹性模量与含水率基本呈线性递减关系，2均大于0.93，拟合关系良好。

2.4.2 挤压力学性质与品种的关系

由表4可知，品种对荞麦的挤压力学性质有极显著影响（<0.0001）。相同含水率下，甜荞中，榆荞4号的破坏力、变形量、破坏能、表观弹性模量、最大接触应力均最小；苦荞中，黑丰10号的破坏力、变形量、破坏能最大，黑丰1号的破坏力、破坏能、表观弹性模量、最大接触应力均最小；昭苦1号的变形量最小，表观弹性模量、最大接触应力最大；破坏能与破坏力的变化一致。这是由于同一含水率下，品种不同，籽粒的形状、三轴尺寸和千粒质量不同，接触方式、接触面积和内部物质不同，导致抗挤压能力也不同[17]。

由表4可知，甜荞所需的破坏力和破坏能均小于苦荞，因此甜荞易于脱壳，苦荞较难脱壳。在苦荞麦脱壳时，避免直接对籽粒进行挤压，可采取先对籽粒预处理的方法（如：熟化、浸湿或者汽蒸等），使处理后的荞麦外壳的硬度和强度减小，更易被脱去，而荞麦仁的硬度和强度增大，不易破碎，从而提高荞麦脱壳的整、半仁率。但是荞麦的品种不同，相同含水率下破坏力和破坏能也有差异，因此对于不同品种的荞麦，确定不同的预处理方式及工艺参数（如：汽蒸温度、浸泡时间、磨盘间隙、磨盘转速等），以达到最佳脱壳效果[20-22]。

2.5 含水率对荞麦籽粒所能承受撞击载荷能力的影响

对于同一品种同一含水率下的荞麦，不同籽粒之间的含水率、外形尺寸及质量等会有差别，所能承受的宏观撞击载荷也会不同[28]，本文以实际中常用的撞击破碎率来反映同一品种同一含水率下荞麦籽粒承受撞击载荷的能力。每个样本重复30次试验，在显微镜下观察籽粒有无破碎，计算破碎率[30]。

式中3为破碎的籽粒的总质量，g；4为未破碎的籽粒的总质量，g。

由荞麦的挤压试验结果可知，甜荞中，榆荞4号的破坏力、变形量、破坏能均最小；苦荞中，黑丰1号的破坏力、破坏能均最小，因此对榆荞4号和黑丰1号进行了撞击试验。

荞麦籽粒的撞击试验结果如表6所示。

由表6可知，黑丰1号荞麦籽粒的抗撞击能力比榆荞4号的大，因此黑丰1号荞麦较难脱壳；同一品种荞麦在相同含水率下，撞击载荷越大，籽粒的破碎率越高，在撞击载荷分别为20.70和42.58 N时，榆荞4号和黑丰1号的破碎率近似为0；在撞击载荷分别为48.27和60.96 N时，榆荞4号和黑丰1号的破碎率几乎为100%。同一撞击载荷下，随着含水率的降低，籽粒的破碎率先减小后增大，在含水率为19.4%左右时，籽粒的破碎率达到最小。通过拟合，破碎率与含水率之间的函数关系式为：

式中1、2分别为撞击载荷为27.77和48.27 N时的破碎率，%；为含水率，%。2分别为0.9876、0.9372。

由拟合关系式求得：当含水率分别为18.2%、18.4%时，破碎率1、2最小。经试验得：当撞击载荷为27.77 N，榆荞4号含水率为18.2%时，籽粒的破碎率为2.9%；当撞击载荷为48.27 N，黑丰1号含水率为18.4%时，籽粒的破碎率为11.7%，试验结果与模型一致。

表6 榆荞4号和黑丰1号荞麦籽粒在不同撞击载荷下破碎率试验结果

3 结 论

本文主要进行了荞麦的基本物性、摩擦特性、动态黏弹性及挤压、撞击力学性质的试验，并分析了挤压力学性质、摩擦特性、撞击载荷与含水率的关系，主要结论有：

1）当荞麦籽粒的含水率在11.1%～22.8%之间时，同一品种荞麦籽粒的长、宽、高、千粒质量、几何平均径均随含水率的降低而减小，容重随着含水率的降低而增大。

2）同一品种荞麦，籽粒与Q235钢板的摩擦系数最大，与7075铝合金板的次之，与304不锈钢板的最小；摩擦系数和休止角随着含水率的降低而减小。相同含水率下，甜荞的摩擦系数和休止角比苦荞的小。摩擦系数除与籽粒含水率、接触材料的表面粗糙度有关外，还与颗粒表面微结构、籽粒形状等有关。

3）同一种荞麦，当其粉末的含水率从11.1%升高到22.8%时，扫描频率为1 Hz时，荞麦粉末的储能模量从7394.1 MPa减小到6826.0 MPa，损耗模量从79.5 MPa增大到115.3 MPa，损耗正切从0.011增大到0.017；含水率越低，损耗模量越小，储能模量越大，弹性性能越好，黏性性能降低。

4）含水率、品种、含水率和品种互作对荞麦籽粒的挤压力学性质影响极显著。随着含水率的升高，破坏力、表观弹性模量和最大接触应力逐渐减小，变形量逐渐增大，破坏能呈现下降趋势。甜荞所需的破坏力和破坏能均小于苦荞，因此甜荞较苦荞易于脱壳。在苦荞麦脱壳时，可先对籽粒进行预处理，减小荞麦外壳的硬度和强度，增大荞麦仁的硬度和强度，来提高苦荞麦脱壳时的整、半仁率。

5）黑丰1号荞麦籽粒的抗撞击能力比榆荞4号的大；同一品种荞麦在相同含水率下，撞击载荷越大，破碎率越高；当荞麦籽粒的含水率在11.1%～22.8%之间时，同一撞击载荷下，随着籽粒的含水率的降低，籽粒的破碎率先减小后增大，当撞击载荷为27.77 N，榆荞4号含水率为18.2%时，籽粒的破碎率达到最小，为2.9%；当撞击载荷为48.27 N，黑丰1号含水率为18.4%时，籽粒的破碎率达到最小，为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

孙静鑫，郭玉明，杨作梅，崔清亮，武新慧，张燕青. 荞麦籽粒生物力学性质及内芯黏弹性试验研究[J]. 农业工程学报，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

国家重点研发计划课题（2016YFD0701801）

孙静鑫，博士生，主要从事农业生物力学与物料机械特性方面的研究。Email：Sunjingx0607@126.com

郭玉明，教授，博士生导师，主要从事农业生物力学与物料机械特性方面的研究。Email：guoyuming99@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.037

S515; S220.1

A

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