微波對核桃殼體材料拉伸力學(xué)性質(zhì)的影響研究

梁 莉,郭玉明,張 鵬,寇明洋

(1.洛陽理工學(xué)院機電工程系,河南洛陽 471023;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,山西太谷 030801)

微波對核桃殼體材料拉伸力學(xué)性質(zhì)的影響研究

梁 莉1,郭玉明2,張 鵬2,寇明洋2

(1.洛陽理工學(xué)院機電工程系,河南洛陽 471023;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,山西太谷 030801)

以剛采摘的新鮮核桃為研究對象,進行了微波核桃破殼試驗,破殼率達到 87.65%;同時研究了微波作用對核桃殼體材料拉伸力學(xué)性質(zhì)的影響,結(jié)果表明:微波處理后,核桃殼體材料彈性模量、抗拉強度等力學(xué)性質(zhì)指標與處理前比較無明顯變化.另外,還對核桃整殼拉伸力學(xué)性質(zhì)進行了測定,獲得了核桃殼縫合線處的拉伸強度極限值為 1.47 MPa,為確定核桃微波破殼所需的膨脹壓力提供了參考依據(jù).

微波;破殼;整殼拉伸;力學(xué)性質(zhì)

0 前 言

核桃機械破殼存在的破碎率高、整仁率低等問題一直是制約核桃實現(xiàn)機械化生產(chǎn)加工的重要原因,對我國核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了一定影響.因此,探索新的機械化核桃破殼方法對于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、出口創(chuàng)匯、增加經(jīng)濟效益等具有迫切的現(xiàn)實意義.目前,國內(nèi)外對于核桃機械化破殼技術(shù)的研究主要集中在定間隙擠壓破殼[1-2]、打擊破殼[3]等方法及應(yīng)用有限元等方法進行相關(guān)破殼機械的設(shè)計方面[4-5],但仍存在破碎率高、整仁率低等問題.另外,將新興技術(shù)應(yīng)用于堅果破殼的研究也是方興未艾,如楊銳等[6]對核桃受激光輻照行為進行了數(shù)值分析與模擬,探索了激光技術(shù)脫殼機理;李曉霞[7]探索了蕎麥微波脫殼方法;張莉[8]、楊芙蓮等[9]利用微波技術(shù)實現(xiàn)了對板栗的脫殼.

作者在前人研究的基礎(chǔ)上,對微波技術(shù)進行核桃破殼的作用機理進行了初探,證明核桃微波破殼方法是可行的[10].本文是對前面研究的進一步深入探討,為探求微波加工工藝參數(shù) (功率、時間、濕度和溫度)對核桃及殼體材料力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律,試驗研究了微波技術(shù)作用前后核桃殼體材料拉伸力學(xué)性質(zhì)的差異,并測定了核桃殼縫合線處的拉伸強度極限值,為確定核桃微波破殼所需的膨脹壓力并為進一步指導(dǎo)微波技術(shù)參數(shù)的選擇提供參考依據(jù).

1 核桃微波破殼試驗

核桃微波破殼主要是通過微波作用于核桃仁時,其內(nèi)部水分子在交變電磁場作用下極化取向作高頻轉(zhuǎn)變,致使核桃殼內(nèi)部在短時間內(nèi)產(chǎn)生很高的熱量形成高壓水汽,當(dāng)高壓水汽對核桃殼的壓力即膨脹壓力大于核桃殼的拉伸極限應(yīng)力時,核桃殼發(fā)生破裂.因此,果殼的致密結(jié)構(gòu)是其內(nèi)部形成高壓的重要保證;核桃仁所含的水分是內(nèi)部產(chǎn)生高壓水汽的物質(zhì)基礎(chǔ);微波的技術(shù)參數(shù) (功率、時間和溫度等)則是核桃殼能夠破裂的外在動力.因此,有必要對核桃微波破殼所需的技術(shù)參數(shù)進行試驗研究.

1.1 材料與儀器

試驗選用采摘后剛褪去外皮的晉龍 1號棉核桃為研究對象,核桃仁含水率達 21%,為防止水分散失,將試驗樣本用塑料袋密封置于冰箱內(nèi)冷藏.

WLD07S—08型格蘭仕微波爐,微波作用溫度、功率和時間均可調(diào);游標卡尺.

1.2 試驗方法

采用 3因素 3水平完全組合試驗,每個組合選取 3個形狀相似、大小相近的核桃作為重復(fù)樣本.試驗前測試核桃的軸徑、橫徑、測徑大小.試驗結(jié)束時,觀測核桃殼破裂情況并進行記錄.

1.3 結(jié)果與分析

核桃微波破殼情況如表1所示.

表1 核桃微波破殼試驗結(jié)果

由表1可知,81顆核桃中只有 10顆未破開,破殼率達到 87.65%,若單獨考慮每個溫度、每個功率、每個時間的破殼率,其結(jié)果見表2.

表2 單因素對核桃破殼率的影響

由表2可知,在這 3個因素中,溫度的高低決定殼體內(nèi)的水蒸汽壓力的大小;功率的大小決定殼體內(nèi)水蒸汽溫度上升的快慢;由于 WLD07S—08型微波設(shè)備的工作特點,即達到設(shè)定溫度后就停止工作,故時間的長短不能影響殼體內(nèi)水蒸汽的最大壓力,也不影響溫度上升的快慢.所以時間因素對破殼率的影響相對較小,與前期研究結(jié)果一致[10].

2 微波對核桃殼體材料拉伸力學(xué)性質(zhì)的影響

通過對核桃微波處理前后壓縮破壞力的對比試驗[10]得知,微波處理后核桃的壓縮破壞力明顯減少,這說明在進行大量核桃破殼時,對于在微波處理后未發(fā)生破裂的核桃再進行壓縮破殼是比較容易的.另外,我們還發(fā)現(xiàn)微波作用過程中,核桃殼受到內(nèi)部高壓水汽的作用,發(fā)生了拉伸變形.因此,研究微波技術(shù)對核桃殼體材料拉伸力學(xué)性質(zhì)的影響,可為進一步揭示核桃微波破殼的作用機理提供依據(jù).作者對微波作用前后殼體材料的彈性模量及抗拉強度進行了對比試驗研究.

2.1 樣本制備

試驗所用樣本與前面核桃破殼試驗研究中相同,用鋸條在核桃上沿軸線方向獲取長約 10 mm,寬約 2 mm的核桃殼作為試件.因為核桃是曲殼形的,所取試件的長度應(yīng)盡量小,在曲率越小的方位鋸下的效果越好.將經(jīng)過微波處理和未經(jīng)處理(對照組)的核桃均制成試件,用游標卡尺測取其長度、寬度和厚度.

2.2 設(shè)備及方法

SANS—CMT6140微機控制電子萬能試驗;精度達 5%N的 200 N傳感器.

設(shè)定加載速率為 10 mm/min,采用常規(guī)材料力學(xué)拉伸試驗方法進行.由于試件太小,為避免夾持時弄斷試件或夾歪,夾持時使用鑷子操作.記錄力—變形曲線以及核桃殼發(fā)生破裂時的力值.

2.3 結(jié)果與分析

核桃殼體材料拉伸力學(xué)性質(zhì)指標測試值如表3所示.

由表3可知,得到微波處理后核桃殼的彈性模量為 21.82MPa,抗拉強度為 10.043MPa;微波處理前彈性模量為 22.52 MPa,抗拉強度為 9.57 MPa.說明微波作用對核桃殼體材料的拉伸力學(xué)性質(zhì)影響不大.

表3 核桃殼體材料拉伸力學(xué)性質(zhì)指標值

3 核桃整殼拉伸力學(xué)性能的測定

從核桃微波破殼試驗結(jié)果看出,所有經(jīng)微波處理后破裂的試樣均是從核桃縫合線處破裂的,這說明核桃縫合線處的拉伸力學(xué)性質(zhì)與核桃殼表面材料的有所不同.因此,需要對縫合線處的拉伸力學(xué)性質(zhì)進行研究,這就需要對核桃整殼進行拉伸試驗.由于核桃大小不一,形狀不規(guī)則,試驗時若將其夾得太松,則拉伸時容易滑脫;若夾得太緊,則易出現(xiàn)夾裂現(xiàn)象,所以試驗難度較大.為此,我們專門設(shè)計了一套可調(diào)節(jié)尺寸的殼形核桃夾頭來進行核桃整殼的拉伸試驗研究.

3.1 設(shè)備與方法

試驗在 SANS—CMT6140微機控制電子萬能試驗機上進行,采用自制的核桃專用夾具.試驗前,將核桃和夾具表面用丙酮清洗干凈,并測定核桃的軸徑、側(cè)徑和橫徑.將兩個夾具先裝夾在試驗機上,調(diào)節(jié)夾具夾頭尺寸至合適值后將夾頭固定,再用強力AB膠將核桃粘到夾具上 (將核桃的接縫露出,不可粘上膠),盡量保證兩個夾具的中心在一條線上,且使核桃的縫合線與該中心線垂直.待膠完全干透后再進行核桃整殼拉伸力學(xué)性能測試,試驗結(jié)束時將核桃斷面的形狀測繪出來并記錄最大力值.

3.2 結(jié)果與分析

在進行核桃整殼拉伸時,核桃沿縫合線處裂開.此時,核桃縫合線處的應(yīng)力達到極限值,該應(yīng)力值是通過試驗機上測出的最大力與裂開后核桃縫合線處的環(huán)形截面積計算得到的.測試結(jié)果列于表4.

表4 核桃整殼拉伸試驗測試結(jié)果

由表4可知,核桃縫合線處的極限拉伸應(yīng)力為 1.47 MPa,與核桃表面材料的拉伸應(yīng)力值9.57 MPa相比要小得多,這正是核桃在微波作用后于縫合線處破裂的原因,此極限拉伸應(yīng)力可作為微波技術(shù)參數(shù)的選擇依據(jù).

4 結(jié)論

作者通過對新鮮核桃進行微波破殼試驗,并對核桃殼體材料及核桃整殼的力學(xué)性能進行了試驗研究,得到以下主要結(jié)論:

(1)新鮮核桃經(jīng)微波處理后的破殼率可達87.65%,在微波技術(shù)參數(shù)中,溫度和功率較時間因素對破殼率影響大.

(2)試驗測得微波處理后核桃殼的彈性模量為 21.82MPa,抗拉強度為 10.043MPa,二者與處理前比較無明顯變化,說明微波作用對核桃殼體材料的拉伸力學(xué)性質(zhì)影響不大.

(3)試驗測得核桃縫合線處的極限拉伸應(yīng)力值為 1.41 MPa,與核桃殼體材料極限拉伸應(yīng)力值相比小得多,為選擇適合的核桃微波破殼技術(shù)參數(shù)提供了參考依據(jù).

[1] 史建新,辛動軍.國內(nèi)外核桃破殼取仁機械的現(xiàn)狀及問題探討[J].新疆農(nóng)機化,2001(6):29-32.

[2] 辛動軍.核桃破殼取仁方法及試驗研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2002.

[3] 董遠德,史建新,喬園園.核桃不同破殼方式的破殼取仁效果[J].農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊,2007(9):4-5,9.

[4] 史建新,趙海軍,辛動軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術(shù)研究 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(1):185-188.

[5] 吳子岳.綿核桃剝殼取仁機械的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1995,11(4):164-169.

[6] 楊銳,陳紅.激光與核桃相互作用的力學(xué)推導(dǎo)及有限元分析 [J].農(nóng)機化研究,2008(4):52-54.

[7] 李曉霞.蕎麥殼力學(xué)性能與微波破殼工藝試驗研究[D].太谷:山西農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[8] 張莉.板栗微波脫殼機理及加工工藝研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2004.

[9] 楊芙蓮,梁萍,朱妞.利用微波能使板栗脫殼去衣的新工藝新方法研究 [J].食品科技,2006(9):80-83.

[10]梁莉,郭玉明,廉曉華.微波核桃破殼力學(xué)性質(zhì)試驗與分析 [C]//第六屆博士生年會論文集.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2008.

RESEARCH ON THE EFFECTS OFM ICROWAVE ON TENSI LE MECHAN ICAL PROPERTIES OFWALNUT SHELL MATER I AL

L I ANGLi1,GUO Yu-ming2,ZHANG Peng2,KOU Ming-yang2
(1.Depart m ent of M echanical and Electrical Engineering,Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang471023,China;2.College of Engineering and Technology,Shanxi Agricultural University,Taigu030801,China)

We broken the shell of fresh walnut by using microwave at a shell breaking ratio of 87.65%,and also studied the effects ofmicrowave on the tensile mechanical properties of the walnut shellmaterial.The results showed that the mechanical indexes,such as the elastic modulus and the tensile strength,of the walnut shellmaterial aftermicrowave treatment had no obvious change in comparison with those before the treat ment.In addition,we also measured the tensile mechanical properties of the walnut shell to obtain the limiting value(1.47 MPa)of the tensile strength at the suture line of thewalnut shell,thereby providing reference for determining the expansion pressure for breaking the walnut shell bymicrowave.

microwave;shell breaking;whole-shell tension;mechanical property

TS205

B

1673-2383(2010)05-0071-04

2010-08-09

梁莉 (1982-),女,山西臨汾人,講師,博士,主要從事農(nóng)業(yè)生物材料機械特性與仿生應(yīng)用方面的研究.