木薯塊根壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)研究

閆 梅 王 濤 李夢林 李 粵

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228）

木薯屬于熱帶作物，原產(chǎn)于亞馬遜河流域，是世界三大薯類之一，有“淀粉之王”、“地下糧食”、“能源作物”之稱［1］。中國木薯的主產(chǎn)區(qū)為廣西、廣東、海南、云南、福建。木薯用途廣泛，其制品如變性淀粉等主要用于化工、淀粉、酒精［2］、醫(yī)療、食品（如果葡萄漿［3］）等行業(yè)，目前對中國加工業(yè)來說，更多的是木薯淀粉和木薯酒精［4］?！笆濉眹野l(fā)展和改革委員會啟動了中國的燃料乙醇計(jì)劃，木薯作為可再生能源作物將勢必發(fā)揮其優(yōu)勢，木薯能源產(chǎn)業(yè)鏈將成為熱帶區(qū)域經(jīng)濟(jì)的重要組分［5］。由于木薯的成本低，淀粉含量高，易于種植，近年來中國對木薯的利用逐漸充分。中國已確定木薯為華南地區(qū)的生物質(zhì)能作物之一，并大力扶持發(fā)展。為了優(yōu)化中國木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全面提高木薯酒精、淀粉及其深加工產(chǎn)業(yè)化。為設(shè)計(jì)開發(fā)木薯壓餅機(jī)和木薯挖掘機(jī)提供理論基礎(chǔ)，有必要研究木薯塊根的壓縮特性。國內(nèi)專門對木薯力學(xué)特性研究的理論與測試方法還很少，郭文斌等［6］對馬鈴薯的壓縮特性與淀粉含量進(jìn)行了研究；聶毓琴等［7］對薇菜的壓縮應(yīng)力松弛進(jìn)行了研究；吳海輝等［8］玉米秸稈高密度壓縮過程中的壓縮及應(yīng)力松弛特性進(jìn)行了研究；張旭等［9］對檸條可壓縮性的影響因素進(jìn)行了分析。上述研究，均通過對不同植物品種的不同部位進(jìn)行處理，獲得試樣從而展開相關(guān)的壓縮試驗(yàn)，為本試驗(yàn)中木薯塊根試樣處理以及對試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集處理提供了參考。

目前國內(nèi)并無木薯塊根壓縮特性方面的研究，造成相關(guān)收獲、加工機(jī)械設(shè)計(jì)的不科學(xué)性。故本試驗(yàn)取木薯塊根的含水率、壓縮速度、壓縮方向?yàn)橛绊懸蛩貙ζ鋲嚎s特性進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 材料的處理

木薯塊根于2012年12月12日取自?？谑泻Ｄ洗髮W(xué)實(shí)驗(yàn)田。根據(jù)試驗(yàn)要求，把木薯塊根處理成長約0.018m，寬約0.015m，高約0.038m的長方形試樣，軸向試樣的高為沿軸向方向，徑向試樣的高為沿徑向方向。為防止試驗(yàn)中的偶然因素的影響，每組試驗(yàn)準(zhǔn)備兩個(gè)試樣。

1.2 試驗(yàn)儀器

電子式萬能試驗(yàn)機(jī)：WD－200B型，廣州試驗(yàn)儀器廠；

干燥箱：DZF－6050型，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）干燥時(shí)間對壓縮力和應(yīng)力的影響：限于試驗(yàn)設(shè)備，含水率用干燥時(shí)間衡量，隨干燥時(shí)間的增大含水率減小，將木薯試樣置于恒溫40℃的干燥箱中分別干燥0，1，4，10h。

（2）壓縮速度對壓縮力和應(yīng)力的影響：壓縮速度為10，50，100，250mm／min，測量指標(biāo)為壓縮力和應(yīng)力。為保證試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，在試驗(yàn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制其他非測試參量變化。

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交試驗(yàn)，并依照單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平表。正交試驗(yàn)中，選取木薯塊根的干燥時(shí)間、壓縮速度、壓縮方向作為影響因素，研究對木薯塊根壓縮力、應(yīng)力等指標(biāo)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 干燥時(shí)間對壓縮力和應(yīng)力的影響 由圖1、2可知：①木薯塊根徑向試樣的壓縮力和應(yīng)力都隨著含水率的減小而升高，其原因可能是隨著含水率的下降，木薯塊莖壓縮面面積減小，且塊莖中纖維組織間隙減小，強(qiáng)度增加從而壓縮力和應(yīng)力都隨著含水率減小而增加。② 軸向試樣的壓縮力和應(yīng)力隨含水率的減小先升高后下降。③ 木薯塊根軸向試樣的壓縮力和應(yīng)力均比徑向試樣的小?？赡苁牵涸囼?yàn)中，徑向壓縮時(shí)，塊根的斷裂為錯(cuò)位斷裂，即相鄰纖維之間錯(cuò)位分開；而軸向壓縮時(shí)，塊根斷裂時(shí)僅為木薯塊莖其余非提供主要強(qiáng)度組織斷裂，纖維并未斷開。由此可知木薯塊莖纖維與周圍組織結(jié)合力大于周圍組織自身之間的結(jié)合力。

2.1.2 壓縮速度對切割力、應(yīng)力的影響 由圖3、4可知，木薯塊根徑向試樣的壓縮力和應(yīng)力都隨著壓縮速度的增加先減小后增大。軸向試樣的壓縮力和應(yīng)力隨壓縮速度的增加而升高。同時(shí)，在不同壓縮速度下，木薯塊根軸向試樣的壓縮力和應(yīng)力均比徑向試樣的小。

圖1 壓縮力隨干燥時(shí)間的變化Figure 1 Compression force along with the change of the drying time

圖2 應(yīng)力隨干燥時(shí)間的變化Figure 2 Stress along with the change of the drying time

圖3 壓縮力隨速度的變化Figure 3 Compression force along with the change of the speed

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 正交試驗(yàn) 根據(jù)正交試驗(yàn)表中設(shè)計(jì)的順序依次進(jìn)行各組試驗(yàn)。因素水平表見表1，試驗(yàn)表結(jié)果見表2。由表2可知：① 對木薯塊根壓縮力影響的主要因素次序?yàn)锽＞A＞C，壓縮力最優(yōu)水平組合為A1B4C2，即干燥時(shí)間0h、切割速度為250mm／min、徑向壓縮時(shí)壓縮力最小。② 對木薯塊根應(yīng)力影響的主要因素次序?yàn)锳＞B＞C，應(yīng)力最優(yōu)水平組合為A1B4C1，干燥時(shí)間0h、壓縮速度為250mm／min、軸向壓縮時(shí)應(yīng)力最小。

2.2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 由表3可知：① 當(dāng)試驗(yàn)因素組合為A1B4C2時(shí)，壓縮力出現(xiàn)最小值，為165.2N。② 當(dāng)試驗(yàn)因素組合為A1B4C1時(shí)，壓縮應(yīng)力出現(xiàn)最小值，為821.4kPa。

圖4 應(yīng)力隨速度的變化Figure 4 Stress along with the change of the speed

表1 因素水平表Table 1 Test factor in the level of the table

表2 試驗(yàn)方案和結(jié)果Table 2 Test program and results

表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果Table 3 Test program and results

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明：木薯塊根軸向壓縮強(qiáng)度更高；壓縮速度對木薯塊根壓縮力的影響最大，當(dāng)未干燥、切割速度為250mm／min、徑向壓縮時(shí)壓縮力最??；干燥時(shí)間對應(yīng)力影響最大，當(dāng)未干燥、壓縮速度為250mm／min、軸向壓縮時(shí)應(yīng)力最小。

本試驗(yàn)對木薯塊根的壓縮特性參數(shù)空白進(jìn)行了填充，為木薯塊根及其類似結(jié)構(gòu)塊根的力學(xué)特性參數(shù)的研究提供了參考。但對于木薯塊根的壓縮的深層機(jī)理機(jī)理及其微觀結(jié)構(gòu)變化，還有待研究。

1 詹玲，李寧輝，馮獻(xiàn).中國木薯進(jìn)出口貿(mào)易現(xiàn)狀及前景展望［J］.農(nóng)業(yè)展望，2010（7）：47～51.

2 杜金寶，黃加軍，王國慶，等.木薯酒精廢醪液處理工藝研究進(jìn)展［J］.釀酒科技，2012（1）：89～92.

3 岳哲.木薯制取果葡糖漿［J］.食品與機(jī)械，1988（2）：13～14.

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5 王文泉，葉劍秋，李開綿，等.我國木薯酒精生產(chǎn)現(xiàn)狀及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)——廣西、海南木薯考察報(bào)告［J］.熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006（4）：44～49.

6 郭文斌.馬鈴薯壓縮、應(yīng)力松弛特性與淀粉含量相關(guān)性的研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

7 聶毓琴，馬洪順，韓志武.薇菜壓縮應(yīng)力松弛與蠕變力學(xué)特性研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005（4）：89～91.

8 吳海輝.玉米秸稈高密度壓縮過程中的壓縮及應(yīng)力松弛特性研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

9 張旭.檸條可壓縮性及應(yīng)力松弛特性的研究［D］.內(nèi)蒙古：蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.