刀豆脫殼力學(xué)特性的實(shí)驗研究

李 君，陸華忠，* ，陳梓良，胡澤涵，吳良軍

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)，教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東廣州510642)

刀豆屬豆科刀豆屬的栽培亞種，外形呈長條型，截面扁平略彎曲，種子富含蛋白質(zhì)，具有良好的藥用價值。對刀豆進(jìn)行深加工時，必須對其進(jìn)行脫殼，目前此項工作主要由人工完成［1－2］。為適應(yīng)刀豆深加工產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展需求，探索刀豆脫殼技術(shù)與裝備有重要的研究應(yīng)用意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對多種作物的力學(xué)特性開展了深入的實(shí)驗研究。張黎驊、劉紅力等［3－4］以施壓方向、施壓速率、含水率為因素進(jìn)行了花生力學(xué)特性實(shí)驗，結(jié)果表明均對花生破碎力有極顯著影響。王新忠、張黎驊等［5－6］采用不同加載方向和含水率對杏核進(jìn)行了力學(xué)特性研究，實(shí)驗表明含水率對破碎力影響明顯，含水率越高，所需破碎力越小。Guner M等［7］研究了含水率、加載速率、加載方向?qū)﹂蛔託と实钠扑榱Α⑵扑槟芰亢推扑樽冃瘟康挠绊?。Kibar H等［8］分析了含水率對榛子的單位容積重量、真比重、內(nèi)摩擦角、動靜摩擦系數(shù)等力學(xué)參數(shù)的影響。曹玉華等［9］分析了蓖麻蒴果殼的加載位置對破殼的影響。吳傳宇等［10］提出對蓮子根部預(yù)切割后便于擠壓出蓮。李耀明等［11］實(shí)驗研究了稻谷的品種、成熟程度、后熟作用和谷殼對谷粒破壞力和破壞能的影響。Karaj S、Nazari Galedar M、Altuntas E等［12－14］分別實(shí)驗研究了麻風(fēng)果、開心果和蠶豆脫殼力學(xué)特性。陳燕、卿艷梅等［15－16］以荔枝、龍眼為研究對象，實(shí)驗分析了水果類物料的破殼力學(xué)特性。雖然間套種刀豆的產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，但脫殼初加工仍停留在手工階段，需要研究物料力學(xué)特性以指導(dǎo)脫殼機(jī)設(shè)計。目前，國內(nèi)外未見有關(guān)文獻(xiàn)報道硬莢特性刀豆的脫殼力學(xué)特性以及不同影響因素的關(guān)聯(lián)顯著性。本文對刀豆脫殼的力學(xué)特性進(jìn)行研究，設(shè)計混合水平的正交實(shí)驗方法，以期得到脫殼的最佳參數(shù)組合。建立顯著性實(shí)驗因素與實(shí)驗指標(biāo)之間的回歸方程模型，并進(jìn)行方程顯著性檢驗，為刀豆機(jī)械化脫殼設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

矮生刀豆(Canavalia ensiformis) 取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗田，剔除雜質(zhì)及破裂和未達(dá)破殼干燥程度的莢果。莢果有明顯的兩條縱脊，縱脊處無圓滑的過渡，外形如圖1所示，L、W和T分別代表莢果的長度、寬度和厚度尺寸，取樣方法為隨機(jī)取樣，編號后裝入塑料保鮮袋密封保存。經(jīng)游標(biāo)卡尺測量統(tǒng)計，該品種刀豆寬度范圍約為20.0～28.0mm，厚度范圍約為10.0～20.0mm，厚寬比(莢果厚度與寬度的比值)范圍約為0.4～0.8。

WD－E精密型電子式萬能試驗機(jī) 廣州市廣材實(shí)驗儀器有限公司;DHG－9030(A)101－0A(S)型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海索譜儀器有限公司;ALC－210.3型電子天平 量程210g，精度1mg，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

圖1 刀豆外形Fig.1 Appearance of Canavalia

1.2 實(shí)驗方法

實(shí)驗在WD－E精密型電子式萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗機(jī)的分辨率為 ±1/120000，力值精度 ±0.5%，位移精度±0.3%。實(shí)驗過程可由微機(jī)自動完成力和位移的數(shù)據(jù)采集。經(jīng)對刀豆莢果進(jìn)行多方向加壓實(shí)驗對比，結(jié)果表明:只有沿莢果縱脊面平行方向壓縮，才能達(dá)到理想破殼效果，而其它方向加壓莢果無法實(shí)現(xiàn)破殼，主要原因在于刀豆截面扁平且莢殼韌性較強(qiáng)。因此，本實(shí)驗樣本全部沿莢果縱脊面平行方向、采用平板圓盤壓縮實(shí)驗的方式。

1.3 測定方法

1.3.1 含水率測定 參考 GB/T 20264－2006［17］制備試樣，參考 GB/T 1931－2009［18］進(jìn)行含水率測量。干基含水率計算公式:

式中:Md－干基含水率，%;m－樣品重，g;mw－物料中所含水的質(zhì)量，g;ms－物料中所含干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.3.2 破殼能量測定 圖2所示為典型的莢果縱脊面平行方向壓縮力與莢殼變形量的關(guān)系曲線。橫軸為莢殼變形量，縱軸為縱脊加載壓力值。刀豆莢殼具有一定韌性，在勻速加載過程中，破殼前的壓力隨變形量增加而上升，彈塑性變形同時發(fā)生。當(dāng)加載到破殼點(diǎn)對應(yīng)壓力值時，莢殼產(chǎn)生相對滑移與破裂，宏觀結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致過此點(diǎn)后壓力驟減。受莢殼個體物理特性差異的影響，破殼點(diǎn)并不相同。破殼點(diǎn)對應(yīng)的變形量為破殼變形量，破殼能量為破殼力曲線與橫軸所圍面積，即:

式中:E－破殼能量，mJ;F－破殼力，N;Dr－破殼變形量，mm;D－變形量，mm。

圖2 刀豆的壓力與變形量關(guān)系曲線Fig.2 Force－deformation curve of Canavalia

1.3.3 折算極差計算 對刀豆的破殼力和破殼能量進(jìn)行極差分析，折算極差R′計算式為［19］

式中:R′－折算極差;d－折算系數(shù)，2水平因素取0.71，4水平因素取0.45;r－每個水平的重復(fù)次數(shù)。

1.4 實(shí)驗設(shè)計

考慮本實(shí)驗為多因素、多指標(biāo)的綜合實(shí)驗，為減少客觀上的實(shí)驗次數(shù)，提高實(shí)驗效率，采取混合水平正交實(shí)驗先獲取對力學(xué)實(shí)驗指標(biāo)有顯著影響的因素，然后進(jìn)行單因素實(shí)驗的回歸分析的方式，研究顯著影響因素對實(shí)驗指標(biāo)的影響規(guī)律。結(jié)合硬莢豆類物料的物理特點(diǎn)，并參考文獻(xiàn)［3－7，9］研究殼類作物破殼力學(xué)的實(shí)驗方法，實(shí)驗選取刀豆莢果的寬度、含水率、厚寬比、施壓速率和加載位置作為實(shí)驗因素，前四個實(shí)驗因素均為4個水平，加載位置為2個水平，力學(xué)實(shí)驗指標(biāo)包括破殼力、破殼能量和破殼變形量，實(shí)驗因素和水平見表1。不考察因素間的交互效應(yīng)，根據(jù)實(shí)驗考察的因素及水平選用L32(2×45)混合水平的正交表來安排實(shí)驗。每個處理重復(fù)3次，取平均值。為更好獲得各顯著性因素對指標(biāo)的影響關(guān)系，將實(shí)驗莢果的厚寬比和寬度各增加1個水平，含水率增加2個水平(用于研究加載壓力、莢果變形量與含水率關(guān)系)，進(jìn)行單因素重復(fù)實(shí)驗和回歸分析，每實(shí)驗處理均固定其他因素不變。加載位置不適合進(jìn)行回歸分析，在此沒有考慮。單因素實(shí)驗水平安排如表2所示，實(shí)驗設(shè)16個處理，每個處理6次重復(fù)。

表1 正交實(shí)驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 單因素實(shí)驗水平表Table 2 Factors and levels of single factor test

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)實(shí)驗指標(biāo)混合正交實(shí)驗

混合正交實(shí)驗結(jié)果如表3所示。脫殼設(shè)備的效率和能耗主要與物料的破殼力和破殼能量相關(guān)，因此，僅對刀豆的破殼力和破殼能量進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示。

表3 正交實(shí)驗結(jié)果Table 3 Test results of orthogonal test

表4 破殼力極差分析Table 4 Results of range analysis

由于刀豆的厚寬比，寬度物料尺寸參數(shù)為脫殼加工中不可控因素，由此選擇加載位置、含水率和施壓速率為組合參數(shù)進(jìn)行優(yōu)水平選擇，破殼力優(yōu)水平組合為 A1B4D2，即加載位置為中部，含水率為14.6%，施壓速率為20mm/min。破殼能量優(yōu)水平組合為A1B3D2，含水率為15.45%。基于兩指標(biāo)中破殼力優(yōu)先的考慮，且破殼能量的含水率水平3和水平4的k值差異不大，確定最優(yōu)水平組合為A1B4D2。

方差分析及顯著性如表5所示。由表5可知，破殼力受含水率的影響極顯著(p＜0.01)，寬度、厚寬比、施壓速率和加載位置對于破殼力影響不顯著(p＞0.05)。破殼能量受含水率的影響極顯著(p＜0.01)，其他因素影響不顯著(p＞0.05)。

表5 方差分析結(jié)果Table 5 Results of variance analysis

破殼變形量受加載位置的影響極顯著(p＜0.01)，原因在于中部與端部的莢殼縱脊面結(jié)合緊密度以及殼層厚度存在差異。寬度和厚寬比對于破殼變形量的影響顯著(p＜0.05)，原因在于殼仁間隙值與莢殼塑形變形量的差異。含水率、施壓速率對于破殼變形量影響不顯著(p＞0.05)。由于加載位置、寬度和厚寬比對于破殼變形量影響顯著，因此在設(shè)計脫殼設(shè)備結(jié)構(gòu)時，需要從破殼變形量角度合理調(diào)整脫殼腔體的空間尺寸，以降低損傷率和提高脫凈率。

2.2 顯著性因素回歸分析

2.2.1 含水率對破殼力和破殼能量的影響 實(shí)驗時刀豆莢果寬度為26mm、厚寬比為0.6，實(shí)驗結(jié)果如圖3、圖4所示。可以看出，破殼力隨含水率的增加而增大。原因在于含水率越低，刀豆莢殼的脆性越大，其能夠抵抗破裂的能力就越小。

圖3 含水率與破殼力曲線Fig.3 Effect of moisture content on rupture force

圖4 含水率與破殼能量曲線Fig.4 Effect of moisture content on rupture force

實(shí)驗結(jié)果表明，當(dāng)濕基含水率大于20%時，莢殼較軟易變形，無法破裂，如圖5所示。

圖5 壓力、變形量與含水率關(guān)系曲線Fig.5 Effect of moisture content on force－deformation curve

破殼力與含水率之間的二次項回歸方程為:)

式中，M－含水率，%。

經(jīng)方差分析，回歸方程整體顯著性檢驗的p=0.026，截距項回歸系數(shù)的p=0.039，一次項回歸系數(shù)的p=0.039，二次項回歸系數(shù)的p=0.042，在α=0.05的條件下影響顯著。方程判定系數(shù)R2=0.97，擬合精確度高。

如圖4所示，刀豆破殼能量與含水率之間呈正相關(guān)關(guān)系。同樣是因為含水率越低，莢殼的脆性就越大。當(dāng)含水率大于15.45%以后，破殼能量變化不大。其二次項回歸方程為:)經(jīng)方差分析，回歸方程的p=0.054，截距項回歸系數(shù)的 p=0.055，含水率一次項回歸系數(shù)的 p=0.054，二次項回歸系數(shù)的p=0.057，在α=0.1的條件下影響較為顯著。方程判定系數(shù)R2=0.95，擬合精確度較高。

2.2.2 厚寬比對破殼變形量的影響 實(shí)驗時刀豆莢果含水率為17.21%、寬度為26mm，實(shí)驗結(jié)果如圖6所示。破殼變形量與厚寬比的二次項回歸方程為:

式中，RWT－厚寬比。

經(jīng)方差分析，回歸方程的p=0.020，截距項回歸系數(shù)的p=0.009，一次項回歸系數(shù)的p=0.037，二次項回歸系數(shù)的p=0.053，在α=0.1的條件下說明該回歸方程有效，二次項關(guān)系顯著。方程判定系數(shù)R2=0.98，擬合精確度高。由圖6可知，破殼變形量均值隨厚寬比的增大而呈減小趨勢，但是當(dāng)厚寬比＞0.7以后，破殼變形量均值差異很小。說明外形越瘦薄的莢殼彈性模量越大，塑性變形至破裂所需時間更長。

圖6 厚寬比與破殼變形量曲線Fig.6 Effect of thickness－width ratio on rupture deformation

2.2.3 寬度對破殼變形量的影響 實(shí)驗時刀豆莢果含水率為17.21%、厚寬比為0.6，實(shí)驗結(jié)果如圖7所示。破殼變形量與寬度之間的二次項回歸方程為:

經(jīng)方差分析，回歸方程的p=0.076，截距項回歸系數(shù)的p=0.085，一次項回歸系數(shù)的p=0.057，二次項回歸系數(shù)的p=0.054，在α=0.1的條件下顯著，說明可以用該回歸方差表示變形量與寬度之間的關(guān)系。方程判定系數(shù)R2=0.92，擬合較好。當(dāng)寬度大于24mm以后，破殼變形量均值隨寬度的增大而呈減小趨勢。說明破殼變形量并不會隨莢果幾何尺寸的增大而增加。

圖7 寬度與破殼變形量曲線Fig.7 Effect of width on rupture deformation

3 結(jié)論

3.1 當(dāng)沿莢果縱脊面平行方向壓縮時，脫殼效果理想，其它方向加壓無法使莢殼實(shí)現(xiàn)破殼。因此，設(shè)計脫殼機(jī)時應(yīng)考慮將莢果縱脊面作為有效加壓方向。

3.2 以刀豆的加載位置、含水率和施壓速率為組合參數(shù)，獲得破殼力和破殼能量的綜合最優(yōu)水平組合為A1B4D2，即加載位置為中部，含水率為14.6%，施壓速率為20mm/min。

3.3 含水率對于刀豆破殼力有極顯著影響(p＜0.01)，其他因素影響不顯著(p＞0.05);破殼能量受含水率的影響極顯著(p＜0.01)，其他因素影響不顯著(p＞0.05);破殼變形量受寬度、加載位置、厚寬比的影響顯著(p＜0.05)，其他因素影響不顯著(p＞0.05)。

3.4 含水率與破殼力、破殼能量呈非線性正相關(guān)關(guān)系。厚寬比與破殼變形量呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)厚寬比＞0.7以后，破殼變形量均值差異很小。當(dāng)寬度大于24mm以后，破殼變形量均值隨寬度的增大而呈減小趨勢。

3.5 含水率是影響刀豆脫殼設(shè)備加工效果的重要因素，減少含水率有利于提高脫殼率和減少設(shè)備能耗，必要時脫殼加工前增設(shè)干燥環(huán)節(jié)。脫殼機(jī)的脫殼腔體空間尺寸應(yīng)按照“破殼變形量總體上隨寬度、厚寬比的增大而減小”原則調(diào)整，且接觸變形的適宜線速度為20mm/min左右，以降低損傷率和提高脫凈率。

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