不同含水率下溫185核桃仁力學(xué)特性試驗研究

沈柳楊，張 宏*，李 勇，唐玉榮

(1.塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

不同含水率下溫185核桃仁力學(xué)特性試驗研究

沈柳楊1,2，張 宏1,2*，李 勇1，唐玉榮1,2

(1.塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

為了減少核桃在破殼過程中的機械損傷，降低碎仁率，提高核桃破殼質(zhì)量和經(jīng)濟附加值，對核桃仁的力學(xué)特性進行研究。以溫185核桃為研究對象，對其分別進行0 h、1 h、2 h、3 h、5 h、8 h、12 h的干燥處理，通過手工去殼后對完整核桃仁分別從橫向、縫向、縱向進行壓縮力學(xué)特性試驗，研究不同含水率下核桃仁的受載及變形規(guī)律。運用MATLAB和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明：核桃含水率在干燥8 h后趨于穩(wěn)定；在加載變形量12 mm、加載速度60 mm/min、起始加載力0.5 N的加載條件下，核桃仁在橫向上的受載和抗變形能力最強，其韌性較好不易破碎，所承受的加載力和變形量隨含水率的減少總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，最大加載力為175.5 N，最大變形量為11.78 mm。

核桃； 力學(xué)特性； 含水率； 破殼取仁

溫185核桃是新疆著名核桃品種之一，具有很高的營養(yǎng)與食用價值[1-2]，深受消費者的歡迎。由于核桃外殼堅硬而核仁較脆，在機械破殼過程中經(jīng)常出現(xiàn)大量的碎仁，造成很大的經(jīng)濟損失。為了減少破殼過程中的機械損傷，對核桃仁的力學(xué)特性進行研究具有重要的現(xiàn)實意義。在核桃破殼取仁研究方面，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進行了大量的研究工作，主要集中在核桃破殼的物理機械特性、力學(xué)特性等方面。吳子岳等[3-5]利用薄殼理論和動態(tài)裂紋擴展理論對核桃的破殼原理進行了分析。Jakeway[6]、Tang等[7-8]、Koyuncu等[9]研究得出了澳洲堅果果殼破裂的最小變形量的數(shù)據(jù)，表明減少破殼所需的果殼變形量可以改善整個破殼的效果。史建新等采用有限元法，對核桃破殼進行了力學(xué)分析與試驗研究[10-13]。喬園園等[14]對新疆幾種主產(chǎn)核桃的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、殼厚度及內(nèi)褶面積等物理特性進行了研究。趙超[15]利用壓縮力學(xué)試驗對核桃物理機械特性和力學(xué)特性進行了測定和分析。但縱觀現(xiàn)有研究成果，對帶殼核桃進行力學(xué)特性研究較多，而從核桃仁的力學(xué)特性角度，對核桃破殼取仁機制的研究卻鮮有報道。鑒于此，以溫185核桃為研究對象，對核桃進行干燥處理并通過手工去殼后，利用質(zhì)構(gòu)儀對完整核桃仁進行壓縮力學(xué)特性試驗，研究不同含水率下核桃仁的受載及變形規(guī)律，以期為核桃破殼取仁工藝研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

試驗用溫185核桃采于新疆溫宿縣核桃試驗林場。質(zhì)構(gòu)儀，型號TMS-PRO，精度0.015%，由美國FTC(Food Technology Corporation)公司生產(chǎn)；電熱鼓風(fēng)干燥箱，型號GZX-9140MBE，由上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠生產(chǎn)；電子天平，型號FA1104，由上海市安亭電子儀器廠生產(chǎn)；游標卡尺，量程為0～150 mm，由上海申韓量具有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗設(shè)計與方法

1.2.1 核桃的篩選與處理 對采摘的新鮮核桃進行去青皮和清洗處理之后，剔除殼體有裂縫、畸形的核桃。利用電子天平和游標卡尺進行稱質(zhì)量和尺寸測量，篩選出質(zhì)量和尺寸相近的核桃70枚，本試驗選用的核桃平均質(zhì)量約為15.79 g，平均直徑約為33.70 mm。然后按從小到大的順序依次進行編號，并對其進行隨機分組，每組10枚。

1.2.2 核桃含水率的測定 溫185核桃樣品含水率(濕基含水率)參照GB5009.3—2010進行測定，采用恒溫烘焙法和稱質(zhì)量法。將清洗后篩選出的70枚核桃，靜置在空氣中2 h，讓核桃殼體表面水分自然揮發(fā)，分別放置在7個相同并標記組號的濾紙片上，然后統(tǒng)一放置在溫度設(shè)定為35 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中分別進行0 h、1 h、2 h、3 h、5 h、8 h、12 h的干燥處理。每隔相應(yīng)的時間后，從干燥箱中拿出對應(yīng)組的核桃，進行稱質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)，未達到規(guī)定干燥時間的組則繼續(xù)放進烘箱中干燥，直至最后1組核桃全部取出后，干燥處理結(jié)束。

1.2.3 核桃仁的壓縮力學(xué)試驗 將每組核桃從干燥箱中取出稱質(zhì)量之后，通過手工去掉核桃外殼，選取9枚完整的核桃仁，并隨機分為3組利用質(zhì)構(gòu)儀分別從橫向(核桃仁縫合線垂直方向)、縫向(核桃仁縫合線短軸方向)、縱向(核桃仁縫合線長軸方向)進行壓縮力學(xué)特性試驗，每個方向重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值，施力加載方向如圖1所示。試驗過程中，質(zhì)構(gòu)儀可以對加載力、變形量等相關(guān)參數(shù)進行自動采集并記錄。試驗結(jié)束后，所有試驗數(shù)據(jù)以Excel文件形式自動保存在與質(zhì)構(gòu)儀連接的計算機中，直接調(diào)出數(shù)據(jù)進行分析。

圖1 核桃仁壓縮施力加載方向

本試驗是在加載變形量12 mm、加載速度60 mm/min、起始加載力0.5 N的條件下進行核桃仁的壓縮力學(xué)特性試驗。前期的破殼取仁研究發(fā)現(xiàn)[16-17]，核桃含水率和加載方向這2個因素對破殼過程中核桃仁的影響較大，因此選取含水率和加載方向為試驗因素，核桃仁受載時的最大加載力(壓力曲線波峰所對應(yīng)的壓力)以及最大變形量(最大加載力所對應(yīng)的變形量)為試驗指標。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用MATLAB 7.1和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥時間對核桃含水率的影響及數(shù)學(xué)模型

按照核桃含水率的測定方法，利用MATLAB軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得出干燥時間對含水率的影響規(guī)律(圖2)。從圖2可以看出，隨著干燥時間的增加，核桃含水率基本呈現(xiàn)逐漸下降直至穩(wěn)定的趨勢。在干燥8 h之前，含水率下降比較快，而在8 h之后含水率下降比較平穩(wěn)，這表明在干燥8 h之后核桃含水率基本趨于穩(wěn)定，即含水率不再隨干燥時間的增加而發(fā)生較大的變化。利用MATLAB軟件擬合工具箱對干燥時間和含水率之間的關(guān)系進行擬合分析并建立數(shù)學(xué)模型，所得的擬合方程為：Y=-0.018 92X3+0.494 5X2-4.305X+18.05，相關(guān)系數(shù)R2=0.998，擬合效果較好。其中，X為干燥時間(h)；Y為核桃含水率(%)。由擬合方程可知，干燥時間與含水率之間關(guān)系近似為3次函數(shù)。

圖2 干燥時間對核桃含水率的影響

2.2 核桃仁的壓縮力學(xué)特性曲線與分析

在相同含水率下，不同加載方向上的核桃仁壓縮力學(xué)特性曲線形態(tài)相似，其典型的壓縮力學(xué)特性曲線如圖3所示。在相同加載方向，不同含水率下核桃仁的壓縮力學(xué)特性曲線如圖4、5、6所示。由圖3可知，核桃仁沿縫向、橫向和縱向從開始受力至第1次壓力波峰前，核桃仁壓力與變形量基本呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，這表明核桃仁在此階段主要發(fā)生彈性變形；當(dāng)核桃仁受力到達壓力波峰時，核桃仁所受到的壓力開始驟降，這是因為核桃仁的宏觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)致其抗壓和抗變形的能力減弱。此外，由圖3還可以看出，核桃仁在橫向上的受載和抗變形能力比其他2個方向上強，表明核桃仁在橫向受壓時韌性較好，不易破碎。

圖3 不同加載方向上核桃仁的典型壓縮力學(xué)特性曲線

圖4 縫向上核桃仁的壓縮力學(xué)特性曲線

圖5 橫向上核桃仁的壓縮力學(xué)特性曲線

圖6 縱向上核桃仁的壓縮力學(xué)特性曲線

由圖4、5、6可知，在相同加載方向，不同含水率下核桃仁的壓縮力學(xué)特性曲線形態(tài)和規(guī)律也基本相似，但核桃仁壓縮時所承受的最大加載力(壓力曲線峰值)和最大變形量隨含水率的變化呈現(xiàn)不同的特點。在縫向上，最大加載力隨含水率的降低呈現(xiàn)先增后減再增最后至遞減的變化規(guī)律，含水率為14.07%時所對應(yīng)的最大加載力值最大，最大加載力低于100 N，對應(yīng)的最大變形量小于6 mm；在橫向上，最大加載力隨含水率的降低呈現(xiàn)先減后增再減的變化趨勢，含水率為8.91%時所對應(yīng)的最大加載力值最大，最大加載力低于180 N，對應(yīng)的最大變形量可達到12 mm左右；在縱向上，最大加載力隨含水率的降低也基本呈現(xiàn)先減后增再減的變化趨勢，含水率為6.89%時所對應(yīng)的最大加載力值最大，最大加載力低于160 N，而對應(yīng)的最大變形量可達到6 mm左右。因此，含水率和加載方向?qū)颂胰蕢嚎s時所承受的最大加載力和最大變形量有不同程度的影響。

2.3 含水率和加載方向?qū)ψ畲蠹虞d力及最大變形量的影響

利用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，含水率和加載方向?qū)颂胰试谑茌d過程中最大加載力及最大變形量的影響規(guī)律如圖7和圖8所示。核桃仁的壓縮形態(tài)如圖9所示。

對于最大加載力，在3個不同的加載方向上，橫向受載最為明顯(圖7)。不同含水率下核桃仁受載時加載方向?qū)ψ畲蠹虞d力的影響程度依次為橫向>縱向>縫向，表明核桃仁在橫向上的受載能力最強，所承受的加載力隨含水率的降低總體呈現(xiàn)先增后減的趨勢，最大峰值為175.5 N。

對于最大變形量，在3個不同的加載方向上，也是橫向受載最為明顯(圖8)。在含水率為18.19%、14.07%、4.94%時，核桃仁在縫向和縱向上受載時加載方向?qū)ψ畲笞冃瘟康挠绊懗潭然鞠嘟?，這是因為當(dāng)含水率過高或過低時，核桃仁的抗壓強度較低，抗變形能力減弱，只有當(dāng)含水率適中時核桃仁才具有較好的抗變形能力；而在含水率為11.23%、8.91%、6.89%、5.39%時，加載方向?qū)颂胰适茌d時最大變形量的影響程度依次為橫向>縱向>縫向，表明核桃仁在橫向上的抗變形能力最強，所承受的變形量隨含水率的降低也基本呈現(xiàn)先增后減的趨勢，最大變形量為11.78 mm。

圖7 不同含水率下各方向核桃仁最大加載力的變化

圖8 不同含水率下各方向核桃仁最大變形量的變化

a.壓縮前；b.壓縮變形；c.壓縮后

3 結(jié)論與討論

本試驗結(jié)果表明，隨著干燥時間的增加，溫185核桃的含水率在逐漸下降，在干燥時間為8 h之前，含水率下降速率比較快，而在8 h之后含水率下降速率比較平穩(wěn)且基本趨于穩(wěn)定。利用MATLAB軟件對干燥時間和含水率之間的關(guān)系進行擬合分析，擬合方程為：Y=-0.018 92X3+0.494 5X2-4.305X+18.05，相關(guān)系數(shù)R2=0.998，擬合效果較好，表明模型具有一定的可靠性。

劉奎等[18]、高警等[19]分別對核桃機械破殼過程中核桃仁的損傷特征和規(guī)律，以及影響核桃破殼力大小的因素進行了研究，對樣本不同加載速度、不同加載方向、不同品種進行相關(guān)力學(xué)特性試驗，結(jié)果表明：不同加載速度、不同加載方向、不同品種的核桃在機械破殼過程中對核桃仁破損的影響比較顯著，對核桃破殼前進行預(yù)處理可以減小破殼力。本試驗通過對核桃仁的壓縮力學(xué)試驗結(jié)果進行分析，表明在加載變形量為12 mm，加載速度為60 mm/min，起始加載力為0.5 N的加載條件下，核桃仁在橫向上的受載和抗變形能力最強，核桃仁的韌性較好不易破碎，所承受的加載力和變形量隨含水率的減少總體呈現(xiàn)先增后減的趨勢，最大加載力為175.5 N，最大變形量為11.78 mm，該結(jié)果可為核桃破殼機械設(shè)計以及破殼工藝等研究提供參考。

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Experimental Study on Mechanical Properties of Wen 185 Walnut Kernel under Different Moisture Content

SHEN Liuyang1,2，ZHANG Hong1,2*，LI Yong1，TANG Yurong1,2

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Tarim University,Alar 843300,China; 2.The Key Laboratory of Modern Agriculture Engineering of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Alar 843300,China)

In order to reduce the mechanical damage of walnut in the process of shell breaking,reducing the rate of broken kernels,and improving the quality of shell breaking and economic value added,the mechanical properties of walnut kernel were studied.This paper used Wen 185 walnut as the research object,respectively to do drying process of 0 h,1 h,2 h,3 h,5 h,8 h,12 h,and then to do mechanical properties test for complete walnut kernel by manually removing the shell respectively from the transverse direction,crack direction,longitudinal direction,studying the loading and deformation regularities of walnut kernel under the different moisture content.The test data was processed by using MATLAB and SPSS softwares,to establish the relevant mathematical models.The results showed that moisture content of walnut tended to be stable after being dried 8 hours;when the test was carried out under the loading conditions that loading deformation was 12 mm,loading speed was 60 mm/min,and the initial loading force was 0.5 N,the ability of resistance to loading and deformation was the strongest in the transverse direction,and the toughness of walnut kernel was better so that it was not easily broken.General speaking,loading force and deformation walnut kernel bore were firstly increased and then decreased with the decrease of moisture content,and the maximum loading force was 175.5 N,maximum deformation was 11.78 mm.

walnut； mechanical properties； moisture content； cracking walnut and fetching kernel

2016-02-21

國家自然科學(xué)基金項目(31160196)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團工業(yè)科技攻關(guān)計劃項目(2014BA014)；塔里木大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項目(TDGRI201516)

沈柳楊(1989-)，男，湖北黃岡人，在讀碩士研究生，研究方向：新型農(nóng)業(yè)機械裝備設(shè)計。 E-mail：feiyanghero@163.com

*通訊作者：張 宏(1975-)，男，內(nèi)蒙古武川人，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械化電氣化研究。E-mail：zhghog@163.com

S664.1

A

1004-3268(2016)07-0143-05