文冠果種子力學(xué)性能分析

鄧 享，闞江明

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

文冠果種子力學(xué)性能分析

鄧 享，闞江明

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

通過萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行文冠果種子靜態(tài)壓縮破殼試驗(yàn)，并進(jìn)行了三因素三水平正交試驗(yàn)，以含水率、加載速度、加載方向?yàn)橐蛩?，以初次破殼力、位移量、破殼?yīng)變能為指標(biāo)，分析文冠果種子力學(xué)特性。結(jié)果表明：初次破殼力隨著含水率的減少基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，位移量、破殼應(yīng)變能隨含水率的減少大致呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在加載速度為5、10、15 mm/min時(shí)，x軸上的初次破殼力、位移量和破殼應(yīng)變能基本均小于其他兩個(gè)方向的；文冠果種子綜合破殼效果的影響因素由大到小依次為含水率、加載方向、加載速度；最佳破殼條件為含水率37.14%、加載方向x軸、加載速度15 mm/min，在此條件下，初次破殼力為104.445 N。

文冠果種子；含水率；加載速度；力學(xué)特性

文冠果屬無(wú)患子科，是我國(guó)獨(dú)有的一種油料作物，廣泛分布于我國(guó)北方地區(qū)，文冠果種子開發(fā)利用價(jià)值極大，種仁含油率達(dá) 58.4% ，可直接作為高級(jí)食用油料進(jìn)行加工食用，也可加工提取生物柴油[1-5]，還可以作為化工原料。脫殼取仁是文冠果種子加工再利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。脫殼取仁的方法一般分為離心式碰撞脫殼法、化學(xué)腐蝕法、真空脫殼取仁法、超聲波脫殼法、定間隙擠壓脫殼法。這5種方法中定間隙擠壓脫殼法最為實(shí)用且成本較低，而此方法需要對(duì)種子力學(xué)性能進(jìn)行分析，因此文冠果種子的力學(xué)性能直接影響其脫殼工藝和加工設(shè)備的研制開發(fā)。

目前，國(guó)內(nèi)外主要集中在對(duì)核桃[6-8]、板栗[9-10]、花生[11-12]、松籽[13]、杏核[14]、棕櫚[15]、開心果[16]等堅(jiān)果物理機(jī)械特性研究。馬志遠(yuǎn)等[17]以含水率、加載速度和加載方向?yàn)樵囼?yàn)因素，以破殼力、破殼變形量和破殼能耗為響應(yīng)指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)和三因素三水平正交試驗(yàn)對(duì)麻風(fēng)果種子力學(xué)性能進(jìn)行了分析。丁為民等[18]對(duì)不同成熟度的芡實(shí)進(jìn)行壓縮和剪切試驗(yàn)，分析芡實(shí)不同成熟度及受力方向?qū)ζ淞W(xué)性能的影響。而對(duì)于文冠果種子的研究主要集中在營(yíng)養(yǎng)組分分析和生理活性等方面[19]，關(guān)于文冠果種子的力學(xué)特性鮮有報(bào)道。

本文主要對(duì)不同含水率的文冠果種子在不同加載速度和不同加載方向下進(jìn)行靜態(tài)壓縮破殼試驗(yàn)，分析其力學(xué)特性之間的規(guī)律，為以后的文冠果種子破殼機(jī)械設(shè)備的研制提供參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

文冠果種子采自甘肅白銀，恒溫條件下進(jìn)行保存，文冠果種子外形近似橢球形，以文冠果種子中心為原點(diǎn)，以與原點(diǎn)距離最短為x軸，與原點(diǎn)距離最長(zhǎng)為z軸，與原點(diǎn)距離較長(zhǎng)為y軸，以此建立三維坐標(biāo)軸(如圖1)。取文冠果種子5組，每組45顆，分別浸泡在水中不同時(shí)間后瀝干，處理為5種含水率的文冠果種子后恒溫保存。

圖1 文冠果種子坐標(biāo)系

GZX-9030MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱，深圳瑞格爾電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，電子天平。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 含水率測(cè)定

文冠果的含水率(濕基含水率)的測(cè)定和計(jì)算方法參照GB 5009.3—2010進(jìn)行。利用恒溫干燥箱進(jìn)行烘烤，將干燥箱的溫度設(shè)定為105℃，試樣在干燥箱中烘4～6 h后稱量文冠果種子的絕干質(zhì)量。通過對(duì)烘干前后種子的質(zhì)量計(jì)算濕基含水率。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：MC為濕基含水率，%；W0為初始質(zhì)量, g；W1為絕干質(zhì)量, g。

1.2.2 文冠果種子的靜態(tài)壓縮破殼試驗(yàn)

試驗(yàn)采用靜態(tài)加載壓縮方式，將5組不同含水率的文冠果種子分別平均分為3份，每份15顆，再將這15顆平均分為3份，每份5顆。利用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)5種含水率下的文冠果種子，分別以5、10、15 mm/min 3種加載速度，從x、y、z軸對(duì)種子進(jìn)行加載，每個(gè)方向重復(fù)5次，取平均值。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)會(huì)自動(dòng)保存破殼力以及破殼力對(duì)應(yīng)的位移量。

1.2.3 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)指標(biāo)有3個(gè)：初次破殼力(F)(文冠果種子從受載到第一次達(dá)到壓力波峰時(shí)所對(duì)應(yīng)的破殼力)、種子破殼過程中的位移量(S)(初次破殼力對(duì)應(yīng)的位移量)、破殼應(yīng)變能(E)，其中破殼應(yīng)變能計(jì)算公式為：

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 文冠果種子的含水率

文冠果種子含水率分別為39.38%、37.14%、27.14%、17.7%和10.1%。

2.2 力學(xué)特性分析

加載速度為15 mm/min時(shí)，x、y、z軸下初次破殼力、位移量以及破殼應(yīng)變能隨含水率變化分別見圖2、圖3和圖4。

圖2 不同含水率下的初次破殼力

如圖2所示，初次破殼力在試驗(yàn)所示含水率范圍內(nèi)隨含水率的減少而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，主要是因?yàn)殡S著含水率的減少，文冠果種殼硬度增大，纖維結(jié)構(gòu)機(jī)械硬化，從而導(dǎo)致初次破殼力的增大。通過試驗(yàn)可以看出，x軸方向的初次破殼力總體要略小于y軸與z軸方向下的，形成這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)閤軸方向下的纖維組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，且厚度相對(duì)y、z軸方向處較薄。

通過SPSS軟件擬合出含水率與初次破殼力的函數(shù)關(guān)系式及判定系數(shù)(R2)為：

Fx=-674.55x2+715.625x+273.082，R2=0.885

(3)

Fy=-1 529.014x2+2 262.457x+406.243，R2=0.949

(4)

Fz=-34.285x2-366.847x+228.397，R2=0.853

(5)

式中：Fx、Fy、Fz分別為x、y、z軸上的初次破殼力，N；x為含水率，%。

由式(3)～(5)可知，文冠果種子的初次破殼力與含水率的關(guān)系呈現(xiàn)二次函數(shù)的關(guān)系,并且因?yàn)槠銻2均大于0.85,所以可以認(rèn)為其關(guān)系均擬合良好。

圖3 不同含水率下的位移量

如圖3所示，隨著含水率的增大，位移量逐漸變大。其主要原因是，隨著含水率的增大，種殼、種仁之間的縫隙間充水，從而導(dǎo)致種子膨脹變軟。通過對(duì)比不同方向位移量可以看出在含水率近似于17.7%時(shí)，其各方向上的位移量基本一致，x軸方向的位移量基本略小于y軸與z軸方向下的。

通過SPSS軟件擬合出含水率與位移量的函數(shù)關(guān)系式及判定系數(shù)(R2)為：

Sx=-36.899x3+182.649x2-257.328x+3.151，R2=0.932

(6)

Sy=4.021x2+9.875x+0.044，R2=0.980

(7)

Sz=-61.991x3+338.038x2-492.759x+4.069，R2=0.998

(8)

式中：Sx、Sy、Sz分別為x、y、z軸上的位移量，mm；x為含水率，%。

由式(6)～(8)可知，文冠果種子的位移量與含水率的關(guān)系在x、z軸方向呈現(xiàn)三次函數(shù)的關(guān)系，在y軸方向呈現(xiàn)二次函數(shù)的關(guān)系，并且因?yàn)槠銻2均大于0.85,所以可以認(rèn)為其關(guān)系擬合良好。

圖4 不同含水率下的破殼應(yīng)變能

如圖4所示，破殼應(yīng)變能變化規(guī)律相對(duì)于以上兩種較差一些，但總體可以看出在x軸方向上的破殼應(yīng)變能基本要小于其他兩個(gè)方向上的。其主要原因是在x軸方向上種殼相對(duì)較薄，且在此方向上種殼與種仁之間的縫隙相對(duì)較小，無(wú)論是初次破殼力還是位移量x軸方向上均基本小于其他軸的。

通過SPSS軟件擬合出含水率與破殼應(yīng)變能的函數(shù)關(guān)系式及判定系數(shù)(R2)為：

Ex=-3 745.644x3+16 786.639x2-22 981.515x+344.097，R2=0.890

(9)

Ey=-24.618x2+1 256.199x+69.377，R2=0.912

(10)

Ez=-5 914.763x3+33 015.321x2-49 573.878x+396.288，R2=0.989

(11)

式中：Ex、Ey、Ez分別為x、y、z軸上的破殼應(yīng)變能，mJ；x為含水率，%。

由式(9)～(11)可知，文冠果種子的破殼應(yīng)變能與含水率的關(guān)系在x、z軸方向呈現(xiàn)三次函數(shù)的關(guān)系，在y軸方向呈現(xiàn)二次函數(shù)的關(guān)系，并且因?yàn)槠銻2均大于0.85,所以可以認(rèn)為其關(guān)系擬合良好。

加載速度為5、10 mm/min時(shí)，結(jié)論與15 mm/min時(shí)基本一致。

2.3 正交試驗(yàn)優(yōu)化

為選擇最佳的破殼試驗(yàn)方案，以含水率(A)、加載速度(B)、加載方向(C)為因素,以初次破殼力為指標(biāo)對(duì)靜態(tài)壓縮破殼試驗(yàn)進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，因素水平見表1，正交試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表1 因素水平

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表2可知，最優(yōu)水平是A1B3C1，即含水率37.14%，加載速度15 mm/min，加載方向x軸。各因素的影響顯著程度依次為：含水率>加載方向>加載速度。按照優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，初次破殼力為104.445 N，小于正交試驗(yàn)中的最優(yōu)結(jié)果，因此可認(rèn)為其就是試驗(yàn)的最優(yōu)方案。

3 結(jié) 論

通過對(duì)文冠果種子的靜態(tài)壓縮力學(xué)試驗(yàn)并進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，探明在不同含水率、加載速度、加載方向條件下文冠果種子靜壓力學(xué)性能參數(shù)的影響及規(guī)律。其具體結(jié)論如下：

(1)文冠果種子的初次破殼力隨著含水率的增大而減小，位移量隨著含水率的增大而增大，相對(duì)前兩項(xiàng)指標(biāo)，破殼應(yīng)變能變化相對(duì)不那么明顯。在加載速度為5、10、15 mm/min時(shí)，x軸上的初次破殼力、位移量和破殼應(yīng)變能基本均小于其他兩個(gè)方向的。

(2)通過正交試驗(yàn)可得出最優(yōu)破殼條件為：含水率37.14%，加載速度15 mm/min，加載方向x軸。在最優(yōu)條件下，初次破殼力為104.445 N。為以后文冠果種子破殼機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[1] 王黎麗，付玉杰，張謖.文冠果種子油提取工藝[J].植物研究，2008(4):509-512.

[2] 白雪,胡文忠,姜愛麗，等.文冠果種仁油開發(fā)和應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技，2016(9):393-396.

[3] 孔維寶,梁俊玉,馬正學(xué)，等.文冠果油的研究進(jìn)展[J].中國(guó)油脂，2011，36(11)：67-72.

[4] 張乃靜.文冠果種仁油制備生物柴油工藝[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2007.

[5] 孫俊.文冠果油的提取及其生物柴油制備工藝研究[D].西安：陜西師范大學(xué)，2008.

[6] 沈柳楊，張宏，范修文，等.含水率對(duì)溫185核桃靜壓力學(xué)性能的影響[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016(3):332-337.

[7] 孫偲,曹成茂,婁帥帥,等.山核桃破殼力學(xué)性能試驗(yàn)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016(2):331-336.

[8] 何義川,史建新.核桃殼力學(xué)特性分析與試驗(yàn)[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009(6):70-75.

[9] 楊雪銀,齊延興.影響板栗破殼力大小的因素[J]. 食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào),2007(3):56-60.

[10] 張榮榮,李小昱,王為,等.基于揉搓方法的板栗破殼性能的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007(5)：177-179.

[11] 程獻(xiàn)麗,高連興,劉明國(guó),等.花生沖擊脫殼的力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009(1):111-113.

[12] 劉紅力，張永麗，高連興,等.花生脫殼力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(6):900-902.

[13] 欒玉振,袁月明,李云飛.松籽殼體工程特性參數(shù)的測(cè)試與靜力有限元計(jì)算[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1994(2):50-55.

[14] 劉軍,陳宏偉.新疆杏核擠壓破殼中破壞載荷與其壓縮變形量關(guān)系的探討[J]. 包裝與食品機(jī)械,2004(3):19-21.

[15] KOYA O A, FABORODE M O. Mathematical modelling of palm nut cracking based on Hertz’s theory[J]. Biosyst Eng，2005,91(4):471-478.

[16] NAZARI GALEDAR M, MOHTASEBI S S,TABATABAEEFAR A, et al. Mechanical behavior of pistachio nut and its kernel under compression loading[J].J Food Eng,2009,95(3)：499-504.

[17] 馬志遠(yuǎn),張黎驊,夏磊.麻風(fēng)果種子力學(xué)特性的試驗(yàn)[J]. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(3):131-137.

[18] 丁為民，鄧麗君，李毅念,等.不同成熟度芡實(shí)的力學(xué)性能試驗(yàn)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012(19):241-247.

[19] 王婭麗,李彬彬,王鈺,等.文冠果種子生物學(xué)特性研究及營(yíng)養(yǎng)成分分析[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013(5)：48-50,59.

AnalysisofmechanicalpropertiesofXanthocerassorbifoliaBunge.seed

DENG Xiang, KAN Jiangming

(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Through the universal material testing machine,XanthocerassorbifoliaBunge. seed shell breaking experiment was conducted by three factors and three levels orthogonal experiment. Using moisture content, loading speed and loading direction as the experimental factors, and the first time shell breaking force, displacement and shell breaking strain energy as the response indicators, the mechanical properties ofXanthocerassorbifoliaBunge. seed were analysed.The results showed that the first time shell breaking force increased with the decrease of moisture content, and displacement and shell breaking strain energy generally showed a decrease trend with the decrease of moisture content. When loading speeds were 5,10,15 mm/min, the first time shell breaking force, displacement and shell breaking strain energy on thexaxis were approximately less than those in the other two directions. The factors affecting the comprehensive shell breaking effect ofXanthocerassorbifoliaBunge. seed in decreasing order were moisture content, loading direction and loading speed. The optimal shell breaking conditions were obtained as follows: moisture content 37.14%,xaxis loading direction, loading speed 15 mm/min. Under these conditions, the first time shell breaking force was 104.445 N.

XanthocerassorbifoliaBunge. seed; moisture content; loading speed; mechanical property

2016-12-26；

：2017-05-20

鄧 享(1990)，男，在讀碩士，研究方向?yàn)樯止こ萄b備及其自動(dòng)化(E-mail) dengxiang@bjfu.edu.cn。

闞江明，教授，博士(E-mail) kanjm@bjfu.edu.cn。

TS222;O346.1

：A

1003-7969(2017)08-0149-04

應(yīng)用技術(shù)