油茶鮮果靜壓力學(xué)特性試驗

薛 強 ，郭京臣 ，楊 碩 ，李明真

（1.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津300222；2.天津科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津300222）

油茶在中國已經(jīng)有數(shù)千年的種植歷史，它與油棕、椰子、油橄欖并稱為世界四大油料作物[1-3]。 與其他幾種著名油料作物不同，油茶是中國獨有的油料作物，在中國的分布范圍很廣，其產(chǎn)量與品種豐富程度均是世界首位[4]。油茶不僅在中國的產(chǎn)量大，而且其果實榨出的茶油不飽和度高，堪比橄欖油。為了保證茶油的品質(zhì)和出油率[5-6]，在茶油制取的過程中最為關(guān)鍵的是油茶鮮果采摘后的處理。 新鮮的油茶果必須及時進行脫殼、清選及烘干，否則易導(dǎo)致果實腐爛、霉變，造成巨大的經(jīng)濟損失[7]。 目前，油茶鮮果的剝殼過程是先剝油茶鮮果殼，將油茶籽與果殼分離，再剝油茶籽殼，目前國內(nèi)市場上單獨一臺油茶果剝殼機不能同時完成油茶果殼和油茶籽殼的剝殼，而是需要剝油茶果殼和剝油茶籽殼的兩臺設(shè)備，來完成油茶果殼和油茶籽殼的剝殼，脫殼效率低。因此設(shè)計一臺既能剝果殼，又能剝籽殼的多功能油茶果剝殼機非常必要。 油茶果剝殼輥筒和油茶籽剝殼輥筒是多功能油茶果剝殼機的關(guān)鍵部件，它們的設(shè)計質(zhì)量直接影響剝殼機的性能，如果油茶果的靜壓力學(xué)特性參數(shù)不清楚，則無法對輥筒進行設(shè)計和優(yōu)化，因此研究油茶果殼靜壓力學(xué)特性十分必要。

針對油料作物果殼力學(xué)特性試驗的研究，LIU 等[8]研究了澳洲堅果殼中存在的裂紋對殼斷裂的影響，結(jié)果表明垂直裂紋有利于殼的斷裂，而存在短的水平裂紋對殼的斷裂沒有顯著影響；PRUSSIA 等[9]對山核桃壁的加載方式進行了分析，不同加載方向的試驗表明所測得的山核桃壁是各向異性的；BRAGA 等[10]研究了澳洲堅果殼在壓縮狀態(tài)下的初始破裂所需的力、單位變形和能量，測出存在一個受力、單位變形和能量值最小的加載方式，與堅果尺寸和殼體含水率無關(guān)；李文林等[11-12]對油茶果力學(xué)特性進行了研究，并測得油茶果含水量對脫殼效果有顯著影響；曹玉華等[13]利用薄殼理論對蓖麻果果殼的力學(xué)特性進行內(nèi)力和位移分析，結(jié)果表明兩對法向集中力作用比較有利殼的均勻破裂；侯俊銘等[14]以4 個不同品種的蓖麻蒴果為研究對象，進行靜壓力學(xué)特性試驗，試驗結(jié)果表明品種、含水率、加壓方式對蓖麻蒴果破殼力大小都有顯著影響，為蓖麻蒴果脫殼機關(guān)鍵部件的設(shè)計提供參考。綜上所述，目前對于需要剝殼的油料作物，其力學(xué)特性的研究雖有一定的進展，但缺少針對油茶果剝殼機中的剝殼輥筒等關(guān)鍵部件設(shè)計和優(yōu)化所需要的油茶果殼和油茶籽殼的靜壓力學(xué)性能參數(shù)。

本研究測定了油茶果在不同加壓方式、不同加載速率以及不同直徑大小的破殼力，分析各種因素對油茶果破殼力的影響，對比了油茶籽的最大破殼力與油茶果的最大破殼力，為后期設(shè)計油茶果剝殼機中的剝殼輥筒等關(guān)鍵部件提供重要參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗使用的油茶果鮮果產(chǎn)地為江西省吉安市遂川縣，其含水率范圍55．9%～62．5%之間。油茶果的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖1）由鮮果果殼、柱芯和茶籽3 部分組成。 茶籽又可分為茶籽殼和果仁，果仁是榨取茶油的原料[15-16]。 每顆油茶果所含的茶籽粒數(shù)不確定，大致為3～8 粒不等，油茶果中心位置為柱芯，油茶籽以柱芯為軸線分布一周。 為便于描述，現(xiàn)定義與柱芯平行的方向為縱向，垂直于柱芯的方向為橫向。 試驗設(shè)備包括美特斯公司的MTS H45電子式萬能材料試驗機、計算機、TWHlite 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、游標卡尺、相機等。

圖1 油茶果內(nèi)部結(jié)構(gòu)及示意圖Figure 1 Internal structure of camellia oleifera fruit and schematic diagram

1.2 方法

1.2.1 幾何測量 使用游標卡尺對其進行果皮厚度、油茶果直徑、茶籽的最大尺寸、最小尺寸等基本數(shù)據(jù)的采集。 根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示果皮厚度在 1．46～6．44mm 之間，油茶鮮果直徑分布范圍為 20～45mm 不等，其中，在 25～40mm 范圍內(nèi)的分布最多，達98%，直徑在30mm 以上的油茶果占70%。

1.2.2 試驗過程及數(shù)據(jù)統(tǒng)計 油茶鮮果靜壓力學(xué)性能對選擇剝殼方式及剝殼的最終效果有十分重要的影響[17-19]。為明確加載方向，油茶果直徑大小，加載速率等關(guān)鍵破殼因素對油茶鮮果脫殼力的影響，以及確定油茶籽的破殼力峰值的大小，首先，對油茶鮮果按直徑大小分組進行試驗。

(1)直徑25～30mm 的中等大小油茶鮮果20 個，分為橫向、縱向兩組加載，每組10 個。試驗條件：加載速率取20mm·min-1，試驗測得的數(shù)據(jù)如表 1。

表1 油茶鮮果橫縱向加載對脫殼力的影響Table 1 Effects of longitudinal and transverse loading on shelling force of camellia oleifera fresh fruits N

(2)進行小、中、大3 組試驗，小組為直徑20～30mm 的小尺寸油茶鮮果10 個；中組為直徑30～35mm 的中等尺寸油茶鮮果10 個；大組為直徑35～40mm 的大尺寸油茶鮮果10 個。 試驗條件：加載速率20mm·min-1，試驗測得的數(shù)據(jù)如表2。

表2 油茶鮮果直徑對脫殼力的影響Table 2 The influence of fresh fruit diameter of camellia oleifera on shelling force N

(3)選取直徑30～35mm 中等尺寸油茶鮮果50 個，將其分為5 組進行加載試驗，每組10 個。 通過預(yù)試驗確定合理的加載速率為10，20，30，40，50mm·min-1。 因此，本試驗采用這幾個加載速率對油茶鮮果進行加載試驗，試驗測得的數(shù)據(jù)如表3。

表3 加載速率對脫殼力的影響Table 3 Effect of loading rate on shelling force N

(4)油茶籽50 個分5 組，油茶籽最大尺寸的范圍為10～18mm，最小尺寸的范圍為8～11mm。 試驗條件：加載速率20mm·min-1，試驗測得的數(shù)據(jù)如表4。

表4 油茶籽的破殼力大小測量試驗Table 4 Measurement of the shell breaking force of camellia oleifera seeds N

2 結(jié)果與分析

2.1 橫縱向加載對脫殼力的影響

由圖2 可知，對油茶果的橫、縱兩個方向分別加載時，裂紋首先出現(xiàn)的區(qū)域和延伸的方向不同。 油茶果殼最先破裂的位置位于縫合線交匯處，裂紋沿著油茶果的縫合線由頂端向四周擴展。圖3 中用序號①與②分別表示兩組不同的試驗，每個散點表示一個測得的試驗數(shù)據(jù)。為了分析兩組試驗結(jié)果之間的關(guān)系需要繪制出一條盡可能逼近這些點的曲線，即曲線擬合。 曲線擬合方法使用最小二乘法，其原理是保證實際數(shù)據(jù)與估計值的差值絕對值的平方和最小。因此，兩條曲線是兩組試驗結(jié)果，通過擬合曲線可以直觀看出不同組試驗結(jié)果之間的差異。 經(jīng)計算，橫向加載所需最大破殼力均值為328．87N，而縱向加載所需破殼力均值為302．96N。 由圖3 可知，擬合曲線顯示橫向加載時破殼力的平均峰值高于縱向加載。 由于油茶果破殼時受到?jīng)_擊的方向不確定，因此設(shè)計時應(yīng)取破殼力峰值最大的加載方向作為設(shè)計標準，后續(xù)試驗中均采用橫向加載。

2.2 油茶鮮果直徑對脫殼力的影響

由圖4 可知，油茶果的直徑與破殼力有直接關(guān)系，隨著油茶果的直徑增大，所需破殼力也越大。 小直徑的油茶果與直徑中等、大直徑的油茶果破殼力的差距較大，直徑中等的油茶果與大直徑的油茶果破殼力差別不大。 為保證鮮果破殼充分，破殼力應(yīng)取最大峰值559．99N。

圖3 加載方向?qū)ζ茪ちΦ挠绊懀ㄗ钚《藬M合曲線圖）Figure 3 Influence of loading direction on shell breaking force（Least square fitting curve）

圖2 油茶果受壓沿縫合線開裂圖Figure 2 Cracking of camellia oleifera fruit under compression along suture

圖4 油茶果直徑對破殼力的影響（最小二乘擬合曲線圖）Figure 4 The effect of the diameter of camellia oleifera fruit on its breaking force（Least square fitting curve）

2.3 加載速率對脫殼力的影響

由圖5 可知，隨著加載速率的增大，破殼力峰值均值隨之增大，但加載速率為20，30，40mm·min-1時，破殼力的峰值曲線變化不顯著。 為驗證加載速率是否對油茶鮮果破殼力峰值造成顯著影響，對表3 中的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，將“加載速率”設(shè)置為影響因子，將“破殼力”設(shè)置為因變量。 計算結(jié)果表明加載速率在20，30，40mm·min-1變化時，其顯著性水平均大于0．05（p＞0．05），因此在這個范圍內(nèi)，加載速率對破殼力的大小沒有顯著的影響，為了提高產(chǎn)量，破殼時可以適當提高輥筒的轉(zhuǎn)速。

圖5 加載方向?qū)ζ茪ちΦ挠绊懀ㄗ钚《藬M合曲線圖）Figure 5 The effect of loading rate on shell breaking force（Least square fitting curve）

2.4 油茶籽的破殼力大小測量及分析

由圖6 可知，油茶籽個體間的破殼力峰值差距較大，這是因為同一個油茶果受到光照、溫度、水分的影響，其內(nèi)部的油茶籽往往發(fā)育不平均，油茶籽有大有小就會導(dǎo)致其破殼力出現(xiàn)波動。從試驗數(shù)據(jù)中得到油茶籽殼破殼力峰值均值為 213．94N，最大破殼力峰值為 339．87N。 在設(shè)計剝油茶籽殼輥筒時應(yīng)使用最大破殼力峰值339．87N作為設(shè)計依據(jù)，并適當增加破殼力，以保證充分破殼。

3 討論與結(jié)論

本研究針對含水率在55．9%～62．5%之間的油茶鮮果進行了靜壓力學(xué)特性的試驗研究，分析了加壓方式、加載速率和直徑大小的油茶果靜壓力學(xué)特性，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明加載速率、加壓方式和油茶果的直徑大小對油茶果最大破殼力影響顯著。 隨著加載速率的增大，破殼力峰值均值隨之增大。 唐湘等[20]研究中表明破殼力隨加載速率的增加先升高后降低。 但本研究中加載速率在20，30，40mm·min-1時，其加載速率對油茶果破殼力的影響不顯著，并通過單因素方差分析證明了這一點。 橫向加載時破殼力的平均峰值高于縱向加載，橫向加載時，油茶果直接受壓的點應(yīng)力最大，假設(shè)油茶果為各向同性材料，則油茶果中應(yīng)力產(chǎn)生的區(qū)域是以受壓點為圓心擴散的圓形區(qū)域。 應(yīng)力的大小分布是受壓點處應(yīng)力最大，以該點為圓心，越遠離圓心的位置應(yīng)力越小。 形變的分布與應(yīng)力分布基本重合，即受壓點位置變形最大。 裂紋一般先產(chǎn)生于受壓點，但是部分試驗中出現(xiàn)了油茶果皮縫合線交匯點處最先破裂的情況， 可見油茶果的結(jié)構(gòu)很大程度上影響了裂紋的產(chǎn)生。 縱向施加載荷時，油茶果果皮的縫合線交匯處應(yīng)力最大，以縫合線為邊，越遠離縫合線應(yīng)力越小。 形變的分布大致與應(yīng)力分布重合，即縫合線交匯處位置變形最大。 本試驗中橫向加載所需最大破殼力均值為328．87N，縱向加載所需破殼力均值為302．96N。 在試驗過程中，油茶果的直徑與破殼力有直接關(guān)系，因此剝油茶果殼之前，需要對油茶果進行分級處理。 與楊樹松[21]的試驗研究結(jié)論一致，即油茶果直徑越大所需要的破殼力越大。 當加載速率為20mm·min-1時，橫向加載時最大直徑的油茶果鮮果的破殼力為559．99N。試驗中測得油茶籽的破殼力最大值為339．87N。

圖6 油茶籽破殼力峰值曲線Figure 6 Peak curve of shell breaking force of camellia oleifera seeds

綜上，在油茶果進入剝殼輥筒之前，應(yīng)根據(jù)油茶果的直徑大小設(shè)計一個分級裝置，使直徑范圍不同的油茶果進入不同的分級軌道，不同分級軌道將油茶果引導(dǎo)到間隙不同的輥筒位置進行剝殼，以此提高剝殼的效率及質(zhì)量；設(shè)計剝油茶果殼輥筒時應(yīng)取破殼力峰值最大的橫向加載方向作為設(shè)計標準；設(shè)計剝油茶籽殼輥筒時以油茶籽最大破殼力為設(shè)計依據(jù)，保證充分破殼；加載速率在20～40mm·min-1范圍內(nèi)，剝殼時可以適當提升輥筒轉(zhuǎn)速，從而提高生產(chǎn)效率。