不同因素對文冠果破殼效果的影響研究

李彬彬

(遼寧省旱地農(nóng)林研究所，遼寧 朝陽 122000)

文冠果屬于落葉小喬木或者灌木，是我國特有的一種優(yōu)良的木本油料作物，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，在我國北方地區(qū)廣泛分布。文冠果種子的含油率平均在30%～47%，其中種仁的含油率更高，達(dá)到67%～74%，可直接用于高級食用油的制備，還可用于生物柴油的加工提取[1]。文冠果中提取的生物柴油品質(zhì)優(yōu)，比較符合當(dāng)前優(yōu)質(zhì)生物柴油的指標(biāo)[1-2]。文冠果有著極高的開發(fā)利用價值，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其深加工，首先在文冠果的剝殼機(jī)理、剝殼加工方面需加大研究力度。目前關(guān)于文冠果的研究主要集中在營養(yǎng)成分、生理活性等方面[3]，關(guān)于剝殼的力學(xué)方面的研究相對不多。常見的剝殼方法有離心式碰撞法、化學(xué)腐蝕法、超聲波法、機(jī)械擠壓法等，其中機(jī)械擠壓法是操作簡單、可行性最強(qiáng)、成本比較低的一種方法[4]。為探討加載力方向、速度等因素對文冠果果實(shí)破殼的影響，開展靜態(tài)壓縮破殼試驗(yàn)，以分析幾種力學(xué)特性下文冠果果實(shí)破殼的效果，旨在為文冠果破殼力學(xué)模型、破殼機(jī)的設(shè)計(jì)研制等提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為遼寧建平栽培文冠果，儲存在-1 ℃、空氣相對濕度90%左右的環(huán)境中。文冠果形狀多樣，不太規(guī)則，一般有球形、扁平、半球形3種，其中以半球形相對占比最大，因此試驗(yàn)中的研究對象都選擇半球形的文冠果。

試驗(yàn)儀器包括電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)、恒溫干燥箱、電子天平等。

1.2 試驗(yàn)方法

以文冠果建立幾何坐標(biāo)：原點(diǎn)為種子的中心，X軸為原點(diǎn)指向文冠果較短軸的方向，Y軸為原點(diǎn)指向較長軸的方向，Z軸為原點(diǎn)指向高度的方向[4]；選擇水分含量10.0%～10.5%的文冠果，并按照質(zhì)量范圍分為不同等級：單果重在1 g以上為A等級，單果重0.7～1.0 g為B等級，單果重低于0.7 g為C等級[4]。

1.2.1 加載力方向的影響試驗(yàn)

隨機(jī)從試驗(yàn)文冠果中選擇60個A級果，隨機(jī)分成3組，每組20個文冠果作為重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)3個加載力方向，即分別沿著X、Y、Z 三個方向加力，測定加力過程中文冠果的形變情況以及殼破裂的加載力大小。注意加載力過程中保持速度一致，本試驗(yàn)均控制在5 mm·min-1。試驗(yàn)過程中注意各處理下文冠果裂紋產(chǎn)生的位置、延伸方向、裂紋長短等，破殼力大小(N)及變形程度(mm)，最后取20次重復(fù)的平均值[5-6]。

1.2.2 文冠果質(zhì)量的影響試驗(yàn)

從試驗(yàn)文冠果中隨機(jī)選擇60個，包括A、B、C3個等級各20個。試驗(yàn)設(shè)9個處理，即將3個等級分別作為3個處理，每個等級中20個文冠果作為重復(fù)。加載速度各個處理保持一致，均控制在5 mm·min-1，加載力的方向均統(tǒng)一安排沿著X方向；記錄各處理下文冠果殼破裂時力的大小，20個重復(fù)取平均值。

1.2.3 加載速度的影響試驗(yàn)

從試驗(yàn)文冠果中隨機(jī)選擇60個A級果，分成3組，每組20個文冠果作為重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)4次加載力處理，分別為5、10、15、20 mm·min-1，加載力的方向各處理均沿著X方向[7]；測量各處理文冠果破殼時力的大小，20次重復(fù)最后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同加載力方向?qū)ξ墓诠茪ばЧ挠绊?/h3>

通過設(shè)置X、Y、Z 三個方向的加載力，測量破殼前文冠果的形變程度與加載力大小之間的關(guān)系，最后統(tǒng)計(jì)文冠果破殼時加載力的大小以及果殼的最大形變程度，結(jié)果見表1。

表1 各加載力處理下文冠果破殼效果分析

根據(jù)試驗(yàn)過程中的觀察以及表1的數(shù)據(jù)分析，可知在文冠果破殼前，不同加載力方向處理下外殼最大形變程度均隨著力的增加而加劇，當(dāng)文冠果破殼后加載力迅速下降；不同加載力方向處理下，以沿著Y方向上破殼時的破殼力、變形程度最大，分別為402 N、1.542 mm；以X方向上破殼時的破殼力、形變程度最小，分別為343 N、0.815 mm；通過對不同處理下平均破殼力的分析，沿著Y、Z兩個方向加載力的處理平均破殼力差別不大，均明顯大于沿著X方向加載力的處理；通過對試驗(yàn)過程中不同加載力下文冠果裂紋產(chǎn)生的位置、延伸方式的觀察，X方向加載力的處理破殼時裂紋的方向不固定，且裂紋相對較短；Y方向加載力的處理下文冠果外殼形變程度最明顯，裂紋延伸的方向?yàn)檠刂芰Φ姆较颍a(chǎn)生的裂紋也最長；Z方向加載力的處理下主要在果實(shí)的頂部產(chǎn)生裂紋，且整體破殼的效果不佳。由此可知，文冠果破殼以選擇X方向作為加載力的方向?yàn)樽罴选?/p>

2.2 不同文冠果等級對破殼效果的影響

通過對3個等級文冠果破殼效果的研究，結(jié)果表明，不同等級文冠果破殼時力的大小有不同程度的區(qū)別，本試驗(yàn)條件下以B級果的平均破殼力最大，為380 N，A級果與C級果的平均破殼力差別不大，分別為343 N、340 N。

2.3 不同加載速度對文冠果破殼效果的影響

通過對不同加載速度下文冠果破殼力大小分析，結(jié)果表明，不同加載速度下，文冠果破殼力的大小隨著加載速度增加而稍微降低，但是差別不明顯(表2)。

表2 各加載速度下文冠果的破殼效果分析

3 結(jié)論與討論

通過對不同的加載方向、加載速度、果實(shí)質(zhì)量下文冠果破殼效果的研究，結(jié)果表明，在相同的加載方向上，加載的力越大果殼形變的程度越大；沿著X軸加載力時，都是集中在文冠果受到載荷的中間位置上，無法向外有較大范圍的擴(kuò)展，因此變形最小，裂紋比較短，且裂紋的方向隨機(jī)；加載力沿著Y方向時，則沿著力的方向應(yīng)力、應(yīng)變逐漸向外擴(kuò)展開，產(chǎn)生的形變程度最劇烈，裂紋最長最明顯；沿著Z方向加載時，由于加載力主要集中在文冠果的尖端，導(dǎo)致其他大部分部位的殼難以破開；試驗(yàn)中等級A、C兩個等級的文冠果破殼力差異不大，均明顯低于等級B的處理，分析原因可能是A等級的文冠果比較重、體積大，與儀器壓頭的接觸面積也大，因此破殼的力比B等級的破殼力小，而C等級的破殼力小的原因在于其加載力的位置處于文冠果的尖端位置，尖端破殼時其他大部分殼未破；各加載速度對文冠果的破殼效果影響不明顯。