基于錐形針的油茶果破殼性能試驗

肖本貴，賴曲芳，胡淑芬*，劉木華，鄧勇杰，張廬陵，劉斌

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江西 南昌 330045)

油茶果通常在每年的10 至11 月集中采收，如不及時進行脫殼、清選、干燥處理，極易霉變、腐爛[1]。提高油茶果機械化加工效能顯得至關(guān)重要。有關(guān)核桃、花生等油料作物的果殼破殼技術(shù)已經(jīng)較為成熟[2–3]。堅果類的破殼有擠壓式[4]、擊打式[5]、撞擊式[6]、揉搓式[7]等破殼方法，其中擠壓式破殼因其結(jié)構(gòu)簡單、易操作、性能優(yōu)良等優(yōu)點適用于硬殼而韌性較強的核桃破殼，可為油茶果破殼機械的研究提供參考。

目前油茶果破殼研究試驗中的主流破殼方法有間隙擠壓揉搓法[8–11]、多滾刀撞擊切割法[12]、離心拋摔撞擊法[13]、柔性輥抽打法[14–15]、碾搓法[16–17]、氣動刨削法[18]等?，F(xiàn)有的油茶果破殼裝置均采用強制破殼方式，破殼過程中容易將茶籽擊傷、擊碎，同時還會導(dǎo)致大茶果易破殼而小茶果破殼不完全，甚至不能破殼，因而影響茶籽的品質(zhì)和出油率。為了優(yōu)化現(xiàn)有的油料作物破殼加工設(shè)備，結(jié)合油茶果的生物特性和力學(xué)性能[19–22]，筆者提出一種基于錐形針破殼的油茶果破殼方法：錐形針安裝在可上下移動的導(dǎo)向柱機架上，通過曲柄機構(gòu)帶動錐形針上下移動，由錐形針將外力轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力，使油茶果殼沿著油茶果特有的生物裂瓣結(jié)構(gòu)裂開，保證油茶果殼破開后的完整性，利于提高后期油茶籽殼的清選效率，簡化油茶果加工工藝流程。

1 油茶果錐形針的破殼原理

油茶果的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由油茶果殼和油茶籽組成[23]。油茶果殼分為頂部、中部和蒂部，頂部的厚度最大，為5～10 mm，蒂部厚3～6 mm，中部(腹部)的果殼最薄，為1.0～2.8 mm。生物裂瓣分布于油茶果頂部與蒂部之間，裂瓣從頂部開裂，形成類似花瓣的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)為“Y”形裂瓣，也有的呈現(xiàn)為“十”字形裂瓣，每瓣大小、形狀相近。

圖1 油茶果的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Biological structure of Camellia oleifera fruit

油茶果破殼時，對錐形針施加外力，使其勻速下行，作用于油茶果殼的頂部區(qū)域，隨著錐形針插入油茶果頂部區(qū)域(該區(qū)域也是油茶果生物裂瓣裂縫聚集區(qū)域)，油茶果殼沿其生物裂瓣裂開，形成裂口，裂口逐漸增大(裂口長度達到5 mm 以上視為破開)，隨后錐形針上移回到原位，完成油茶果的破殼。

油茶果破殼過程大致分為3 個階段：第一階段，錐形針下行至接觸到油茶果殼表面；第二階段，錐形針繼續(xù)下行至插入到油茶果內(nèi)部預(yù)定深度；第三階段，錐形針從油茶果內(nèi)部預(yù)定深度向上作回程運動至油茶果殼上方預(yù)定高度。破殼過程中油茶果受力較為復(fù)雜。為便于分析，忽略次要因素的影響，分析油茶果接觸錐形針到錐形針插入油茶果內(nèi)部預(yù)定深度這一過程的力學(xué)變化(圖2)，建立坐標(biāo)系聯(lián)立方程求解。分別以錐形針和油茶果為研究對象，進行受力分析。

圖2 錐形針破殼油茶果的受力Fig.2 The force of Camellia oleifera fruit broken by conical needle

錐形針受力平衡方程為：

對油茶果進行受力分析，由于F1=–F3，F(xiàn)2=–F4；f1=–f3，f2=–f4，油茶果的受力平衡方程為：

2 油茶果錐形針破殼試驗

2020 年10 月17 日，采摘“贛無”系列含水率為55%～65%的油茶鮮果，利用德國 GOM 公司ATOS Triple Scan II 三維掃描儀(精度0.007 mm)測量油茶鮮果的三維長度；選用直徑25～30 mm 的油茶果進行錐形針(圖3)在加載速率1 mm/s 條件下的破殼試驗。試驗開始時，先將錐形針緊固在質(zhì)構(gòu)儀的探頭上，選擇加載程序，對質(zhì)構(gòu)儀進行調(diào)零，將油茶果頂部朝上、蒂部朝下垂直放置在質(zhì)構(gòu)儀載物臺的工作區(qū)域，錐形針向下運動，按照預(yù)定的插入深度從油茶果的頂部區(qū)域插入，達到預(yù)定的插入深度后，錐形針向上作回程運動，達到預(yù)定高度后停止運動。

圖3 不同錐角角度的錐形針Fig.3 Conical needles with different cone angles

對油茶果破殼影響因素的初步分析可知，錐形針錐角角度、錐形針插入果殼的深度和采摘后的存放時間是油茶果的果殼裂口長度以及破殼力大小的影響因素，因而通過單因素法和多因素正交試驗，確定最佳參數(shù)組合。

2.1 單因素試驗

選取15 個直徑25～30 mm 油茶鮮果，將其分成3 組，每組5 個，在錐形針插入深度8 mm、存放2 d 時，分別選取錐形針錐角角度30°、45°、60°進行試驗。重復(fù)5 次。測定油茶果破殼過程中的最大破殼力和破殼后的裂口長度。

選取15 個直徑25～30 mm 油茶鮮果，將其分成3 組，每組5 個，在錐形針錐角角度為60°、油茶果存放5 d 時，分別選取插入深度為5、8、11 mm 進行試驗。重復(fù)5 次。測定油茶果破殼過程中的最大破殼力和破殼后的裂口長度。

選取15 個直徑25～30 mm 油茶鮮果，將其分成3 組，每組5 個，在錐形針錐角角度為60°、插入深度為11 mm 時，分別選取存放2、5、8 d 進行試驗。重復(fù)5 次。測定油茶果破殼過程中的最大破殼力和破殼后的裂口長度。

從表1 可以看出，在其他因素保持不變的情況下，在一定錐角范圍內(nèi)，隨著錐形針錐角角度的增大，破殼力和裂口長度也隨之增大；在其他因素保持一定的情況下，在一定插入深度范圍內(nèi)，隨著插入深度的增大，破殼力和裂口長度也隨之增大；在其他因素保持一定的情況下，在一定存放時間范圍內(nèi)的，隨著存放時間的延長，破殼力減小，裂口長度增大。

表1 單因素試驗的油茶果的裂口長度和破殼力Table 1 Crack size and shell breaking force of Camellia oleifera fruit in single factor test

2.2 正交試驗

考慮3 個影響因素的主效應(yīng)，確定如表2 所示的正交水平表。每組試驗重復(fù)3 次，結(jié)果取平均值。選用L9(34)正交表進行試驗。試驗中以油茶果頂部裂口長度和破殼力作為破殼效果的評價指標(biāo)。

表2 正交試驗因素及水平Table 2 Factor level of orthogonal test

試驗結(jié)果及分析如表3 所示。利用Excel 軟件對正交試驗結(jié)果進行極差分析和方差分析。

表3 正交試驗油茶果殼的裂口長度和破殼力Table 3 The crack size and breaking force of Camellia oleifera shell were tested by orthogonal test

從表3 裂口長度極差分析可以看出，影響裂口各因素的主次順序依次為錐形針錐角角度、插入深度、存放時間。錐形針錐角角度的3 個水平比較，錐形針錐角角度為60°時，裂口長度均值最大，為13 mm；插入深度的3 個水平比較，插入深度為11 mm 時，裂口長度均值最大，為10.9 mm；存放時間的3 個水平比較，存放時間為8 d 時，裂口長度均值最大，為9.6 mm。裂口長度最優(yōu)的因素水平組合為錐形針錐角角度60°、插入深度11 mm、存放8 d。

從表3 破殼力極差分析可以看出，影響破殼力各因素的主次順序依次為插入深度、錐形針錐角角度、存放時間。插入深度的3 個水平比較，插入深度為11 mm 時，破殼力均值最大，為91.3 N；錐形針錐角角度的3 個水平比較，錐形針錐角角度為60°時，破殼力均值最大為99.2 N；存放時間的3 個水平比較，存放時間為5 d 時，破殼力的指標(biāo)均值最大，為84.7 N。破殼力最優(yōu)的因素水平組合為錐形針錐角角度60°、插入深度11 mm、存放時間2 d。

運用Excel 對正交試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果列于表4 和表5。

表4 裂口長度的方差分析Table 4 Analysis of variance for opening size

表5 破殼力方差分析Table 5 Variance analysis of shell breaking force

從表4 可以看出，顯著水平0.05 下，錐形針錐角角度和插入深度的F值大于臨界值，存放時間的F值小于臨界值；顯著水平0.01 下，錐形針錐角角度的F值大于臨界值，插入深度和存放時間的F值均小于臨界值。由此可知，對于油茶果裂口長度，錐形針錐角角度的影響極顯著，插入深度的影響顯著，存放時間的影響不顯著，影響裂口長度的因素主次依次為錐形針錐角角度、插入深度、存放時間，較優(yōu)組合為錐形針錐角角度60°、插入深度11 mm、存放時間8 d。

從表5 可以看出，顯著水平0.05 下，錐形針錐角角度和插入深度的F值大于臨界值，存放時間的F值小于臨界值；顯著水平0.01 下，錐形針錐角角度、插入深度、存放時間的F值均小于臨界值。對于油茶果破殼力，錐形針錐角角度和插入深度的影響顯著，存放時間的影響不顯著，影響破殼力的因素主次依次為插入深度、錐形針錐角角度、存放時間，較優(yōu)組合為錐形針錐角角度60°、插入深度11 mm、存放時間2 d。

綜合來看，以油茶果裂口長度和破殼力為評價指標(biāo)時，錐形針錐角角度60°、錐形針插入果殼深度11 mm 以及存放8 d 為最優(yōu)參數(shù)。經(jīng)試驗驗證，錐形針錐角角度60°、插入深度11 mm、存放8 d可以取得較好的破殼效果，在此參數(shù)下的裂口長度平均為5.4 mm，破殼力平均為83.8 N。

3 結(jié)論

選用“贛無”系列含水率為55%～65%的油茶果進行錐形針破殼試驗，分析錐形針錐角角度、錐形針插入果殼的深度、采摘后的存放時間3 個關(guān)鍵因素對油茶果裂口長度和破殼力的影響。單因素試驗結(jié)果表明，其他因素保持不變的情況下，錐形針錐角角度在一定范圍內(nèi)時，隨著錐形針錐角角度的增大，裂口長度和破殼力也隨之增大；錐形針插入深度在一定范圍內(nèi)時，隨著插入深度的增大，裂口長度和破殼力也隨之增大；存放時間在一定范圍內(nèi)時，隨著存放時間的增大，裂口長度也隨之增大，破殼力卻隨之減小。

正交試驗結(jié)果表明，影響裂口長度因素主次依次為錐形針錐角角度、插入深度、存放時間，最佳參數(shù)為：錐形針錐角角度60°、插入深度11 mm、存放8 d；影響破殼力因素主次依次為插入深度、錐形針錐角角度、存放時間，最佳參數(shù)為：錐形針錐形角度60°、插入深度11 mm、存放2 d。綜合分析，以油茶果裂口長度和破殼力為評價指標(biāo)時，錐形針錐角角度為60°、錐形針插入果殼深度11 mm 以及存放8 d 為最優(yōu)參數(shù)。驗證試驗表明，在此參數(shù)下的裂口長度平均為5.4 mm，破殼力平均為83.8 N。