文冠果种子力学性能分析

邓 享，阚江明

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

文冠果种子力学性能分析

邓 享，阚江明

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

通过万能材料试验机进行文冠果种子静态压缩破壳试验，并进行了三因素三水平正交试验，以含水率、加载速度、加载方向为因素，以初次破壳力、位移量、破壳应变能为指标，分析文冠果种子力学特性。结果表明：初次破壳力随着含水率的减少基本呈现上升趋势，位移量、破壳应变能随含水率的减少大致呈现下降趋势，在加载速度为5、10、15 mm/min时，x轴上的初次破壳力、位移量和破壳应变能基本均小于其他两个方向的；文冠果种子综合破壳效果的影响因素由大到小依次为含水率、加载方向、加载速度；最佳破壳条件为含水率37.14%、加载方向x轴、加载速度15 mm/min，在此条件下，初次破壳力为104.445 N。

文冠果种子；含水率；加载速度；力学特性

文冠果属无患子科，是我国独有的一种油料作物，广泛分布于我国北方地区，文冠果种子开发利用价值极大，种仁含油率达 58.4% ，可直接作为高级食用油料进行加工食用，也可加工提取生物柴油[1-5]，还可以作为化工原料。脱壳取仁是文冠果种子加工再利用的关键环节。脱壳取仁的方法一般分为离心式碰撞脱壳法、化学腐蚀法、真空脱壳取仁法、超声波脱壳法、定间隙挤压脱壳法。这5种方法中定间隙挤压脱壳法最为实用且成本较低，而此方法需要对种子力学性能进行分析，因此文冠果种子的力学性能直接影响其脱壳工艺和加工设备的研制开发。

目前，国内外主要集中在对核桃[6-8]、板栗[9-10]、花生[11-12]、松籽[13]、杏核[14]、棕榈[15]、开心果[16]等坚果物理机械特性研究。马志远等[17]以含水率、加载速度和加载方向为试验因素，以破壳力、破壳变形量和破壳能耗为响应指标，通过单因素试验和三因素三水平正交试验对麻风果种子力学性能进行了分析。丁为民等[18]对不同成熟度的芡实进行压缩和剪切试验，分析芡实不同成熟度及受力方向对其力学性能的影响。而对于文冠果种子的研究主要集中在营养组分分析和生理活性等方面[19]，关于文冠果种子的力学特性鲜有报道。

本文主要对不同含水率的文冠果种子在不同加载速度和不同加载方向下进行静态压缩破壳试验，分析其力学特性之间的规律，为以后的文冠果种子破壳机械设备的研制提供参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

文冠果种子采自甘肃白银，恒温条件下进行保存，文冠果种子外形近似椭球形，以文冠果种子中心为原点，以与原点距离最短为x轴，与原点距离最长为z轴，与原点距离较长为y轴，以此建立三维坐标轴(如图1)。取文冠果种子5组，每组45颗，分别浸泡在水中不同时间后沥干，处理为5种含水率的文冠果种子后恒温保存。

图1 文冠果种子坐标系

GZX-9030MBE电热鼓风干燥箱，深圳瑞格尔电子万能材料试验机，电子天平。

1.2 试验方法

1.2.1 含水率测定

文冠果的含水率(湿基含水率)的测定和计算方法参照GB 5009.3—2010进行。利用恒温干燥箱进行烘烤，将干燥箱的温度设定为105℃，试样在干燥箱中烘4～6 h后称量文冠果种子的绝干质量。通过对烘干前后种子的质量计算湿基含水率。计算公式如下：

(1)

式中：MC为湿基含水率，%；W0为初始质量, g；W1为绝干质量, g。

1.2.2 文冠果种子的静态压缩破壳试验

试验采用静态加载压缩方式，将5组不同含水率的文冠果种子分别平均分为3份，每份15颗，再将这15颗平均分为3份，每份5颗。利用电子万能材料试验机分别对5种含水率下的文冠果种子，分别以5、10、15 mm/min 3种加载速度，从x、y、z轴对种子进行加载，每个方向重复5次，取平均值。试验过程中，试验机会自动保存破壳力以及破壳力对应的位移量。

1.2.3 试验指标

试验指标有3个：初次破壳力(F)(文冠果种子从受载到第一次达到压力波峰时所对应的破壳力)、种子破壳过程中的位移量(S)(初次破壳力对应的位移量)、破壳应变能(E)，其中破壳应变能计算公式为：

(2)

2 结果与分析

2.1 文冠果种子的含水率

文冠果种子含水率分别为39.38%、37.14%、27.14%、17.7%和10.1%。

2.2 力学特性分析

加载速度为15 mm/min时，x、y、z轴下初次破壳力、位移量以及破壳应变能随含水率变化分别见图2、图3和图4。

图2 不同含水率下的初次破壳力

如图2所示，初次破壳力在试验所示含水率范围内随含水率的减少而呈现增大趋势，主要是因为随着含水率的减少，文冠果种壳硬度增大，纤维结构机械硬化，从而导致初次破壳力的增大。通过试验可以看出，x轴方向的初次破壳力总体要略小于y轴与z轴方向下的，形成这种现象的原因主要是因为x轴方向下的纤维组织结构强度较低，且厚度相对y、z轴方向处较薄。

通过SPSS软件拟合出含水率与初次破壳力的函数关系式及判定系数(R2)为：

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分别为x、y、z轴上的初次破壳力，N；x为含水率，%。

由式(3)～(5)可知，文冠果种子的初次破壳力与含水率的关系呈现二次函数的关系,并且因为其R2均大于0.85,所以可以认为其关系均拟合良好。

图3 不同含水率下的位移量

如图3所示，随着含水率的增大，位移量逐渐变大。其主要原因是，随着含水率的增大，种壳、种仁之间的缝隙间充水，从而导致种子膨胀变软。通过对比不同方向位移量可以看出在含水率近似于17.7%时，其各方向上的位移量基本一致，x轴方向的位移量基本略小于y轴与z轴方向下的。

通过SPSS软件拟合出含水率与位移量的函数关系式及判定系数(R2)为：

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分别为x、y、z轴上的位移量，mm；x为含水率，%。

由式(6)～(8)可知，文冠果种子的位移量与含水率的关系在x、z轴方向呈现三次函数的关系，在y轴方向呈现二次函数的关系，并且因为其R2均大于0.85,所以可以认为其关系拟合良好。

图4 不同含水率下的破壳应变能

如图4所示，破壳应变能变化规律相对于以上两种较差一些，但总体可以看出在x轴方向上的破壳应变能基本要小于其他两个方向上的。其主要原因是在x轴方向上种壳相对较薄，且在此方向上种壳与种仁之间的缝隙相对较小，无论是初次破壳力还是位移量x轴方向上均基本小于其他轴的。

通过SPSS软件拟合出含水率与破壳应变能的函数关系式及判定系数(R2)为：

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分别为x、y、z轴上的破壳应变能，mJ；x为含水率，%。

由式(9)～(11)可知，文冠果种子的破壳应变能与含水率的关系在x、z轴方向呈现三次函数的关系，在y轴方向呈现二次函数的关系，并且因为其R2均大于0.85,所以可以认为其关系拟合良好。

加载速度为5、10 mm/min时，结论与15 mm/min时基本一致。

2.3 正交试验优化

为选择最佳的破壳试验方案，以含水率(A)、加载速度(B)、加载方向(C)为因素,以初次破壳力为指标对静态压缩破壳试验进行三因素三水平的正交试验，因素水平见表1，正交试验方案及结果见表2。

表1 因素水平

表2 正交试验方案及结果

由表2可知，最优水平是A1B3C1，即含水率37.14%，加载速度15 mm/min，加载方向x轴。各因素的影响显著程度依次为：含水率>加载方向>加载速度。按照优化条件进行验证试验，初次破壳力为104.445 N，小于正交试验中的最优结果，因此可认为其就是试验的最优方案。

3 结 论

通过对文冠果种子的静态压缩力学试验并进行正交试验分析，探明在不同含水率、加载速度、加载方向条件下文冠果种子静压力学性能参数的影响及规律。其具体结论如下：

(1)文冠果种子的初次破壳力随着含水率的增大而减小，位移量随着含水率的增大而增大，相对前两项指标，破壳应变能变化相对不那么明显。在加载速度为5、10、15 mm/min时，x轴上的初次破壳力、位移量和破壳应变能基本均小于其他两个方向的。

(2)通过正交试验可得出最优破壳条件为：含水率37.14%，加载速度15 mm/min，加载方向x轴。在最优条件下，初次破壳力为104.445 N。为以后文冠果种子破壳机的设计提供理论依据。

[1] 王黎丽，付玉杰，张谡.文冠果种子油提取工艺[J].植物研究，2008(4):509-512.

[2] 白雪,胡文忠,姜爱丽，等.文冠果种仁油开发和应用的研究进展[J].食品工业科技，2016(9):393-396.

[3] 孔维宝,梁俊玉,马正学，等.文冠果油的研究进展[J].中国油脂，2011，36(11)：67-72.

[4] 张乃静.文冠果种仁油制备生物柴油工艺[D].哈尔滨：东北林业大学，2007.

[5] 孙俊.文冠果油的提取及其生物柴油制备工艺研究[D].西安：陕西师范大学，2008.

[6] 沈柳杨，张宏，范修文，等.含水率对温185核桃静压力学性能的影响[J]. 山东农业大学学报(自然科学版),2016(3):332-337.

[7] 孙偲,曹成茂,娄帅帅,等.山核桃破壳力学性能试验[J]. 安徽农业大学学报,2016(2):331-336.

[8] 何义川,史建新.核桃壳力学特性分析与试验[J]. 新疆农业大学学报,2009(6):70-75.

[9] 杨雪银,齐延兴.影响板栗破壳力大小的因素[J]. 食品与生物技术学报,2007(3):56-60.

[10] 张荣荣,李小昱,王为,等.基于揉搓方法的板栗破壳性能的试验研究[J].农业工程学报,2007(5)：177-179.

[11] 程献丽,高连兴,刘明国,等.花生冲击脱壳的力学特性试验[J]. 沈阳农业大学学报,2009(1):111-113.

[12] 刘红力，张永丽，高连兴,等.花生脱壳力学特性试验[J]. 沈阳农业大学学报,2006(6):900-902.

[13] 栾玉振,袁月明,李云飞.松籽壳体工程特性参数的测试与静力有限元计算[J].农业机械学报,1994(2):50-55.

[14] 刘军,陈宏伟.新疆杏核挤压破壳中破坏载荷与其压缩变形量关系的探讨[J]. 包装与食品机械,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] 马志远,张黎骅,夏磊.麻风果种子力学特性的试验[J]. 西南大学学报(自然科学版),2012(3):131-137.

[18] 丁为民，邓丽君，李毅念,等.不同成熟度芡实的力学性能试验分析[J]. 农业工程学报,2012(19):241-247.

[19] 王娅丽,李彬彬,王钰,等.文冠果种子生物学特性研究及营养成分分析[J]. 广东农业科学,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

邓 享(1990)，男，在读硕士，研究方向为森林工程装备及其自动化(E-mail) dengxiang@bjfu.edu.cn。

阚江明，教授，博士(E-mail) kanjm@bjfu.edu.cn。

TS222;O346.1

：A

1003-7969(2017)08-0149-04

应用技术