鄧 享，闞江明

(北京林業(yè)大學 工學院，北京 100083)

文冠果種子力學性能分析

鄧 享，闞江明

(北京林業(yè)大學 工學院，北京 100083)

通過萬能材料試驗機進行文冠果種子靜態(tài)壓縮破殼試驗，并進行了三因素三水平正交試驗，以含水率、加載速度、加載方向為因素，以初次破殼力、位移量、破殼應(yīng)變能為指標，分析文冠果種子力學特性。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，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，在加載速度為5、10、15 mm/min時，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；力學特性

文冠果屬無患子科，是我國獨有的一種油料作物，廣泛分布于我國北方地區(qū)，文冠果種子開發(fā)利用價值極大，種仁含油率達 58.4% ，可直接作為高級食用油料進行加工食用，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用且成本較低，而此方法需要對種子力學性能進行分析，因此文冠果種子的力學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，國內(nèi)外主要集中在對核桃[6-8]、板栗[9-10]、花生[11-12]、松籽[13]、杏核[14]、棕櫚[15]、開心果[16]等堅果物理機械特性研究。馬志遠等[17]以含水率、加載速度和加載方向為試驗因素，以破殼力、破殼變形量和破殼能耗為響應(yīng)指標，通過單因素試驗和三因素三水平正交試驗對麻風果種子力學性能進行了分析。丁為民等[18]對不同成熟度的芡實進行壓縮和剪切試驗，分析芡實不同成熟度及受力方向?qū)ζ淞W性能的影響。而對于文冠果種子的研究主要集中在營養(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特性鮮有報道。

本文主要對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行靜態(tài)壓縮破殼試驗，分析其力學特性之間的規(guī)律，為以后的文冠果種子破殼機械設(shè)備的研制提供參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

文冠果種子采自甘肅白銀，恒溫條件下進行保存，文冠果種子外形近似橢球形，以文冠果種子中心為原點，以與原點距離最短為x軸，與原點距離最長為z軸，與原點距離較長為y軸，以此建立三維坐標軸(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 文冠果種子坐標系

GZX-9030MBE電熱鼓風干燥箱，深圳瑞格爾電子萬能材料試驗機，電子天平。

1.2 試驗方法

1.2.1 含水率測定

文冠果的含水率(濕基含水率)的測定和計算方法參照GB 5009.3—2010進行。利用恒溫干燥箱進行烘烤，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。通過對烘干前后種子的質(zhì)量計算濕基含水率。計算公式如下：

(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

試驗采用靜態(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。利用電子萬能材料試驗機分別對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軸對種子進行加載，每個方向重復(fù)5次，取平均值。試驗過程中，試驗機會自動保存破殼力以及破殼力對應(yīng)的位移量。

1.2.3 試驗指標

試驗指標有3個：初次破殼力(F)(文冠果種子從受載到第一次達到壓力波峰時所對應(yīng)的破殼力)、種子破殼過程中的位移量(S)(初次破殼力對應(yīng)的位移量)、破殼應(yīng)變能(E)，其中破殼應(yīng)變能計算公式為：

(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 力學特性分析

加載速度為15 mm/min時，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，初次破殼力在試驗所示含水率范圍內(nèi)隨含水率的減少而呈現(xiàn)增大趨勢，主要是因為隨著含水率的減少，文冠果種殼硬度增大，纖維結(jié)構(gòu)機械硬化，從而導(dǎo)致初次破殼力的增大。通過試驗可以看出，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)象的原因主要是因為x軸方向下的纖維組織結(jié)構(gòu)強度較低，且厚度相對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,并且因為其R2均大于0.85,所以可以認為其關(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。通過對比不同方向位移量可以看出在含水率近似于17.7%時，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，并且因為其R2均大于0.85,所以可以認為其關(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方向上的。其主要原因是在x軸方向上種殼相對較薄，且在此方向上種殼與種仁之間的縫隙相對較小，無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，并且因為其R2均大于0.85,所以可以認為其關(guān)系擬合良好。

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

2.3 正交試驗優(yōu)化

為選擇最佳的破殼試驗方案，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對靜態(tài)壓縮破殼試驗進行三因素三水平的正交試驗，因素水平見表1，正交試驗方案及結(jié)果見表2。

表1 因素水平

表2 正交試驗方案及結(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)化條件進行驗證試驗，初次破殼力為104.445 N，小于正交試驗中的最優(yōu)結(jié)果，因此可認為其就是試驗的最優(yōu)方案。

3 結(jié) 論

通過對文冠果種子的靜態(tài)壓縮力學試驗并進行正交試驗分析，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，相對前兩項指標，破殼應(yīng)變能變化相對不那么明顯。在加載速度為5、10、15 mm/min時，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方向的。

(2)通過正交試驗可得出最優(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的設(shè)計提供理論依據(jù)。

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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，研究方向為森林工程裝備及其自動化(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)