刀豆脫殼力學特性的實驗研究

李 君，陸華忠，* ，陳梓良，胡澤涵，吳良軍

(1.華南農業大學工程學院，廣東廣州510642;2.華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術，教育部重點實驗室，廣東廣州510642)

刀豆屬豆科刀豆屬的栽培亞種，外形呈長條型，截面扁平略彎曲，種子富含蛋白質，具有良好的藥用價值。對刀豆進行深加工時，必須對其進行脫殼，目前此項工作主要由人工完成［1－2］。為適應刀豆深加工產業化的發展需求，探索刀豆脫殼技術與裝備有重要的研究應用意義。近年來，國內外學者對多種作物的力學特性開展了深入的實驗研究。張黎驊、劉紅力等［3－4］以施壓方向、施壓速率、含水率為因素進行了花生力學特性實驗，結果表明均對花生破碎力有極顯著影響。王新忠、張黎驊等［5－6］采用不同加載方向和含水率對杏核進行了力學特性研究，實驗表明含水率對破碎力影響明顯，含水率越高，所需破碎力越小。Guner M等［7］研究了含水率、加載速率、加載方向對榛子殼仁的破碎力、破碎能量和破碎變形量的影響。Kibar H等［8］分析了含水率對榛子的單位容積重量、真比重、內摩擦角、動靜摩擦系數等力學參數的影響。曹玉華等［9］分析了蓖麻蒴果殼的加載位置對破殼的影響。吳傳宇等［10］提出對蓮子根部預切割后便于擠壓出蓮。李耀明等［11］實驗研究了稻谷的品種、成熟程度、后熟作用和谷殼對谷粒破壞力和破壞能的影響。Karaj S、Nazari Galedar M、Altuntas E等［12－14］分別實驗研究了麻風果、開心果和蠶豆脫殼力學特性。陳燕、卿艷梅等［15－16］以荔枝、龍眼為研究對象，實驗分析了水果類物料的破殼力學特性。雖然間套種刀豆的產業化前景廣闊，但脫殼初加工仍停留在手工階段，需要研究物料力學特性以指導脫殼機設計。目前，國內外未見有關文獻報道硬莢特性刀豆的脫殼力學特性以及不同影響因素的關聯顯著性。本文對刀豆脫殼的力學特性進行研究，設計混合水平的正交實驗方法，以期得到脫殼的最佳參數組合。建立顯著性實驗因素與實驗指標之間的回歸方程模型，并進行方程顯著性檢驗，為刀豆機械化脫殼設備的結構設計和參數優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

矮生刀豆(Canavalia ensiformis) 取自華南農業大學實驗田，剔除雜質及破裂和未達破殼干燥程度的莢果。莢果有明顯的兩條縱脊，縱脊處無圓滑的過渡，外形如圖1所示，L、W和T分別代表莢果的長度、寬度和厚度尺寸，取樣方法為隨機取樣，編號后裝入塑料保鮮袋密封保存。經游標卡尺測量統計，該品種刀豆寬度范圍約為20.0～28.0mm，厚度范圍約為10.0～20.0mm，厚寬比(莢果厚度與寬度的比值)范圍約為0.4～0.8。

WD－E精密型電子式萬能試驗機 廣州市廣材實驗儀器有限公司;DHG－9030(A)101－0A(S)型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海索譜儀器有限公司;ALC－210.3型電子天平 量程210g，精度1mg，北京賽多利斯儀器系統有限公司。

圖1 刀豆外形Fig.1 Appearance of Canavalia

1.2 實驗方法

實驗在WD－E精密型電子式萬能試驗機上進行，實驗機的分辨率為 ±1/120000，力值精度 ±0.5%，位移精度±0.3%。實驗過程可由微機自動完成力和位移的數據采集。經對刀豆莢果進行多方向加壓實驗對比，結果表明:只有沿莢果縱脊面平行方向壓縮，才能達到理想破殼效果，而其它方向加壓莢果無法實現破殼，主要原因在于刀豆截面扁平且莢殼韌性較強。因此，本實驗樣本全部沿莢果縱脊面平行方向、采用平板圓盤壓縮實驗的方式。

1.3 測定方法

1.3.1 含水率測定 參考 GB/T 20264－2006［17］制備試樣，參考 GB/T 1931－2009［18］進行含水率測量。干基含水率計算公式:

式中:Md－干基含水率，%;m－樣品重，g;mw－物料中所含水的質量，g;ms－物料中所含干物質的質量，g。

1.3.2 破殼能量測定 圖2所示為典型的莢果縱脊面平行方向壓縮力與莢殼變形量的關系曲線。橫軸為莢殼變形量，縱軸為縱脊加載壓力值。刀豆莢殼具有一定韌性，在勻速加載過程中，破殼前的壓力隨變形量增加而上升，彈塑性變形同時發生。當加載到破殼點對應壓力值時，莢殼產生相對滑移與破裂，宏觀結構的破壞導致過此點后壓力驟減。受莢殼個體物理特性差異的影響，破殼點并不相同。破殼點對應的變形量為破殼變形量，破殼能量為破殼力曲線與橫軸所圍面積，即:

式中:E－破殼能量，mJ;F－破殼力，N;Dr－破殼變形量，mm;D－變形量，mm。

圖2 刀豆的壓力與變形量關系曲線Fig.2 Force－deformation curve of Canavalia

1.3.3 折算極差計算 對刀豆的破殼力和破殼能量進行極差分析，折算極差R′計算式為［19］

式中:R′－折算極差;d－折算系數，2水平因素取0.71，4水平因素取0.45;r－每個水平的重復次數。

1.4 實驗設計

考慮本實驗為多因素、多指標的綜合實驗，為減少客觀上的實驗次數，提高實驗效率，采取混合水平正交實驗先獲取對力學實驗指標有顯著影響的因素，然后進行單因素實驗的回歸分析的方式，研究顯著影響因素對實驗指標的影響規律。結合硬莢豆類物料的物理特點，并參考文獻［3－7，9］研究殼類作物破殼力學的實驗方法，實驗選取刀豆莢果的寬度、含水率、厚寬比、施壓速率和加載位置作為實驗因素，前四個實驗因素均為4個水平，加載位置為2個水平，力學實驗指標包括破殼力、破殼能量和破殼變形量，實驗因素和水平見表1。不考察因素間的交互效應，根據實驗考察的因素及水平選用L32(2×45)混合水平的正交表來安排實驗。每個處理重復3次，取平均值。為更好獲得各顯著性因素對指標的影響關系，將實驗莢果的厚寬比和寬度各增加1個水平，含水率增加2個水平(用于研究加載壓力、莢果變形量與含水率關系)，進行單因素重復實驗和回歸分析，每實驗處理均固定其他因素不變。加載位置不適合進行回歸分析，在此沒有考慮。單因素實驗水平安排如表2所示，實驗設16個處理，每個處理6次重復。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 單因素實驗水平表Table 2 Factors and levels of single factor test

2 結果與討論

2.1 力學實驗指標混合正交實驗

混合正交實驗結果如表3所示。脫殼設備的效率和能耗主要與物料的破殼力和破殼能量相關，因此，僅對刀豆的破殼力和破殼能量進行極差分析，結果如表4所示。

表3 正交實驗結果Table 3 Test results of orthogonal test

表4 破殼力極差分析Table 4 Results of range analysis

由于刀豆的厚寬比，寬度物料尺寸參數為脫殼加工中不可控因素，由此選擇加載位置、含水率和施壓速率為組合參數進行優水平選擇，破殼力優水平組合為 A1B4D2，即加載位置為中部，含水率為14.6%，施壓速率為20mm/min。破殼能量優水平組合為A1B3D2，含水率為15.45%?；趦芍笜酥衅茪ち炏鹊目紤]，且破殼能量的含水率水平3和水平4的k值差異不大，確定最優水平組合為A1B4D2。

方差分析及顯著性如表5所示。由表5可知，破殼力受含水率的影響極顯著(p＜0.01)，寬度、厚寬比、施壓速率和加載位置對于破殼力影響不顯著(p＞0.05)。破殼能量受含水率的影響極顯著(p＜0.01)，其他因素影響不顯著(p＞0.05)。

表5 方差分析結果Table 5 Results of variance analysis

破殼變形量受加載位置的影響極顯著(p＜0.01)，原因在于中部與端部的莢殼縱脊面結合緊密度以及殼層厚度存在差異。寬度和厚寬比對于破殼變形量的影響顯著(p＜0.05)，原因在于殼仁間隙值與莢殼塑形變形量的差異。含水率、施壓速率對于破殼變形量影響不顯著(p＞0.05)。由于加載位置、寬度和厚寬比對于破殼變形量影響顯著，因此在設計脫殼設備結構時，需要從破殼變形量角度合理調整脫殼腔體的空間尺寸，以降低損傷率和提高脫凈率。

2.2 顯著性因素回歸分析

2.2.1 含水率對破殼力和破殼能量的影響 實驗時刀豆莢果寬度為26mm、厚寬比為0.6，實驗結果如圖3、圖4所示?？梢钥闯?，破殼力隨含水率的增加而增大。原因在于含水率越低，刀豆莢殼的脆性越大，其能夠抵抗破裂的能力就越小。

圖3 含水率與破殼力曲線Fig.3 Effect of moisture content on rupture force

圖4 含水率與破殼能量曲線Fig.4 Effect of moisture content on rupture force

實驗結果表明，當濕基含水率大于20%時，莢殼較軟易變形，無法破裂，如圖5所示。

圖5 壓力、變形量與含水率關系曲線Fig.5 Effect of moisture content on force－deformation curve

破殼力與含水率之間的二次項回歸方程為:)

式中，M－含水率，%。

經方差分析，回歸方程整體顯著性檢驗的p=0.026，截距項回歸系數的p=0.039，一次項回歸系數的p=0.039，二次項回歸系數的p=0.042，在α=0.05的條件下影響顯著。方程判定系數R2=0.97，擬合精確度高。

如圖4所示，刀豆破殼能量與含水率之間呈正相關關系。同樣是因為含水率越低，莢殼的脆性就越大。當含水率大于15.45%以后，破殼能量變化不大。其二次項回歸方程為:)經方差分析，回歸方程的p=0.054，截距項回歸系數的 p=0.055，含水率一次項回歸系數的 p=0.054，二次項回歸系數的p=0.057，在α=0.1的條件下影響較為顯著。方程判定系數R2=0.95，擬合精確度較高。

2.2.2 厚寬比對破殼變形量的影響 實驗時刀豆莢果含水率為17.21%、寬度為26mm，實驗結果如圖6所示。破殼變形量與厚寬比的二次項回歸方程為:

式中，RWT－厚寬比。

經方差分析，回歸方程的p=0.020，截距項回歸系數的p=0.009，一次項回歸系數的p=0.037，二次項回歸系數的p=0.053，在α=0.1的條件下說明該回歸方程有效，二次項關系顯著。方程判定系數R2=0.98，擬合精確度高。由圖6可知，破殼變形量均值隨厚寬比的增大而呈減小趨勢，但是當厚寬比＞0.7以后，破殼變形量均值差異很小。說明外形越瘦薄的莢殼彈性模量越大，塑性變形至破裂所需時間更長。

圖6 厚寬比與破殼變形量曲線Fig.6 Effect of thickness－width ratio on rupture deformation

2.2.3 寬度對破殼變形量的影響 實驗時刀豆莢果含水率為17.21%、厚寬比為0.6，實驗結果如圖7所示。破殼變形量與寬度之間的二次項回歸方程為:

經方差分析，回歸方程的p=0.076，截距項回歸系數的p=0.085，一次項回歸系數的p=0.057，二次項回歸系數的p=0.054，在α=0.1的條件下顯著，說明可以用該回歸方差表示變形量與寬度之間的關系。方程判定系數R2=0.92，擬合較好。當寬度大于24mm以后，破殼變形量均值隨寬度的增大而呈減小趨勢。說明破殼變形量并不會隨莢果幾何尺寸的增大而增加。

圖7 寬度與破殼變形量曲線Fig.7 Effect of width on rupture deformation

3 結論

3.1 當沿莢果縱脊面平行方向壓縮時，脫殼效果理想，其它方向加壓無法使莢殼實現破殼。因此，設計脫殼機時應考慮將莢果縱脊面作為有效加壓方向。

3.2 以刀豆的加載位置、含水率和施壓速率為組合參數，獲得破殼力和破殼能量的綜合最優水平組合為A1B4D2，即加載位置為中部，含水率為14.6%，施壓速率為20mm/min。

3.3 含水率對于刀豆破殼力有極顯著影響(p＜0.01)，其他因素影響不顯著(p＞0.05);破殼能量受含水率的影響極顯著(p＜0.01)，其他因素影響不顯著(p＞0.05);破殼變形量受寬度、加載位置、厚寬比的影響顯著(p＜0.05)，其他因素影響不顯著(p＞0.05)。

3.4 含水率與破殼力、破殼能量呈非線性正相關關系。厚寬比與破殼變形量呈非線性負相關關系，當厚寬比＞0.7以后，破殼變形量均值差異很小。當寬度大于24mm以后，破殼變形量均值隨寬度的增大而呈減小趨勢。

3.5 含水率是影響刀豆脫殼設備加工效果的重要因素，減少含水率有利于提高脫殼率和減少設備能耗，必要時脫殼加工前增設干燥環節。脫殼機的脫殼腔體空間尺寸應按照“破殼變形量總體上隨寬度、厚寬比的增大而減小”原則調整，且接觸變形的適宜線速度為20mm/min左右，以降低損傷率和提高脫凈率。

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