厚度和含水率對(duì)巴旦木破殼力學(xué)特性的影響

劉延彬，吐魯洪·吐尓迪，楊會(huì)民，散鋆龍，王學(xué)農(nóng)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京市 100083)

0 引 言

【研究意義】巴旦木又稱扁桃或薄殼杏仁，屬薔薇科Rosaceae桃屬植物，抗旱、耐瘠薄，是木本油料樹(shù)種，且營(yíng)養(yǎng)及藥用價(jià)值很高。主要分布在美國(guó)、地中海及中國(guó)新疆地區(qū)。新疆是中國(guó)唯一的大面積巴旦木種植區(qū)，規(guī)?；耘嘁呀?jīng)有1 300多年歷史，主要分布在喀什地區(qū)的莎車縣、英吉沙縣、疏附縣和葉城縣。新疆巴旦木種植面積達(dá)8.67×104hm2(130萬(wàn)畝)，占新疆特色林果栽培總面積的6.5%，是新疆重要的經(jīng)濟(jì)作物[1-6]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)對(duì)核桃、杏核和板栗等堅(jiān)果物理特性和力學(xué)特性有大量的相關(guān)研究。高警等[7]通過(guò)對(duì)破殼擠壓方向、加載速率、核桃尺寸、預(yù)處理等因素影響下的破殼力進(jìn)行測(cè)定，得出最佳的破殼擠壓方向、加載速率以及核桃尺寸的變化與破殼力的關(guān)系。劉紅力等[8]表明花生沿不同方向加載的破殼能力有顯著差異，加載速率和含水率不同時(shí)，變形與破殼載荷也均有所變化。張榮榮等[9]表明在板栗YZ平面的Y方向和Z方向施加載荷的破殼效果優(yōu)于在XZ平面的Z方向施加載荷的方式。喬園園等[10]對(duì)兩種核桃破殼方式與殼仁脫離特性進(jìn)行了研究，分析了不同破殼方式下核桃殼的破碎度與核桃殼仁分離特性的關(guān)系。那雪姣等[11]表明不同品種、不同受壓部位的花生仁破碎力差異顯著，加載速率不同時(shí)，花生仁的破碎變形量和最大破碎載荷都隨著加載速率的增大而減小。劉軍[12]表明杏核破殼的最佳截面為杏核所具有的最大應(yīng)力截面，即橢圓截面的最小回轉(zhuǎn)半徑處。【本研究切入點(diǎn)】中國(guó)新疆巴旦木品種種類較多且與國(guó)外巴旦木品種類型差別大，但對(duì)巴旦木的研究較少，目前尚無(wú)有關(guān)巴旦木破殼力學(xué)特性的文獻(xiàn)報(bào)道。研究3個(gè)巴旦木品種的物理特性，進(jìn)行不同厚度和含水率相關(guān)力學(xué)特性試驗(yàn)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究中國(guó)新疆巴旦木的破殼力學(xué)特性，觀察和測(cè)量不同品種巴旦木外形尺寸、含水率、殼仁結(jié)構(gòu)與間隙、力學(xué)特性等。為本地巴旦木破殼機(jī)械的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 巴旦木品種

巴旦木品種選用莎車國(guó)營(yíng)二林場(chǎng)的米桑、雙果和晚豐三個(gè)品種，人工采收后脫青皮處理，自然晾曬。除去不完整、外殼有裂痕的巴旦木，隨機(jī)選取試驗(yàn)樣本。

1.1.2 設(shè)備

微機(jī)電子控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT6103(美特斯工業(yè)系統(tǒng)中國(guó)有限公司)，準(zhǔn)確度等級(jí)：1級(jí)；體式顯微分析系統(tǒng) SZX16+DP25(日本)，變倍比：16.4 (0.7×～11.5×) ；冠亞SFY-6鹵素快速水分測(cè)定儀(深圳市冠亞電子科技有限公司)，水分含量可讀性：0.01%；精密鼓風(fēng)干燥箱 BOG-9140A (上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，溫度分辨率：0.1℃；游標(biāo)卡尺(深圳暢聯(lián)貿(mào)易有限公司)，精度：0.02 mm。

1.2 方 法

1.2.1 測(cè)量含水率

三個(gè)巴旦木品種各隨機(jī)選取50粒并平均分成5組；三個(gè)巴旦木品種再各隨機(jī)選取100粒，破殼使殼仁分開(kāi)，殼仁各平均分成5組；得到殼仁混合、殼和仁單獨(dú)樣品。用冠亞SFY-6鹵素快速水分測(cè)定儀各測(cè)試5次，測(cè)出殼、仁和殼仁混合的含水率求其平均值。

不同含水率預(yù)處理：除試驗(yàn)樣品外，再選取三個(gè)品種巴旦木各40粒放入水中浸泡48 h，自然晾干24 h，鼓風(fēng)干燥箱烘干溫度設(shè)定為60℃，通過(guò)不同時(shí)間(40 min、1 h、2 h、3 h)烘干得米桑、雙果和晚豐5個(gè)水平的含水率。表1

表1 含水率水平
Table 1 Moisture content level

品種Variety含水率Moisture content (%)米桑 Misang16.5812.958.815.302.29雙果 Shuangguo27.5116.7111.588.264.83晚豐 Wanfeng17 .0010.477.264.871.96

1.2.2 外形尺寸測(cè)量

隨機(jī)選取未經(jīng)任何處理正常存放條件下的三個(gè)品種各160粒。用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量三個(gè)品種的長(zhǎng)度(L)、寬度(W)和厚度(T)，通過(guò)計(jì)算公式(1～4)求出幾何平均直徑(GMD)、球度(φ)、表面面積(S)和體積(V)[13-16]。圖1

(1)

式中GMD為幾何平均直徑，mm；L為長(zhǎng)度，mm；W為寬度，mm；T為厚度，mm。

(2)

式中φ為球度，%。

S=π(GMD)2.

(3)

式中S為表面面積，mm2。

(4)

式中V為體積，mm3。

三個(gè)巴旦木品種各隨機(jī)選取5粒巴旦木，用同樣方法測(cè)量樣本在5個(gè)含水率每個(gè)水平的外形尺寸，研究不同含水率對(duì)巴旦木外形尺寸的影響。表1

1.2.3 殼仁間隙測(cè)量

根據(jù)外形尺寸測(cè)量結(jié)果，取米桑5個(gè)厚度等級(jí)、雙果和晚豐均3個(gè)厚度等級(jí)的巴旦木各5粒。用游標(biāo)卡尺測(cè)量巴旦木厚度尺寸(T)、殼(Tk)和仁(Tr)的厚度尺寸，用公式(5)計(jì)算間隙大小取平均值[17-19]。圖1

選取三個(gè)巴旦木品種其厚度分布范圍(米桑15～16 mm、雙果14～15 mm、晚豐12～13 mm)最集中的巴旦木各5粒，測(cè)出米桑、雙果和晚豐5個(gè)含水率水平的每個(gè)水平下的巴旦木厚度(T)、殼(Tk)和仁(Tr)的厚度，用公式(5)計(jì)算間隙大小取平均值，研究不同厚度和不同含水率對(duì)殼仁間隙的影響。表1

Δ=T-Tr-2Tk.

(5)

式中Δ為間隙，mm；T為巴旦木厚度，mm；Tk為殼厚度，mm；Tr為仁厚度，mm。

圖1 巴旦木尺寸和殼仁間隙示意
Fig.1 Clearance of size and shell kernel space of almonds

1.2.4 殼仁結(jié)構(gòu)觀察

選取三個(gè)巴旦木品種正常存放條件下各一粒，電鋸在厚度方向切割，用體式顯微鏡觀察切割截面，與其它堅(jiān)果殼仁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。

米桑、雙果和晚豐各取一個(gè)樣品，電鋸在厚度方向切割，預(yù)處理得到米桑含水率(16.58%、8.81%、2.29%)、雙果含水率(27.51%、11.58%、2.3%)和晚豐含水率(17%、7.26%、1.96%)，用體式顯微鏡觀察樣品在每個(gè)含水率水平的殼仁結(jié)構(gòu)并拍照，研究不同含水率對(duì)殼仁結(jié)構(gòu)的影響。

1.2.5 力學(xué)特性測(cè)量

研究表明，米桑按厚度分5個(gè)等級(jí)、雙果和晚豐均分3個(gè)等級(jí)，級(jí)差1 mm，預(yù)處理得到各自5個(gè)水平的含水率。研究不同厚度和不同含水率對(duì)破殼力學(xué)性能的影響[20]。表1

取含水率為5.3%的米桑、4.83%的雙果和4.87%的晚豐，采用厚度方向加載方式，加載速度為10 mm/min，通過(guò)對(duì)米桑厚度(A1，A2，A3)、雙果厚度(B1，B2，B3)和晚豐厚度(C1，C2，C3)各自3個(gè)不同厚度等級(jí)的巴旦木進(jìn)行加載直至破裂，每個(gè)等級(jí)各進(jìn)行5次試驗(yàn)，記錄破殼力值、變形量[21-23]。

采用厚度方向加載方式，加載速率為10 mm/min，選擇五個(gè)不同含水率水平的米桑厚度A3等級(jí)、雙果厚度B2等級(jí)和晚豐厚度C2等級(jí)的巴旦木進(jìn)行加載直至破裂，每個(gè)水平各進(jìn)行5次試驗(yàn)，記錄測(cè)量數(shù)值，計(jì)算平均值[24-27]。

根據(jù)以上測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)公式(6～8)對(duì)能耗(Ea)、彈性模量(E)和功率(P)進(jìn)行計(jì)算[28-29]。

(6)

式中Ea為能耗，mJ；Fr為破殼力，N；Dr為變形量，mm。

(7)

式中E為彈性模量，Pa；μ為泊松比，μ=0.3；R為最小曲率半徑，mm；R’為接觸點(diǎn)的最大曲率半徑，mm；K為系數(shù)，K=1.343。

(8)

式中P為功率，W；V為加載速度，mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率測(cè)量

研究表明，米桑、雙果和晚豐的殼仁混合、殼、仁的含水率分別為5.3%、6.51%和3.5%，4.83%、5.93%和3.56%，4.87%、6.44%和3.42%。殼含水率>殼仁混合含水率>仁含水率，歸因于巴旦木仁含有大量粗蛋白和粗脂肪及部分糖分，因此巴旦木仁的含水率最低。

2.2 巴旦木外形尺寸

研究表明，巴旦木同一品種的外形尺寸存在差異，不同品種差異更大，歸因于巴旦木品種獨(dú)有特性及環(huán)境和生長(zhǎng)條件的不同。其中，米桑厚度分A1(13～14 mm)、A2(14～15 mm)、A3(15～16 mm)、A4(16～17 mm)和A5(17～18 mm)5個(gè)等級(jí)，集中在A3，占29.38%；雙果厚度分B1(12～13 mm)、B2(13～14 mm)和B3(14～15 mm)3個(gè)等級(jí)，集中在B2，占50.63%；晚豐厚度分C1(11～12 mm)、C2(12～13 mm)和C3(13～14 mm)3個(gè)等級(jí)，集中在C2，占52.5%。球度結(jié)果表明，米桑、雙果和晚豐都離球形形狀很遠(yuǎn)，這意味著帶圓孔的分級(jí)裝置不適合對(duì)巴旦木進(jìn)行分級(jí)，可采用滾筒柵條分級(jí)裝置根據(jù)厚度等級(jí)控制柵條間隙分段分級(jí)。表2、圖2

研究巴旦木三個(gè)品種的寬度(W)、長(zhǎng)度(L)、厚度(T)之間的聯(lián)系，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，根據(jù)最佳擬合模型建立如下方程。

W(米桑)=4.293+0.388L+0.363T.

R2=0.768

(9)

W(雙果)=9.068+0.084L+0.356T.

R2=0.096.

(10)

W(晚豐)=5.027+0.244L+0.282T.

R2=0.423.

(11)

圖2 巴旦木厚度分布
Fig.2 The thickness distribution of almonds
表2 外形尺寸統(tǒng)計(jì)
Table 2 Shape size statistics

品種Variety參數(shù)Parameter最大值Max最小值Min平均值Mean方差 D(X)標(biāo)準(zhǔn)差E(X)偏度Skewness峰度Kurtosis米桑Mi sangL/mm44.0027.1033.789.813.130.450.14W/mm28.4218.4022.933.331.830.30 0.04T/mm19.5612.7415.221.831.350.500.08GMD/mm28.0418.7222.753.301.820.32-0.19Φ/%72.7660.6767.445.032.24-0.27-0.26S/mm22 469.261 101.321 635.6369 222263.10.520.05V/mm311 537.863 436.726 279.592 338 5571 5290.720.40晚豐Wan fengL/mm42.1426.8634.197.622.76-0.723.41W/mm20.1714.0016.842.051.430.040.13T/mm22.6610.1012.370.740.86-0.111.26GMD/mm23.5115.6019.221.211.10-0.390.88Φ/%69.7146.8856.306.842.621.309.21S/mm21 735.99764.751 165.1821 030145-0.180.72V/mm36 801.351 988.633 763.22586 570765.880.0210.75雙果Shuang guoL/mm49.8027.6240.999.813.130.450.14W/mm21.0012.6217.303.331.830.300.04T/mm16.4210.8013.511.831.350.500.08GMD/mm24.6917.3521.213.301.820.32-0.19Φ/%67.7142.2751.865.032.24-0.27-0.26S/mm21 914.95945.261 417.1969 222263.100.520.05V/mm37 876.652 732.755 035.982 338 5571 5290.720.40

由F檢驗(yàn)結(jié)果表明，含水率對(duì)巴旦木長(zhǎng)、寬、厚度尺寸的影響均顯著(P< 0.05)，相關(guān)系數(shù)R2驗(yàn)證，均大于0.8，因此方程擬合良好。可知巴旦木的長(zhǎng)、寬、厚度尺寸與含水率之間呈線性正相關(guān)，隨著含水率的增加而增加，主要是巴旦木吸收水分而膨脹所致。表3

表3 不同含水率下巴旦木外形尺寸變化
Table 3 Change of shape size of almond under different moisture content

品種Variety參數(shù)ParameterF檢驗(yàn)Test回歸方程Regression equationR2值Value米桑Misang長(zhǎng)度 L12.547*y=0.083 x+35.0210.807寬度 W 21.219*y=0.07 x+23.7110.876厚度 T17.162*y=0.048 x+15.030.851雙果Shuangguo長(zhǎng)度 L97.612**y=0.068 x+41.0220.970寬度 W31.511*y=0.034 x+17.3660.913厚度 T53.223**y=0.014 x+12.9840.947晚豐Wanfeng長(zhǎng)度 L24.856*y=0.072 x+31.6270.892寬度 W18.514*y=0.039 x+15.7160.861厚度 T8.685*y=0.011 x+11.7270.832

注：*.差異顯著(P< 0.05)；**.差異極顯著(P< 0.01)

Note:*Significant difference (P<0.05);**Extremely significant difference (P<0.01)

2.3 殼仁間隙測(cè)量

研究表明，米桑、雙果和晚豐的殼仁間隙的最大值、最小值和平均值分別為3.58、2.4和1.92 mm，3.02、2.01和1.4 mm，1.8、1.42和1.26 mm。研究表明，殼仁間隙的變化規(guī)律隨著巴旦木的厚度增大而增大；且隨著含水率的增大而增大，而到正常存放的含水率時(shí)，間隙達(dá)到最大，然后又隨著含水率的增大而減小。

殼仁間隙的大小與破殼時(shí)仁的破碎率有密切關(guān)系。如果巴旦木破壞時(shí)變形量大于殼仁間隙，則增大了巴旦木仁破碎的概率。由巴旦木厚度尺寸對(duì)破殼時(shí)變形量影響可知，米桑、雙果和晚豐變形量為1.10～1.89 mm、1.01～1.38 mm和0.98～1.25 mm，小于殼仁間隙的平均值，因此巴旦木破殼時(shí)可保證仁不被壓碎。因此設(shè)計(jì)對(duì)輥破殼機(jī)構(gòu)時(shí)，對(duì)輥間隙變化應(yīng)控制在[巴旦木不同等級(jí)厚度-(0.98～1.89)] mm，可保證較高的破殼率和果仁完整率。圖3

圖3 不同厚度和含水率下殼仁間隙變化Fig.3 Change of shell kernel space under different thickness and moisture content

2.4 殼仁結(jié)構(gòu)觀察

巴旦木與核桃和杏核的截面進(jìn)行對(duì)比可知，巴旦木殼與其他堅(jiān)果的不同之處在于，巴旦木外殼由木質(zhì)化的粗纖維組成，外表凹凸不平，內(nèi)部有空洞、孔眼，類似蜂窩狀結(jié)構(gòu)，巴旦木殼與杏核和核桃的相比較硬度、韌性都不同，殼比杏核和核桃的軟，但有一定韌性，不容易破碎。因此巴旦木破殼要比杏核和核桃的破殼難度大，單純通過(guò)對(duì)輥擠壓原理難以實(shí)現(xiàn)巴旦木破殼，可采用齒形輥通過(guò)擠壓和剪切原理對(duì)巴旦木破殼。圖4

圖4 巴旦木與杏核和核桃截面對(duì)比
Fig.4 Almond and Apricot pit and Walnut cross section

研究表明，米桑和晚豐殼中的孔眼隨著含水率的增大而增大，雙果殼中的孔眼隨著含水率的增大基本沒(méi)有變化。在不同含水率時(shí)米桑、雙果和晚豐殼的厚度分別為2.70 mm(2.29%)、2.80 mm(8.81%)和2.94 mm(16.58%)，2.02 mm(2.3%)、2.02 mm(11.58%)和2.04 mm(27.51%)，1.62 mm(1.96%)、1.70 mm(7.26%)和1.80 mm(17%)?？芍咨：屯碡S殼的厚度隨著含水率的增加而增加，雙果幾乎沒(méi)有變化。主要因?yàn)榘偷┠練な怯赡举|(zhì)化的粗纖維構(gòu)成，具有干縮濕脹的特性，干縮濕脹因不同品種的構(gòu)造和密實(shí)程度不同而有差異。孔眼的大小會(huì)決定巴旦木殼厚度的大小，孔眼變大，殼厚度變大，從而破殼的過(guò)程中變形量變大，影響破殼的能耗和功率。因此，巴旦木破殼作業(yè)時(shí)需考慮含水率因素對(duì)巴旦木破殼的影響，選擇最適合破殼的含水率。圖5

圖5 殼仁結(jié)構(gòu)隨含水率變化
Fig.5 Change of shell structure with moisture content

2.5 破殼力學(xué)特性測(cè)量

2.5.1 厚度尺寸對(duì)破殼力學(xué)特性的影響

研究表明，破殼力、變形量、能耗、彈性模量和功率隨著厚度的增加而變大。厚度等級(jí)對(duì)各參數(shù)的影響進(jìn)行方差分析表明：三個(gè)品種的厚度等級(jí)對(duì)破殼力、能耗、和功率極顯著(a=0.05)，對(duì)彈性模量影響顯著(a=0.05)，對(duì)變形量的影響不顯著(a=0.05)。原因可能是：①同樣結(jié)構(gòu)特征下，隨著巴旦木厚度的增大，相應(yīng)表面面積增大，接觸面積增大，殼的硬度增加，故巴旦木厚度大小對(duì)破殼力有顯著影響；②破殼力大小和變形量隨著厚度的增加而增加，變形量變化低于破殼力的變化，故巴旦木厚度大小對(duì)能耗和彈性模量有顯著影響；③變形量的大小主要取決于殼的厚度大小，又因巴旦木殼的截面尺寸存在各項(xiàng)差異，殼不同部位的厚度尺寸大小不一，故巴旦木厚度大小對(duì)變形量影響不顯著。圖6，表6

圖6 不同厚度下破殼力學(xué)特性變化
Fig.6 Change of mechanical properties of shell breaking under different thickness

變形量是確定巴旦木分級(jí)級(jí)數(shù)和破殼機(jī)對(duì)輥間隙的依據(jù)。巴旦木分級(jí)的級(jí)差必須小于壓縮破壞時(shí)的變形量才可保證巴旦木破殼。級(jí)差和變形量之間差值越大破殼率越高，但級(jí)差太小會(huì)給機(jī)器的調(diào)整和使用帶來(lái)困難，而級(jí)差太大又會(huì)造成巴旦木仁破損率和未破殼率上升。研究表明，巴旦木的分級(jí)級(jí)差為1 mm是較合理的。表4

表4 巴旦木厚度與對(duì)輥間隙的關(guān)系
Table 4 The relationship between the thickness of almond and the roller clearance

品種Varietiy參數(shù) Parameter范圍 Range(mm)厚度 Thickness[11～12][12～13][13～14][14～15][15～16][16～17][17～18]米桑Misang變形量——1.10～1.481.23～1.501.29～1.541.22～1.451.21～1.89對(duì)輥間隙——11.512.513.414.515.1雙果Shuangguo變形量—1.01～1.301.11～1.371.11～1.38 ———對(duì)輥間隙—10.711.612.6———晚豐Wanfeng變形量0.98～1.051.07～1.161.15～1.25————對(duì)輥間隙9.910.811.7————

不同厚度等級(jí)的組間差異分析顯示出，三個(gè)巴旦木品種的厚度等級(jí)1與2和3均極顯著差異，2和3顯著差異(a=0.05)?？梢钥闯鲭S著厚度尺寸的增大，厚度大小對(duì)巴旦木破殼力學(xué)性能影響變小，但影響均為顯著。因此為了提高破殼率和果仁完整率，巴旦木破殼前根據(jù)厚度大小分類是必要的。

2.5.2 含水率對(duì)破殼力學(xué)性能的影響

研究表明，米桑的破殼力、變形量、彈性模量和功率隨著含水率的增加分別減小、增加、降低和降低。當(dāng)含水率從2.29%增加到16.58%時(shí)，破殼力從848.2 N減小到563.42 N，主要由于含水率增長(zhǎng)時(shí)，殼變軟所致；變形量從1.53 mm增加到2.09 mm，而且米桑品種的變形要比其他兩個(gè)品種大，這表明米桑相比另兩個(gè)品種，外殼更有彈性，而且更不易破碎；彈性模量從3 456.77 Pa降到1 412.57 Pa，功率從0.071 7 W降到0.047 W。通過(guò)方差性檢驗(yàn)可知，P<0.05，因此含水率對(duì)米桑的破殼力、變形量、彈性模量和功率影響顯著，而且存在二階非線性的函數(shù)關(guān)系(公式12～15)，R2均大于0.8，擬合度良好。然而能耗隨著含水率的增加毫無(wú)規(guī)律可循，但可知米桑含水率在8.81%時(shí)能耗最低，P>0.05，因此含水率對(duì)能耗無(wú)顯著性影響。表5、6

y(破殼力)=-0.554x2-6.627x+844.675.

R2=0.826.

(12)

y(變形量)=0.004x2-0.043x+1.598.

R2=0.964.

(13)

y(彈性模量)=-8.09x2+10.8x+3444.09.

R2=0.991.

(14)

y(功率)=-(4.613e+5)x2-0.001x+0.07.

R2=0.826.

(15)

表5 不同含水率下破殼力學(xué)特性變化
Table 5 Change of mechanical properties of shell breaking under different moisture content

品種Variety含水率Moisture content(%)破殼力Breakage force(N)變形量Deformation quantity(mm)能耗Ea(mJ)彈性模Modulus of elasticity(MPa)功率Power(W)米桑Misang2.29848.201.53648.8744.670.070 75.30758.251.50567.9368.610.063 28.81736.931.52561.5495.420.061 412.95705.761.84650.00100.580.058 816.58563.422.09589.34109.310.047 0雙果Shuangguo4.83166.751.34111.3914.740.013 98.26171.301.80154.0025.450.014 311.58123.641.92118.9411.960.010 316.71171.251.44123.3018.260.014 327.51106.111.5079.4227.730.008 8晚豐Wanfeng1.96254.720.98124.3031.020.021 24.87232.561.14132.5647.670.019 47.26226.001.17132.6648.510.018 810.47213.601.14122.1851.930.017 817.00208.571.49155.5971.370.017 4

研究表明，雙果的破殼力、變形量、能耗、彈性模量和功率隨著含水率的增加均無(wú)規(guī)律可循。但可知，含水率在8.26%和16.71%時(shí)，破殼力最大為171 N，在27.51%時(shí)，破殼力最小為106.11 N；雙果的變形量從1.28 mm增加到1.92 mm再降低到1.50 mm；雙果含水率在27.51%時(shí)能耗最低，79.42 N·mm；雙果含水率在16.71%時(shí)彈性模量和功率增加，在其它含水率增長(zhǎng)情況下，彈性模量和功率降低。通過(guò)方差性檢驗(yàn)可知，P>0.05，因此含水率對(duì)雙果破殼力學(xué)性能的影響不顯著。表5、6

研究表明，晚豐的破殼力、變形量、彈性模量和功率隨著含水率的增加分別減小、增加、降低和降低。當(dāng)含水率從1.96%增加到17%時(shí)，破殼力從254.72 N減小到208.57 N，僅是米桑破殼力的1/3，因?yàn)橥碡S殼的硬度低于米桑殼的硬度；變形量從0.98 mm增加到1.49 mm；彈性模量從2 256.80 Pa降到980.84 Pa，功率從0.021 2 W降到0.017 4 W。通過(guò)方差性檢驗(yàn)可知，P<0.05，因此含水率對(duì)米桑的破殼力、變形量、彈性模量和功率影響顯著，而且存在二階非線性的函數(shù)關(guān)系(公式16～19)，R2均大于0.8，擬合度良好。然而能耗隨著含水率的增加毫無(wú)規(guī)律可循，但可知晚豐含水率在10.47%時(shí)能耗最低，P>0.05，因此含水率對(duì)能耗無(wú)顯著性影響。表5、6

y(破殼力)=0.256x2-8.013x+268.28.

R2=0.826.

(16)

y(變形量)=0.001x2+0.12x+0.993.

R2=0.791.

(17)

y(彈性模量)=3.06x2+-132.99x+2396.43.

R2=0.907.

(18)

y(功率)=(2.211e-5)x2-0.001x+0.002 2.

R2=0.979.

(19)

表6 厚度和含水率對(duì)各性能影響的方差顯著性
Table 6 Variance significance of thickness and moisture content on Performance

品種Variety顯著性 Saliency破殼力Breakage force變形量Deformation quantity能耗Ea彈性模量Modulus of elasticity功率Power厚度T含水率Moisture content厚度T含水率Moisture content厚度T含水率Moisture content厚度T含水率Moisture content厚度T含水率Moisture content米桑Misang0.0010.0130.0510.0160.0090.8510.0230.0010.0010.013雙果Shuangguo00.2830.7460.2900.0100.0620.0150.09200.119晚豐Wanfeng0.0060.0110.1240.0150.0030.2570.0260.0440.0060.011

3 討 論

Kalyoncu 和 Sen(1999)對(duì)10個(gè)巴旦木品種的破殼力和巴旦木大小的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)。Khazaei(2001)等研究表明破殼力變化范圍、能耗和功率要求分別在1 391～526 N，70～209 3 mJ和0.015～5.121 W，巴旦木大小和加載方向?qū)ζ茪ちτ酗@著影響。Aydin[29]研究表明，巴旦木的破殼力隨著含水率的增加而降低。Valverde等[30]研究表明，巴旦木灌溉種植方式對(duì)它的物理特性有明顯影響。研究表明，巴旦木厚度大小和含水率對(duì)破殼力學(xué)特性影響顯著，但此次試驗(yàn)沒(méi)考慮加載方向影響因素，因目前破殼方向均在厚度方向。雙果破殼力隨著含水率的增加變化無(wú)規(guī)律，不同品種間破殼力、能耗和功率均不同，這可能與每一個(gè)品種的物理特性差異性相關(guān)，對(duì)不同品種破殼時(shí)，裝置需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)參數(shù)。

4 結(jié) 論

4.1 不同巴旦木品種間物理特性差異很大，同一品種的物理特性也存在較大差異。

4.2 對(duì)輥間隙變化應(yīng)控制在[巴旦木不同等級(jí)厚度-(0.98～1.89)] mm，可保證較高的破殼率和果仁完整率。

4.3 巴旦木外殼由木質(zhì)化粗纖維組成，外表凹凸不平，內(nèi)部有空洞、孔眼，類似蜂窩狀結(jié)構(gòu)，巴旦木殼與杏核和核桃的相比較硬度、韌性都不同，殼比杏核和核桃的軟，但有一定韌性，不容易破碎，可采用齒形輥通過(guò)擠壓和剪切原理對(duì)巴旦木破殼。

4.4 巴旦木厚度對(duì)巴旦木殼仁間隙、破殼力、能耗、能耗模量和功率影響顯著，巴旦木破殼前應(yīng)按厚度尺寸進(jìn)行分級(jí)，厚度尺寸級(jí)差以1 mm為宜，米桑分5級(jí)，雙果和晚豐均分3級(jí)。

4.5 含水率對(duì)外形尺寸、殼仁間隙和對(duì)米桑及晚豐品種破殼性能影響顯著。米桑含水率在2.29%時(shí)，破殼力最大為848.2 N，功率最大為0.070 7 W；含水率在16.58%時(shí)，破殼力最小為563.42 N，功率最小為0.047 W。雙果含水率在8.26%時(shí)，破殼力最大為171.3 N，功率最大為0.014 3 W；含水率在27.51%時(shí)，破殼力最小為106.11 N，功率最小為0.008 8 W。晚豐含水率在1.96%時(shí)，破殼力最大為254.72 N，功率最大為0.021 2 W；含水率在17%時(shí)，破殼力最小為208.57 N，功率最小為0.017 4 W。