微波对核桃壳体材料拉伸力学性质的影响研究

梁 莉,郭玉明,张 鹏,寇明洋

(1.洛阳理工学院机电工程系,河南洛阳 471023;2.山西农业大学工学院,山西太谷 030801)

微波对核桃壳体材料拉伸力学性质的影响研究

梁 莉1,郭玉明2,张 鹏2,寇明洋2

(1.洛阳理工学院机电工程系,河南洛阳 471023;2.山西农业大学工学院,山西太谷 030801)

以刚采摘的新鲜核桃为研究对象,进行了微波核桃破壳试验,破壳率达到 87.65%;同时研究了微波作用对核桃壳体材料拉伸力学性质的影响,结果表明:微波处理后,核桃壳体材料弹性模量、抗拉强度等力学性质指标与处理前比较无明显变化.另外,还对核桃整壳拉伸力学性质进行了测定,获得了核桃壳缝合线处的拉伸强度极限值为 1.47 MPa,为确定核桃微波破壳所需的膨胀压力提供了参考依据.

微波;破壳;整壳拉伸;力学性质

0 前 言

核桃机械破壳存在的破碎率高、整仁率低等问题一直是制约核桃实现机械化生产加工的重要原因,对我国核桃产业的发展造成了一定影响.因此,探索新的机械化核桃破壳方法对于实现产业化、出口创汇、增加经济效益等具有迫切的现实意义.目前,国内外对于核桃机械化破壳技术的研究主要集中在定间隙挤压破壳[1-2]、打击破壳[3]等方法及应用有限元等方法进行相关破壳机械的设计方面[4-5],但仍存在破碎率高、整仁率低等问题.另外,将新兴技术应用于坚果破壳的研究也是方兴未艾,如杨锐等[6]对核桃受激光辐照行为进行了数值分析与模拟,探索了激光技术脱壳机理;李晓霞[7]探索了荞麦微波脱壳方法;张莉[8]、杨芙莲等[9]利用微波技术实现了对板栗的脱壳.

作者在前人研究的基础上,对微波技术进行核桃破壳的作用机理进行了初探,证明核桃微波破壳方法是可行的[10].本文是对前面研究的进一步深入探讨,为探求微波加工工艺参数 (功率、时间、湿度和温度)对核桃及壳体材料力学性质的影响规律,试验研究了微波技术作用前后核桃壳体材料拉伸力学性质的差异,并测定了核桃壳缝合线处的拉伸强度极限值,为确定核桃微波破壳所需的膨胀压力并为进一步指导微波技术参数的选择提供参考依据.

1 核桃微波破壳试验

核桃微波破壳主要是通过微波作用于核桃仁时,其内部水分子在交变电磁场作用下极化取向作高频转变,致使核桃壳内部在短时间内产生很高的热量形成高压水汽,当高压水汽对核桃壳的压力即膨胀压力大于核桃壳的拉伸极限应力时,核桃壳发生破裂.因此,果壳的致密结构是其内部形成高压的重要保证;核桃仁所含的水分是内部产生高压水汽的物质基础;微波的技术参数 (功率、时间和温度等)则是核桃壳能够破裂的外在动力.因此,有必要对核桃微波破壳所需的技术参数进行试验研究.

1.1 材料与仪器

试验选用采摘后刚褪去外皮的晋龙 1号棉核桃为研究对象,核桃仁含水率达 21%,为防止水分散失,将试验样本用塑料袋密封置于冰箱内冷藏.

WLD07S—08型格兰仕微波炉,微波作用温度、功率和时间均可调;游标卡尺.

1.2 试验方法

采用 3因素 3水平完全组合试验,每个组合选取 3个形状相似、大小相近的核桃作为重复样本.试验前测试核桃的轴径、横径、测径大小.试验结束时,观测核桃壳破裂情况并进行记录.

1.3 结果与分析

核桃微波破壳情况如表1所示.

表1 核桃微波破壳试验结果

由表1可知,81颗核桃中只有 10颗未破开,破壳率达到 87.65%,若单独考虑每个温度、每个功率、每个时间的破壳率,其结果见表2.

表2 单因素对核桃破壳率的影响

由表2可知,在这 3个因素中,温度的高低决定壳体内的水蒸汽压力的大小;功率的大小决定壳体内水蒸汽温度上升的快慢;由于 WLD07S—08型微波设备的工作特点,即达到设定温度后就停止工作,故时间的长短不能影响壳体内水蒸汽的最大压力,也不影响温度上升的快慢.所以时间因素对破壳率的影响相对较小,与前期研究结果一致[10].

2 微波对核桃壳体材料拉伸力学性质的影响

通过对核桃微波处理前后压缩破坏力的对比试验[10]得知,微波处理后核桃的压缩破坏力明显减少,这说明在进行大量核桃破壳时,对于在微波处理后未发生破裂的核桃再进行压缩破壳是比较容易的.另外,我们还发现微波作用过程中,核桃壳受到内部高压水汽的作用,发生了拉伸变形.因此,研究微波技术对核桃壳体材料拉伸力学性质的影响,可为进一步揭示核桃微波破壳的作用机理提供依据.作者对微波作用前后壳体材料的弹性模量及抗拉强度进行了对比试验研究.

2.1 样本制备

试验所用样本与前面核桃破壳试验研究中相同,用锯条在核桃上沿轴线方向获取长约 10 mm,宽约 2 mm的核桃壳作为试件.因为核桃是曲壳形的,所取试件的长度应尽量小,在曲率越小的方位锯下的效果越好.将经过微波处理和未经处理(对照组)的核桃均制成试件,用游标卡尺测取其长度、宽度和厚度.

2.2 设备及方法

SANS—CMT6140微机控制电子万能试验;精度达 5%N的 200 N传感器.

设定加载速率为 10 mm/min,采用常规材料力学拉伸试验方法进行.由于试件太小,为避免夹持时弄断试件或夹歪,夹持时使用镊子操作.记录力—变形曲线以及核桃壳发生破裂时的力值.

2.3 结果与分析

核桃壳体材料拉伸力学性质指标测试值如表3所示.

由表3可知,得到微波处理后核桃壳的弹性模量为 21.82MPa,抗拉强度为 10.043MPa;微波处理前弹性模量为 22.52 MPa,抗拉强度为 9.57 MPa.说明微波作用对核桃壳体材料的拉伸力学性质影响不大.

表3 核桃壳体材料拉伸力学性质指标值

3 核桃整壳拉伸力学性能的测定

从核桃微波破壳试验结果看出,所有经微波处理后破裂的试样均是从核桃缝合线处破裂的,这说明核桃缝合线处的拉伸力学性质与核桃壳表面材料的有所不同.因此,需要对缝合线处的拉伸力学性质进行研究,这就需要对核桃整壳进行拉伸试验.由于核桃大小不一,形状不规则,试验时若将其夹得太松,则拉伸时容易滑脱;若夹得太紧,则易出现夹裂现象,所以试验难度较大.为此,我们专门设计了一套可调节尺寸的壳形核桃夹头来进行核桃整壳的拉伸试验研究.

3.1 设备与方法

试验在 SANS—CMT6140微机控制电子万能试验机上进行,采用自制的核桃专用夹具.试验前,将核桃和夹具表面用丙酮清洗干净,并测定核桃的轴径、侧径和横径.将两个夹具先装夹在试验机上,调节夹具夹头尺寸至合适值后将夹头固定,再用强力AB胶将核桃粘到夹具上 (将核桃的接缝露出,不可粘上胶),尽量保证两个夹具的中心在一条线上,且使核桃的缝合线与该中心线垂直.待胶完全干透后再进行核桃整壳拉伸力学性能测试,试验结束时将核桃断面的形状测绘出来并记录最大力值.

3.2 结果与分析

在进行核桃整壳拉伸时,核桃沿缝合线处裂开.此时,核桃缝合线处的应力达到极限值,该应力值是通过试验机上测出的最大力与裂开后核桃缝合线处的环形截面积计算得到的.测试结果列于表4.

表4 核桃整壳拉伸试验测试结果

由表4可知,核桃缝合线处的极限拉伸应力为 1.47 MPa,与核桃表面材料的拉伸应力值9.57 MPa相比要小得多,这正是核桃在微波作用后于缝合线处破裂的原因,此极限拉伸应力可作为微波技术参数的选择依据.

4 结论

作者通过对新鲜核桃进行微波破壳试验,并对核桃壳体材料及核桃整壳的力学性能进行了试验研究,得到以下主要结论:

(1)新鲜核桃经微波处理后的破壳率可达87.65%,在微波技术参数中,温度和功率较时间因素对破壳率影响大.

(2)试验测得微波处理后核桃壳的弹性模量为 21.82MPa,抗拉强度为 10.043MPa,二者与处理前比较无明显变化,说明微波作用对核桃壳体材料的拉伸力学性质影响不大.

(3)试验测得核桃缝合线处的极限拉伸应力值为 1.41 MPa,与核桃壳体材料极限拉伸应力值相比小得多,为选择适合的核桃微波破壳技术参数提供了参考依据.

[1] 史建新,辛动军.国内外核桃破壳取仁机械的现状及问题探讨[J].新疆农机化,2001(6):29-32.

[2] 辛动军.核桃破壳取仁方法及试验研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2002.

[3] 董远德,史建新,乔园园.核桃不同破壳方式的破壳取仁效果[J].农产品加工·学刊,2007(9):4-5,9.

[4] 史建新,赵海军,辛动军.基于有限元分析的核桃脱壳技术研究 [J].农业工程学报,2005,21(1):185-188.

[5] 吴子岳.绵核桃剥壳取仁机械的研究[J].农业工程学报,1995,11(4):164-169.

[6] 杨锐,陈红.激光与核桃相互作用的力学推导及有限元分析 [J].农机化研究,2008(4):52-54.

[7] 李晓霞.荞麦壳力学性能与微波破壳工艺试验研究[D].太谷:山西农业大学,2008.

[8] 张莉.板栗微波脱壳机理及加工工艺研究[D].合肥:合肥工业大学,2004.

[9] 杨芙莲,梁萍,朱妞.利用微波能使板栗脱壳去衣的新工艺新方法研究 [J].食品科技,2006(9):80-83.

[10]梁莉,郭玉明,廉晓华.微波核桃破壳力学性质试验与分析 [C]//第六届博士生年会论文集.北京:中国科学技术出版社,2008.

RESEARCH ON THE EFFECTS OFM ICROWAVE ON TENSI LE MECHAN ICAL PROPERTIES OFWALNUT SHELL MATER I AL

L I ANGLi1,GUO Yu-ming2,ZHANG Peng2,KOU Ming-yang2
(1.Depart m ent of M echanical and Electrical Engineering,Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang471023,China;2.College of Engineering and Technology,Shanxi Agricultural University,Taigu030801,China)

We broken the shell of fresh walnut by using microwave at a shell breaking ratio of 87.65%,and also studied the effects ofmicrowave on the tensile mechanical properties of the walnut shellmaterial.The results showed that the mechanical indexes,such as the elastic modulus and the tensile strength,of the walnut shellmaterial aftermicrowave treatment had no obvious change in comparison with those before the treat ment.In addition,we also measured the tensile mechanical properties of the walnut shell to obtain the limiting value(1.47 MPa)of the tensile strength at the suture line of thewalnut shell,thereby providing reference for determining the expansion pressure for breaking the walnut shell bymicrowave.

microwave;shell breaking;whole-shell tension;mechanical property

TS205

B

1673-2383(2010)05-0071-04

2010-08-09

梁莉 (1982-),女,山西临汾人,讲师,博士,主要从事农业生物材料机械特性与仿生应用方面的研究.