刀豆脱壳力学特性的实验研究

李 君，陆华忠，* ，陈梓良，胡泽涵，吴良军

(1.华南农业大学工程学院，广东广州510642;2.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术，教育部重点实验室，广东广州510642)

刀豆属豆科刀豆属的栽培亚种，外形呈长条型，截面扁平略弯曲，种子富含蛋白质，具有良好的药用价值。对刀豆进行深加工时，必须对其进行脱壳，目前此项工作主要由人工完成［1－2］。为适应刀豆深加工产业化的发展需求，探索刀豆脱壳技术与装备有重要的研究应用意义。近年来，国内外学者对多种作物的力学特性开展了深入的实验研究。张黎骅、刘红力等［3－4］以施压方向、施压速率、含水率为因素进行了花生力学特性实验，结果表明均对花生破碎力有极显著影响。王新忠、张黎骅等［5－6］采用不同加载方向和含水率对杏核进行了力学特性研究，实验表明含水率对破碎力影响明显，含水率越高，所需破碎力越小。Guner M等［7］研究了含水率、加载速率、加载方向对榛子壳仁的破碎力、破碎能量和破碎变形量的影响。Kibar H等［8］分析了含水率对榛子的单位容积重量、真比重、内摩擦角、动静摩擦系数等力学参数的影响。曹玉华等［9］分析了蓖麻蒴果壳的加载位置对破壳的影响。吴传宇等［10］提出对莲子根部预切割后便于挤压出莲。李耀明等［11］实验研究了稻谷的品种、成熟程度、后熟作用和谷壳对谷粒破坏力和破坏能的影响。Karaj S、Nazari Galedar M、Altuntas E等［12－14］分别实验研究了麻风果、开心果和蚕豆脱壳力学特性。陈燕、卿艳梅等［15－16］以荔枝、龙眼为研究对象，实验分析了水果类物料的破壳力学特性。虽然间套种刀豆的产业化前景广阔，但脱壳初加工仍停留在手工阶段，需要研究物料力学特性以指导脱壳机设计。目前，国内外未见有关文献报道硬荚特性刀豆的脱壳力学特性以及不同影响因素的关联显著性。本文对刀豆脱壳的力学特性进行研究，设计混合水平的正交实验方法，以期得到脱壳的最佳参数组合。建立显著性实验因素与实验指标之间的回归方程模型，并进行方程显著性检验，为刀豆机械化脱壳设备的结构设计和参数优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

矮生刀豆(Canavalia ensiformis) 取自华南农业大学实验田，剔除杂质及破裂和未达破壳干燥程度的荚果。荚果有明显的两条纵脊，纵脊处无圆滑的过渡，外形如图1所示，L、W和T分别代表荚果的长度、宽度和厚度尺寸，取样方法为随机取样，编号后装入塑料保鲜袋密封保存。经游标卡尺测量统计，该品种刀豆宽度范围约为20.0～28.0mm，厚度范围约为10.0～20.0mm，厚宽比(荚果厚度与宽度的比值)范围约为0.4～0.8。

WD－E精密型电子式万能试验机 广州市广材实验仪器有限公司;DHG－9030(A)101－0A(S)型电热恒温鼓风干燥箱 上海索谱仪器有限公司;ALC－210.3型电子天平 量程210g，精度1mg，北京赛多利斯仪器系统有限公司。

图1 刀豆外形Fig.1 Appearance of Canavalia

1.2 实验方法

实验在WD－E精密型电子式万能试验机上进行，实验机的分辨率为 ±1/120000，力值精度 ±0.5%，位移精度±0.3%。实验过程可由微机自动完成力和位移的数据采集。经对刀豆荚果进行多方向加压实验对比，结果表明:只有沿荚果纵脊面平行方向压缩，才能达到理想破壳效果，而其它方向加压荚果无法实现破壳，主要原因在于刀豆截面扁平且荚壳韧性较强。因此，本实验样本全部沿荚果纵脊面平行方向、采用平板圆盘压缩实验的方式。

1.3 测定方法

1.3.1 含水率测定 参考 GB/T 20264－2006［17］制备试样，参考 GB/T 1931－2009［18］进行含水率测量。干基含水率计算公式:

式中:Md－干基含水率，%;m－样品重，g;mw－物料中所含水的质量，g;ms－物料中所含干物质的质量，g。

1.3.2 破壳能量测定 图2所示为典型的荚果纵脊面平行方向压缩力与荚壳变形量的关系曲线。横轴为荚壳变形量，纵轴为纵脊加载压力值。刀豆荚壳具有一定韧性，在匀速加载过程中，破壳前的压力随变形量增加而上升，弹塑性变形同时发生。当加载到破壳点对应压力值时，荚壳产生相对滑移与破裂，宏观结构的破坏导致过此点后压力骤减。受荚壳个体物理特性差异的影响，破壳点并不相同。破壳点对应的变形量为破壳变形量，破壳能量为破壳力曲线与横轴所围面积，即:

式中:E－破壳能量，mJ;F－破壳力，N;Dr－破壳变形量，mm;D－变形量，mm。

图2 刀豆的压力与变形量关系曲线Fig.2 Force－deformation curve of Canavalia

1.3.3 折算极差计算 对刀豆的破壳力和破壳能量进行极差分析，折算极差R′计算式为［19］

式中:R′－折算极差;d－折算系数，2水平因素取0.71，4水平因素取0.45;r－每个水平的重复次数。

1.4 实验设计

考虑本实验为多因素、多指标的综合实验，为减少客观上的实验次数，提高实验效率，采取混合水平正交实验先获取对力学实验指标有显著影响的因素，然后进行单因素实验的回归分析的方式，研究显著影响因素对实验指标的影响规律。结合硬荚豆类物料的物理特点，并参考文献［3－7，9］研究壳类作物破壳力学的实验方法，实验选取刀豆荚果的宽度、含水率、厚宽比、施压速率和加载位置作为实验因素，前四个实验因素均为4个水平，加载位置为2个水平，力学实验指标包括破壳力、破壳能量和破壳变形量，实验因素和水平见表1。不考察因素间的交互效应，根据实验考察的因素及水平选用L32(2×45)混合水平的正交表来安排实验。每个处理重复3次，取平均值。为更好获得各显著性因素对指标的影响关系，将实验荚果的厚宽比和宽度各增加1个水平，含水率增加2个水平(用于研究加载压力、荚果变形量与含水率关系)，进行单因素重复实验和回归分析，每实验处理均固定其他因素不变。加载位置不适合进行回归分析，在此没有考虑。单因素实验水平安排如表2所示，实验设16个处理，每个处理6次重复。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 单因素实验水平表Table 2 Factors and levels of single factor test

2 结果与讨论

2.1 力学实验指标混合正交实验

混合正交实验结果如表3所示。脱壳设备的效率和能耗主要与物料的破壳力和破壳能量相关，因此，仅对刀豆的破壳力和破壳能量进行极差分析，结果如表4所示。

表3 正交实验结果Table 3 Test results of orthogonal test

表4 破壳力极差分析Table 4 Results of range analysis

由于刀豆的厚宽比，宽度物料尺寸参数为脱壳加工中不可控因素，由此选择加载位置、含水率和施压速率为组合参数进行优水平选择，破壳力优水平组合为 A1B4D2，即加载位置为中部，含水率为14.6%，施压速率为20mm/min。破壳能量优水平组合为A1B3D2，含水率为15.45%。基于两指标中破壳力优先的考虑，且破壳能量的含水率水平3和水平4的k值差异不大，确定最优水平组合为A1B4D2。

方差分析及显著性如表5所示。由表5可知，破壳力受含水率的影响极显著(p＜0.01)，宽度、厚宽比、施压速率和加载位置对于破壳力影响不显著(p＞0.05)。破壳能量受含水率的影响极显著(p＜0.01)，其他因素影响不显著(p＞0.05)。

表5 方差分析结果Table 5 Results of variance analysis

破壳变形量受加载位置的影响极显著(p＜0.01)，原因在于中部与端部的荚壳纵脊面结合紧密度以及壳层厚度存在差异。宽度和厚宽比对于破壳变形量的影响显著(p＜0.05)，原因在于壳仁间隙值与荚壳塑形变形量的差异。含水率、施压速率对于破壳变形量影响不显著(p＞0.05)。由于加载位置、宽度和厚宽比对于破壳变形量影响显著，因此在设计脱壳设备结构时，需要从破壳变形量角度合理调整脱壳腔体的空间尺寸，以降低损伤率和提高脱净率。

2.2 显著性因素回归分析

2.2.1 含水率对破壳力和破壳能量的影响 实验时刀豆荚果宽度为26mm、厚宽比为0.6，实验结果如图3、图4所示。可以看出，破壳力随含水率的增加而增大。原因在于含水率越低，刀豆荚壳的脆性越大，其能够抵抗破裂的能力就越小。

图3 含水率与破壳力曲线Fig.3 Effect of moisture content on rupture force

图4 含水率与破壳能量曲线Fig.4 Effect of moisture content on rupture force

实验结果表明，当湿基含水率大于20%时，荚壳较软易变形，无法破裂，如图5所示。

图5 压力、变形量与含水率关系曲线Fig.5 Effect of moisture content on force－deformation curve

破壳力与含水率之间的二次项回归方程为:)

式中，M－含水率，%。

经方差分析，回归方程整体显著性检验的p=0.026，截距项回归系数的p=0.039，一次项回归系数的p=0.039，二次项回归系数的p=0.042，在α=0.05的条件下影响显著。方程判定系数R2=0.97，拟合精确度高。

如图4所示，刀豆破壳能量与含水率之间呈正相关关系。同样是因为含水率越低，荚壳的脆性就越大。当含水率大于15.45%以后，破壳能量变化不大。其二次项回归方程为:)经方差分析，回归方程的p=0.054，截距项回归系数的 p=0.055，含水率一次项回归系数的 p=0.054，二次项回归系数的p=0.057，在α=0.1的条件下影响较为显著。方程判定系数R2=0.95，拟合精确度较高。

2.2.2 厚宽比对破壳变形量的影响 实验时刀豆荚果含水率为17.21%、宽度为26mm，实验结果如图6所示。破壳变形量与厚宽比的二次项回归方程为:

式中，RWT－厚宽比。

经方差分析，回归方程的p=0.020，截距项回归系数的p=0.009，一次项回归系数的p=0.037，二次项回归系数的p=0.053，在α=0.1的条件下说明该回归方程有效，二次项关系显著。方程判定系数R2=0.98，拟合精确度高。由图6可知，破壳变形量均值随厚宽比的增大而呈减小趋势，但是当厚宽比＞0.7以后，破壳变形量均值差异很小。说明外形越瘦薄的荚壳弹性模量越大，塑性变形至破裂所需时间更长。

图6 厚宽比与破壳变形量曲线Fig.6 Effect of thickness－width ratio on rupture deformation

2.2.3 宽度对破壳变形量的影响 实验时刀豆荚果含水率为17.21%、厚宽比为0.6，实验结果如图7所示。破壳变形量与宽度之间的二次项回归方程为:

经方差分析，回归方程的p=0.076，截距项回归系数的p=0.085，一次项回归系数的p=0.057，二次项回归系数的p=0.054，在α=0.1的条件下显著，说明可以用该回归方差表示变形量与宽度之间的关系。方程判定系数R2=0.92，拟合较好。当宽度大于24mm以后，破壳变形量均值随宽度的增大而呈减小趋势。说明破壳变形量并不会随荚果几何尺寸的增大而增加。

图7 宽度与破壳变形量曲线Fig.7 Effect of width on rupture deformation

3 结论

3.1 当沿荚果纵脊面平行方向压缩时，脱壳效果理想，其它方向加压无法使荚壳实现破壳。因此，设计脱壳机时应考虑将荚果纵脊面作为有效加压方向。

3.2 以刀豆的加载位置、含水率和施压速率为组合参数，获得破壳力和破壳能量的综合最优水平组合为A1B4D2，即加载位置为中部，含水率为14.6%，施压速率为20mm/min。

3.3 含水率对于刀豆破壳力有极显著影响(p＜0.01)，其他因素影响不显著(p＞0.05);破壳能量受含水率的影响极显著(p＜0.01)，其他因素影响不显著(p＞0.05);破壳变形量受宽度、加载位置、厚宽比的影响显著(p＜0.05)，其他因素影响不显著(p＞0.05)。

3.4 含水率与破壳力、破壳能量呈非线性正相关关系。厚宽比与破壳变形量呈非线性负相关关系，当厚宽比＞0.7以后，破壳变形量均值差异很小。当宽度大于24mm以后，破壳变形量均值随宽度的增大而呈减小趋势。

3.5 含水率是影响刀豆脱壳设备加工效果的重要因素，减少含水率有利于提高脱壳率和减少设备能耗，必要时脱壳加工前增设干燥环节。脱壳机的脱壳腔体空间尺寸应按照“破壳变形量总体上随宽度、厚宽比的增大而减小”原则调整，且接触变形的适宜线速度为20mm/min左右，以降低损伤率和提高脱净率。

［1］陆华忠，李君，吕恩利，等.一种刀豆脱壳机及其刀豆脱壳方法［P］.中国专利:201110180864.2，2012－01－25.

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