花生荚果力学特性研究

王 京，高连兴，刘志侠，杨德旭

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳 100866)



花生荚果力学特性研究

王 京，高连兴，刘志侠，杨德旭

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳 100866)

为深入研究花生的力学特性，减小花生在机械脱壳过程中的损伤，以大白沙、黑花生、两粒红、小白沙4种东北地区主摘花生品种为研究对象，设计了花生荚果静压力学特性实验；以花生荚果破损形式、破损力、变形量为实验指标，以花生品种、受力位置、含水率、加载速度为影响因素，对花生荚果损伤力学特性进行了分析。结果表明：受力位置、含水率对荚果的损伤形式有一定影响；含水率、放置方式、花生品种对花生荚果破壳力有显著影响；含水率、放置方式、加载速度对花生荚果变形量有显著影响。研究结论可为花生收获、脱壳等机械加工等工艺参数的优化设计提供理论依据和技术参考。

花生壳；力学特性；损伤形式；破损力

0 引言

花生是我国产量丰富、食用广泛的一种坚果，在食品加工、食用油脂供应及出口贸易中均占有重要地位[1-2]。花生在机械加工的过程中极易造成花生米的损伤，因而花生脱壳是花生生产加工中的重要环节，是是否造成花生米损伤的关键[3-5]。目前，我国现有脱壳机的脱壳损伤率普遍高于6%～8%，严重影响了花生的品质和价格[6]。花生脱壳的机械损伤与花生荚果的力学特性密切相关，所以研究花生荚果的力学特性对于设计新型花生脱壳机、改进现有脱壳机技术参数以降低花生损伤率及提高经济效益具有重要的意义。

目前，已有学者对花生壳及花生米力学特性进行了研究，通过力学特性实验，得出了不同含水率、加载速度、挤压位置下花生壳及花生米的破损力，据此分析花生的挤压破碎性能[7-16]。现有研究中，主要以花生米的破损力分析为主，然而仅从破损力的数值上不能够科学地反应出各因素对破损力影响的大小，现有研究中缺少对不同含水率、不同放置方式下花生荚果破损形式、破损变形量的统计分析。本文以5种典型花生荚果为实验对象，基于大量的实验数据，使用统计学方法对影响花生米破损力的各因素显著性进行研究，得出了各因素对花生米破损的影响程度，并进一步分析了各因素影响下花生米损伤形式、破损力、破损变形量、压缩功等指标。研究结论可为花生收获、脱壳等机械加工装置的设计和开发提供理论依据和技术参考。

1 实验材料与方法

以我国东北主产花生品种大白沙、小白沙、两粒红、黑花生为实验材料，使用万能物料试验机进行花生米静态损伤力学特性实验，如图1所示。

图1 万能物料试验机

将每种花生分成4组，控制其含水率为4%、16%、23%、34%，每组花生分3种不同的放置方式：正放(腹面受压)、侧放(侧面受压)、立放(顶部受压)，如图2所示。每种放置方式分10、20、30mm/min3种速度进行加载，每组实验重复5次。由计算机控制万能物料试验机对花生荚果施加载荷，首先设定实验控制条件、加载速度、结束条件及数据结果等参数；将花生荚果放置在物料机下压缩板中心，由计算机操控实验开始，下压缩板静止不动，上压缩板以设定的速度匀速下落，接触到花生时，程序开始显示压力值；花生破损时，上压探头因压力骤减停止移动并恢复到初始位置，程序自动记录花生压缩过程中的所有数据。

正放 测放 立放

2 结果分析

2.1 花生荚果破损形式分析

实验中花生荚果受外力作用破损，其损伤形式可分为以下几种：无明显裂纹、纵向裂纹、横向裂纹及破碎，如图3所示。花生荚果受力时发生破损，无明显裂纹是因为花生壳轻微受损，在破损瞬间出现裂纹，卸掉载荷后壳恢复了原有的形状，肉眼无法识别裂纹形式。纵向裂纹多位于花生壳结合部位，由于棱线处纤维组织分布不均匀，且组织结构呈现不连续性，因而抗压强度低，产生裂纹；横向裂纹多呈辐射状，是因为花生壳受力时，容易在中段部位形成凹陷，引起应力集中，导致裂纹；破碎是因为花生壳含水率很低，脆性很大，当受到的外力冲量很大时，可能会使花生壳发生破碎。

横向裂纹 纵向裂纹 破碎

花生荚果的破损形式主要与花生壳的含水率、放置方式及形状有关，实验中不同含水率、不同放置方式下花生壳破损形式如表1所示。正放时，破损形式主要以棱线处的纵向裂纹居多，这是因为正放力作用在花生壳的结合部位，易沿结合部位产生纵向裂纹；侧放时，破损形式以横向裂纹居多，因为侧放力直接作用在半壳上，容易在中段部位形成凹陷，引起应力集中，导致局部裂纹；竖放时，存在纵向竖纹和横向断裂两种形式的裂纹，取决于花生壳的几何形状。如果花生中部存在凹陷，则容易在凹陷部位引起应力集中，产生横向断裂；如果中部不存在凹陷，则易产生纵向裂纹。花生壳破碎的情况出现在含水率较低时，此时花生壳的脆性较大，在力的作用下出现严重破损。

表1 不同含水率下花生荚果破损形式

2.2 花生荚果破损力分析

2.2.1 花生荚果破损力影响因素分析

荚果破损力是研究荚果力学特性的重要指标，直接反应了花生的抗损坏能力。为了分析各因素对花生破损力的影响程度，选择破损力为因变量，花生品种、含水率、加载速度、放置方式为因子，使用统计软件对实验数据进行单变量方差分析。结果表明：各因变量检验显著性水平为0，拒绝原假设，即组中因变量具有显著性差异。进一步对各变量主体间效应进行检验，如表2所示。由表2可见：在5%的显著性水平下，一阶因素分析中，花生品种、含水率、放置方式对破损力有显著性影响，加载速度对破损力无显著性影响；二阶交互分析中，只有品种和加载速度以及加载速度和放置方式对破损力无显著影响。可见，加载速度对破损力的影响较小，因此只考虑花生品种、含水率、放置方式对破损力进行分析。

表2 影响因素主效应检验

2.2.2 含水率对花生荚果破壳力的影响

不考虑放置方式，分析不同含水率下花生破壳力变化情况，结果如图4所示。从图4中数据可以看出：花生壳破损力随含水率的变化近似呈线性变化趋势，含水率最低时，花生壳的破损力最小。花生壳的主要成分是粗纤维素，影响其纤维弹性的因素很多，主要是纤维内部结构和外部条件。内部条件为分子柔曲性好，排列密集，分子链间有适当的结合点，则弹性越好；外部条件如测试条件、环境温度、湿度等。花生品种不同，其成分存在一定的差别，同一品种的花生，受花生壳形状的影响，花生个体间的力学特性也存在一定的差别。实验测得花生壳的弹性模量随含水率呈现出不规律的变化趋势，说明随着含水率不同，花生纤维的组织结构力学特性发生改变。从花生脱壳的角度讲，不应选择含水率较高时进行脱壳，因为此时花生壳的破损力较大，极易使花生米受到损伤。

图4 不同含水率下花生壳破损力变化

2.2.3 花生品种对花生荚果破壳力的影响

不同品种的花生壳的纤维素成分、分子排列形式存在差别，使得在含水率相同时，弹性各异，抗压缩能力也存在差异。从图4可以看出：几个品种中，黑花生的破损力最大，小白沙和两粒红的破损力最小。黑花生的壳相对较厚，大白沙的壳组织纤维分布较为密集，因而其破损力均较大。此外，花生破壳力也与花生米排列形式有关，花生米排列越密集，与壳之间的间隙越小，其破壳力越大，但破壳过程中花生米也易受到损伤。

2.2.4 放置方式对花生荚果破壳力的影响

不同放置方式下，荚果的破损力如图5所示。由图5中可以看出：花生破损力侧放最大，立放最小。不考虑花生荚果的形状、尺寸上的差异，理论上，立放时，受力面积最小，使得应力最为集中，荚果最易受到损伤，因而破损力往往最小；正放时，力作用在花生壳的结合部位，由于裂缝处组织结构不均匀，抗压强度低，易产生纵向裂纹；侧面施压时，花生壳侧面直接受力，侧面纤维分布较为均匀，抗压强度大于正面，因此破损力较正压时大。

图5 不同方式花生荚果破损力

实验中发现，破损力随含水率的增加而增加，但不同个体的破损力存在一定差异，主要有以下几方面原因：首先，花生壳的组织结构特性比较特殊，花生壳主要由粗纤维构成，受花生壳形状的影响，不同个体纤维的分布形式存在一定差异，且花生壳接缝处的抗压强度相对较低，导致其力学特性较为复杂，破损力存在一定的差异性；其次，实验中花生荚果受力时的损伤形式也有多种，放置方式相同时其损伤形式并不唯一，不同破损形式也说明花生破壳时的损伤程度有所不同，导致破损力必然有所差别；第3，含水率影响了花生壳结合的紧密程度，含水率较低时，接缝处的结合度相对较好，含水率较高时，接缝处的结合度降低，受力容易两瓣，所以各种放置方式下花生米的破损力并没有随含水率呈现出严格的线性关系。

2.3 花生荚果变形量分析

实验过程中，花生荚果的变形量随加载力的变化而变化，现以黑花生荚果为例，选择加载速度、放置方式、含水率为影响因素，分析花生破壳过程。

2.3.1 放置方式对花生荚果变形量的影响

含水率为4%、不同放置方式下黑花生荚果的变形量与加载力的关系曲线如图6(a)所示。

实验初始时，随着加载力的增加，变形量逐渐增大，变形量与加载力近似呈线性关系，此时花生荚果发生了弹性形变。由于含水率较低，花生荚果的脆性很好，当加载力增大到某一值时，花生壳瞬间破裂，加载力骤减，实验停止。立放时，由于受力面积较小，变形量随加载力变化曲线的斜率最大，花生壳破裂瞬间，加载力达到最大值，将这一值称为破损力。黑花生荚果在含水率为4%时，侧放破损力最大，立放破损力最小。

2.3.2 含水率对花生荚果变形量的影响

加载速度为30mm/min，侧放时，黑花生荚果的变形量与加载力的关系曲线如图6(b)所示。从图6(b)中可以看出：含水率为4%、16%、23%时，花生壳破损前，加载力与变形量均呈线性关系，即花生只发生了弹性形变；含水率为34%时，开始时花生发生弹性形变，当加载力到达一定值时，曲线出现下降，之后随着加载力的增加，变形量随之增大；此时花生开始发生弹塑性形变，当加载力达到破损力时，花生荚果破损，实验停止。

(a) (b) (c)

2.3.3 加载速度对花生荚果变形量的影响

含水率为4%、正放时，黑花生的变形量与加载力的关系曲线如图6(c)所示。含水率较低时，不同放置方式下，花生荚果在破损前的变形量与加载力仍近似呈线性关系，且加载速度越大，曲线斜率越大，说明加载过程中越容易发生形变。加载速度不同时，破损力值差别不大，说明加载速度对破损力影响很小。

3 结论

1)花生荚果的受力位置对其损伤形式有显著影响，正放时，以竖纹居多；侧放时，以横纹居多；含水率较低时，偶尔会出现破碎。

2)荚果破损力随含水率的增加而增大；侧放时的破损力最大，立放时最小；加载速度对破损力无显著影响；4种荚果中，黑花生的破损力最大。

3)放置方式、加载速度、含水率对花生荚果的变形量均有影响，含水率为4%、立放时变形量随加载力变化曲线斜率最大；加载速度越大，变形量随加载力变化曲线斜率越大；含水率较低时，花生荚果破壳过程中只发生弹性形变，含水率较高时，花生荚果先发生弹性形变，后发生弹塑性形变。

实验结果表明：花生荚果的破损力受多种因素影响，荚果受力破损是一个复杂的力学过程，如何设定具体条件减小荚果在脱壳中的破损率有待进一步研究。由于实验条件有限，本文只选择东北地区4种典型花生荚果进行研究，但其分析方法和结论可为其他品种花生荚果的损伤静力学特性研究提供技术参考。

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Abstract： In order to explore the mechanical performance of peanuts and reduce the damage in mechanical shelling process, Da Baisha, Black Peanut, Liang Lihong, Xiao Baisha which are the main planting varieties in northeast China were selected as test materials, the static compression tests were carried out. The damage mechanical properties of peanut pods were analyzed with test indexes of damage form, breakage force and deformation,considering the factors of peanut varieties, force position, moisture content, and loading rate. The study showed that the force position and moisture content have certain influences on peanut deformation, and the moisture content, placement way and peanut varieties have significant influences on the breakage force of peanut pods.The research conclusion can provide the theoretical basis and technical reference for peanut harvest, shelling and other mechanical processing.

ID:1003-188X(2017)01-0182-EA

Experimental Study on Peanut Pods Mechanical Property

Wang Jing, Gao Lianxing, Liu Zhixia, Yang Dexu

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866，China)

peanut pods; mechanical properties; damage form; breakag

2015-12-02

国家自然科学基金项目(51575367)；博士点基金项目(20122103110009)；辽宁省科技厅项目(2014201007)

王 京(1984-)，女，吉林公主岭人，讲师，博士，(E-mail)gzlwangjing0707@163.com。

高连兴(1984-)，男，辽宁兴城人，教授，博士，博士生导师，(E-mail)lianxing_gao@126.com。

S565.2；S12

A

1003-188X(2017)01-0182-05