薛 強(qiáng) ，郭京臣 ，楊 碩 ，李明真

（1.天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222；2.天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津300222）

油茶在中國(guó)已經(jīng)有數(shù)千年的種植歷史，它與油棕、椰子、油橄欖并稱為世界四大油料作物[1-3]。 與其他幾種著名油料作物不同，油茶是中國(guó)獨(dú)有的油料作物，在中國(guó)的分布范圍很廣，其產(chǎn)量與品種豐富程度均是世界首位[4]。油茶不僅在中國(guó)的產(chǎn)量大，而且其果實(shí)榨出的茶油不飽和度高，堪比橄欖油。為了保證茶油的品質(zhì)和出油率[5-6]，在茶油制取的過程中最為關(guān)鍵的是油茶鮮果采摘后的處理。 新鮮的油茶果必須及時(shí)進(jìn)行脫殼、清選及烘干，否則易導(dǎo)致果實(shí)腐爛、霉變，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[7]。 目前，油茶鮮果的剝殼過程是先剝油茶鮮果殼，將油茶籽與果殼分離，再剝油茶籽殼，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上單獨(dú)一臺(tái)油茶果剝殼機(jī)不能同時(shí)完成油茶果殼和油茶籽殼的剝殼，而是需要?jiǎng)冇筒韫麣ず蛣冇筒枳褮さ膬膳_(tái)設(shè)備，來(lái)完成油茶果殼和油茶籽殼的剝殼，脫殼效率低。因此設(shè)計(jì)一臺(tái)既能剝果殼，又能剝籽殼的多功能油茶果剝殼機(jī)非常必要。 油茶果剝殼輥筒和油茶籽剝殼輥筒是多功能油茶果剝殼機(jī)的關(guān)鍵部件，它們的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響剝殼機(jī)的性能，如果油茶果的靜壓力學(xué)特性參數(shù)不清楚，則無(wú)法對(duì)輥筒進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，因此研究油茶果殼靜壓力學(xué)特性十分必要。

針對(duì)油料作物果殼力學(xué)特性試驗(yàn)的研究，LIU 等[8]研究了澳洲堅(jiān)果殼中存在的裂紋對(duì)殼斷裂的影響，結(jié)果表明垂直裂紋有利于殼的斷裂，而存在短的水平裂紋對(duì)殼的斷裂沒有顯著影響；PRUSSIA 等[9]對(duì)山核桃壁的加載方式進(jìn)行了分析，不同加載方向的試驗(yàn)表明所測(cè)得的山核桃壁是各向異性的；BRAGA 等[10]研究了澳洲堅(jiān)果殼在壓縮狀態(tài)下的初始破裂所需的力、單位變形和能量，測(cè)出存在一個(gè)受力、單位變形和能量值最小的加載方式，與堅(jiān)果尺寸和殼體含水率無(wú)關(guān)；李文林等[11-12]對(duì)油茶果力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并測(cè)得油茶果含水量對(duì)脫殼效果有顯著影響；曹玉華等[13]利用薄殼理論對(duì)蓖麻果果殼的力學(xué)特性進(jìn)行內(nèi)力和位移分析，結(jié)果表明兩對(duì)法向集中力作用比較有利殼的均勻破裂；侯俊銘等[14]以4 個(gè)不同品種的蓖麻蒴果為研究對(duì)象，進(jìn)行靜壓力學(xué)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明品種、含水率、加壓方式對(duì)蓖麻蒴果破殼力大小都有顯著影響，為蓖麻蒴果脫殼機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供參考。綜上所述，目前對(duì)于需要?jiǎng)儦さ挠土献魑?，其力學(xué)特性的研究雖有一定的進(jìn)展，但缺少針對(duì)油茶果剝殼機(jī)中的剝殼輥筒等關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和優(yōu)化所需要的油茶果殼和油茶籽殼的靜壓力學(xué)性能參數(shù)。

本研究測(cè)定了油茶果在不同加壓方式、不同加載速率以及不同直徑大小的破殼力，分析各種因素對(duì)油茶果破殼力的影響，對(duì)比了油茶籽的最大破殼力與油茶果的最大破殼力，為后期設(shè)計(jì)油茶果剝殼機(jī)中的剝殼輥筒等關(guān)鍵部件提供重要參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)使用的油茶果鮮果產(chǎn)地為江西省吉安市遂川縣，其含水率范圍55．9%～62．5%之間。油茶果的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖1）由鮮果果殼、柱芯和茶籽3 部分組成。 茶籽又可分為茶籽殼和果仁，果仁是榨取茶油的原料[15-16]。 每顆油茶果所含的茶籽粒數(shù)不確定，大致為3～8 粒不等，油茶果中心位置為柱芯，油茶籽以柱芯為軸線分布一周。 為便于描述，現(xiàn)定義與柱芯平行的方向?yàn)榭v向，垂直于柱芯的方向?yàn)闄M向。 試驗(yàn)設(shè)備包括美特斯公司的MTS H45電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、計(jì)算機(jī)、TWHlite 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、游標(biāo)卡尺、相機(jī)等。

圖1 油茶果內(nèi)部結(jié)構(gòu)及示意圖Figure 1 Internal structure of camellia oleifera fruit and schematic diagram

1.2 方法

1.2.1 幾何測(cè)量 使用游標(biāo)卡尺對(duì)其進(jìn)行果皮厚度、油茶果直徑、茶籽的最大尺寸、最小尺寸等基本數(shù)據(jù)的采集。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示果皮厚度在 1．46～6．44mm 之間，油茶鮮果直徑分布范圍為 20～45mm 不等，其中，在 25～40mm 范圍內(nèi)的分布最多，達(dá)98%，直徑在30mm 以上的油茶果占70%。

1.2.2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 油茶鮮果靜壓力學(xué)性能對(duì)選擇剝殼方式及剝殼的最終效果有十分重要的影響[17-19]。為明確加載方向，油茶果直徑大小，加載速率等關(guān)鍵破殼因素對(duì)油茶鮮果脫殼力的影響，以及確定油茶籽的破殼力峰值的大小，首先，對(duì)油茶鮮果按直徑大小分組進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)直徑25～30mm 的中等大小油茶鮮果20 個(gè)，分為橫向、縱向兩組加載，每組10 個(gè)。試驗(yàn)條件：加載速率取20mm·min-1，試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表 1。

表1 油茶鮮果橫縱向加載對(duì)脫殼力的影響Table 1 Effects of longitudinal and transverse loading on shelling force of camellia oleifera fresh fruits N

(2)進(jìn)行小、中、大3 組試驗(yàn)，小組為直徑20～30mm 的小尺寸油茶鮮果10 個(gè)；中組為直徑30～35mm 的中等尺寸油茶鮮果10 個(gè)；大組為直徑35～40mm 的大尺寸油茶鮮果10 個(gè)。 試驗(yàn)條件：加載速率20mm·min-1，試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2。

表2 油茶鮮果直徑對(duì)脫殼力的影響Table 2 The influence of fresh fruit diameter of camellia oleifera on shelling force N

(3)選取直徑30～35mm 中等尺寸油茶鮮果50 個(gè)，將其分為5 組進(jìn)行加載試驗(yàn)，每組10 個(gè)。 通過預(yù)試驗(yàn)確定合理的加載速率為10，20，30，40，50mm·min-1。 因此，本試驗(yàn)采用這幾個(gè)加載速率對(duì)油茶鮮果進(jìn)行加載試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表3。

表3 加載速率對(duì)脫殼力的影響Table 3 Effect of loading rate on shelling force N

(4)油茶籽50 個(gè)分5 組，油茶籽最大尺寸的范圍為10～18mm，最小尺寸的范圍為8～11mm。 試驗(yàn)條件：加載速率20mm·min-1，試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表4。

表4 油茶籽的破殼力大小測(cè)量試驗(yàn)Table 4 Measurement of the shell breaking force of camellia oleifera seeds N

2 結(jié)果與分析

2.1 橫縱向加載對(duì)脫殼力的影響

由圖2 可知，對(duì)油茶果的橫、縱兩個(gè)方向分別加載時(shí)，裂紋首先出現(xiàn)的區(qū)域和延伸的方向不同。 油茶果殼最先破裂的位置位于縫合線交匯處，裂紋沿著油茶果的縫合線由頂端向四周擴(kuò)展。圖3 中用序號(hào)①與②分別表示兩組不同的試驗(yàn)，每個(gè)散點(diǎn)表示一個(gè)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了分析兩組試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)系需要繪制出一條盡可能逼近這些點(diǎn)的曲線，即曲線擬合。 曲線擬合方法使用最小二乘法，其原理是保證實(shí)際數(shù)據(jù)與估計(jì)值的差值絕對(duì)值的平方和最小。因此，兩條曲線是兩組試驗(yàn)結(jié)果，通過擬合曲線可以直觀看出不同組試驗(yàn)結(jié)果之間的差異。 經(jīng)計(jì)算，橫向加載所需最大破殼力均值為328．87N，而縱向加載所需破殼力均值為302．96N。 由圖3 可知，擬合曲線顯示橫向加載時(shí)破殼力的平均峰值高于縱向加載。 由于油茶果破殼時(shí)受到?jīng)_擊的方向不確定，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取破殼力峰值最大的加載方向作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)試驗(yàn)中均采用橫向加載。

2.2 油茶鮮果直徑對(duì)脫殼力的影響

由圖4 可知，油茶果的直徑與破殼力有直接關(guān)系，隨著油茶果的直徑增大，所需破殼力也越大。 小直徑的油茶果與直徑中等、大直徑的油茶果破殼力的差距較大，直徑中等的油茶果與大直徑的油茶果破殼力差別不大。 為保證鮮果破殼充分，破殼力應(yīng)取最大峰值559．99N。

圖3 加載方向?qū)ζ茪ちΦ挠绊懀ㄗ钚《藬M合曲線圖）Figure 3 Influence of loading direction on shell breaking force（Least square fitting curve）

圖2 油茶果受壓沿縫合線開裂圖Figure 2 Cracking of camellia oleifera fruit under compression along suture

圖4 油茶果直徑對(duì)破殼力的影響（最小二乘擬合曲線圖）Figure 4 The effect of the diameter of camellia oleifera fruit on its breaking force（Least square fitting curve）

2.3 加載速率對(duì)脫殼力的影響

由圖5 可知，隨著加載速率的增大，破殼力峰值均值隨之增大，但加載速率為20，30，40mm·min-1時(shí)，破殼力的峰值曲線變化不顯著。 為驗(yàn)證加載速率是否對(duì)油茶鮮果破殼力峰值造成顯著影響，對(duì)表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，將“加載速率”設(shè)置為影響因子，將“破殼力”設(shè)置為因變量。 計(jì)算結(jié)果表明加載速率在20，30，40mm·min-1變化時(shí)，其顯著性水平均大于0．05（p＞0．05），因此在這個(gè)范圍內(nèi)，加載速率對(duì)破殼力的大小沒有顯著的影響，為了提高產(chǎn)量，破殼時(shí)可以適當(dāng)提高輥筒的轉(zhuǎn)速。

圖5 加載方向?qū)ζ茪ちΦ挠绊懀ㄗ钚《藬M合曲線圖）Figure 5 The effect of loading rate on shell breaking force（Least square fitting curve）

2.4 油茶籽的破殼力大小測(cè)量及分析

由圖6 可知，油茶籽個(gè)體間的破殼力峰值差距較大，這是因?yàn)橥粋€(gè)油茶果受到光照、溫度、水分的影響，其內(nèi)部的油茶籽往往發(fā)育不平均，油茶籽有大有小就會(huì)導(dǎo)致其破殼力出現(xiàn)波動(dòng)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到油茶籽殼破殼力峰值均值為 213．94N，最大破殼力峰值為 339．87N。 在設(shè)計(jì)剝油茶籽殼輥筒時(shí)應(yīng)使用最大破殼力峰值339．87N作為設(shè)計(jì)依據(jù)，并適當(dāng)增加破殼力，以保證充分破殼。

3 討論與結(jié)論

本研究針對(duì)含水率在55．9%～62．5%之間的油茶鮮果進(jìn)行了靜壓力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，分析了加壓方式、加載速率和直徑大小的油茶果靜壓力學(xué)特性，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明加載速率、加壓方式和油茶果的直徑大小對(duì)油茶果最大破殼力影響顯著。 隨著加載速率的增大，破殼力峰值均值隨之增大。 唐湘等[20]研究中表明破殼力隨加載速率的增加先升高后降低。 但本研究中加載速率在20，30，40mm·min-1時(shí)，其加載速率對(duì)油茶果破殼力的影響不顯著，并通過單因素方差分析證明了這一點(diǎn)。 橫向加載時(shí)破殼力的平均峰值高于縱向加載，橫向加載時(shí)，油茶果直接受壓的點(diǎn)應(yīng)力最大，假設(shè)油茶果為各向同性材料，則油茶果中應(yīng)力產(chǎn)生的區(qū)域是以受壓點(diǎn)為圓心擴(kuò)散的圓形區(qū)域。 應(yīng)力的大小分布是受壓點(diǎn)處應(yīng)力最大，以該點(diǎn)為圓心，越遠(yuǎn)離圓心的位置應(yīng)力越小。 形變的分布與應(yīng)力分布基本重合，即受壓點(diǎn)位置變形最大。 裂紋一般先產(chǎn)生于受壓點(diǎn)，但是部分試驗(yàn)中出現(xiàn)了油茶果皮縫合線交匯點(diǎn)處最先破裂的情況， 可見油茶果的結(jié)構(gòu)很大程度上影響了裂紋的產(chǎn)生。 縱向施加載荷時(shí)，油茶果果皮的縫合線交匯處應(yīng)力最大，以縫合線為邊，越遠(yuǎn)離縫合線應(yīng)力越小。 形變的分布大致與應(yīng)力分布重合，即縫合線交匯處位置變形最大。 本試驗(yàn)中橫向加載所需最大破殼力均值為328．87N，縱向加載所需破殼力均值為302．96N。 在試驗(yàn)過程中，油茶果的直徑與破殼力有直接關(guān)系，因此剝油茶果殼之前，需要對(duì)油茶果進(jìn)行分級(jí)處理。 與楊樹松[21]的試驗(yàn)研究結(jié)論一致，即油茶果直徑越大所需要的破殼力越大。 當(dāng)加載速率為20mm·min-1時(shí)，橫向加載時(shí)最大直徑的油茶果鮮果的破殼力為559．99N。試驗(yàn)中測(cè)得油茶籽的破殼力最大值為339．87N。

圖6 油茶籽破殼力峰值曲線Figure 6 Peak curve of shell breaking force of camellia oleifera seeds

綜上，在油茶果進(jìn)入剝殼輥筒之前，應(yīng)根據(jù)油茶果的直徑大小設(shè)計(jì)一個(gè)分級(jí)裝置，使直徑范圍不同的油茶果進(jìn)入不同的分級(jí)軌道，不同分級(jí)軌道將油茶果引導(dǎo)到間隙不同的輥筒位置進(jìn)行剝殼，以此提高剝殼的效率及質(zhì)量；設(shè)計(jì)剝油茶果殼輥筒時(shí)應(yīng)取破殼力峰值最大的橫向加載方向作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)剝油茶籽殼輥筒時(shí)以油茶籽最大破殼力為設(shè)計(jì)依據(jù)，保證充分破殼；加載速率在20～40mm·min-1范圍內(nèi)，剝殼時(shí)可以適當(dāng)提升輥筒轉(zhuǎn)速，從而提高生產(chǎn)效率。