木薯塊根壓縮力學特性試驗研究

2013-09-11 03:19:36李夢林

食品與機械 2013年3期

閆梅王濤李夢林李粵

（海南大學機電工程學院，海南海口 570228）

木薯屬于熱帶作物，原產于亞馬遜河流域，是世界三大薯類之一，有“淀粉之王”、“地下糧食”、“能源作物”之稱［1］。中國木薯的主產區為廣西、廣東、海南、云南、福建。木薯用途廣泛，其制品如變性淀粉等主要用于化工、淀粉、酒精［2］、醫療、食品（如果葡萄漿［3］）等行業，目前對中國加工業來說，更多的是木薯淀粉和木薯酒精［4］。“十五”國家發展和改革委員會啟動了中國的燃料乙醇計劃，木薯作為可再生能源作物將勢必發揮其優勢，木薯能源產業鏈將成為熱帶區域經濟的重要組分［5］。由于木薯的成本低，淀粉含量高，易于種植，近年來中國對木薯的利用逐漸充分。中國已確定木薯為華南地區的生物質能作物之一，并大力扶持發展。為了優化中國木薯產業的發展，全面提高木薯酒精、淀粉及其深加工產業化。為設計開發木薯壓餅機和木薯挖掘機提供理論基礎，有必要研究木薯塊根的壓縮特性。國內專門對木薯力學特性研究的理論與測試方法還很少，郭文斌等［6］對馬鈴薯的壓縮特性與淀粉含量進行了研究；聶毓琴等［7］對薇菜的壓縮應力松弛進行了研究；吳海輝等［8］玉米秸稈高密度壓縮過程中的壓縮及應力松弛特性進行了研究；張旭等［9］對檸條可壓縮性的影響因素進行了分析。上述研究，均通過對不同植物品種的不同部位進行處理，獲得試樣從而展開相關的壓縮試驗，為本試驗中木薯塊根試樣處理以及對試驗中數據采集處理提供了參考。

目前國內并無木薯塊根壓縮特性方面的研究，造成相關收獲、加工機械設計的不科學性。故本試驗取木薯塊根的含水率、壓縮速度、壓縮方向為影響因素對其壓縮特性進行研究。

1 材料與方法

1.1 材料的處理

木薯塊根于2012年12月12日取自海口市海南大學實驗田。根據試驗要求，把木薯塊根處理成長約0.018m，寬約0.015m，高約0.038m的長方形試樣，軸向試樣的高為沿軸向方向，徑向試樣的高為沿徑向方向。為防止試驗中的偶然因素的影響，每組試驗準備兩個試樣。

1.2 試驗儀器

電子式萬能試驗機：WD－200B型，廣州試驗儀器廠；

干燥箱：DZF－6050型，上海齊欣科學儀器有限公司；

1.3 試驗方法

1.3.1 單因素試驗設計

（1）干燥時間對壓縮力和應力的影響：限于試驗設備，含水率用干燥時間衡量，隨干燥時間的增大含水率減小，將木薯試樣置于恒溫40℃的干燥箱中分別干燥0，1，4，10h。

（2）壓縮速度對壓縮力和應力的影響：壓縮速度為10，50，100，250mm／min，測量指標為壓縮力和應力。為保證試驗測量數據的真實性和可靠性，在試驗過程中，應嚴格控制其他非測試參量變化。

1.3.2 正交試驗設計為保證試驗結果準確性，在單因素試驗的基礎上，進行正交試驗，并依照單因素試驗結果設計試驗因素水平表。正交試驗中，選取木薯塊根的干燥時間、壓縮速度、壓縮方向作為影響因素，研究對木薯塊根壓縮力、應力等指標的影響。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 干燥時間對壓縮力和應力的影響由圖1、2可知：①木薯塊根徑向試樣的壓縮力和應力都隨著含水率的減小而升高，其原因可能是隨著含水率的下降，木薯塊莖壓縮面面積減小，且塊莖中纖維組織間隙減小，強度增加從而壓縮力和應力都隨著含水率減小而增加。② 軸向試樣的壓縮力和應力隨含水率的減小先升高后下降。③ 木薯塊根軸向試樣的壓縮力和應力均比徑向試樣的小。可能是：試驗中，徑向壓縮時，塊根的斷裂為錯位斷裂，即相鄰纖維之間錯位分開；而軸向壓縮時，塊根斷裂時僅為木薯塊莖其余非提供主要強度組織斷裂，纖維并未斷開。由此可知木薯塊莖纖維與周圍組織結合力大于周圍組織自身之間的結合力。

2.1.2 壓縮速度對切割力、應力的影響由圖3、4可知，木薯塊根徑向試樣的壓縮力和應力都隨著壓縮速度的增加先減小后增大。軸向試樣的壓縮力和應力隨壓縮速度的增加而升高。同時，在不同壓縮速度下，木薯塊根軸向試樣的壓縮力和應力均比徑向試樣的小。

圖1 壓縮力隨干燥時間的變化Figure 1 Compression force along with the change of the drying time

圖2 應力隨干燥時間的變化Figure 2 Stress along with the change of the drying time

圖3 壓縮力隨速度的變化Figure 3 Compression force along with the change of the speed

2.2 正交試驗結果與分析

2.2.1 正交試驗根據正交試驗表中設計的順序依次進行各組試驗。因素水平表見表1，試驗表結果見表2。由表2可知：① 對木薯塊根壓縮力影響的主要因素次序為B＞A＞C，壓縮力最優水平組合為A1B4C2，即干燥時間0h、切割速度為250mm／min、徑向壓縮時壓縮力最小。② 對木薯塊根應力影響的主要因素次序為A＞B＞C，應力最優水平組合為A1B4C1，干燥時間0h、壓縮速度為250mm／min、軸向壓縮時應力最小。

2.2.2 驗證實驗由表3可知：① 當試驗因素組合為A1B4C2時，壓縮力出現最小值，為165.2N。② 當試驗因素組合為A1B4C1時，壓縮應力出現最小值，為821.4kPa。