含水率對溫185核桃靜壓力學性能的影響

沈柳楊，張宏*，范修文李勇，郭文松，唐玉榮，劉揚

1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾8433002.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾843300

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含水率對溫185核桃靜壓力學性能的影響

沈柳楊1，2，張宏1，2*，范修文1李勇1，郭文松1，唐玉榮1，2，劉揚1

1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾843300
2.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾843300

摘要：為給核桃破殼機械設計提供依據，以溫185核桃為研究對象，利用質構儀對不同干燥處理的核桃進行靜壓力學試驗，運用Matlab和Origin軟件進行數據處理，研究含水率對其力學性能的影響。結果表明：在干燥8 h后核桃含水率基本趨于穩定；在相同加載條件下，核桃在不同加載方向上所產生的載荷-變形曲線形態是相似的，除縱向外曲線上沒有明顯的生物屈服點，外殼在受力破壞時呈現出一定的脆性，沒有延展性；核桃的初次破裂力、壓縮變形量均隨含水率的增加而增加。在含水率為3.24%、縫向上加載時初次破裂力和壓縮變形量最小，最小值分別為52.41 N、0.39 mm；在含水率為12.99%、橫向上加載時初次破裂力和壓縮變形量最大，最大值分別為200.19 N、1.42 mm；通過對核桃含水率與應變能的關系分析得出，從縫向上進行加載時核桃破殼較容易。試驗結果可為核桃破殼機械的研發提供參數依據。

關鍵詞：溫185核桃；靜壓試驗；力學性能；含水率

溫185核桃是新疆薄皮核桃的典型品種之一，具有很高的營養與食用價值［1］。然而，目前新疆核桃加工率僅為2%，幾乎全部以原果形式出售，依靠人工破殼已經無法適應核桃的產業化發展需求［2］，利用機械破殼是解決這一問題的有效途徑。由于核桃外殼較仁堅硬，破殼取仁難度較大，其力學性能對破殼具有重大影響，因此對溫185核桃的力學性能進行研究是十分必要的。

國內外關于核桃破殼的研究，前人做過大量的研究工作并取得了有益的成果。吳子岳、Braga等［3-6］對核桃的物理機械特性進行了測定和分析，結果表明：減少破殼所需的果殼變形量可以改善破殼的效果。劉奎、Koyuncu等［7-9］通過力學試驗對核桃的破殼力學特性進行了研究，結果表明：不同加載速度、不同加載方向、不同品種的核桃在機械破殼過程中對核桃仁破損的影響比較顯著。Liu、閆茹等［10-14］利用有限元方法對核桃破殼取仁進行了力學分析，得出了最佳的破殼方式。張宏、涂燦等［15-17］對核桃的破殼取仁工藝參數進行了優化研究。但是，目前針對南疆溫185核桃破殼力學性能這一問題所做的研究工作還較少。

本文以溫185核桃為研究對象，通過對其進行不同的干燥處理，然后在質構儀上從不同方向進行靜態壓縮力學試驗，研究含水率對溫185核桃力學性能的影響規律，為核桃破殼設備的設計與研發提供參數依據。

1　材料和方法

1.1試驗材料

試驗用溫185核桃購置于新疆阿拉爾市九團農貿市場，其外形近似球形，以縫合線為特征線，溫185核桃可劃分為3個方向：橫向（核桃縫合線垂直方向）、縫向（核桃縫合線短軸方向）、縱向（核桃縫合線長軸方向），如圖1所示。對購置的核桃進行篩選，剔除殼體有裂縫、畸形的核桃，利用電子天平（FA1104，上海市安亭電子儀器廠）和游標卡尺（申工0～150 mm，精度0.02 mm，上海申韓量具有限公司）進行稱重和尺寸測量；利用電熱鼓風干燥箱（GZX-9140MBE，上海博迅實業有限公司醫療設備廠）在干燥溫度為50℃的條件下，采用烘箱法測定核桃的含水率。本試驗選用的核桃平均重量約為14.76 g，平均直徑約為36.43 mm，平均初始含水率為17.68%。

圖1　溫185核桃三維模型Fig.1 Three-dimensional model of Wen-185 walnut

1.2試驗設計與方法

1.2.1核桃的干燥處理及含水率測定溫185核桃的干燥處理采用恒溫烘烤法和稱重法［18］。將篩選出的75枚核桃依次進行編號，并對其進行隨機分組，將核桃分為5組（記為A、B、C、D、E組），然后統一放置在溫度設定為50℃的電熱鼓風干燥箱中分別進行1 h（A組）、3 h（B組）、5 h（C組）、8 h（D組）、10 h（E組）的干燥處理。每隔相應的干燥時間后，從干燥箱中快速取出對應組的核桃，進行稱重并記錄數據，然后在質構儀（TMS-PRO，精度0.015%，美國Food Technology Corporation公司）上進行核桃的靜態壓縮力學試驗，壓縮力學試驗結束后再將該組核桃繼續放入干燥箱中干燥至恒重，最后再對核桃殼、仁分別進行稱重，計算不同干燥處理所對應的核桃含水率。

核桃含水率（濕基含水率）的測定和計算方法參照GB5009.3-2010進行，即利用干燥箱在恒溫條件下進行烘烤，而后稱量核桃的絕干重量，通過干燥前后重量的差值計算核桃的濕基含水率，其濕基含水率的計算公式如下［19］：

式中，Mc為濕基含水率，%；W0為初始重量，g；W1為絕干重量，g。

1.2.2核桃的靜態壓縮力學試驗將每組干燥處理的15枚核桃，再隨機分為3組利用質構儀分別從橫向、縫向、縱向進行壓縮力學試驗，每個方向重復5次，試驗結果取平均值。試驗采用準靜態的加載方式，壓縮力學試驗的控制參數為：底面直徑70 mm、厚度10 mm的圓柱形平板鋼制壓縮頭，加載速度60 mm/min，上限載荷480 N，上限位移30 mm，起始加載力為0.5 N。試驗過程中，質構儀

可以對核桃破殼力、變形量等相關參數進行自動采集并記錄。試驗結束后，所有試驗數據會自動保存在與質構儀連接的計算機中，可以直接調出數據進行分析。靜態壓縮力學試驗，如圖2所示。

1.2.3試驗因素與指標以含水率和加載方向為試驗因素，其中選取5個含水率水平，即12.99%、8.66%、5.72%、3.50%、3.24%，分別從橫向、縫向、縱向進行靜態壓縮力學試驗。以核桃受載時的初次破裂力（核桃從受載到第一次達到壓力波峰時所對應的破殼力）、壓縮變形量（初次破裂力對應的變形量）、應變能為試驗指標。其中，從數學的角度進行分析，應變能是核桃破殼力-變形量曲線所圍成的面積，如圖3所示。其大小反映了殼體在外載荷作用下破裂的難易程度［20］，是評價核桃力學性能的一項重要指標，可用下式進行計算。

式中，E為應變能，mJ；F為破殼力，N；δ為變形量，mm。

圖2　核桃靜態壓縮力學試驗Fig.2 Static compression mechanical test of walnut

圖3　破殼力-變形量曲線Fig.3 Curve of rupture force-deformation

1.3數據處理

運用Origin 9.0軟件進行數據分析和繪圖，利用Matlab R2010b軟件進行線性多項式擬合分析。

2　結果與分析

2.1溫185核桃含水率的變化規律

對不同干燥處理的核桃重量測定結果進行單因素方差分析，如表1所示。由表可知，F=11.337 ＞F0.01（8，126），表明干燥時間對核桃重量有顯著影響。利用公式（1）計算出不同干燥時間所對應的核桃含水率，其含水率變化曲線如圖4所示。由圖4可知，在干燥8 h之前核桃含水率的下降速率較快，而在干燥8 h后其下降速率隨時間逐漸減小，且在干燥40 h后核桃的含水率基本不再變化，這表明在干燥8 h后核桃含水率不會隨干燥時間的增加而發生較大的波動。

表1　隨干燥時間核桃重量的方差分析Table 1 Variance analysis of walnut weight with drying time

圖4　溫185核桃的含水率變化曲線Fig.4 Variation curve of moisture content in Wen-185 walnut

2.2溫185核桃壓縮力學試驗結果的方差分析

對溫185核桃在不同含水率和不同方向加載時的初次破裂力、壓縮變形量分別進行雙因素方差分析，結果見表2和表3。從表中可知，加載方向和含水率對核桃初次破裂力和壓縮變形量均有極顯著影響，其交互作用對初次破裂力影響顯著，對壓縮變形量影響極顯著。

表2　核桃壓縮時初次破裂力的方差分析Table 2 Variance analysis of initial rupture force of walnut under compression

表3　核桃壓縮時壓縮變形量的方差分析Table 3 Variance analysis of compression deformation of walnut under compression

2.3溫185核桃破殼過程受力分析

通過試驗發現，在相同的加載條件下，溫185核桃在不同加載方向上所產生的載荷-變形曲線形態是相似的，其典型的載荷-變形曲線形態如圖5所示。由圖5可知，溫185核桃在壓縮過程中縱向上存在著較為明顯的生物屈服點S和破裂點B，而在橫向和縫向上沒有明顯的生物屈服點出現。生物屈服點S對應著微觀結構的破壞，破裂點B對應著宏觀結構的破壞。在靜態壓縮試驗初始階段，破殼力和變形量均逐漸增大，當殼體受力達到波峰（初次破裂力）后，即到達破裂點時，殼體的宏觀結構在載荷的作用下發生破壞，隨后變形量雖然繼續增加，但是載荷卻急劇減小。因此，溫185核桃在破殼過程中，呈現出一定的脆性，沒有延展性。

圖5　典型干燥5 h溫185核桃不同加載方向上的載荷-變形曲線Fig.5 Typical load-deformation curve of Wen-185 walnut at drying 5 h under different loading directions

2.4溫185核桃破殼力學性能分析

利用Origin軟件對溫185核桃靜態壓縮力學試驗數據進行處理，得出含水率對破殼力學性能的影響規律，如圖6所示。

圖6　含水率對破殼力學性能的影響Fig.6 Effect of moisture content on mechanical properties of cracking shell

2.4.1初次破裂力及其變化規律初次破裂力及其變化規律，如圖6a所示。由圖可知，不同方向上溫185核桃初次破裂力均隨含水率的增加而增加。在含水率為3.24%、縫向上加載時初次破裂力最小，最小值為52.41 N；在含水率為12.99%、橫向上加載時初次破裂力最大，最大峰值為200.19 N。在同一含水率下，加載方向對初次破裂力的影響程度依次為橫向＞縱向＞縫向，即橫向上抗壓能力最強，縫向抗壓能力最弱。因此，對溫185核桃進行破殼時，可從縫向上進行加載，這樣可以減小破殼力。

通過Matlab軟件分別擬合出溫185核桃在橫向、縫向、縱向上受載時，含水率與初次破裂力的函數關系式為：

式中，F橫、F縫、F縱分別為橫向、縫向、縱向上的初次破裂力，N；X為含水率，%。

由式（3）～（5）可知，溫185核桃初次破裂力與含水率的關系近似為二次函數。其中，橫向受載時的相關系數為R2=0.9823，縫向受載時的相關系數為R2=0.9783，縱向受載時的相關系數為R2=0.9876，關系擬合良好。由于（3）～（5）式為拋物線方程，因而存在一定的局限性，式（3）的應用條件為X∈（0，89.45］，式（4）的應用條件為X∈（0，49.89］，式（5）的應用條件為X∈（0，33.01］。

2.4.2壓縮變形量及其變化規律壓縮變形量及其變化規律，如圖6b所示。由圖可知，溫185核桃在不同方向上的壓縮變形量均隨含水率的增加而增加。在含水率為3.24%、縫向上加載時壓縮變形量最小，最小值為0.39 mm；在含水率為12.99%、橫向上加載時壓縮變形量最大，最大值為1.42 mm。在同一含水率下，加載方向對壓縮變形量的影響程度依次為橫向＞縱向＞縫向，即橫向上抗變形能力最強，縫向抗變形能力最弱。

利用Matlab軟件分別擬合出溫185核桃在橫向、縫向、縱向上受載時，含水率與壓縮變形量的函數關系式為：

式中，δ橫、δ縫、δ縱分別為橫向、縫向、縱向上的壓縮變形量，mm；X為含水率，%。

由式（6）～（8）可知，溫185核桃壓縮變形量與含水率的關系近似為三次函數。其中，橫向受載時的相關系數為R2=0.9668，縫向受載時的相關系數為R2=0.9995，縱向受載時的相關系數為R2=0.9604，關系擬合良好。

2.4.3應變能及其變化規律含水率對應變能的影響如圖6c所示。從圖中可知，溫185核桃在不同方向上的應變能也隨含水率的增加而增加。在橫向和縱向的應變能變化最為明顯，其大小隨含水率的增加在快速增加，而縫向上的應變能變化較為平緩。在含水率為3.24%、縫向上加載時應變能最小，最小值為20.29 mJ；在含水率為12.99%、橫向上加載時應變能最大，最大值為199.28 mJ。在同一含水率下，加載方向對應變能的影響程度依次為橫向＞縱向＞縫向，即橫向上殼體破裂較困難，縫向殼體破裂較容易。因此對溫185核桃進行破殼時，從縫向上進行加載時破殼相對較容易。

運用Matlab軟件分別擬合出溫185核桃在橫向、縫向、縱向上受載時，含水率與應變能的函數關系式為：

式中，E橫、E縫、E縱分別為橫向、縫向、縱向上的應變能，mJ；X為含水率，%。

由式（9）～（11）可知，溫185核桃應變能與含水率的關系近似為三次函數。其中，橫向受載時的相關系數為R2=0.963，縫向受載時的相關系數為R2=0.9709，縱向受載時的相關系數為R2=0.9718，關系擬合良好。

3　結論

通過溫185核桃的靜態壓縮力學試驗與結果分析，探明了含水率對其在不同加載方向下靜壓力學性能參數的影響及規律，并建立了初次破裂力、壓縮變形量以及應變能與含水率的函數關系，具體結論如下：

（1）溫185核桃在干燥8 h后含水率基本趨于穩定；在相同的加載條件下，沿不同方向進行加載時，所產生的載荷-變形曲線形態是相似的；在破殼過程中，核桃殼體呈現出一定的脆性，沒有延展性，這與張宏等［21］的研究結果一致；

（2）溫185核桃的初次破裂力和壓縮變形量均隨含水率的增加而增加。在含水率為3.24%、縫向上加載時破裂力和變形量最小，最小值分別為52.41 N、0.39 mm；在含水率為12.99%、橫向上加載時破裂力和變形量最大，最大值分別為200.19 N、1.42 mm；在同一含水率下，加載方向對初次破裂力、壓縮變形量的影響程度依次為橫向＞縱向＞縫向；

（3）溫185核桃在不同方向上的應變能也隨含水率的增加而增加。在含水率為3.24%、縫向上加載時應變能最小，最小值為20.29 mJ；在含水率為12.99%、橫向上加載時應變能最大，最大值為199.28 mJ；在同一含水率下，加載方向對應變能的影響程度依次為橫向＞縱向＞縫向，因此對溫185核桃進行破殼時，從縫向上進行加載時破殼相對較容易。

參考文獻

［1］孫樹杰，王兆華，宋康，等.核桃營養價值及功能活性研究進展［J］.中國食物與營養，2013，19（5）：72-74

［2］田慧平.“砸”核桃實現機械化，新疆成功研制核桃自動加工設備［EB/OL］.http：//www.xjxnw.gov.cn/zx/snkx/tp -kx/04/1459395.shtml，2015-04-27

［3］吳子岳.核桃剝殼的力學分析［J］.南京農業大學學報，1995，18（3）：116-123

［4］Tang GP，Liang T，Munchmeyer FA. A variable deformation macadamia nut cracker［J］.Transactions of the ASAE，1982，25（6）：1506-1511

［5］趙超.山核桃破殼力學分析［J］.西南大學學報：自然科學版，2012，34（9）：123-127

［6］Braga GC，Couto SM，Hara T，et al. Mechanical behavior of macadamia nut under compression loading［J］. Journal of Agricultural Engineering Research，1999，72（3）：239-245

［7］劉奎，李忠新，楊莉玲，等.機械破殼時核桃仁損傷特征研究［J］.農產品加工（學刊），2014（16）：41-44

［8］高警，鄭甲紅，閆茹，等.對影響核桃破殼力大小因素的探究［J］.農機化研究，2014（9）：186-189

［9］Koyuncu MA，Ekinci K，Savran E. Cracking characteristics of walnut［J］. Biosystems Engineering，2004，87（3）：305-311

［10］Liu R，Wang CH，Bathgate RG. Fracture analysis of cracked macadamia nutshells under contact load between two rigid plates［J］. Journal of Agricultural Engineering Research，1999，74（3）：243-250

［11］史建新，趙海軍，辛動軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術研究［J］.農業工程學報，2005，21（3）：185-188

［12］何義川，史建新.核桃殼力學特性分析與試驗［J］.新疆農業大學學報，2009，32（6）：70-75

［13］周軍，史建新.氣爆式核桃破殼有限元力學分析［J］.農機化研究，2014（12）：65-69

［14］閆茹，高警，鄭甲紅，等.基于Workbench的核桃破殼力學特性分析［J］.農機化研究，2014（10）：38-41

［15］張宏，馬巖，蘭海鵬，等.溫185核桃破殼取仁工藝試驗研究［J］.安徽農業科學，2014，42（21）：7187-7190

［16］李勇，張宏，郝忠誠.溫185薄殼核桃破殼取仁試驗研究［J］.農機化研究，2014（7）：174-177

［17］涂燦，楊薇，尹青劍，等.澳洲堅果破殼工藝參數優化及壓縮特性的有限元分析［J］.農業工程學報，2015，31（16）：272-277

［18］馬秋成，盧安舸，高連興，等.蓮子物料空氣動力學特性與殼仁分離裝置試驗［J］.農業工程學報，2015，31（6）：297-303

［19］馬志遠，張黎驊，夏磊，等.麻風果種子力學特性的試驗［J］.西南大學學報：自然科學版，2012，34（3）：131-137

［20］丁為民，鄧麗君，李毅念，等.不同成熟度芡實的力學性能試驗分析［J］.農業工程學報，2012，28（19）：241-247

［21］張宏，馬巖，張兆國，等.溫185核桃殼斷口形貌的研究［J］.中南林業科技大學學報，2013，33（9）：103-106

Effect of Moisture Content on Mechanical Properties of Wen-185 Walnut under Static Pressure

SHEN Liu-yang1，2，ZHANG Hong1，2*，FAN Xiu-wen1，LI Yong1，GUO Wen-song1，TANG Yu-rong1，2，LIU Yang1

1. College of Mechanic and Electrical/Tarim University，Alar 843300，China
2. The Key Laboratory of Modern Agriculture Engineering of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Alar 843300，China

Abstract：To provide basic data for mechanical design of walnut cracking machine，Wen-185 walnuts were selected as research samples，the static compression test of walnut was carried out with the texture analyzer under the different drying treatments. In order to study the effect of moisture content on the mechanical properties of walnut，the data were analyzed by Matlab and Origin software. The results showed that moisture content of walnut was basically stable after drying 8 h；At the same loading conditions，the load-deformation curve shape of walnut was similar under the different loading direction. There was no obvious biological yield point on the curve except for the longitudinal direction. When the shell was forced to damage，it exhibited a certain brittleness and no extension. The initial rupture force and compression deformation of walnut both increased with the increase in the moisture content. The initial rupture force and compression deformation were minimum when the force was loaded on the suture line of the sample with moisture content of 3.24%，and the minimum initial rupture force and compression deformation was 52.41 N and 0.39 mm，respectively. The initial rupture force and compression deformation were maximum when the force was loaded on the dot being transverse direction of the sample with the moisture content of 12.99%，and the maximum initial rupture force and compression deformation was 200.19 N and 1.42 mm，respectively. By analyzing the relationship between the moisture content and the strain energy during the deformation，it could be obtained that the walnut shell easily cracked from the sutured direction to load. The results could provide the practical knowledge for developing the walnut cracking machinery.

Keywords：Wen-185 walnut；compression test；mechanical properties；moisture content

中圖法分類號：TS255.6

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）03-0332-06

收稿日期：2015-11-05修回日期：2016-02-12

基金項目：國家自然基金項目（31160196）；兵團工業攻關項目（2014BA014）；塔大研究生科研創新項目（TDGRI201516）

作者簡介：沈柳楊（1989-），男，碩士研究生，研究方向為新型農業機械裝備設計. E-mail：feiyanghero@163.com

*通訊作者：Author for correspondence. E-mail：zhghog@163.com