花生莢果力學特性研究

王 京，高連興，劉志俠，楊德旭

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽 100866)

?

花生莢果力學特性研究

王 京，高連興，劉志俠，楊德旭

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽 100866)

為深入研究花生的力學特性，減小花生在機械脫殼過程中的損傷，以大白沙、黑花生、兩粒紅、小白沙4種東北地區主摘花生品種為研究對象，設計了花生莢果靜壓力學特性實驗；以花生莢果破損形式、破損力、變形量為實驗指標，以花生品種、受力位置、含水率、加載速度為影響因素，對花生莢果損傷力學特性進行了分析。結果表明：受力位置、含水率對莢果的損傷形式有一定影響；含水率、放置方式、花生品種對花生莢果破殼力有顯著影響；含水率、放置方式、加載速度對花生莢果變形量有顯著影響。研究結論可為花生收獲、脫殼等機械加工等工藝參數的優化設計提供理論依據和技術參考。

花生殼；力學特性；損傷形式；破損力

0 引言

花生是我國產量豐富、食用廣泛的一種堅果，在食品加工、食用油脂供應及出口貿易中均占有重要地位[1-2]。花生在機械加工的過程中極易造成花生米的損傷，因而花生脫殼是花生生產加工中的重要環節，是是否造成花生米損傷的關鍵[3-5]。目前，我國現有脫殼機的脫殼損傷率普遍高于6%～8%，嚴重影響了花生的品質和價格[6]。花生脫殼的機械損傷與花生莢果的力學特性密切相關，所以研究花生莢果的力學特性對于設計新型花生脫殼機、改進現有脫殼機技術參數以降低花生損傷率及提高經濟效益具有重要的意義。

目前，已有學者對花生殼及花生米力學特性進行了研究，通過力學特性實驗，得出了不同含水率、加載速度、擠壓位置下花生殼及花生米的破損力，據此分析花生的擠壓破碎性能[7-16]。現有研究中，主要以花生米的破損力分析為主，然而僅從破損力的數值上不能夠科學地反應出各因素對破損力影響的大小，現有研究中缺少對不同含水率、不同放置方式下花生莢果破損形式、破損變形量的統計分析。本文以5種典型花生莢果為實驗對象，基于大量的實驗數據，使用統計學方法對影響花生米破損力的各因素顯著性進行研究，得出了各因素對花生米破損的影響程度，并進一步分析了各因素影響下花生米損傷形式、破損力、破損變形量、壓縮功等指標。研究結論可為花生收獲、脫殼等機械加工裝置的設計和開發提供理論依據和技術參考。

1 實驗材料與方法

以我國東北主產花生品種大白沙、小白沙、兩粒紅、黑花生為實驗材料，使用萬能物料試驗機進行花生米靜態損傷力學特性實驗，如圖1所示。

圖1 萬能物料試驗機

將每種花生分成4組，控制其含水率為4%、16%、23%、34%，每組花生分3種不同的放置方式：正放(腹面受壓)、側放(側面受壓)、立放(頂部受壓)，如圖2所示。每種放置方式分10、20、30mm/min3種速度進行加載，每組實驗重復5次。由計算機控制萬能物料試驗機對花生莢果施加載荷，首先設定實驗控制條件、加載速度、結束條件及數據結果等參數；將花生莢果放置在物料機下壓縮板中心，由計算機操控實驗開始，下壓縮板靜止不動，上壓縮板以設定的速度勻速下落，接觸到花生時，程序開始顯示壓力值；花生破損時，上壓探頭因壓力驟減停止移動并恢復到初始位置，程序自動記錄花生壓縮過程中的所有數據。

正放 測放 立放

2 結果分析

2.1 花生莢果破損形式分析

實驗中花生莢果受外力作用破損，其損傷形式可分為以下幾種：無明顯裂紋、縱向裂紋、橫向裂紋及破碎，如圖3所示。花生莢果受力時發生破損，無明顯裂紋是因為花生殼輕微受損，在破損瞬間出現裂紋，卸掉載荷后殼恢復了原有的形狀，肉眼無法識別裂紋形式。縱向裂紋多位于花生殼結合部位，由于棱線處纖維組織分布不均勻，且組織結構呈現不連續性，因而抗壓強度低，產生裂紋；橫向裂紋多呈輻射狀，是因為花生殼受力時，容易在中段部位形成凹陷，引起應力集中，導致裂紋；破碎是因為花生殼含水率很低，脆性很大，當受到的外力沖量很大時，可能會使花生殼發生破碎。

橫向裂紋 縱向裂紋 破碎

花生莢果的破損形式主要與花生殼的含水率、放置方式及形狀有關，實驗中不同含水率、不同放置方式下花生殼破損形式如表1所示。正放時，破損形式主要以棱線處的縱向裂紋居多，這是因為正放力作用在花生殼的結合部位，易沿結合部位產生縱向裂紋；側放時，破損形式以橫向裂紋居多，因為側放力直接作用在半殼上，容易在中段部位形成凹陷，引起應力集中，導致局部裂紋；豎放時，存在縱向豎紋和橫向斷裂兩種形式的裂紋，取決于花生殼的幾何形狀。如果花生中部存在凹陷，則容易在凹陷部位引起應力集中，產生橫向斷裂；如果中部不存在凹陷，則易產生縱向裂紋。花生殼破碎的情況出現在含水率較低時，此時花生殼的脆性較大，在力的作用下出現嚴重破損。

表1 不同含水率下花生莢果破損形式

2.2 花生莢果破損力分析

2.2.1 花生莢果破損力影響因素分析

莢果破損力是研究莢果力學特性的重要指標，直接反應了花生的抗損壞能力。為了分析各因素對花生破損力的影響程度，選擇破損力為因變量，花生品種、含水率、加載速度、放置方式為因子，使用統計軟件對實驗數據進行單變量方差分析。結果表明：各因變量檢驗顯著性水平為0，拒絕原假設，即組中因變量具有顯著性差異。進一步對各變量主體間效應進行檢驗，如表2所示。由表2可見：在5%的顯著性水平下，一階因素分析中，花生品種、含水率、放置方式對破損力有顯著性影響，加載速度對破損力無顯著性影響；二階交互分析中，只有品種和加載速度以及加載速度和放置方式對破損力無顯著影響。可見，加載速度對破損力的影響較小，因此只考慮花生品種、含水率、放置方式對破損力進行分析。

表2 影響因素主效應檢驗

2.2.2 含水率對花生莢果破殼力的影響

不考慮放置方式，分析不同含水率下花生破殼力變化情況，結果如圖4所示。從圖4中數據可以看出：花生殼破損力隨含水率的變化近似呈線性變化趨勢，含水率最低時，花生殼的破損力最小。花生殼的主要成分是粗纖維素，影響其纖維彈性的因素很多，主要是纖維內部結構和外部條件。內部條件為分子柔曲性好，排列密集，分子鏈間有適當的結合點，則彈性越好；外部條件如測試條件、環境溫度、濕度等。花生品種不同，其成分存在一定的差別，同一品種的花生，受花生殼形狀的影響，花生個體間的力學特性也存在一定的差別。實驗測得花生殼的彈性模量隨含水率呈現出不規律的變化趨勢，說明隨著含水率不同，花生纖維的組織結構力學特性發生改變。從花生脫殼的角度講，不應選擇含水率較高時進行脫殼，因為此時花生殼的破損力較大，極易使花生米受到損傷。

圖4 不同含水率下花生殼破損力變化

2.2.3 花生品種對花生莢果破殼力的影響

不同品種的花生殼的纖維素成分、分子排列形式存在差別，使得在含水率相同時，彈性各異，抗壓縮能力也存在差異。從圖4可以看出：幾個品種中，黑花生的破損力最大，小白沙和兩粒紅的破損力最小。黑花生的殼相對較厚，大白沙的殼組織纖維分布較為密集，因而其破損力均較大。此外，花生破殼力也與花生米排列形式有關，花生米排列越密集，與殼之間的間隙越小，其破殼力越大，但破殼過程中花生米也易受到損傷。

2.2.4 放置方式對花生莢果破殼力的影響

不同放置方式下，莢果的破損力如圖5所示。由圖5中可以看出：花生破損力側放最大，立放最小。不考慮花生莢果的形狀、尺寸上的差異，理論上，立放時，受力面積最小，使得應力最為集中，莢果最易受到損傷，因而破損力往往最小；正放時，力作用在花生殼的結合部位，由于裂縫處組織結構不均勻，抗壓強度低，易產生縱向裂紋；側面施壓時，花生殼側面直接受力，側面纖維分布較為均勻，抗壓強度大于正面，因此破損力較正壓時大。

圖5 不同方式花生莢果破損力

實驗中發現，破損力隨含水率的增加而增加，但不同個體的破損力存在一定差異，主要有以下幾方面原因：首先，花生殼的組織結構特性比較特殊，花生殼主要由粗纖維構成，受花生殼形狀的影響，不同個體纖維的分布形式存在一定差異，且花生殼接縫處的抗壓強度相對較低，導致其力學特性較為復雜，破損力存在一定的差異性；其次，實驗中花生莢果受力時的損傷形式也有多種，放置方式相同時其損傷形式并不唯一，不同破損形式也說明花生破殼時的損傷程度有所不同，導致破損力必然有所差別；第3，含水率影響了花生殼結合的緊密程度，含水率較低時，接縫處的結合度相對較好，含水率較高時，接縫處的結合度降低，受力容易兩瓣，所以各種放置方式下花生米的破損力并沒有隨含水率呈現出嚴格的線性關系。

2.3 花生莢果變形量分析

實驗過程中，花生莢果的變形量隨加載力的變化而變化，現以黑花生莢果為例，選擇加載速度、放置方式、含水率為影響因素，分析花生破殼過程。

2.3.1 放置方式對花生莢果變形量的影響

含水率為4%、不同放置方式下黑花生莢果的變形量與加載力的關系曲線如圖6(a)所示。

實驗初始時，隨著加載力的增加，變形量逐漸增大，變形量與加載力近似呈線性關系，此時花生莢果發生了彈性形變。由于含水率較低，花生莢果的脆性很好，當加載力增大到某一值時，花生殼瞬間破裂，加載力驟減，實驗停止。立放時，由于受力面積較小，變形量隨加載力變化曲線的斜率最大，花生殼破裂瞬間，加載力達到最大值，將這一值稱為破損力。黑花生莢果在含水率為4%時，側放破損力最大，立放破損力最小。

2.3.2 含水率對花生莢果變形量的影響

加載速度為30mm/min，側放時，黑花生莢果的變形量與加載力的關系曲線如圖6(b)所示。從圖6(b)中可以看出：含水率為4%、16%、23%時，花生殼破損前，加載力與變形量均呈線性關系，即花生只發生了彈性形變；含水率為34%時，開始時花生發生彈性形變，當加載力到達一定值時，曲線出現下降，之后隨著加載力的增加，變形量隨之增大；此時花生開始發生彈塑性形變，當加載力達到破損力時，花生莢果破損，實驗停止。

(a) (b) (c)

2.3.3 加載速度對花生莢果變形量的影響

含水率為4%、正放時，黑花生的變形量與加載力的關系曲線如圖6(c)所示。含水率較低時，不同放置方式下，花生莢果在破損前的變形量與加載力仍近似呈線性關系，且加載速度越大，曲線斜率越大，說明加載過程中越容易發生形變。加載速度不同時，破損力值差別不大，說明加載速度對破損力影響很小。

3 結論

1)花生莢果的受力位置對其損傷形式有顯著影響，正放時，以豎紋居多；側放時，以橫紋居多；含水率較低時，偶爾會出現破碎。

2)莢果破損力隨含水率的增加而增大；側放時的破損力最大，立放時最小；加載速度對破損力無顯著影響；4種莢果中，黑花生的破損力最大。

3)放置方式、加載速度、含水率對花生莢果的變形量均有影響，含水率為4%、立放時變形量隨加載力變化曲線斜率最大；加載速度越大，變形量隨加載力變化曲線斜率越大；含水率較低時，花生莢果破殼過程中只發生彈性形變，含水率較高時，花生莢果先發生彈性形變，后發生彈塑性形變。

實驗結果表明：花生莢果的破損力受多種因素影響，莢果受力破損是一個復雜的力學過程，如何設定具體條件減小莢果在脫殼中的破損率有待進一步研究。由于實驗條件有限，本文只選擇東北地區4種典型花生莢果進行研究，但其分析方法和結論可為其他品種花生莢果的損傷靜力學特性研究提供技術參考。

[1] 張智猛，胡文廣，許婷婷，等.中國花生生產的發展與優勢分析[J].花生學報，2005，34(3)：6-10.

[2] J B Jones, N A Barkley, C E Simpson, et al.Peanuts[J].Encyclopedia of Food and Health, 2016(1)：277-282.

[3] 胡志超，王海鷗，胡良龍.我國花生生產機械化技術[J].農機化研究，2010，32(4)：241-243.

[4] 王伯凱，吳努，胡志超，等.國內外花生收獲機械發展歷程與發展思路[J].中國農機化，2011(4)：6-9.

[5] Alexandra S Chang, Aswathy Sreedharan, Keith R Schneider.Peanut and Peanut Products[J]. A Food Safety Perspective[J].Food Control, 2013,32(1)：296-303.

[6] 崔鳳高，石程仁，謝宏峰，等.機械脫殼對花生種子及其活力的影響[J].山東農業科學，2015，42(7)：42-44.

[7] E Güzel, ⅰD Ak?ali, H Mutlu, et al.Research on the Fatigue Behavior for Peanut Shelling[J].Journal of Food Engineering, 2015,67(3):373-378.

[8] 劉紅力，張永麗，高連興，等.花生脫殼力學特性試驗[J].沈陽農業大學學報，2006，37(6)：900-902.

[9] 程獻麗，高連興，劉明國，等.花生沖擊脫殼的力學特性試驗[J].沈陽農業大學學報，2009，40(1)：111-113.

[10] 劉德軍，邵志剛，高連興.花生殼擠壓碎裂力學特性試驗[J].沈陽農業大學學報，2012，43(1)：81-84.

[11] 張黎驊，張 文，秦文等.花生脫殼力學特性的實驗研究[J].食品科學，2010，31(13)：52-55.

[12] 劉明國，杜鑫，張文，等.花生疲勞脫殼試驗研究[J]. 沈陽農業大學學報，2010，41(3)：317-320.

[13] 張榮榮.板栗揉搓式破殼機理的試驗研究及有限元分析[D].武漢：華中農業大學，2007.

[14] 劉超.山核桃破殼力學分析[J].西南大學學報，2012，32(9)：123-127.[15] 曹玉華,李長友,張增學，等.蓖麻蒴果脫殼的力學分析[J].食品科學，2008，29(8)：137-139.

[16] 朱衛衛.花生收獲機摘果物理過程有限元分析及其關鍵結構參數優化[D].青島：青島理工大學，2014.

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

國家自然科學基金項目(51575367)；博士點基金項目(20122103110009)；遼寧省科技廳項目(2014201007)

王 京(1984-)，女，吉林公主嶺人，講師，博士，(E-mail)gzlwangjing0707@163.com。

高連興(1984-)，男，遼寧興城人，教授，博士，博士生導師，(E-mail)lianxing_gao@126.com。

S565.2；S12

A

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