四粒紅花生物料特性試驗與測定

武天倫，郭 輝，高國民，羅 丹，劉家君

(新疆農業大學機電工程學院, 新疆 烏魯木齊 830052)

花生又名“長生果”，是我國重要的經濟作物，其種植面積廣，是食品加工業的重要原料，在我國農業中占據重要地位[1-5]。花生營養價值很高且具有一定的藥用功效。中國西北地區，尤其是新疆地區土地遼闊，氣候干燥，降雨量少，適宜花生大面積種植；加之新疆林果業十分發達，發展林下經濟使新疆的花生種植產業擁有較大發展空間。據統計，2019年新疆花生種植面積約為7 000 hm2[6]。在實際生產過程中，花生挖掘收起后會鋪放在田間進行晾曬，待植株水分下降后再進行輸送和摘果等作業。

目前中國已經研制出多種花生聯合收獲機械，如4HL-B型履帶自走半喂入花生聯合收獲機、4HB-2A型輪式自走花生半喂入花生聯合收獲機、4HQL-2型履帶式自走花生全喂入聯合收獲機等[7]。因聯合收獲時花生植株以及根系的土壤含水率過大，經常會在摘果滾筒上纏繞，且花生植株內部連接力過強會導致摘凈率低、清選和風選作業困難[8-10]。因此對花生的物料特性進行研究是設計花生收獲機械的重要環節，可為花生摘果裝置、清選裝置、風選裝置的設計提供參考[11-12]。

本研究使用游標卡尺和自卷式卷尺測量植株整體尺寸，得到花生植株高度和花生莢果直徑、高度以及寬度[13]。使用微控電子萬能試驗機進行花生植株的拉伸試驗和花生莢果的靜態壓縮試驗，得到花生植株的拉伸力和莢果的破碎力[14]；將花生植株以及莢果粉碎后，使用MS-70紅外線水分測定儀測量晾曬周期內花生植株各部位的含水率變化情況，從而分析花生莢果的適宜收獲時間[15]。在不同含水率范圍內使用ZRQF-F30J手持式數顯熱球風速計以及物料懸浮試驗臺測量花生莢果的風力懸浮速度，以保證不吹走花生莢果條件下能很好地將莢果與葉片和莖稈分離。

1 收獲期花生生長情況調查

試驗材料取自新疆維吾爾自治區烏魯木齊市新疆農業大學三坪農場，花生品種為‘四粒紅’。試區土壤為沙土，種植制度為一年一熟，種植方式為大壟雙行。試驗樣本選用田中無病蟲害、無明顯損傷、在自然條件下生長良好的花生植株，以成熟的花生莢果作為研究樣本。所選花生植株及果柄部位如圖1所示。

1.莢果;2.果柄節點;3.果柄;4.秧柄節點;5.秧蔓1. Pod; 2. Carpophore node; 3. Carpophore; 4. Seedling stalk node; 5. Seedling vine圖1 四粒紅花生植株及果柄部位Fig.1 Silihong peanut plants and stalk parts

調研時間為2020年9月3—9日，隨機選取3個試驗區分別進行田間檢測，在檢測區內(0.4 hm2花生試驗田)從對角線等間距取5個點，并避開地邊和地頭，每個點取2 m2(2 m×1 m)設定為1個試驗小區，在小區內進行試驗[16]。花生收獲期田間調查結果如表1所示。

表1 花生收獲期內田間調查結果Table 1 Field investigation results of peanut at harvest period

2 花生植株物料特性測定

2.1 花生秧蔓和莢果含水率測定

首先用收起條鋪機對田間花生進行收起和條鋪作業，設定花生剛出土條鋪在田間的時間為起始時間，隨機取10株樣本，采用MS-70紅外線水分測定儀(量程71 g，稱重精度0.000 1 g)分別檢測花生秧蔓、莢果和果柄的含水率，設定加熱溫度為300℃，加熱時間為10 min，樣品前后差值即為樣品含水率變化值。由于花生剛從田間收起含水率在晾曬過程中下降速度較快，所以前3天的檢測頻率為每天4次(每6 h檢測1次)，后4天的檢測頻率為每天2次(12∶00和20∶00)。田間晾曬情況如圖2所示。

圖2 晾曬周期內花生植株變化情況Fig.2 Changes of peanut plants in the drying cycle

花生晾曬日期為2020年9月12—18日。含水率監測期間晴天持續天數為6 d，無雨天，多云1 d；白天氣溫為22～31℃，平均氣溫26℃；夜間氣溫為9～14℃，平均氣溫11.3℃。

隨著晾曬時間的變化，花生秧蔓、果柄以及花生莢果的含水率變化如圖3所示。從圖3可以看出，花生秧蔓、果柄和莢果整體含水率變化趨勢相同。其中花生秧蔓含水率從72%降至24%，果柄含水率從58%降至16%,莢果含水率從42%降至9%,各部位均為前4天含水率變化最為明顯。

圖3 花生秧蔓、果柄、莢果含水率變化情況Fig.3 Changes of moisture content in peanut seedling vine, fruit stalk and pod

2.2 花生果柄拉伸力測定

花生摘果作業就是把連接花生莢果的果柄拉斷，讓花生掉落在清選裝置中，且果柄力學特性影響滾筒轉速、機器前進速度(喂入量)等參數，因此對花生植株的拉伸力分析尤為重要。

植株拉伸力采用瑞格爾-4002 2 KN微控電子萬能試驗機測定，試驗前檢查儀器并以20 mm·min-1的速度進行試運行，選擇量程為0～100 N，選取秧柄節點(果柄與植株連接點)、果柄本身以及果柄節點(果柄與花生莢果連接處)3個位置做拉伸試驗。設定微控電子萬能試驗機加載速度為10 mm·min-1，在相同條件下(夾持固定的位置、含水率、莖稈直徑等)每組試驗測定5次并取平均值。夾持固定位置如圖4所示。

圖4 果柄不同位置拉伸試驗Fig.4 Tensile test on different positions of fruit stalk

根據試驗結果繪制秧柄節點、果柄自身以及果柄節點隨著晾曬時間變化的力學特性折線圖，如圖5所示。從圖5可以看出，不同位置的拉伸力大小表現為果柄>秧柄節點>果柄節點。在晾曬第1天時(含水率最高)花生植株果柄、秧柄節點、果柄節點3個部位拉伸力最大，分別為23.7、19.8、13.5 N；隨著晾曬時間的增加，植株含水率降低，拉伸力也隨之下降，第4天過后各部位的拉伸力逐漸趨于穩定。進一步擬合得到果柄、秧柄節點和果柄節點拉伸力與晾曬時間之間的函數關系式：

圖5 植株拉伸力隨晾曬時間變化情況Fig.5 Relationship between plant tensile force and drying time

N1=0.3863X2-4.3774X+26.971

(1)

N2=0.356X2-3.8798X+22.743

(2)

N3=0.1851X2-2.2363X+15.107

(3)

式中，N1、N2、N3分別為果柄拉伸力值、秧柄節點拉伸力值、果柄節點拉伸力值；X為本部位含水率。通過分析，花生果柄、秧柄節點、果柄節點擬合系數分別為0.9877、0.9492、0.9948，3個擬合系數接近于1，函數關系擬合良好。

2.3 花生莢果的破碎力試驗

花生莢果的破碎力是設計摘果裝置釘齒以及摘果滾筒轉速的重要參數。摘果滾筒轉速過大或者釘齒對莢果的施加力過大會均造成花生莢果收獲的損失率增加，影響其經濟效益。

取不同晾曬時間的花生莢果(7組，每組15顆且外形尺寸差異不大)使用微控電子萬能試驗機分別對其正面、側面和立面進行擠壓試驗。為了能夠及時發現花生莢果的破裂點，加載速度應足夠小，故設定微控電子萬能試驗機加載速度為5 mm·min-1，破碎力試驗如圖6所示。

圖6 莢果不同位置擠壓試驗Fig.6 Extrusion test of peanut at different positions

莢果破碎力隨晾曬時間的變化曲線如圖7所示。由圖7可知，在晾曬前4天花生含水率較高，故需施加較大的壓力才能使莢果破裂，晾曬后期隨著自由水比例不斷下降，莢果殼的韌性降低，莢果殼破裂所需要的壓力隨之減小。花生莢果側面、正面和立面的破碎力隨晾曬時間變化分別為108.2 N降至41.0 N、183.0 N降至70.3 N、71.0 N降至36.1 N。

圖7 莢果破碎力隨晾曬時間變化情況Fig.7 Relationship between pod breaking force and drying time

2.4 花生莢果、莖稈、葉片風力懸浮速度試驗

清選工作是整個花生摘果作業的最后一個環節，由于摘果過程中花生植株受到釘齒的打擊力和離心力的作用，部分葉片和莖稈也掉落在輸送裝置上，所以在花生進入集果箱前要對其進行葉片、莖稈與莢果的分離。在風選作用下，既要保證將葉片和莖稈吹凈，也要保證莢果不會隨著葉片、莖稈一起被吹走，這就要求風機的轉速要適中。

在不同晾曬時間分別選擇5組樣本(含花生莢果、莖稈、葉片且外形尺寸差別不大，當天18∶00時的樣本)，分別將花生莢果、葉片、莖稈放入待測物料篩盤中，啟動風力懸浮試驗臺，通過變頻器不斷調節電機轉速，使風力不斷加大，直至物料集中穩定在某一區域內，在出風口處采用ZRQF-F30J手持式數顯熱球風速計進行風速的測量，共選取6個點，并取平均值。風力懸浮試驗臺如圖8所示。

圖8 莢果、莖稈、葉片風力懸浮試驗Fig.8 Wind suspension test of pod, stem and leaf

由表2可看出，花生莢果、莖稈以及葉片不同晾曬天數的懸浮速度平均值分別為5.82～18.30、2.43～6.80、1.44～4.87 m·s-1。隨著晾曬時間增加，植株含水率逐漸降低(圖3)，三者的懸浮速度也隨之下降，尤其是在晾曬前4天下降趨勢最明顯，晾曬的后3天由于自由水的比例減小至極限區間導致懸浮速度下降趨勢變緩。此時進行風選效果最好，消耗功率最小。

表2 花生莢果、莖稈、葉片懸浮速度/(m·s-1)Table 2 Levitation speed of pod, stem and leaf

3 結 論

1)在晾曬期內，花生秧蔓、果柄、莢果含水率分別由72%、58%、42%降至24%、16%、9%。

2)花生秧柄節點、果柄、果柄節點拉伸力的變化區間分別為12.50～19.80、14.95～23.20、8.45～13.00 N；花生秧柄節點、花生果柄以及果柄節點拉伸力與晾曬時間之間存在二次函數關系，擬合效果良好(R2>0.9870)?；ㄉv果側面、正面和立面破碎力隨著晾曬時間變化分別為108.2 N降至41.0 N、183.0 N降至70.3 N、71.0 N降至36.1 N。

3)花生莢果、花生莖稈和葉片懸浮速度區間分別為5.82～18.30、2.43～6.80、1.44～4.87 m·s-1。

基于花生秧柄節點、花生果柄以及果柄節點拉伸力隨晾曬時間的變化趨勢，花生莢果正面、側面、立面的破碎力變化趨勢以及花生莢果、花生莖稈和葉片風力懸浮速度的變化范圍，確定花生的適收期為晾曬期內的5～7 d。