机械脱壳时花生仁损伤特征及规律

第26卷第5期农业工程学报Vol.26No.52010年5月TransactionsoftheCSAEMay2010117机械脱壳时花生仁损伤特征及规律那雪姣1，刘明国2，张文1，李飞1，杜鑫1，高连兴1※（1．沈阳农业大学工程学院，沈阳110866；2．辽宁省农业机械质量监督管理站，沈阳110034）摘要：为深入研究机械脱壳过程中花生仁损伤机理和规律，改进花生脱壳机的设计，以辽宁省花生主产地花生品种为对象，运用微型电子拉压试验机、体视显微系统，研究了花生仁外形特征、损伤特征与规律，并进行了不同品种花生仁、不同加载速率、不同受压部位的相关力学特性试验。研究结果表明：不同品种、不同受压部位的花生仁破碎力差异显著，四粒红和花育23在加载速率为10mm/min时的正压和侧压下平均破碎力分别为106.2、96.6N和79.8、58.3N；加载速率不同时，花生仁的破碎变形量和最大破碎载荷都随着加载速率的增大而减小。关键词：农业机械，应力，损伤检测，特征，花生仁doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.05.020中图分类号：S226.4文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-05-0117-05那雪姣，刘明国，张文，等.机械脱壳时花生仁损伤特征及规律[J].农业工程学报，2010，26(5)：117－121.NaXuejiao,LiuMingguo,ZhangWen,etal.Damagecharacteristicsandregularityofpeanutkernelsundermechanicalshelling[J].TransactionsoftheCSAE,2010,26(5):117－121.(inChinesewithEnglishabstract)0引言花生是世界、更是中国重要油料作物与经济作物，在世界油料生产和国际贸易中占有重要地位。中国年种植花生面积达5.125×106hm2、总产量1.4386×107t，占世界花生种植面积的20%和总产量的42%以上，位居世界首位；中国年出口花生仁和花生制品约7.0×105t，占世界贸易量的47%而位居第一位[1]，是具有竞争优势的主要创汇农产品之一[2]。脱壳是花生食用、加工和种植前的必经工序，同时也是造成花生仁损伤的关键环节。花生脱壳损伤一直是倍受关注的世界性难题[3]。为减轻脱壳损伤而造成的损失并节约人工挑选成本，美国从20世纪60年代开始研究降低花生脱壳损伤问题，最终取得了较好的成果并得以应用[4]。一方面，严重破碎的花生仁被分离到花生碎壳中造成了一定损失，同时破碎花生仁易失油、粘尘和霉变，难以储藏，所以价格下降2/3～3/4、甚至更低，如果不将其分选出来，会影响花生仁等级和价格，甚至难以出售[5-6]；另一方面，损伤花生由于缺少完整的衣皮保护，易遭黄曲霉毒素侵害而影响出口[5-8]。所以花生仁特别是出口花生仁在机械分选后仍需人工分捡，增加了成本，影响了经济效益。此外，花生种子为避免机械脱壳损伤收稿日期：2009-09-28修订日期：2009-11-11基金项目：国家自然科学基金项目（50775151）；辽宁省教育厅科技项目（2009S095）；沈阳市科技攻关项目（1071214-1-00）作者简介：那雪姣（1984－），女，辽宁本溪人，硕士研究生，主要从事农业装备工程技术研究。沈阳沈阳农业大学工程学院，110866。Email:[e-mail]※通信作者：高连兴（1958－），男，教授，博士生导师，中国农业工程学会高级会员（E041200250S），主要从事农业动力与机械方面的研究。沈阳沈阳农业大学工程学院，110866。Email:[e-mail]而影响出苗和产量，在播种前均用人工剥壳，效率低，对于种植大户负担很大。因此，探索花生仁脱壳损伤特征、规律以及脱壳力学特性，对于研究花生脱壳损伤机理、设计新型低损伤花生脱壳机具有十分重要意义。1材料与方法1.1试验材料试验花生选用四粒红和花育23，是辽宁省花生主栽品种，均选自辽宁省花生主产区铁岭市昌图县付家镇，试验时花生仁含水率为7.8%。其主要外形和几何尺寸如图1和表1所示。a.花育23花生b.四粒红花生图1花育23和四粒红花生荚果与花生仁Fig.1PeanutandpeanutkernelofHuayu23andSilihong118农业工程学报2010年表1四粒红和花育23花生仁几何尺寸Table1GeometricalsizeofthekernelofSilihongandHuayu23品种长度分布/mm百分率/%宽度分布/mm百分率/%厚度分布/mm百分率/%(11~13)14(6~8)11(7~8)41(13~15)52(8~10)74(8~9)40(15~17)22(10~12)12(9~11)18四粒红(17~19)12(12~13)3(11~12)1均值14.469.188.34(12~14)5(8~9)16(6~8)7(14~16)32(9~10)51(8~9)32(16~18)43(10~11)26(9~10)38花育23(18~20)20(11~13)7(10~12)23均值16.539.569.11注：表中长度和宽度分别为花生仁子叶结合面内纵向与横向最大尺寸，厚度为与结合面相垂直方向最大尺寸。结合面是指自然状态下花生仁两片子叶相接触的面。1.2试验设备TFHS1500花生除杂脱壳分选机（锦州俏牌集团有限公司）、LDS型微机控制电子拉压试验机（济南东方科技实业有限公司）、YHW红外线干燥仪（沈阳天宏竣试验设备有限公司）、数码相机（尼康PowerShotA85）、BS200S型电子天平（北京赛多利斯天平有限公司）和油料水分测量仪（向阳电子）等。1.3试验方法首先，针对四粒红和花育23花生荚果，用TFHS1500花生除杂脱壳分选机进行脱壳试验。试验在辽宁省昌图县付家镇结合花生脱壳生产进行，脱壳滚筒为打板式，凹板筛为编织筛、方形孔，选用不同网孔的凹板筛（表2）。其次，选择脱壳后的四粒红和花育23花生仁若干，用LDS微机控制电子拉压试验机进行破损试验。试验在沈阳农业大学工程学院材料力学实验室进行。根据实际花生脱壳过程分析，花生仁外皮光滑、摩擦系数小；脱壳后的花生壳强度较低并具有一定缓冲作用，花生仁损伤主要原因是压力作用。因此，本研究以花生仁脱壳过程中产生破损的2种典型受力方式进行研究，即正面和侧面受压。正面受压和侧面受压分别是指与花生仁子叶结合面垂直和平行方向的受压（图2）。用LDS微机控制电子拉压试验机分别测取正面、侧面加压时花生仁的破裂力，以及花生仁在不同加载速率10、20、30mm/min下的力与变形的关系。试验过程如下：拉压试验机上压头以10mm/min速度下压，下压头固定不动，接触到花生时，电子显示屏开始显示压力数据；当花生仁因受力增大开始破损时，压力骤减而自动停机，按下“峰值”键，记录压力峰值；每次试验时随机选取30颗花生仁，试验重复3次。图2花生仁压破试验Fig.2Extrusiontestofpeanutkernel2结果与分析2.1花生仁机械损伤特征分析根据试验结果分析，脱壳过程中花生仁因受到冲击、剪切、摩擦等作用而造成损伤，其损伤可分为6种情况（图3）：破碎与两瓣──花生仁两片子叶完全分离或碎裂（图3a）；子叶严重损伤──花生仁部分子叶缺失、折断或出现严重裂纹（图3b）；子叶轻微损伤──花生仁子叶局部缺失或部分子叶裂纹（图3c）；种皮完全损伤──花生仁种皮完全脱掉或大部分缺失（图3d）；种皮不完全损伤──花生仁种皮部分损伤、缺失（图3e）；除图外尚有一种即隐性损伤──花生仁种皮完好但子叶或胚芽等出现难以发现的内部损伤。a.破碎与两瓣b.子叶严重损伤c.子叶轻微损伤d.种皮完全损伤e.种皮不完全损伤图3花生仁机械脱壳损伤特征Fig.3MechanicaldamageformsofPeanutkernels通过对辽宁省花生主产地付家镇的花生脱壳情况的调查发现，相当一部分花生存在不同程度的损伤。根据花生仁外形尺寸特征统计结果，针对不同品种的花生选用筛孔不同的凹板筛进行脱壳试验，四粒红和花育23花生仁在含水率均在7.8%时，其损伤情况见表2。从表2可知，由于花生仁几何尺寸不同，选用筛孔大小必须匹配。在试验情况下，筛孔较小时损伤率上升，因为筛孔过小会造成花生仁在脱离间隙中的停留时间长、被搅动次数多，而增加了损伤机会；同样筛孔尺寸时，四粒红损伤率要明显低于花育23，因为四粒红花生仁的体积要小于花育23，更易通过栅格网孔而被分选出来；而从脱粒特性来看，四粒红花生的外壳较薄、强度第5期那雪姣等：机械脱壳时花生仁损伤特征及规律119119小，容易脱壳。从统计可以看出，随着网格的增大，花生仁的损伤率逐渐降低，未脱净率逐渐增大。在脱壳机设计时，可根据花生仁尺寸确定凹板筛孔大小：四粒红可选用16mm×16mm凹板筛，而花育23选用18mm×18mm凹板筛，从而既降低花生仁破损率，又使未脱净率不至于增大过多。生产实际可以适当增大筛孔尺寸以减轻花生米损伤并通过分选装置使尺寸较小的未脱花生进行二次脱壳，这样既降低了破损率，又提高了生产效率。表2花生仁脱壳损伤及未脱净统计Table2Statisticsofthedamageofpeanutkernelsandunshelledpeanutkernels品种网孔尺寸(mm×mm)破碎与两瓣/%子叶严重损伤/%子叶轻微损伤/%种皮完全损伤/%种皮不完全损伤/%总损伤率/%未脱净率/%14×141.01.27.90.52.112.70.116×160.81.07.10.41.7111.5四粒红18×180.70.86.90.41.510.34.216×161.31.67.60.62.113.20.218×181.01.57.00.51.911.91.0花育2320×200.50.96.20.41.59.53.23.2花生仁受压破损试验以两种典型方位施加压力对四粒红和花育23花生仁进行压力破损试验，加载速率为10mm/min，试验重复3次，其二因子试验方差分析见表3。四粒红和花育23花生仁的平均正压和侧压破碎力分别为106.2、96.6N和79.8、58.3N，正压力均大于侧压力;在加载位置相同的情况下，花育23的破损力小于四粒红的破损力。表3花生仁受压破损力试验方差分析表Table3Varianceanalysisofcompressionforceonpeanutkernels变异原因平方和自由度均方F值A3139.56813139.568291.7136B725.40751725.407567.40139A×B106.20751106.20759.868293误差86.1810.7625总和4057.282511注：A为品种，B为放置方式。表3中F0.05(1,8)=5.32，F0.01(1,8)=11.26；FA=291.7136＞F0.05(1,8)=5.32，表明品种对花生仁破损力的影响明显；FB=67.40139＞F0.01(1,8)=11.26，表明压缩部位对花生仁破损力的影响极显著。3.2.1受压方向对破裂形式的影响试验结果表明，正面加载时花生仁主要在子叶与胚相接处的地方开始产生裂纹，当施加载荷持续一定时间时，裂纹扩大，胚处被破坏，导致两子叶分开。观察、分析损伤产生的原因为：施加正面载荷时，两片子叶在加载力方向不能发生侧滑，会对子叶产生正压力，在子叶与胚之间会存在应力集中，从而产生裂纹，随着加载力时间的增长，裂纹会扩大；施加侧面载荷时花生仁的损伤主要为两子叶分离，即花生仁破裂两半。产生的原因为：施加侧面载荷时，两片子叶在加载力方向发生侧滑，此时就给子叶与胚连接的部位一个剪切力，导致子叶与胚分离，花生仁破裂成两瓣。3.2.2花生仁破裂过程分析以四粒红花生仁压破试验为例来分析花生仁的破裂过程，试验加载速率为10mm/min。花生仁在静态压缩试验（图4）刚开始时曲