李彬彬

(辽宁省旱地农林研究所，辽宁 朝阳 122000)

文冠果属于落叶小乔木或者灌木，是我国特有的一种优良的木本油料作物，具有很强的适应能力，在我国北方地区广泛分布。文冠果种子的含油率平均在30%～47%，其中种仁的含油率更高，达到67%～74%，可直接用于高级食用油的制备，还可用于生物柴油的加工提取[1]。文冠果中提取的生物柴油品质优，比较符合当前优质生物柴油的指标[1-2]。文冠果有着极高的开发利用价值，为进一步实现其深加工，首先在文冠果的剥壳机理、剥壳加工方面需加大研究力度。目前关于文冠果的研究主要集中在营养成分、生理活性等方面[3]，关于剥壳的力学方面的研究相对不多。常见的剥壳方法有离心式碰撞法、化学腐蚀法、超声波法、机械挤压法等，其中机械挤压法是操作简单、可行性最强、成本比较低的一种方法[4]。为探讨加载力方向、速度等因素对文冠果果实破壳的影响，开展静态压缩破壳试验，以分析几种力学特性下文冠果果实破壳的效果，旨在为文冠果破壳力学模型、破壳机的设计研制等提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为辽宁建平栽培文冠果，储存在-1 ℃、空气相对湿度90%左右的环境中。文冠果形状多样，不太规则，一般有球形、扁平、半球形3种，其中以半球形相对占比最大，因此试验中的研究对象都选择半球形的文冠果。

试验仪器包括电子万能材料试验机、恒温干燥箱、电子天平等。

1.2 试验方法

以文冠果建立几何坐标：原点为种子的中心，X轴为原点指向文冠果较短轴的方向，Y轴为原点指向较长轴的方向，Z轴为原点指向高度的方向[4]；选择水分含量10.0%～10.5%的文冠果，并按照质量范围分为不同等级：单果重在1 g以上为A等级，单果重0.7～1.0 g为B等级，单果重低于0.7 g为C等级[4]。

1.2.1 加载力方向的影响试验

随机从试验文冠果中选择60个A级果，随机分成3组，每组20个文冠果作为重复。试验设3个加载力方向，即分别沿着X、Y、Z 三个方向加力，测定加力过程中文冠果的形变情况以及壳破裂的加载力大小。注意加载力过程中保持速度一致，本试验均控制在5 mm·min-1。试验过程中注意各处理下文冠果裂纹产生的位置、延伸方向、裂纹长短等，破壳力大小(N)及变形程度(mm)，最后取20次重复的平均值[5-6]。

1.2.2 文冠果质量的影响试验

从试验文冠果中随机选择60个，包括A、B、C3个等级各20个。试验设9个处理，即将3个等级分别作为3个处理，每个等级中20个文冠果作为重复。加载速度各个处理保持一致，均控制在5 mm·min-1，加载力的方向均统一安排沿着X方向；记录各处理下文冠果壳破裂时力的大小，20个重复取平均值。

1.2.3 加载速度的影响试验

从试验文冠果中随机选择60个A级果，分成3组，每组20个文冠果作为重复。试验设4次加载力处理，分别为5、10、15、20 mm·min-1，加载力的方向各处理均沿着X方向[7]；测量各处理文冠果破壳时力的大小，20次重复最后取平均值。

2 结果与分析

2.1 不同加载力方向对文冠果破壳效果的影响

通过设置X、Y、Z 三个方向的加载力，测量破壳前文冠果的形变程度与加载力大小之间的关系，最后统计文冠果破壳时加载力的大小以及果壳的最大形变程度，结果见表1。

表1 各加载力处理下文冠果破壳效果分析

根据试验过程中的观察以及表1的数据分析，可知在文冠果破壳前，不同加载力方向处理下外壳最大形变程度均随着力的增加而加剧，当文冠果破壳后加载力迅速下降；不同加载力方向处理下，以沿着Y方向上破壳时的破壳力、变形程度最大，分别为402 N、1.542 mm；以X方向上破壳时的破壳力、形变程度最小，分别为343 N、0.815 mm；通过对不同处理下平均破壳力的分析，沿着Y、Z两个方向加载力的处理平均破壳力差别不大，均明显大于沿着X方向加载力的处理；通过对试验过程中不同加载力下文冠果裂纹产生的位置、延伸方式的观察，X方向加载力的处理破壳时裂纹的方向不固定，且裂纹相对较短；Y方向加载力的处理下文冠果外壳形变程度最明显，裂纹延伸的方向为沿着受力的方向，产生的裂纹也最长；Z方向加载力的处理下主要在果实的顶部产生裂纹，且整体破壳的效果不佳。由此可知，文冠果破壳以选择X方向作为加载力的方向为最佳。

2.2 不同文冠果等级对破壳效果的影响

通过对3个等级文冠果破壳效果的研究，结果表明，不同等级文冠果破壳时力的大小有不同程度的区别，本试验条件下以B级果的平均破壳力最大，为380 N，A级果与C级果的平均破壳力差别不大，分别为343 N、340 N。

2.3 不同加载速度对文冠果破壳效果的影响

通过对不同加载速度下文冠果破壳力大小分析，结果表明，不同加载速度下，文冠果破壳力的大小随着加载速度增加而稍微降低，但是差别不明显(表2)。

表2 各加载速度下文冠果的破壳效果分析

3 结论与讨论

通过对不同的加载方向、加载速度、果实质量下文冠果破壳效果的研究，结果表明，在相同的加载方向上，加载的力越大果壳形变的程度越大；沿着X轴加载力时，都是集中在文冠果受到载荷的中间位置上，无法向外有较大范围的扩展，因此变形最小，裂纹比较短，且裂纹的方向随机；加载力沿着Y方向时，则沿着力的方向应力、应变逐渐向外扩展开，产生的形变程度最剧烈，裂纹最长最明显；沿着Z方向加载时，由于加载力主要集中在文冠果的尖端，导致其他大部分部位的壳难以破开；试验中等级A、C两个等级的文冠果破壳力差异不大，均明显低于等级B的处理，分析原因可能是A等级的文冠果比较重、体积大，与仪器压头的接触面积也大，因此破壳的力比B等级的破壳力小，而C等级的破壳力小的原因在于其加载力的位置处于文冠果的尖端位置，尖端破壳时其他大部分壳未破；各加载速度对文冠果的破壳效果影响不明显。