油茶鲜果静压力学特性试验

薛 强 ，郭京臣 ，杨 硕 ，李明真

（1.天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津300222；2.天津科技大学 机械工程学院，天津300222）

油茶在中国已经有数千年的种植历史，它与油棕、椰子、油橄榄并称为世界四大油料作物[1-3]。 与其他几种著名油料作物不同，油茶是中国独有的油料作物，在中国的分布范围很广，其产量与品种丰富程度均是世界首位[4]。油茶不仅在中国的产量大，而且其果实榨出的茶油不饱和度高，堪比橄榄油。为了保证茶油的品质和出油率[5-6]，在茶油制取的过程中最为关键的是油茶鲜果采摘后的处理。 新鲜的油茶果必须及时进行脱壳、清选及烘干，否则易导致果实腐烂、霉变，造成巨大的经济损失[7]。 目前，油茶鲜果的剥壳过程是先剥油茶鲜果壳，将油茶籽与果壳分离，再剥油茶籽壳，目前国内市场上单独一台油茶果剥壳机不能同时完成油茶果壳和油茶籽壳的剥壳，而是需要剥油茶果壳和剥油茶籽壳的两台设备，来完成油茶果壳和油茶籽壳的剥壳，脱壳效率低。因此设计一台既能剥果壳，又能剥籽壳的多功能油茶果剥壳机非常必要。 油茶果剥壳辊筒和油茶籽剥壳辊筒是多功能油茶果剥壳机的关键部件，它们的设计质量直接影响剥壳机的性能，如果油茶果的静压力学特性参数不清楚，则无法对辊筒进行设计和优化，因此研究油茶果壳静压力学特性十分必要。

针对油料作物果壳力学特性试验的研究，LIU 等[8]研究了澳洲坚果壳中存在的裂纹对壳断裂的影响，结果表明垂直裂纹有利于壳的断裂，而存在短的水平裂纹对壳的断裂没有显著影响；PRUSSIA 等[9]对山核桃壁的加载方式进行了分析，不同加载方向的试验表明所测得的山核桃壁是各向异性的；BRAGA 等[10]研究了澳洲坚果壳在压缩状态下的初始破裂所需的力、单位变形和能量，测出存在一个受力、单位变形和能量值最小的加载方式，与坚果尺寸和壳体含水率无关；李文林等[11-12]对油茶果力学特性进行了研究，并测得油茶果含水量对脱壳效果有显著影响；曹玉华等[13]利用薄壳理论对蓖麻果果壳的力学特性进行内力和位移分析，结果表明两对法向集中力作用比较有利壳的均匀破裂；侯俊铭等[14]以4 个不同品种的蓖麻蒴果为研究对象，进行静压力学特性试验，试验结果表明品种、含水率、加压方式对蓖麻蒴果破壳力大小都有显著影响，为蓖麻蒴果脱壳机关键部件的设计提供参考。综上所述，目前对于需要剥壳的油料作物，其力学特性的研究虽有一定的进展，但缺少针对油茶果剥壳机中的剥壳辊筒等关键部件设计和优化所需要的油茶果壳和油茶籽壳的静压力学性能参数。

本研究测定了油茶果在不同加压方式、不同加载速率以及不同直径大小的破壳力，分析各种因素对油茶果破壳力的影响，对比了油茶籽的最大破壳力与油茶果的最大破壳力，为后期设计油茶果剥壳机中的剥壳辊筒等关键部件提供重要参数。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

试验使用的油茶果鲜果产地为江西省吉安市遂川县，其含水率范围55．9%～62．5%之间。油茶果的内部结构（图1）由鲜果果壳、柱芯和茶籽3 部分组成。 茶籽又可分为茶籽壳和果仁，果仁是榨取茶油的原料[15-16]。 每颗油茶果所含的茶籽粒数不确定，大致为3～8 粒不等，油茶果中心位置为柱芯，油茶籽以柱芯为轴线分布一周。 为便于描述，现定义与柱芯平行的方向为纵向，垂直于柱芯的方向为横向。 试验设备包括美特斯公司的MTS H45电子式万能材料试验机、计算机、TWHlite 数据采集系统、游标卡尺、相机等。

图1 油茶果内部结构及示意图Figure 1 Internal structure of camellia oleifera fruit and schematic diagram

1.2 方法

1.2.1 几何测量 使用游标卡尺对其进行果皮厚度、油茶果直径、茶籽的最大尺寸、最小尺寸等基本数据的采集。 根据统计结果显示果皮厚度在 1．46～6．44mm 之间，油茶鲜果直径分布范围为 20～45mm 不等，其中，在 25～40mm 范围内的分布最多，达98%，直径在30mm 以上的油茶果占70%。

1.2.2 试验过程及数据统计 油茶鲜果静压力学性能对选择剥壳方式及剥壳的最终效果有十分重要的影响[17-19]。为明确加载方向，油茶果直径大小，加载速率等关键破壳因素对油茶鲜果脱壳力的影响，以及确定油茶籽的破壳力峰值的大小，首先，对油茶鲜果按直径大小分组进行试验。

(1)直径25～30mm 的中等大小油茶鲜果20 个，分为横向、纵向两组加载，每组10 个。试验条件：加载速率取20mm·min-1，试验测得的数据如表 1。

表1 油茶鲜果横纵向加载对脱壳力的影响Table 1 Effects of longitudinal and transverse loading on shelling force of camellia oleifera fresh fruits N

(2)进行小、中、大3 组试验，小组为直径20～30mm 的小尺寸油茶鲜果10 个；中组为直径30～35mm 的中等尺寸油茶鲜果10 个；大组为直径35～40mm 的大尺寸油茶鲜果10 个。 试验条件：加载速率20mm·min-1，试验测得的数据如表2。

表2 油茶鲜果直径对脱壳力的影响Table 2 The influence of fresh fruit diameter of camellia oleifera on shelling force N

(3)选取直径30～35mm 中等尺寸油茶鲜果50 个，将其分为5 组进行加载试验，每组10 个。 通过预试验确定合理的加载速率为10，20，30，40，50mm·min-1。 因此，本试验采用这几个加载速率对油茶鲜果进行加载试验，试验测得的数据如表3。

表3 加载速率对脱壳力的影响Table 3 Effect of loading rate on shelling force N

(4)油茶籽50 个分5 组，油茶籽最大尺寸的范围为10～18mm，最小尺寸的范围为8～11mm。 试验条件：加载速率20mm·min-1，试验测得的数据如表4。

表4 油茶籽的破壳力大小测量试验Table 4 Measurement of the shell breaking force of camellia oleifera seeds N

2 结果与分析

2.1 横纵向加载对脱壳力的影响

由图2 可知，对油茶果的横、纵两个方向分别加载时，裂纹首先出现的区域和延伸的方向不同。 油茶果壳最先破裂的位置位于缝合线交汇处，裂纹沿着油茶果的缝合线由顶端向四周扩展。图3 中用序号①与②分别表示两组不同的试验，每个散点表示一个测得的试验数据。为了分析两组试验结果之间的关系需要绘制出一条尽可能逼近这些点的曲线，即曲线拟合。 曲线拟合方法使用最小二乘法，其原理是保证实际数据与估计值的差值绝对值的平方和最小。因此，两条曲线是两组试验结果，通过拟合曲线可以直观看出不同组试验结果之间的差异。 经计算，横向加载所需最大破壳力均值为328．87N，而纵向加载所需破壳力均值为302．96N。 由图3 可知，拟合曲线显示横向加载时破壳力的平均峰值高于纵向加载。 由于油茶果破壳时受到冲击的方向不确定，因此设计时应取破壳力峰值最大的加载方向作为设计标准，后续试验中均采用横向加载。

2.2 油茶鲜果直径对脱壳力的影响

由图4 可知，油茶果的直径与破壳力有直接关系，随着油茶果的直径增大，所需破壳力也越大。 小直径的油茶果与直径中等、大直径的油茶果破壳力的差距较大，直径中等的油茶果与大直径的油茶果破壳力差别不大。 为保证鲜果破壳充分，破壳力应取最大峰值559．99N。

图3 加载方向对破壳力的影响（最小二乘拟合曲线图）Figure 3 Influence of loading direction on shell breaking force（Least square fitting curve）

图2 油茶果受压沿缝合线开裂图Figure 2 Cracking of camellia oleifera fruit under compression along suture

图4 油茶果直径对破壳力的影响（最小二乘拟合曲线图）Figure 4 The effect of the diameter of camellia oleifera fruit on its breaking force（Least square fitting curve）

2.3 加载速率对脱壳力的影响

由图5 可知，随着加载速率的增大，破壳力峰值均值随之增大，但加载速率为20，30，40mm·min-1时，破壳力的峰值曲线变化不显著。 为验证加载速率是否对油茶鲜果破壳力峰值造成显著影响，对表3 中的数据进行单因素方差分析，将“加载速率”设置为影响因子，将“破壳力”设置为因变量。 计算结果表明加载速率在20，30，40mm·min-1变化时，其显著性水平均大于0．05（p＞0．05），因此在这个范围内，加载速率对破壳力的大小没有显著的影响，为了提高产量，破壳时可以适当提高辊筒的转速。

图5 加载方向对破壳力的影响（最小二乘拟合曲线图）Figure 5 The effect of loading rate on shell breaking force（Least square fitting curve）

2.4 油茶籽的破壳力大小测量及分析

由图6 可知，油茶籽个体间的破壳力峰值差距较大，这是因为同一个油茶果受到光照、温度、水分的影响，其内部的油茶籽往往发育不平均，油茶籽有大有小就会导致其破壳力出现波动。从试验数据中得到油茶籽壳破壳力峰值均值为 213．94N，最大破壳力峰值为 339．87N。 在设计剥油茶籽壳辊筒时应使用最大破壳力峰值339．87N作为设计依据，并适当增加破壳力，以保证充分破壳。

3 讨论与结论

本研究针对含水率在55．9%～62．5%之间的油茶鲜果进行了静压力学特性的试验研究，分析了加压方式、加载速率和直径大小的油茶果静压力学特性，并对试验数据进行分析，结果表明加载速率、加压方式和油茶果的直径大小对油茶果最大破壳力影响显著。 随着加载速率的增大，破壳力峰值均值随之增大。 唐湘等[20]研究中表明破壳力随加载速率的增加先升高后降低。 但本研究中加载速率在20，30，40mm·min-1时，其加载速率对油茶果破壳力的影响不显著，并通过单因素方差分析证明了这一点。 横向加载时破壳力的平均峰值高于纵向加载，横向加载时，油茶果直接受压的点应力最大，假设油茶果为各向同性材料，则油茶果中应力产生的区域是以受压点为圆心扩散的圆形区域。 应力的大小分布是受压点处应力最大，以该点为圆心，越远离圆心的位置应力越小。 形变的分布与应力分布基本重合，即受压点位置变形最大。 裂纹一般先产生于受压点，但是部分试验中出现了油茶果皮缝合线交汇点处最先破裂的情况， 可见油茶果的结构很大程度上影响了裂纹的产生。 纵向施加载荷时，油茶果果皮的缝合线交汇处应力最大，以缝合线为边，越远离缝合线应力越小。 形变的分布大致与应力分布重合，即缝合线交汇处位置变形最大。 本试验中横向加载所需最大破壳力均值为328．87N，纵向加载所需破壳力均值为302．96N。 在试验过程中，油茶果的直径与破壳力有直接关系，因此剥油茶果壳之前，需要对油茶果进行分级处理。 与杨树松[21]的试验研究结论一致，即油茶果直径越大所需要的破壳力越大。 当加载速率为20mm·min-1时，横向加载时最大直径的油茶果鲜果的破壳力为559．99N。试验中测得油茶籽的破壳力最大值为339．87N。

图6 油茶籽破壳力峰值曲线Figure 6 Peak curve of shell breaking force of camellia oleifera seeds

综上，在油茶果进入剥壳辊筒之前，应根据油茶果的直径大小设计一个分级装置，使直径范围不同的油茶果进入不同的分级轨道，不同分级轨道将油茶果引导到间隙不同的辊筒位置进行剥壳，以此提高剥壳的效率及质量；设计剥油茶果壳辊筒时应取破壳力峰值最大的横向加载方向作为设计标准；设计剥油茶籽壳辊筒时以油茶籽最大破壳力为设计依据，保证充分破壳；加载速率在20～40mm·min-1范围内，剥壳时可以适当提升辊筒转速，从而提高生产效率。