机械脱壳时花生仁损伤特征及规律

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 10 mm/min 时的正压和侧压下平均破碎力分别为 106.2、96.6 N 和 79.8、58.3 N；加载速
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，
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
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: xuejiao_na@ ※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: lianxing_gao@
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. Na Xuejiao, Liu Mingguo, Zhang Wen, et al. Damage characteristics and regularity of peanut kernels under mechanical shelling[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(5): 117－121. (in Chinese with English abstract)
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 PowerShot A85）、 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
影响了经济效益。此外，花生种子为避免机械脱壳损伤
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
11.9
1.0
1.5
9.5
3.2
3.2 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 10 mm/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、96.6 N 和 79.8、58.3 N，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。
第5期
那雪姣等：机械脱壳时花11生9 仁损伤特征及规律
119
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 16 mm×16 mm 凹板筛，而花育 23 选用 18 mm×
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。
图 2 花生仁压破试验 Fig.2 Extrusion test of peanut kernel
2 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。
b. 四粒红花生
图 1 花育 23 和四粒红花生荚果与花生仁 Fig.1 Peanut and peanut kernel of Huayu23 and Silihong
118
农业工程学报
2010 年
表 1 四粒红和花育 23 花生仁几何尺寸 Table 1 Geometrical size of the kernel of Silihong and Huayu23
花生仁脱壳损伤及未脱净统计tablepeanutkernelsunshelledpeanutkernels品种网孔尺寸mmmm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1414101279052112701161608107104171115四粒红181807086904151034216161316760621132021818101570051911910花育2320200509620415953232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10mmmin试验重复3次其二因子试验方差分析见表生仁的平均正压和侧压破碎力分别为1062966798583n正压力均大于侧压力
表 2 花生仁脱壳损伤及未脱净统计 Table 2 Statistics of the damage of peanut kernels and unshelled peanut kernels
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/%
第 26 卷 第 5 期 2010 年 5 月
农业工程学报 Transactions of the CSAE
Vol.26 No.5 May 2010 117
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）
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
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
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 5.125×106 hm2、总产量 1.4386×107 t，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 7.0×105 t，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]。
14×14
1.0
1.2
7.9
0.5
四粒红
16×16
0.8
1.0
7.1
0.4
18×18
0.7
0.8
6.9
0.4
16×16
1.3
1.6
7.6
0.6
花育 23
18×18
1.0
1.5
7.0
0.5
20×20
0.5
0.9
6.2
0.4
2.1
12.7
0.1
1.7
11
1.5
1.5
10.3
4.2
2.1
13.2
0.2
1.9
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
长度分布/ 百分率/ 宽度分布/ 百分率/ 厚度分布/ 百分率/
品种
mm
%
mm
%
mm
%
(11~13)
14
(6~8)
11
(7~8)
41
(13~15)
52
(8~10)
74
(8~9)
40
四粒红
(15~17)
22
(10~12)
12
(9~11)
18
(17~19)
12
(12~13)
3
(11~12)
1
均值
14.46
9.18
8.34
(12~14)
5
(8~9)
16
(6~8)
7
(14~16)
32
(9~10)
51
(8~9)
32
花育 23
(16~18)
43
(10~11)
26
(9~10)
38
(18~20)
20
(11~13)
7
(10~12)
23
均值
16.53
9.56
9.11
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。
表 3 花生仁受压破损力试验方差分析表 Table 3 Variance analysis of compression force on peanut kernels
变异原因
平方和
A B A×B 误差 总和
3 139.568 725.4075 106.2075
86.1 4 057.2825
注：A为品种，B为放置方式。
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、30 mm/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 10 mm/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。
自由度
1 1 1 8 11
均方
3 139.568 725.4075 106.2075 10.7625
F值
291.7136 67.40139 9.868293
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
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
图 3 花生仁机械脱壳损伤特征 Fig.3 Mechanical damage forms of Peanut kernels
e. 种皮不完全损伤
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。