板栗脫殼歷來(lái)是板栗加工的技術(shù)難題，本文介紹了板栗在真空中破殼的機(jī)理的研究現(xiàn)狀。根據(jù)板栗的幾何尺寸和物理參數(shù)，用ANSYS 軟件建立了板栗的有限元分析模型。分別用ANSYS 模擬了在加熱過程中的濕度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，以及對(duì)它們產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了分析。對(duì)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和壓力場(chǎng)也進(jìn)行了耦合分析，找出了最大應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生的位置。同時(shí)，對(duì)影響板栗真空破殼特性的因素進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果表明，板栗的大小、形狀對(duì)真空破殼的影響顯著，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為破殼率隨真空度的降低而增大。驗(yàn)證模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所建的模型具有可行性。

1、板栗真空破殼機(jī)理

　　真空法脫殼的原理是在真空條件下，使具有相當(dāng)水分的生板栗被加熱到一定溫度并獲得足夠的真空度。在真空泵的抽吸作用下，因溫度的引入使外殼的水分不斷地蒸發(fā)而被移除，其韌性和強(qiáng)度降低，脆性大大增加。真空作用又使殼外壓力降低，殼內(nèi)部將相對(duì)處于較高壓力狀態(tài); 在外殼被加熱干燥產(chǎn)生應(yīng)力發(fā)生應(yīng)變的同時(shí)，果仁也將被加熱并使其內(nèi)部的水分汽化，果仁因失水而收縮，使其與內(nèi)皮、外殼自行分離。并且由于果仁的水分汽化后無(wú)法從外殼內(nèi)逸出，使殼內(nèi)的壓力進(jìn)一步升高，達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)使外殼和內(nèi)皮爆裂，實(shí)現(xiàn)栗殼的脫除。

2、板栗真空破殼因素分析及工藝優(yōu)化

　　2.1、試驗(yàn)方法

　　(1) 評(píng)價(jià)指標(biāo)

　　爆開率高、失水率低、熟化現(xiàn)象不存在。

　　(2) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

　　通過多次試驗(yàn)，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，獲得與該真空爆殼工藝息息相關(guān)的影響因素以及其影響趨勢(shì)，最終設(shè)定出最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)。

　　(3) 板栗真空爆殼實(shí)驗(yàn)的步驟

　　原料→清理雜質(zhì)→稱重→熱風(fēng)循環(huán)預(yù)熱→水箱加熱→板栗放入干燥箱→抽真空→破空→取出板栗→稱重→栗仁分開

　　2.2、板栗真空爆殼因素分析

　　(1) 爆殼溫度的影響

　　隨著爆殼溫度的逐漸上升，板栗的爆殼率也逐漸上升，但同時(shí)板栗的失水率也逐漸上升。

　　(2) 爆殼時(shí)間的影響

　　在一定的爆殼溫度下，爆殼時(shí)間越長(zhǎng)，爆殼率不斷提高，同時(shí)失水率也不斷上升，即板栗水分丟失量增加。但達(dá)到某個(gè)爆殼時(shí)間后，爆殼率會(huì)下降。即在每個(gè)爆殼溫度下，爆殼率都會(huì)有一個(gè)拐點(diǎn)。

　　(3) 預(yù)熱溫度的影響

　　預(yù)熱溫度對(duì)板栗的爆殼率有顯著影響，大體趨勢(shì)是隨著預(yù)熱溫度的升高，在同等條件下板栗的爆殼率不斷上升，同時(shí)失水率也在逐漸升高。但是并非預(yù)熱溫度越高越好，很可能達(dá)到某個(gè)預(yù)熱溫度時(shí)，同樣會(huì)導(dǎo)致爆殼率下降。

　　(4) 預(yù)熱時(shí)間的影響

　　在一定的預(yù)熱溫度下，隨著預(yù)熱時(shí)間的延長(zhǎng)，板栗的爆殼率呈上升趨勢(shì)，且增幅明顯。當(dāng)達(dá)到最佳預(yù)熱時(shí)間后繼續(xù)加熱，板栗的爆殼率變化不明顯，但是失水率卻依舊在逐步攀升。依據(jù)對(duì)流干燥原理，板栗受熱時(shí)間越長(zhǎng)，失水就越嚴(yán)重。其干燥規(guī)律類似于干燥介質(zhì)溫度的升高，栗殼干燥充分時(shí)，其組織結(jié)構(gòu)收縮，脆性及氣密性增大，再經(jīng)真空作用時(shí)，板栗內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽壓容易達(dá)到栗殼承受壓力的極限值，可增加爆殼機(jī)率，但是板栗受熱時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致栗殼的氣氣密性降低，從而對(duì)板栗的真空爆殼率產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，過長(zhǎng)的加熱時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致栗仁的品質(zhì)劣化。所以雖然板栗經(jīng)過預(yù)熱處理后確實(shí)能在很大程度上提高爆殼率，并且減少了抽真空的時(shí)間，同時(shí)減短了工藝時(shí)間，但是并不能無(wú)限期的加長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間，因?yàn)槊恳粋�(gè)預(yù)熱溫度都有相對(duì)應(yīng)的最佳預(yù)熱時(shí)間。

　　同時(shí)，預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間是一對(duì)相互制約的因素，預(yù)熱溫度越高，它的最佳預(yù)熱時(shí)間也就越短。

　　2.3、真空爆殼最優(yōu)化參數(shù)

　　通過正交實(shí)驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定出最優(yōu)參數(shù)方案，即預(yù)熱溫度80℃、預(yù)熱時(shí)間20 min、爆殼溫度75℃、爆殼時(shí)間1. 5 h。在最優(yōu)參數(shù)方案控制下，板栗的爆開率為90.9%，失水率為6%。實(shí)驗(yàn)證明利用真空爆殼技術(shù)可以成功對(duì)板栗脫殼去衣。

3、板栗力學(xué)模型的建立及有限元模擬

　　用有限元對(duì)板栗的真空破殼進(jìn)行受力分析時(shí)，涉及到共性基本因素。首先必須建立板栗的幾何模型，然后網(wǎng)格劃分，最后受力分析。

　　3.1、板栗的物理特性及失效形式

　　板栗的彈性模量，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，果殼為各向同性線彈性材料，彈性模量為102 MPa 泊松比為0.30。果殼主要由纖維和半纖維組成，纖維素和半纖維素在受拉力作用下直至破壞之前塑性變形很小，所以看成脆性材料，失效形式通常是脆性斷裂。采用第一強(qiáng)度理論( 最大拉力理論) 作為失效準(zhǔn)則，即無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉力σ1達(dá)到σb就導(dǎo)致斷裂，于是得到斷裂準(zhǔn)則

　　3.2、板栗模型建立與網(wǎng)格劃分

　　根據(jù)板栗的特點(diǎn)，因?yàn)槠浔砻媸乔�面，在選擇單元類型時(shí)，把果殼的單元類型選為20 節(jié)點(diǎn)的二次曲面的三維六面體SOLID。

圖1 板栗殼的實(shí)體模型和網(wǎng)格劃分

4、總結(jié)

　　本文建立了板栗真空破殼過程的有限元模擬，真空破殼過程中板栗的含水率分布呈地面中心大，然后向弧頂和底面邊緣遞減。應(yīng)力和應(yīng)變的變化趨勢(shì)為底面邊緣最大，然后向弧頂和地面中心遞減。熱應(yīng)力很小，且持續(xù)時(shí)間很短。濕應(yīng)力和壓差應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力，濕應(yīng)力是板栗破殼的主要因素，在1 h 左右達(dá)到峰值，壓差應(yīng)力主要作用于后期。此外板栗的大小和真空度也是影響板栗破殼的重要因素。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。