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刀豆脱壳力学特性的实验研究



全 文 :264
刀豆脱壳力学特性的实验研究
李 君1,2,陆华忠1,2,* ,陈梓良1,胡泽涵1,吴良军1
( 1.华南农业大学工程学院,广东广州 510642;
2.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术,教育部重点实验室,广东广州 510642)
摘 要:利用万能试验机对刀豆的力学特性进行压缩实验。选择破壳力、破壳变形量和破壳能量为实验指标,以刀豆
宽度、厚宽比、含水率、加载位置和试验机的施压速率为因素进行了混合水平正交实验和回归分析。结果表明,当沿荚
果纵脊面平行压缩时,破壳效果理想,为脱壳的有效加压方向。含水率对破壳力和破壳能量的影响极显著,呈非线性
正相关关系,降低含水率有利于提高脱壳率和减少设备能耗。加载位置、宽度和厚宽比对破壳变形量有显著影响,破
壳变形量总体上随宽度和厚宽比的增大而减小。刀豆破壳力和破壳能量的综合最优水平组合: 加载位置为中部,含水
率为 14.6%,施压速率为 20mm/min。
关键词:刀豆,破壳力,破壳能量,破壳变形量
Experimental study on mechanical properties of Canavalia
LI Jun1,2,LU Hua-zhong1,2,* ,CHEN Zi- liang1,HU Ze-han1,WU Liang-jun1
( 1.College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;
2.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,
South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)
Abstract: The mechanical properties of Canavalia were investigated by a universal testing machine under
compression load.The test mechanical properties in terms of the rupture force,rupture deformation,and rupture
energy required for initial rupture were considered as the dependent variables. The mixed - level orthogonal
experiments and regression analysis were carried out with five independent variables,which included pod width,
moisture content,thickness - width ratio,compression location and loading rate of testing machine. The results
showed that when the compression direction was transversely in width direction and along longitudinal ridge
surface of bean pod can obtain desired shelling efficiency.Moisture content had a significant effect on rupture force
and rupture energy,and the negative nonlinear relationships between them were observed.To improve shelling
efficiency and reduce energy consumption of shelling equipment,the moisture content should be reduced. The
compression location,pod width and thickness-width ratio had highly significant effect on rupture deformation.
The rupture deformation generally decreased by increasing pod width and thickness-width ratio.The preferred
rupture parameters for rupture force and rupture energy were at compression location of middle pod part,moisture
content of 14.6% and loading rate of 20mm/min,respectively.
Key words: Canavalia; rupture force; rupture energy; rupture deformation
中图分类号:TS241.9 文献标识码:A 文 章 编 号:1002-0306(2013)15-0264-06
收稿日期:2013-01-08 * 通讯联系人
作者简介:李君( 1978- ) ,男,博士,副教授,研究方向: 现代农业装备
与机械化。
基金项目:现代农业产业技术体系建设专项资金资助项目( CARS-33
-13) 。
刀豆属豆科刀豆属的栽培亚种,外形呈长条型,
截面扁平略弯曲,种子富含蛋白质,具有良好的药用
价值。对刀豆进行深加工时,必须对其进行脱壳,目
前此项工作主要由人工完成[1-2]。为适应刀豆深加
工产业化的发展需求,探索刀豆脱壳技术与装备有
重要的研究应用意义。近年来,国内外学者对多种
作物的力学特性开展了深入的实验研究。张黎骅、
刘红力等[3-4]以施压方向、施压速率、含水率为因素进
行了花生力学特性实验,结果表明均对花生破碎力
有极显著影响。王新忠、张黎骅等[5-6]采用不同加载
方向和含水率对杏核进行了力学特性研究,实验表
明含水率对破碎力影响明显,含水率越高,所需破碎
力越小。Guner M 等[7]研究了含水率、加载速率、加
载方向对榛子壳仁的破碎力、破碎能量和破碎变形
量的影响。Kibar H等[8]分析了含水率对榛子的单位
容积重量、真比重、内摩擦角、动静摩擦系数等力学
参数的影响。曹玉华等[9]分析了蓖麻蒴果壳的加载
位置对破壳的影响。吴传宇等[10]提出对莲子根部预
切割后便于挤压出莲。李耀明等[11]实验研究了稻谷
的品种、成熟程度、后熟作用和谷壳对谷粒破坏力和
破坏能的影响。Karaj S、Nazari Galedar M、Altuntas E
DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2013.15.016
265
等[12-14]分别实验研究了麻风果、开心果和蚕豆脱壳
力学特性。陈燕、卿艳梅等[15-16]以荔枝、龙眼为研
究对象,实验分析了水果类物料的破壳力学特性。
虽然间套种刀豆的产业化前景广阔,但脱壳初加工
仍停留在手工阶段,需要研究物料力学特性以指导
脱壳机设计。目前,国内外未见有关文献报道硬荚
特性刀豆的脱壳力学特性以及不同影响因素的关
联显著性。本文对刀豆脱壳的力学特性进行研究,
设计混合水平的正交实验方法,以期得到脱壳的最
佳参数组合。建立显著性实验因素与实验指标之
间的回归方程模型,并进行方程显著性检验,为刀
豆机械化脱壳设备的结构设计和参数优化提供
参考。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
矮生刀豆(Canavalia ensiformis) 取自华南农业
大学实验田,剔除杂质及破裂和未达破壳干燥程度
的荚果。荚果有明显的两条纵脊,纵脊处无圆滑的
过渡,外形如图 1 所示,L、W和 T分别代表荚果的长
度、宽度和厚度尺寸,取样方法为随机取样,编号后
装入塑料保鲜袋密封保存。经游标卡尺测量统计,
该品种刀豆宽度范围约为 20.0~28.0mm,厚度范围约
为 10.0~20.0mm,厚宽比(荚果厚度与宽度的比值)范
围约为 0.4~0.8。
WD-E精密型电子式万能试验机 广州市广材
实验仪器有限公司;DHG-9030(A)101-0A(S)型电
热恒温鼓风干燥箱 上海索谱仪器有限公司;ALC-
210.3 型电子天平 量程 210g,精度 1mg,北京赛多
利斯仪器系统有限公司。
图 1 刀豆外形
Fig.1 Appearance of Canavalia
1.2 实验方法
实验在 WD-E 精密型电子式万能试验机上进
行,实验机的分辨率为 ± 1 /120000,力值精度 ±
0.5%,位移精度 ± 0.3%。实验过程可由微机自动完
成力和位移的数据采集。经对刀豆荚果进行多方向
加压实验对比,结果表明:只有沿荚果纵脊面平行方
向压缩,才能达到理想破壳效果,而其它方向加压荚
果无法实现破壳,主要原因在于刀豆截面扁平且荚
壳韧性较强。因此,本实验样本全部沿荚果纵脊面
平行方向、采用平板圆盘压缩实验的方式。
1.3 测定方法
1.3.1 含水率测定 参考 GB /T 20264-2006[17]制备
试样,参考 GB /T 1931-2009[18]进行含水率测量。干
基含水率计算公式:
Md(%)=
m-ms
ms
× 100 =
mw
ms
× 100 式(1)
式中:Md-干基含水率,%;m-样品重,g;mw-物
料中所含水的质量,g;ms -物料中所含干物质的质
量,g。
1.3.2 破壳能量测定 图 2 所示为典型的荚果纵脊
面平行方向压缩力与荚壳变形量的关系曲线。横轴
为荚壳变形量,纵轴为纵脊加载压力值。刀豆荚壳
具有一定韧性,在匀速加载过程中,破壳前的压力随
变形量增加而上升,弹塑性变形同时发生。当加载
到破壳点对应压力值时,荚壳产生相对滑移与破裂,
宏观结构的破坏导致过此点后压力骤减。受荚壳个
体物理特性差异的影响,破壳点并不相同。破壳点
对应的变形量为破壳变形量,破壳能量为破壳力曲
线与横轴所围面积,即:
E = ∫ Dr0 FdD 式(2)
式中:E-破壳能量,mJ;F-破壳力,N;Dr-破壳变
形量,mm;D-变形量,mm。
图 2 刀豆的压力与变形量关系曲线
Fig.2 Force-deformation curve of Canavalia
1.3.3 折算极差计算 对刀豆的破壳力和破壳能量
进行极差分析,折算极差 R计算式为[19]
R = d kmax-k( )min ·槡r 式(3)
式中:R-折算极差;d-折算系数,2 水平因素取
0.71,4 水平因素取 0.45;r-每个水平的重复次数。
1.4 实验设计
考虑本实验为多因素、多指标的综合实验,为减
少客观上的实验次数,提高实验效率,采取混合水平
正交实验先获取对力学实验指标有显著影响的因
素,然后进行单因素实验的回归分析的方式,研究显
著影响因素对实验指标的影响规律。结合硬荚豆类
物料的物理特点,并参考文献[3-7,9]研究壳类作物
破壳力学的实验方法,实验选取刀豆荚果的宽度、含
水率、厚宽比、施压速率和加载位置作为实验因素,
前四个实验因素均为 4 个水平,加载位置为 2 个水
平,力学实验指标包括破壳力、破壳能量和破壳变形
量,实验因素和水平见表 1。不考察因素间的交互效
应,根据实验考察的因素及水平选用 L32(2 × 4
5)混合
水平的正交表来安排实验。每个处理重复 3 次,取
平均值。为更好获得各显著性因素对指标的影响关
系,将实验荚果的厚宽比和宽度各增加 1 个水平,含
水率增加 2 个水平(用于研究加载压力、荚果变形量
266
与含水率关系) ,进行单因素重复实验和回归分析,
每实验处理均固定其他因素不变。加载位置不适合
进行回归分析,在此没有考虑。单因素实验水平安
表 3 正交实验结果
Table 3 Test results of orthogonal test
实验号
因素 实验指标
A B C D E 空列 F
破壳力
(N)
破壳能量
(mJ)
破壳变形量
(mm)
1 1 1 1 1 1 1 97.51 74.36 7.42
2 1 1 2 2 2 2 156.10 144.97 4.82
3 1 1 4 4 4 4 75.57 73.33 2.92
4 1 3 2 1 4 3 135.44 134.69 3.66
5 1 1 3 3 3 3 122.41 145.16 6.37
6 1 2 1 1 2 2 88.71 143.18 9.58
7 1 2 2 2 1 1 108.21 111.78 5.65
8 1 2 3 3 4 4 100.97 102.32 3.93
9 1 2 4 4 3 3 90.04 101.06 3.86
10 1 3 1 2 3 4 87.72 82.87 5.72
11 1 3 3 4 1 2 120.24 54.76 8.15
12 1 3 4 3 2 1 102.32 89.66 3.18
13 1 4 1 2 4 3 70.64 62.87 7.36
14 1 4 2 1 3 4 109.63 157.00 8.44
15 1 4 3 4 2 1 100.93 117.24 5.53
16 1 4 4 3 1 2 62.89 62.92 3.38
17 2 1 1 4 1 4 106.57 122.61 5.81
18 2 1 2 3 2 3 207.46 213.81 4.13
19 2 1 3 2 3 2 143.60 152.10 5.48
20 2 1 4 1 4 1 139.59 142.09 1.57
21 2 2 1 4 2 3 121.86 130.72 5.28
22 2 2 2 3 1 4 102.25 150.30 8.79
23 2 2 3 2 4 1 114.23 97.00 3.38
24 2 2 4 1 3 2 144.19 131.68 4.81
25 2 3 1 3 3 1 111.51 111.83 1.80
26 2 3 2 4 4 2 83.18 98.64 4.52
27 2 3 3 1 1 3 101.87 91.37 5.91
28 2 3 4 2 2 4 37.79 36.87 2.18
29 2 4 1 3 4 2 77.04 83.54 2.52
30 2 4 2 4 3 1 65.00 64.15 1.37
31 2 4 3 1 2 4 81.19 79.55 2.76
32 2 4 4 2 1 3 55.57 58.73 1.83
排如表 2 所示,实验设 16 个处理,每个处理 6 次
重复。
表 1 正交实验因素水平表
Table 1 Factors and levels of orthogonal test
水平
因素
A加载
位置
B含水率
(%)
C厚
宽比
D施压速率
(mm/min)
E宽度
(mm)
1 中部 17.12 0.5 10 20
2 端部 15.65 0.6 20 22
3 15.45 0.7 30 24
4 14.60 0.8 40 26
表 2 单因素实验水平表
Table 2 Factors and levels of single factor test
水平
因素
宽度(mm) 含水率(%) 厚宽比
1 20 14.12 0.4
2 22 14.60 0.5
3 24 15.45 0.6
4 26 15.65 0.7
5 28 17.12 0.8
6 / 21.11 /
2 结果与讨论
2.1 力学实验指标混合正交实验
混合正交实验结果如表 3 所示。脱壳设备的效
率和能耗主要与物料的破壳力和破壳能量相关,因
此,仅对刀豆的破壳力和破壳能量进行极差分析,结
267
表 4 破壳力极差分析
Table 4 Results of range analysis
实验指标 A B(%) C D(mm/min) E(mm) 空列 F
破壳力(N)
k1 101.83 132.73 99.70 110.51 91.95 102.48
k2 105.81 112.85 112.51 94.59 116.26 113.71
k3 91.83 105.73 105.91 105.06 102.71
k4 77.86 97.35 104.27 102.01 96.39
调整 R 11.28 69.84 19.30 20.27 30.94 22.04
优组合 1 4 4 2 1
破壳能量(mJ)
k1 103.64 132.25 104.02 113.01 94.78 104.94
k2 110.31 126.52 131.87 99.60 119.75 109.22
k3 83.38 97.14 112.15 111.68 102.00
k4 85.75 94.87 103.14 101.69 111.73
调整 R 18.96 62.19 47.09 17.07 31.78 12.38
优组合 1 3 4 2 1
表 5 方差分析结果
Table 5 Results of variance analysis
实验指标 方差来源 偏差平方和 自由度 方差 F值 Pr > F 显著性
破壳力
(N)
A 126.29 1 126.29 0.14 0.708
B 13879.55 3 4626.52 5.30 0.009 ***
C 1104.16 3 368.05 0.42 0.740
D 1077.19 3 359.06 0.41 0.747
E 2403.20 3 801.07 0.92 0.452
模型 18590.40 13 1430.03 1.64 0.1637
误差 15711.49 18 872.86
总和 34301.89 31
破壳能量
(mJ)
A 356.58 1 356.58 0.34 0.565
B 16220.71 3 5406.90 5.22 0.009 ***
C 6971.88 3 2323.96 2.24 0.118
D 1058.31 3 352.77 0.34 0.796
E 2896.33 3 965.44 0.93 0.446
模型 27503.81 13 2115.68 2.04 0.080 *
误差 18645.91 18 1035.88
总和 46149.72 31
破壳变形量
(mm)
A 24.22 1 24.22 9.93 0.006 ***
B 16.36 3 5.45 2.24 0.119
C 34.80 3 11.60 4.76 0.013 **
D 7.12 3 2.37 0.97 0.427
E 27.73 3 9.24 3.79 0.029 **
模型 110.23 13 8.48 3.48 0.008 ***
误差 43.90 18 2.44
总和 154.13 31
注:* 代表因素对实验指标有一定影响(p < 0.1) ;**代表因素对实验指标有显著影响(p < 0.05) ;***代表因素对实验指标有
极显著影响(p < 0.01)。
果如表 4 所示。
由于刀豆的厚宽比,宽度物料尺寸参数为脱壳
加工中不可控因素,由此选择加载位置、含水率和施
压速率为组合参数进行优水平选择,破壳力优水平
组合为 A1B4D2,即加载位置为中部,含水率为
14.6%,施压速率为 20mm /min。破壳能量优水平组
合为 A1B3D2,含水率为 15.45%。基于两指标中破壳
力优先的考虑,且破壳能量的含水率水平 3 和水平 4
的 k值差异不大,确定最优水平组合为 A1B4D2。
方差分析及显著性如表 5 所示。由表 5 可知,破
壳力受含水率的影响极显著(p < 0.01) ,宽度、厚宽
比、施压速率和加载位置对于破壳力影响不显著
(p > 0.05)。破壳能量受含水率的影响极显著(p <
0.01) ,其他因素影响不显著(p > 0.05)。
破壳变形量受加载位置的影响极显著(p <
0.01) ,原因在于中部与端部的荚壳纵脊面结合紧密
268
度以及壳层厚度存在差异。宽度和厚宽比对于破壳
变形量的影响显著(p < 0.05) ,原因在于壳仁间隙值
与荚壳塑形变形量的差异。含水率、施压速率对于
破壳变形量影响不显著(p > 0.05)。由于加载位置、
宽度和厚宽比对于破壳变形量影响显著,因此在设计
脱壳设备结构时,需要从破壳变形量角度合理调整脱
壳腔体的空间尺寸,以降低损伤率和提高脱净率。
2.2 显著性因素回归分析
2.2.1 含水率对破壳力和破壳能量的影响 实验时
刀豆荚果宽度为 26mm、厚宽比为 0.6,实验结果如图
3、图 4 所示。可以看出,破壳力随含水率的增加而
增大。原因在于含水率越低,刀豆荚壳的脆性越大,
其能够抵抗破裂的能力就越小。
图 3 含水率与破壳力曲线
Fig.3 Effect of moisture content on rupture force
图 4 含水率与破壳能量曲线
Fig.4 Effect of moisture content on rupture force
实验结果表明,当湿基含水率大于 20%时,荚壳
较软易变形,无法破裂,如图 5 所示。
图 5 压力、变形量与含水率关系曲线
Fig.5 Effect of moisture content on
force-deformation curve
破壳力与含水率之间的二次项回归方程为:
F^ = -1410.46 + 18199.0M-55252.0M2 式(4)
式中,M-含水率,%。
经方差分析,回归方程整体显著性检验的 p =
0.026,截距项回归系数的 p = 0.039,一次项回归系数
的 p = 0.039,二次项回归系数的 p = 0.042,在 α = 0.05
的条件下影响显著。方程判定系数 R2 = 0.97,拟合精
确度高。
如图 4 所示,刀豆破壳能量与含水率之间呈正
相关关系。同样是因为含水率越低,荚壳的脆性就
越大。当含水率大于 15.45%以后,破壳能量变化不
大。其二次项回归方程为:
E^ = -1853.1 + 23925.0M-73660.0M2 式(5)
经方差分析,回归方程的 p = 0.054,截距项回归
系数的 p = 0.055,含水率一次项回归系数的 p =
0.054,二次项回归系数的 p = 0.057,在 α = 0.1 的条件
下影响较为显著。方程判定系数 R2 = 0.95,拟合精确
度较高。
2.2.2 厚宽比对破壳变形量的影响 实验时刀豆荚
果含水率为 17.21%、宽度为 26mm,实验结果如图 6
所示。破壳变形量与厚宽比的二次项回归方程为:
D^ = 12.6-20.7RWT + 14.2R
2
WT 式(6)
式中,RWT-厚宽比。
经方差分析,回归方程的 p = 0.020,截距项回归
系数的 p = 0.009,一次项回归系数的 p = 0.037,二次
项回归系数的 p = 0.053,在 α = 0.1 的条件下说明该
回归方程有效,二次项关系显著。方程判定系数
R2 = 0.98,拟合精确度高。由图 6 可知,破壳变形量
均值随厚宽比的增大而呈减小趋势,但是当厚宽比
> 0.7 以后,破壳变形量均值差异很小。说明外形越
瘦薄的荚壳弹性模量越大,塑性变形至破裂所需时
间更长。
图 6 厚宽比与破壳变形量曲线
Fig.6 Effect of thickness-width ratio
on rupture deformation
2.2.3 宽度对破壳变形量的影响 实验时刀豆荚果
含水率为 17.21%、厚宽比为 0.6,实验结果如图 7 所
示。破壳变形量与宽度之间的二次项回归方程为:
D^ = -26.91 + 2.82W-0.06W2 式(7)
经方差分析,回归方程的 p = 0.076,截距项回归
系数的 p = 0.085,一次项回归系数的 p = 0.057,二次
项回归系数的 p = 0.054,在 α = 0.1 的条件下显著,说
明可以用该回归方差表示变形量与宽度之间的关
系。方程判定系数 R2 = 0.92,拟合较好。当宽度大于
24mm以后,破壳变形量均值随宽度的增大而呈减小
269
趋势。说明破壳变形量并不会随荚果几何尺寸的增
大而增加。
图 7 宽度与破壳变形量曲线
Fig.7 Effect of width on rupture deformation
3 结论
3.1 当沿荚果纵脊面平行方向压缩时,脱壳效果理
想,其它方向加压无法使荚壳实现破壳。因此,设计
脱壳机时应考虑将荚果纵脊面作为有效加压方向。
3.2 以刀豆的加载位置、含水率和施压速率为组合
参数,获得破壳力和破壳能量的综合最优水平组合
为 A1B4D2,即加载位置为中部,含水率为 14.6%,施
压速率为 20mm /min。
3.3 含水率对于刀豆破壳力有极显著影响(p <
0.01) ,其他因素影响不显著(p > 0.05) ;破壳能量受
含水率的影响极显著(p < 0.01) ,其他因素影响不显
著(p > 0.05) ;破壳变形量受宽度、加载位置、厚宽比
的影响显著(p < 0.05) ,其他因素影响不显著(p >
0.05)。
3.4 含水率与破壳力、破壳能量呈非线性正相关关
系。厚宽比与破壳变形量呈非线性负相关关系,当
厚宽比 > 0.7 以后,破壳变形量均值差异很小。当宽
度大于 24mm以后,破壳变形量均值随宽度的增大而
呈减小趋势。
3.5 含水率是影响刀豆脱壳设备加工效果的重要因
素,减少含水率有利于提高脱壳率和减少设备能耗,
必要时脱壳加工前增设干燥环节。脱壳机的脱壳腔
体空间尺寸应按照“破壳变形量总体上随宽度、厚宽
比的增大而减小”原则调整,且接触变形的适宜线速
度为 20mm /min左右,以降低损伤率和提高脱净率。
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