堅(jiān)果剝殼機(jī)具的研究現(xiàn)狀與分析

呂小蓮，呂小榮，張孝瓊

(1.滁州學(xué)院電子信息工程系，安徽滁州 239000;

2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川雅安 625014)

堅(jiān)果剝殼機(jī)具的研究現(xiàn)狀與分析

呂小蓮1，呂小榮2，張孝瓊1

(1.滁州學(xué)院電子信息工程系，安徽滁州 239000;

2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川雅安 625014)

剝殼一直是堅(jiān)果進(jìn)行深加工所面臨的一個(gè)首要的技術(shù)難題。對(duì)現(xiàn)有機(jī)械剝殼方法、剝殼原理及特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，系統(tǒng)闡述了我國(guó)堅(jiān)果剝殼機(jī)具的研究現(xiàn)狀及影響剝殼機(jī)具工作性能的堅(jiān)果力學(xué)特性的研究。分析了目前堅(jiān)果剝殼設(shè)備存在的問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展提出了建議，以便為帶殼物料的剝殼技術(shù)及剝殼設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究提供參考。

堅(jiān)果，剝殼，現(xiàn)狀，力學(xué)特性，問(wèn)題

堅(jiān)果是農(nóng)業(yè)物料的一種，主要是指具有堅(jiān)硬或柔韌外殼的果實(shí)。人們食用的堅(jiān)果通常有核桃、板栗、杏仁、蓮子、白果、松籽、夏威夷果、澳洲堅(jiān)果、瓜子等。堅(jiān)果營(yíng)養(yǎng)豐富，且具有一定的藥用價(jià)值，深受人們的喜愛(ài)，其市場(chǎng)需求逐年大幅度增加。堅(jiān)果的外層包裹著一層較硬的外殼，主要由木素、纖維素和半纖維素組成，外形不規(guī)則、堅(jiān)硬，難以剝離，因此剝殼成為堅(jiān)果開(kāi)發(fā)與加工的重要環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)代堅(jiān)果類食品開(kāi)發(fā)與深加工的質(zhì)量保證措施之一。由于各種堅(jiān)果外殼性質(zhì)不同，采用的剝殼方法也各不相同，其中開(kāi)發(fā)出的絕大部分剝殼設(shè)備是采用機(jī)械方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下面將在現(xiàn)有機(jī)械剝殼方法、原理及特點(diǎn)介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)堅(jiān)果剝殼機(jī)具的研究現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題進(jìn)行探討，為堅(jiān)果剝殼機(jī)具的開(kāi)發(fā)與研制提供參考。

1 堅(jiān)果機(jī)械剝殼方式

機(jī)械剝殼法是通過(guò)機(jī)械施加外力，使果實(shí)外殼受力破裂，并采用機(jī)械方式來(lái)實(shí)現(xiàn)滾、搓、碾等動(dòng)作，進(jìn)而完成殼與仁的分離?，F(xiàn)有堅(jiān)果機(jī)械剝殼方法分為以下幾類:撞擊法、擠壓法、碾搓法、撕搓法、刀片切割法等［1－3］。

撞擊法是通過(guò)離心力的作用，使高速運(yùn)動(dòng)的物料撞擊到固定擋板上，使其外殼受力產(chǎn)生變形與裂縫，當(dāng)其離開(kāi)固定擋板時(shí)，由于殼、仁具有的不同彈性變形，使殼破裂達(dá)到剝殼目的。這種方式脫殼適合于仁、殼間隙較大、結(jié)合力小，且外殼較脆的物料。采用這種方法剝殼時(shí)，當(dāng)撞擊力過(guò)大，易使仁殼均被破碎，進(jìn)而使其碎屑相互粘附，難以分離;撞擊力過(guò)小，則外殼不易破碎，無(wú)法實(shí)現(xiàn)剝殼。此外，由于剝殼物料的大小、形狀、輕重均有一定差異，使得撞擊力難以確定，因此，這種方法的剝殼率不高。

擠壓法剝殼是利用物料外殼的脆性，僅僅通過(guò)擠壓力來(lái)完成物料的破殼。典型設(shè)備是對(duì)輥式杏核脫殼機(jī)。通常采用一對(duì)直徑相同的圓柱輥，使其轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速相同，并將其間隙調(diào)整到適當(dāng)大小，使籽粒通過(guò)間隙時(shí)受到輥的擠壓而破殼。剝殼時(shí)，籽粒在兩擠壓輥間被擠壓破殼時(shí)首先必須被夾持住，因此兩擠壓輥間的間隙大小是影響籽粒破碎率和脫殼率高低的重要因素。該種剝殼方法適合外殼較堅(jiān)硬且殼、仁間隙較大的物料。但這種方法仁、殼及其碎屑相互粘附的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

碾搓法剝殼是通過(guò)碾壓和搓擦的方法完成對(duì)物料的剝殼。典型應(yīng)用是物料籽粒在固定磨片和運(yùn)動(dòng)著的磨片間受到強(qiáng)烈的碾搓作用，使籽料的外殼被撕裂而實(shí)現(xiàn)脫殼。當(dāng)籽粒經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)人定磨片和動(dòng)磨片的間隙中，動(dòng)磨片轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力使籽粒沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，也使籽粒與定磨片間產(chǎn)生方向相反的摩擦力，同時(shí)，磨片上的牙齒不斷對(duì)外殼進(jìn)行切裂，在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產(chǎn)生裂紋直至破裂，并與籽仁脫離，達(dá)到脫殼的目的。影響剝殼效果的主要因素有:籽粒的水分含量、圓盤(pán)的直經(jīng)、轉(zhuǎn)速高低、磨片之間工作間隙的大小、磨片上槽紋的形狀和籽粒的均勻度等。

撕搓法剝殼是利用相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠輥筒對(duì)籽粒進(jìn)行撕搓作用而進(jìn)行脫殼的。進(jìn)行撕搓的橡膠輥筒，分別以不同轉(zhuǎn)速相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，輥面之間存在一定的線速差，由于橡膠輥具有一定的彈性，其摩擦系數(shù)較大，當(dāng)籽粒進(jìn)入膠輥工作區(qū)時(shí)，與兩輥面相接觸，當(dāng)籽粒嚙入角小于其摩擦角時(shí)，便順利進(jìn)入兩輥間，同時(shí)受到兩個(gè)不同方向的摩擦力的撕搓作用及兩輥面法向擠壓力的作用產(chǎn)生破裂，并在上述反向撕搓力的作用下完成脫殼過(guò)程。影響剝殼效果的主要因素有:軋輥的線速差、硬度、半徑、相互間間隙及軋入角等。

刀片切割法剝殼一般有兩種方式，一種是利用刀片在待破殼的籽粒表面劃痕來(lái)切割外殼，同時(shí)運(yùn)用揉、搓等作用來(lái)完成剝殼;另一種是直接利用刀片切割開(kāi)果殼，實(shí)現(xiàn)外殼與籽仁的分離。例如武漢工業(yè)學(xué)院研制開(kāi)發(fā)的多聯(lián)輥刀式蓮子剝殼機(jī)［4］，殼蓮經(jīng)分級(jí)后，分置于剝殼機(jī)各個(gè)不同的進(jìn)料斗內(nèi)，在同向轉(zhuǎn)動(dòng)的螺桿和光輥組成的送料機(jī)構(gòu)作用下，殼蓮按序排列著從機(jī)座上的出料孔中推出，蓮子一經(jīng)排出就進(jìn)入由雙托輥和螺旋輥刀構(gòu)成的剝殼通道，雙托輥平行布置且同向轉(zhuǎn)動(dòng)，輥面切制螺旋槽并滾花處理，蓮子由托輥摩擦帶動(dòng)邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊前行，逐漸為輥刀所切割，螺旋輥刀既完成切割蓮殼，又帶動(dòng)蓮子轉(zhuǎn)動(dòng)翻滾并不斷向出料口移行，最終從出口排出已剝殼蓮子和蓮殼。該種方法由于工作面較小，易發(fā)生漏籽現(xiàn)象，重剝率較高。影響剝殼效果的主要因素有:籽粒含水率、轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速、切割間隙等。

2 堅(jiān)果剝殼機(jī)具的研究現(xiàn)狀

國(guó)外早在20世紀(jì)60年代初，就著手研制堅(jiān)果剝殼機(jī)具，至80年代初，美國(guó)、意大利、法國(guó)等已相繼推出了各種堅(jiān)果剝殼機(jī)。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，堅(jiān)果剝殼機(jī)具已日趨成熟，目前正朝著機(jī)電一體化方向發(fā)展。我國(guó)堅(jiān)果剝殼機(jī)具發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于種植業(yè)的發(fā)展，近幾年國(guó)內(nèi)一些企業(yè)、科研院所在傳統(tǒng)剝殼機(jī)具的基礎(chǔ)上，積極研制和開(kāi)發(fā)了各種類型剝殼機(jī)具，但其發(fā)展還是相當(dāng)緩慢。

吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)田耘等依據(jù)松籽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了松籽破殼機(jī)單粒定向喂入裝置和鉗夾式破殼部件，并對(duì)破殼部件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，影響鉗夾式破殼裝置工作性能的因素很多，除與松籽的物理特性有關(guān)外，直接影響性能的還有鉗夾的模孔形狀、擠壓位移、擠壓速度和夾板傾角等參數(shù)，為剝殼機(jī)具的設(shè)計(jì)和技術(shù)參數(shù)的確定提供了依據(jù)［5］。

河北農(nóng)業(yè)技術(shù)師范學(xué)院曹榮娟對(duì)杏核破殼機(jī)的主要部件擠壓輥進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，分析了杏核在壓輥間的受力情況與導(dǎo)入條件，給出了擠壓輥之間間隙、直徑、長(zhǎng)度的確定方法［6］。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)楊德勇等針對(duì)目前杏核破殼機(jī)存在的問(wèn)題，根據(jù)杏核的物理特性對(duì)杏核物理分級(jí)裝置和破殼裝置分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，確定了杏核破殼機(jī)的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)［7］。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)史建新等介紹了核桃破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要參數(shù)的確定，對(duì)核桃分級(jí)滾筒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、幾何參數(shù)以及擠壓破殼滾筒的參數(shù)進(jìn)行了分析，最后給出了整機(jī)參數(shù)［8］。辛動(dòng)軍在分析6PH－150型核桃破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和缺陷的基礎(chǔ)上，對(duì)分級(jí)滾筒和導(dǎo)向裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)導(dǎo)向裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并給出了改進(jìn)前后整機(jī)的對(duì)比參數(shù)［9］。

浙江大學(xué)鄭傳祥設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的高效青蓮子剝殼機(jī)，利用高速刀具對(duì)蓮子外殼進(jìn)行切割和擠壓使其剝殼，同時(shí)增加了剝殼切割的刀具數(shù)量，并對(duì)蓮子大小、蓮子切削時(shí)間、刀具的切削速度等參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析與實(shí)驗(yàn)［10］。

長(zhǎng)江大學(xué)劉守祥等針對(duì)蓮子加工的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了蓮子自動(dòng)穿芯、剝殼機(jī)械，并對(duì)主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)如輸送攪龍螺距、轉(zhuǎn)速，分度圓盤(pán)運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)速進(jìn)行了分析［11］。

江南大學(xué)周一屆等進(jìn)行了西瓜子破殼開(kāi)口設(shè)備的研制，并通過(guò)西瓜子破殼開(kāi)口的性能實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出合適的參數(shù)，為西瓜子開(kāi)口設(shè)備的改進(jìn)提供依據(jù)［12］。

3 堅(jiān)果力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀

堅(jiān)果作為農(nóng)業(yè)物料的一種，其力學(xué)性質(zhì)的研究對(duì)于剝殼機(jī)具的開(kāi)發(fā)研究十分重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)各種堅(jiān)果的物理和力學(xué)特性等進(jìn)行了大量研究，為堅(jiān)果脫殼機(jī)具的設(shè)計(jì)研究提供了可靠的依據(jù)。

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

Makanjuola、Ramakrishna和Teotia對(duì)瓜子和南瓜子的力學(xué)特性進(jìn)行研究［13］，得出含水率和加載位置對(duì)破殼力均有一定影響。Gilberto等研究了澳洲堅(jiān)果在壓縮載荷下的機(jī)械特性［14］，在不同的加載方向下對(duì)力、變形量以及能量的不同進(jìn)行了比較，同時(shí)找出不受含水率影響的加載位置。Aydin對(duì)杏核及仁的物理特性進(jìn)行研究［15］，指出核及仁的破裂力都隨含水率的增加而減小，最大的破裂強(qiáng)度出現(xiàn)在X加載方向。KubilayVursavus和Farukozguven對(duì)杏核在壓縮載荷下的機(jī)械特性進(jìn)行研究［16］，結(jié)果表明:沿X方向(長(zhǎng)度方向)加載時(shí)需要的破殼力和產(chǎn)生的變形量最大，Y方向(寬度方向)的小于另外兩個(gè)方向;沿Z方向(厚度方向)加載時(shí)杏仁通常具有破裂趨勢(shì)。Vursavus和ozguven對(duì)松籽的物理特性及壓縮載荷下的破殼進(jìn)行研究［17］，研究結(jié)果表明，沿垂直方向(寬度方向)加載時(shí)的破殼力、變形量和需要的能量較小;沿水平方向(長(zhǎng)度方向)加載松仁的破損率較大，因此松籽破殼時(shí)沿垂直方向比水平方向破殼的效果好。Guner等比較了壓縮載荷下三種不同榛籽的力學(xué)特性［18］，得出含水率對(duì)榛籽的破裂力、變形量及破裂能量的大小影響顯著，且不同加載方向?qū)σ陨弦蛩匾灿胁煌挠绊憽?/p>

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

楊志良等對(duì)松籽的幾何、力學(xué)特性及剝殼方式進(jìn)行了研究［19］，根據(jù)松籽破殼前受力及變形狀態(tài)，建立了松籽力學(xué)模型，通過(guò)分析確定了受力狀態(tài)下松籽外殼可能斷裂的方位。奕玉振和袁月明對(duì)松籽殼體的幾何特征和壓縮破殼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［20］，結(jié)果表明，在同一含水率下對(duì)于不同部位的松籽沿同一軸向進(jìn)行加載，松籽殼體破殼力差異很小，沿三個(gè)不同軸向加載破殼力差異卻非常顯著;破殼力在沿X向(長(zhǎng)度方向)加載時(shí)最大，Y向(寬度方向)次之，Z向最小，但是沿Y向(厚度方向)殼仁間隙大、變形量小、整仁率高，這與K.Vursavus等人的研究結(jié)果一致。謝麗娟采用壓縮實(shí)驗(yàn)對(duì)蓮子的機(jī)械特性進(jìn)行了研究［21］，得出了蓮子破殼力與等級(jí)大小成線性正相關(guān)，加載速率與破殼力之間沒(méi)有明確的關(guān)系，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線的斜率隨加載速率的增加而增大，而應(yīng)變隨之減小，此外她還通過(guò)有限元軟件對(duì)三種不同情況下的蓮子破殼進(jìn)行受力分析，確定了蓮子最佳施力位置和方式。楊雪銀在對(duì)板栗的壓縮力學(xué)特性進(jìn)行研究的過(guò)程中也指出板栗大小是影響破殼力的顯著因素［22］。吳子岳對(duì)核桃殼的物理機(jī)械特性進(jìn)行了研究［23］，將其簡(jiǎn)化成各向同性的均勻厚度的薄球殼，利用薄殼理論進(jìn)行內(nèi)力和變形分析，結(jié)果表明，兩對(duì)法向集中力作用有利于殼的完全均勻破裂。史建新、趙海軍等利用有限元對(duì)核桃脫殼技術(shù)進(jìn)行研究［24］，采用結(jié)構(gòu)靜力分析的有限單元法，通過(guò)所建核桃的幾何模型和破殼的有限元模型，對(duì)核桃在幾種載荷作用下的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了分析，找出了核桃殼變形量不大且產(chǎn)生局部裂紋點(diǎn)多、裂紋點(diǎn)易擴(kuò)展的最佳的施力方式。王靈軍等用有限元法對(duì)銀杏脫殼進(jìn)行受力分析［25］，建立了銀杏的幾何受力模型，通過(guò)有限元分析方法對(duì)銀杏在各種施力狀態(tài)分布進(jìn)行分析，找出了最佳的施力方向與施力方式。董永利、周一屆等對(duì)西瓜子破殼載荷的影響因素進(jìn)行研究，通過(guò)西瓜子擠壓破殼實(shí)驗(yàn)，研究了西瓜子破殼開(kāi)口過(guò)程中西瓜子寬度、含水率和加載速率對(duì)破殼力、壓縮變形量的影響，結(jié)果表明:加載位置應(yīng)位于西瓜子最大寬度兩側(cè)，西瓜子的含水率是影響破殼載荷的顯著因素，適當(dāng)增加可以減小破殼載荷并降低能耗［26］。張榮榮、李小昱等根據(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，對(duì)板栗在3種加載方式下的受力狀態(tài)進(jìn)行了應(yīng)力和應(yīng)變分析，結(jié)果表明，在板栗YZ平面的Y方向和Z方向施加載荷的破殼效果優(yōu)于在XZ平面的Z方向施加載荷的方式，但兩種方式都能達(dá)到破殼目的，只是最大應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生的位置和波及范圍不同［27］。

4 存在的問(wèn)題

目前，我國(guó)盡管在剝殼機(jī)具的研究上做了大量的工作，也研制出了一些類型的堅(jiān)果剝殼機(jī)具，但能夠真正用于生產(chǎn)且批量加工的不多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于種植業(yè)的發(fā)展，不能滿足產(chǎn)品深加工的生產(chǎn)需求，在技術(shù)上還存在如下問(wèn)題:

剝殼率低、損失率高。大多數(shù)剝殼機(jī)漏剝或剝殼不完全，果仁的除雜率低，且破碎的果仁難以從碎殼回收，造成果仁損失率增大，這也是是堅(jiān)果剝殼機(jī)難以推廣的主要原因。

籽粒的破仁率高。為了減少漏剝或剝殼不完全的問(wèn)題，一些機(jī)具在提高剝殼率的同時(shí)卻使果仁的破碎率加大，從而降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格。

通用性差，作業(yè)成本偏高?，F(xiàn)存的多數(shù)剝殼機(jī)具一般僅適用于某種堅(jiān)果的剝殼作業(yè)，通用性較差，使機(jī)具的利用率低，且不能形成系列化制造，從而也加大了制造成本，致使加工堅(jiān)果的作業(yè)成本增加。

機(jī)具性能不穩(wěn)定，適應(yīng)性差。同臺(tái)專用機(jī)具，當(dāng)堅(jiān)果品種、大小規(guī)格、外殼形狀和含水量等因素出現(xiàn)變化時(shí)，其剝殼性能會(huì)產(chǎn)生很大差異，進(jìn)而使整體剝殼效果變差。此外，部分機(jī)具僅進(jìn)行了樣機(jī)試制或少量試生產(chǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中作業(yè)性能、可靠性、壽命等還存在許多問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上可知，我國(guó)在堅(jiān)果剝殼機(jī)具研制方面做了大量的研究，但還存在較多的問(wèn)題，與實(shí)際生產(chǎn)和產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還存在一定的差距，要解決這些問(wèn)題關(guān)鍵在于，必須對(duì)剝殼機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)與工作部件進(jìn)行深入研究，研究新的剝殼機(jī)理。筆者認(rèn)為今后剝殼機(jī)具的發(fā)展還需考慮如下幾個(gè)方面:

在提高機(jī)具剝殼率的同時(shí)，降低破仁率及損失。在剝殼機(jī)具傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);研究新的脫殼機(jī)理，在提高機(jī)具工作性能的同時(shí)，簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)。

提高機(jī)具的通用性、穩(wěn)定性及適應(yīng)性。加強(qiáng)對(duì)物料剝殼機(jī)理共性的研究，研制通用性較強(qiáng)的柔性工作部件以適應(yīng)物料物理性能變化引起的問(wèn)題，或通過(guò)變換主要工作部件即能滿足不同堅(jiān)果脫殼作業(yè)需要的脫殼機(jī)具，并注意機(jī)具的加工工藝性，降低制造成本。

自動(dòng)化、系統(tǒng)化的發(fā)展。通過(guò)采用機(jī)電一體化的手段，提高機(jī)具工作部件的自動(dòng)化程度，減少人為因素的干擾，提高作業(yè)精確性和速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)率，同時(shí)設(shè)計(jì)研制的機(jī)具能夠一次性完成對(duì)物料分級(jí)、剝殼、除雜、分選等一系列加工過(guò)程，提高生產(chǎn)效率，降低加工作業(yè)成本，滿足企業(yè)的需求。

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Research and analysis of nuts shelling machines

LV Xiao－lian1，LV Xiao－rong2，ZHANG Xiao－qiong1
(1.Department of Electricity＆ Information，Chuzhou University，Chuzhou 239000，China;
2.College of Information ＆ Engineering，Sichuan Agricultural University，Yaan 625014，China)

Shelling has been facing a primary technical problem in the deep processing of nuts.Existing methods of mechanical shelling，shelling principle and characteristics were introduced，and research status of nut shelling machinery in China was systematically expounded，mechanical properties of the nuts were studied.Problems of current nuts shelling equipment were analyzed and recommendations were made for its improvement.It provided a reference for shelling technology of shell materials and development of shelling devices.

nuts;shelling;status;mechanical properties;problem

TS255.6

A

1002－0306(2011)08－0485－04

2010－08－02

呂小蓮(1974－)，女，博士，副教授，研究方向:農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)。

滁州學(xué)院科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2008D001)。