花生籽粒恢復系數及摩擦系數研究

陸永光+吳努+林德志+于昭洋+游兆延+胡志超

摘要：為建立花生籽粒在CFD-EDEM中的運動仿真模型，以花生主產區典型花生品種四粒紅、白沙、魯花11和海花為試驗材料，基于運動學方程原理構建了花生籽?；謴拖禂禍y定裝置和滑動摩擦系數斜面儀，采用正交試驗設計方法，分別研究了花生品種、接觸材料、材料厚度、下落高度及花生含水率對恢復系數和滑動摩擦系數的影響。測試結果和方差分析表明，花生籽?；謴拖禂惦S材料厚度、下落高度的增加而增大，隨含水率的增大而減??；同一品種和相同含水率條件下的花生籽粒在有機玻璃、Q235鋼、橡膠板材上的滑動性能依次降低；不同品種之間四粒紅花生籽?；瑒幽Σ料禂底钚?，流動性最好，魯花11花生籽粒滑動摩擦系數最大，流動性最差?；ㄉ蚜；謴拖禂惦S含水率的增大而增大。研究結果可為花生產后加工機械仿真模擬參數設置及優化設計提供參考依據。

關鍵詞：花生籽粒；恢復系數；摩擦系數；正交試驗

中圖分類號： S233.75 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0386-04

花生是世界四大油料作物之一和優質蛋白質資源，同時也是我國重要的出口創匯產品。我國花生種植面積達5.12×106 hm2，占世界花生總種植面積的20%，總產量1.44×107 t，占世界總產量的42%，位居世界首位，年出口創匯達到6.1億美元，是我國具有競爭優勢的經濟作物[1]。

我國花生機械化收獲水平較低，開展花生收獲及產后加工研發較晚，技術儲備和研發力度不夠，尤其是花生產后加工機械，如花生脫殼機械以及分級篩選機械，傷損率和未脫凈率都較高[2]。探其原因，還是在機具設計時大多憑經驗，未能有效考慮花生特性，在分級、脫殼、清選過程中，花生莢果之間、花生殼與花生籽粒之間、花生與機具之間會產生形態復雜的碰撞、擠壓和彈射。其復雜的運動機理只憑經驗計算設計不能有效滿足產品生產的要求。在設計之初借用計算機進行CFD、EDEM等仿真模擬試驗可有效地探究花生在機具里的運動機理、降低試驗次數、減少研發成本，對花生機械設備的研制及主要工作部件的設計和改進工作都具有重要的實際意義。

關于花生物理特性的研究，前人做了大量的工作并取得有益的成果，呂小蓮等對花生籽粒幾何尺寸及物理特性進行了研究[1]，劉德軍等對花生殼擠壓破碎力學性能進行了研究[3]，高連興等研究了花生在各種氣流場中進行氣力輸送時的氣流速度及漂浮速度[4]。但是關于仿真模擬試驗時需要設定的花生運動特性參數，如花生恢復系數、滾動摩擦系數等運動參數的研究，目前尚不多見。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用我國花生主產區典型品種四粒紅、白沙、魯花和?；?。待測籽粒是復式花生脫殼機脫殼分選后的花生籽粒，按不同品種隨機選取，經過清理和篩選，去除三軸尺寸差異較大的花生籽粒，將其中部分樣品放入5 ℃冰柜進行冷藏提高其籽粒含水率。然后將花生籽粒分成6組，采用DGF30型電熱鼓風干燥箱，在103 ℃的溫度下分別以30 min時間差制取不同含水率的花生籽粒。將得到的不同含水率的花生分成2組，一組用于后續碰撞試驗，另一組進行對應組分含水率參數的測量。

1.2 測試裝置及原理

1.2.1 恢復系數的測定 恢復系數的測定方法，前人已有大量的研究[5-11]。本試驗采用運動學方程原理（圖1）對花生籽?；謴拖禂颠M行測定，試驗時將花生籽粒從指定高度的水平投料面上的落料孔投放，自由下落后并與安置在與水平面成45°角的斜面上的碰撞材料發生碰撞，經反彈后落到鋪滿黃沙的托盤上。瞬時莢果接近速度為[FK（W1。5]vo=[KF（]2gH[KF）]；測量2組在不同托盤安裝高度條件下的花生莢果運動水平分位移S1和S2、豎直分位移h1和h2，并由公式（1）計算出水平分速度vx和豎直分速度vy，再代入公式（2）推導即可得出該參數設定下的莢果碰撞恢復系數。為減小測量誤差及莢果個體差異對結果的影響，每次實驗選取2顆參數基本一致的花生籽粒，各重復50次，用3ε法去除異常數值，然后取平均值作為該莢果的位移測量數值。

1.2.2 滑動摩擦系數的測定 滑動摩擦系數是反映物料顆粒物理特性的重要參數[12-14]，通過測試物料的摩擦系數，可知物料在接觸部件上的滑動性，某種程度上反映該物料顆粒的流動性，該參數在CFD-DEM顆粒運動仿真中是重要的需設定參數之一，利用滑動摩擦系數斜面儀通過測量滑動摩擦角得到滑動摩擦系數。

測試前按正交試驗要求將不同品種和含水率的花生進行分組裝進自制鐵盒中，試驗時將鐵盒倒扣在摩擦系數測量儀（圖2）上，保證測試花生籽粒與被試接觸材料面充分接觸，且避免鐵盒與接觸材料面接觸，轉動搖把緩慢提升斜面傾斜角度，當花生籽粒沿斜面開始下滑時，搖把停止轉動，測量此時斜面傾角，該值即為待測花生籽粒在測試板上的滑動摩擦角，從而得到該試驗水平下花生籽粒的滑動摩擦系數。每種情況重復測試5次，取平均值作為選定條件下花生籽粒與此材料的滑動摩擦系數。

1.3 試驗方法

影響花生籽?；謴拖禂档闹饕蛩赜谢ㄉ蚜５钠贩N及含水率、碰撞材料的材質和厚度、下落時的高度。影響花生籽?；瑒幽Σ料禂档闹饕蛩貫榻佑|材料、花生品種及含水率。正交試驗的因素水平和試驗安排如表1所示。

2 結果與分析

花生籽?；謴拖禂蹬c滑動摩擦系數的正交試驗結果見表2、表3，方差分析見表4。通過對比分析可以看出，花生籽粒在點面接觸碰撞模型中影響其恢復系數的主要因素依次為碰撞材料、材料厚度、含水率、下落高度，其中碰撞材料和材料厚度對恢復系數的影響極為顯著，下落高度和含水率較為顯著，而花生品種對恢復系數的影響不顯著。

在接觸滑動模型中影響滑動摩擦系數的主要因素為接觸材料、花生品種及含水率。由方差分析可知，接觸材料對花生籽?；瑒幽Σ料禂档挠绊戄^為顯著，含水率及花生品種次之。

2.1 單因素試驗結果與分析

從正交試驗可知，影響花生籽?；謴拖禂档闹饕绊懸蛩貫榻佑|材料、材料厚度、含水率和下落高度；影響滑動摩擦系數的主要因素為接觸材料、含水率和花生品種。為進一步探究各因素對恢復系數和滑動摩擦系數的影響，分別進行了單因素試驗，因素水平分別為接觸材料（橡膠、鋁合金、Q235鋼、有機玻璃）、材料厚度（1、2、3、5 mm）、含水率（7.8%、13.5%、18.6%、25.3%）、花生品種（四粒紅、白沙、魯花11、?；ǎ┖拖侣涓叨龋?4、80、100、120 cm），在其他條件相同，控制單一變量的情況下，單因素試驗結果如表5和表6所示。由于接觸材料和花生品種無法量化，故未做系數趨勢圖及回歸分析。材料厚度、含水率、下落高度的變化趨勢如圖3所示。

2.2.1 接觸材料對花生籽粒物料特性的影響 由正交試驗和接觸材料單因素試驗可知，在所有試驗因素中接觸材料種類對花生籽?；謴拖禂岛突瑒幽Σ料禂档挠绊懽顬轱@著。其中Q235鋼對恢復系數影響最大，鋁合金和有機玻璃板材次之，橡膠材料最小，這是由于Q235材料硬度相對最高，花生籽粒與板材發生碰撞時擠壓變形小，能量損失較低；滑動摩擦系數測定試驗中，橡膠板材影響最大，Q235和鋁合金材料次之，有機玻璃最小。

2.2.2 花生品種對花生籽粒物料特性的影響 不同花生品種的幾何尺寸、飽滿度和球形度都有一定的差異，呈現出的物理特性也不同。四粒紅花生籽粒形狀、大小相對均勻，籽粒組織較為飽滿；白沙花生籽粒的形狀、大小均勻性次之，籽粒組織較為疏松，魯花11的幾何尺寸較大，但形狀均勻性相對較差。在碰撞模型恢復系數的測定試驗中，花生品種對恢復系數的影響不顯著，相比于碰撞材料、下落高度等因素，品種之間物理特性的差異性對瞬時碰撞時所導致的能量損失影響不大，但在滑動摩擦系數測定過程中，品種之間物理特性的差異有較明顯的影響，這是因為在測定過程中，花生籽粒與材料的接觸是長時的不是瞬態的過程，不同花生表面特性對流動性能的影響能有效地呈現出來，試驗表明四粒紅花生籽粒的流動性相對較好，魯花11花生籽粒的流動性相對最差。

2.2.3 含水率對花生籽粒物料特性的影響 含水率對花生籽?；謴拖禂岛突瑒幽Σ料禂档挠绊懴鄬θ跤诮佑|材料、下落高度、材料厚度等因素。通過正交試驗可以看出，花生籽粒恢復系數隨含水率的增大而減小，這是由于籽粒含水率越高，花生籽粒表面越軟，在與碰撞材料發生碰撞時形變也越大，從而導致花生籽粒在碰撞過程中能量損失變大，反彈后法向分離速度相對變小。此外，隨著花生籽粒含水率的增大，與接觸板材接觸時黏性變大，導致滑動摩擦系數增大。

3 結論與討論

影響恢復系數的主次因素（按顯著性）依次為碰撞材料、材料厚度、含水率、下落高度、花生品種，其中碰撞材料和材料厚度是影響花生籽?；謴拖禂档闹饕蛩?，花生品種對花生籽?；謴拖禂涤绊懖伙@著。根據單因素試驗結果，在相同的材料厚度、下落高度、花生品種及其含水率的條件下，花生籽粒與Q235鋼、有機玻璃、橡膠之間的恢復系數依次減??；在其他條件保持一致的情況下花生籽?；謴拖禂惦S著材料厚度、下落高度的增大而增大，隨含水率的增大呈減小趨勢。

影響滑動摩擦系數的主要因素為接觸材料、含水率、花生品種，其中接觸材料顯著性相對較為明顯。同一品種相同含水率下的花生籽粒在有機玻璃、Q235鋼、橡膠板材上的滑動性能依次降低；不同品種之間四粒紅花生籽?；瑒幽Σ料禂底钚?，流動性最好，魯花11花生籽?；瑒幽Σ料禂底畲螅鲃有宰畈?。花生籽粒摩擦系數越大，其流動性越差，在輸送過程中產生的傷損率就越高；花生籽粒含水率越高，與板材之間的接觸黏性就越大，一定程度上增大了滑動摩擦系數。

花生籽?；謴拖禂岛突瑒幽Σ料禂禍y定過程中，由于籽粒形態個體差異大，除了以上討論因素外，可能還受籽粒球形度、轉動慣量、接觸點等具有隨機性、不可控性因素的影響，雖然試驗過程中進行大量重復試驗，但仍然避免不了個體差異造成的隨機誤差，這些都有待進一步研究。

參考文獻：

[1]呂小蓮，胡志超，于昭洋，等. 花生籽粒幾何尺寸及物理特性的研究[J]. 揚州大學學報：農業與生命科學版，2013，34（3）：61-64.

[2]王建楠，謝煥雄，胡志超，等. 復式花生脫殼機振動分選裝置試驗及參數優化[J]. 江蘇農業科學，2015，43（2）：365-370.

[3]劉德軍，邵志剛，高連興. 花生殼擠壓碎裂力學特性試驗[J]. 沈陽農業大學學報，2012，43（1）：81-84.

[4]高連興，張 文，杜 鑫，等. 花生脫殼機脫出物的漂浮系數試驗[J]. 農業工程學報，2012，28（2）：289-292.

[5]Hastie D B. Experimental measurement of the coefficient of restitution of irregular shaped particles impacting on horizontal surfaces[J]. Chemical Engineering Science，2013，101：828-836.

[6]Aryaei A，Hashemnia K，Jafarpur K. Experimental and numerical study of ball size effect on restitution coefficient in low velocityimpacts[J]. International Journal of Impact Engineering，2010，37（10）：1037-1044.

[7]Li T，Zhang J，Ge W. Simple measurement of restitution coefficient of irregular particles[J]. China Particuology，2004，2（6）：274-275.

[8]王成軍，李耀明，馬履中，等. 小麥籽粒碰撞模型中恢復系數的測定[J]. 農業工程學報，2012，28（11）：274-278.

[9]黃小毛，查顯濤，潘海兵，等. 油菜籽粒點面接觸碰撞中恢復系數的測定及分析[J]. 農業工程學報，2014，30（24）：22-29.

[10]楊明金，楊 玲，李慶東. 顆粒物料恢復系數簡易測量方法及其應用[J]. 農機化研究，2009，31（10）：25-27.

[11]李洪昌，高 芳，李耀明，等. 水稻籽粒物理特性測定[J]. 農機化研究，2014，36（3）：23-27.

[12]崔 濤，劉 佳，楊 麗，等. 基于高速攝像的玉米種子滾動摩擦特性試驗與仿真[J]. 農業工程學報，2013，29（15）：34-41.

[13]張 琴，丁為民，鄧麗君，等. 芡實機械脫殼中的摩擦特性試驗研究[J]. 農業工程學報，2013，29（1）：56-63.

[14]馮家暢，程緒鐸，嚴曉婕. 大豆與倉壁材料摩擦系數的研究[J]. 大豆科學，2014，33（5）：787-789，794.