糙米碰撞過程試驗(yàn)及仿真分析

曹憲周，張 超*，房凱文，安紅周，張昊辰，張 寧

1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001 2.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

稻谷糙米非正常加工破碎，嚴(yán)重影響其營養(yǎng)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前國內(nèi)外大部分相關(guān)研究都是對稻谷進(jìn)行宏觀靜力學(xué)研究:如馮帥博等[1]利用質(zhì)構(gòu)儀和掃描電鏡研究了心白、腹白、無堊白糙米的壓縮力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)芯部存在堊白現(xiàn)象的糙米相較于腹部存在堊白現(xiàn)象及無堊白現(xiàn)象的糙米，其不能夠承受較大擠壓機(jī)械力；李陽等[2]通過物性分析儀對稻谷外殼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測得稻谷外殼的力學(xué)特性參數(shù)，并結(jié)合稻谷外殼拉伸斷裂裂紋處的顯微圖像分析稻谷外殼拉伸破壞過程；周顯青等[3]通過糙米碾白試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著糙米中不完善粒含量增加，糙出白率、碾白率升高，整、精米率降低，碎米率升高；李耀明等[4]通過水稻谷粒擠壓力學(xué)試驗(yàn)，測得力-位移曲線，研究了稻谷成熟度和谷殼對水稻谷粒力學(xué)性能的影響。李毅念等[5]分別以糙米的腹部、背部作為承壓面，對糙米的三點(diǎn)彎曲破碎力學(xué)性能進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)腹部的斷裂能小于背部；Resende等[6]對糙米進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，得到了不同水分含量糙米的斷裂力、形變、最大壓縮力和彈性模量；Mohapatra等[7]研究了3種秈稻的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，并對糙米進(jìn)行了不同程度的碾磨，設(shè)計(jì)了碾磨系數(shù)和磨損指數(shù)來表征糙米的品質(zhì)；李耀明等[8]利用碰撞理論和能量守恒定理分析了稻谷與脫離裝置之間的碰撞過程，并使用稻谷脫粒試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行脫粒模擬試驗(yàn)，推導(dǎo)并驗(yàn)證了稻谷破碎和脫粒裝置線速度的數(shù)學(xué)方程；常光寶[9]利用撞擊特性試驗(yàn)裝置和脫粒模擬裝置對水稻籽粒進(jìn)行了試驗(yàn)分析，建立了谷粒力學(xué)特性有限元分析模型，計(jì)算出水稻籽粒即將發(fā)生塑性變形時(shí)脫粒裝置與水稻籽粒的相對速度。

上述研究主要集中于稻谷的宏觀靜態(tài)或動(dòng)態(tài)特性研究，得到了稻谷加工過程中所需的基礎(chǔ)參數(shù)和數(shù)據(jù)，但是缺少碾米過程中糙米的動(dòng)態(tài)機(jī)械力學(xué)特性研究，而且對糙米內(nèi)部損傷規(guī)律的研究較少。因此，作者通過糙米碰撞過程試驗(yàn)及有限元分析軟件ABAQUS的模擬仿真驗(yàn)證，研究不同品種的糙米在不同影響因子下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，以此探尋糙米的撞擊特性和損傷規(guī)律，對于后續(xù)深入研究降低糙米在碾白過程中的非正常破碎具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2018年收獲的江西泰優(yōu)398、河南岡優(yōu)1237、廣東天優(yōu)3618三省秈稻，手工剝殼，每個(gè)品種挑選符合試驗(yàn)要求的樣品100粒。水分含量：9.0%±0.5%(干燥后)、12.0%±0.5%(標(biāo)準(zhǔn))、15.0%±0.5%(調(diào)質(zhì)后)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

自制撞擊力試驗(yàn)平臺(tái)(圖1)、高速動(dòng)態(tài)力值測量系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)通過撞擊力傳感器，以3 kHz頻率采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示力-時(shí)間曲線，數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)工作窗口如圖2所示。

1.傳感器；2.撞擊臺(tái)；3.高度尺圖1 撞擊力試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Impact force test platform

1.當(dāng)前力窗口；2.系統(tǒng)歸零按鈕；3.峰值歸零按鈕； 4.峰值窗口；5.力-時(shí)間曲線圖圖2 高速動(dòng)態(tài)力值測量系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of high speed dynamic force measurement system

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 糙米碰撞試驗(yàn)

利用自制的撞擊力試驗(yàn)臺(tái)，將糙米樣品放置在傳感器中心，以不同高度自由釋放撞擊塊與糙米發(fā)生撞擊，采用高速動(dòng)態(tài)力值測量系統(tǒng)讀取、記錄撞擊過程中的撞擊力最大值，并保存撞擊力與時(shí)間圖像。試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件Matlab進(jìn)行正交極差分析，確定糙米品種、撞擊動(dòng)量和水分含量對撞擊力影響的主次順序及最優(yōu)水平。

1.3.2 有限元模擬仿真

運(yùn)用Solidworks三維建模軟件，建立仿真裝配體模型，模型包含撞擊錘和糙米。糙米以實(shí)際測量均值為例來進(jìn)行實(shí)體建模，選用秈稻品種岡優(yōu)1237品種，粒長6.26 mm、粒厚1.64 mm、粒寬2.08 mm。與糙米接觸的撞擊錘長40 mm，寬40 mm，高5 mm。有限元分析采用ABAQUS軟件，仿真條件設(shè)置為前述碰撞試驗(yàn)得到的最優(yōu)碰撞參數(shù)進(jìn)行對比分析。表1為建模過程中的零部件材料設(shè)置參數(shù)。建好的三維模型(圖3)通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入到有限元分析軟件ABAQUS中進(jìn)行仿真分析(圖4)。

表1 零部件材料設(shè)置參數(shù)Table 1 Material parameters of components

圖3 仿真實(shí)體模型Fig.3 Simulation entity model

圖4 仿真實(shí)體裝配圖Fig.4 Simulation entity assembly

2 結(jié)果與分析

2.1 碰撞試驗(yàn)

表2是碰撞過程試驗(yàn)的設(shè)計(jì)因素與水平。表3為正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析情況。

表2 因素與水平Table 2 Factors and levels

由表3可知，試驗(yàn)因子對糙米破碎影響的主次順序?yàn)镃>B>A，最優(yōu)水平組合為A2B1C2，即最佳試驗(yàn)參數(shù)為水分含量9.0%、撞擊動(dòng)量538×10-6kg·m/s、品種河南岡優(yōu)1237。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Table 3 Range analysis of orthogonal experiment

圖5為水分含量9.0%的岡優(yōu)1237在受到撞擊動(dòng)量538×10-6kg·m/s撞擊時(shí)撞擊力-時(shí)間的變化情況。

由圖5可知，水分含量9.0%的岡優(yōu)1237在受到撞擊時(shí)，撞擊力隨時(shí)間的變化成開口向下的曲線，糙米受到的撞擊力在撞擊過程中存在最大值，在0.002 s時(shí)取得撞擊力峰值57.07 N，同時(shí)在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，撞擊點(diǎn)是糙米發(fā)生損傷破壞的發(fā)生點(diǎn)。

圖5 試驗(yàn)撞擊力-時(shí)間的變化情況Fig.5 Test impact force vs. time

2.2 有限元模擬仿真

圖6給出了通過有限元分析軟件，水分含量9.0%的岡優(yōu)1237在受到538×10-6kg·m/s撞擊動(dòng)量時(shí)撞擊錘對糙米的撞擊力云圖。圖7則顯示了仿真過程中仿真撞擊力和時(shí)間的變化情況。

圖6 撞擊力云圖Fig.6 Impact force nephogram

由圖6可知，水分含量9%的岡優(yōu)1237在受到538×10-6kg·m/s撞擊動(dòng)量撞擊時(shí)的撞擊力峰值為57.12 N；撞擊力的云圖呈六芒星分布，撞擊點(diǎn)處的受力最大，離撞擊點(diǎn)越遠(yuǎn)，受到的撞擊力越??；同時(shí)也驗(yàn)證了撞擊點(diǎn)是糙米發(fā)生破壞的發(fā)生點(diǎn)。

由圖7可知，水分含量9.0%的岡優(yōu)1237在受到538×10-6kg·m/s仿真撞擊力隨時(shí)間變化的歷程與碰撞試驗(yàn)過程相似，而圖5顯示了在相同參數(shù)下，試驗(yàn)撞擊力峰值為57.07 N，仿真撞擊力的值略大于試驗(yàn)撞擊力，它們之間存在誤差的原因：一是由于試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)零件之間存在摩擦，撞擊高度也存在測量誤差，因而造成撞擊動(dòng)量小于試驗(yàn)要求的撞擊動(dòng)量；二是糙米幾何尺寸存在測量誤差，糙米樣品內(nèi)部損傷不一，而仿真時(shí)所建模型為理想模型，故而產(chǎn)生一定的誤差。

圖7 仿真撞擊力-時(shí)間的變化情況Fig.7 Simulated impact force vs. time

表4給出了模擬仿真和碰撞過程試驗(yàn)撞擊力的回歸線方程參數(shù)。表4表明回歸方程是極其顯著的。仿真撞擊力的回歸直線和試驗(yàn)撞擊力回歸直線上升趨勢基本相同，兩條直線之間的誤差不大且比較穩(wěn)定，說明所建糙米有限元仿真分析模型和試驗(yàn)操作過程可行。

表4 撞擊力回歸方程Table 4 Regression equation of impact force

3 結(jié)論

本研究通過糙米碰撞試驗(yàn)，得到了不同品種的糙米在不同影響因子下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析得到了可降低糙米破碎的最優(yōu)工作參數(shù)，并利用有限元分析軟件對糙米碰撞過程進(jìn)行了驗(yàn)證，由此驗(yàn)證試驗(yàn)方法及仿真分析的可行性。該試驗(yàn)和仿真方法對如何降低糙米加工過程中的破碎率具有重要意義。同時(shí)，仿真分析和試驗(yàn)都顯示糙米受不同撞擊動(dòng)量撞擊時(shí)，撞擊力峰值不同，但撞擊力持續(xù)總時(shí)間相同，達(dá)到最大撞擊力的時(shí)間也相同，該結(jié)論對于改變碾米機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及糙米防破碎研究也具有十分重要的意義。