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(yíng)養(yǎng)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外大部分相關(guān)研究都是對(duì)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(wú)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(wú)堊白現(xiàn)象的糙米，其不能夠承受較大擠壓機(jī)械力；李陽(yáng)等[2]通過(guò)物性分析儀對(duì)稻谷外殼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)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(guò)程；周顯青等[3]通過(guò)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(guò)水稻谷粒擠壓力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)得力-位移曲線，研究了稻谷成熟度和谷殼對(duì)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(duì)糙米的三點(diǎn)彎曲破碎力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)腹部的斷裂能小于背部；Resende等[6]對(duì)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(duì)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(lái)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)程中所需的基礎(chǔ)參數(shù)和數(shù)據(jù)，但是缺少碾米過(guò)程中糙米的動(dòng)態(tài)機(jī)械力學(xué)特性研究，而且對(duì)糙米內(nèi)部損傷規(guī)律的研究較少。因此，作者通過(guò)糙米碰撞過(guò)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(duì)于后續(xù)深入研究降低糙米在碾白過(guò)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(cè)量系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)通過(guò)撞擊力傳感器，以3 kHz頻率采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示力-時(shí)間曲線，數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)讀取、記錄撞擊過(guò)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(duì)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(cè)量均值為例來(lái)進(jìn)行實(shí)體建模，選用秈稻品種岡優(yōu)1237品種，粒長(zhǎng)6.26 mm、粒厚1.64 mm、粒寬2.08 mm。與糙米接觸的撞擊錘長(zhǎng)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(duì)比分析。表1為建模過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)糙米的撞擊力云圖。圖7則顯示了仿真過(guò)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)，受到的撞擊力越小；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(guò)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(cè)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(cè)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(guò)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(shì)基本相同，兩條直線之間的誤差不大且比較穩(wěn)定，說(shuō)明所建糙米有限元仿真分析模型和試驗(yàn)操作過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)糙米碰撞過(guò)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(duì)如何降低糙米加工過(guò)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(duì)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。