橡胶果破壳力学特性试验与分析

王远荣 王 涛 聂俊峰

(海南大学机电工程学院，海南 海口 570228)

橡胶果是橡胶树种植的副产物，它是橡胶树的种子，因为橡胶果有毒，所以一直以来都没有得到足够的重视。现在中国绝大多数橡胶果只能腐烂在橡胶林里，造成巨大的浪费[1-3]。随着中国对可再生资源逐渐重视，橡胶果的利用被提上议程。橡胶果主要由果壳和果仁两部分组成，橡胶果仁可以压榨成食用油，还可以用作生物燃料，压榨之后剩余的是橡胶果粕，经过加温干燥去毒处理也可以作为动物饲料，橡胶果壳可用于制造家具[4-6]。橡胶果机械脱壳是实现其价值的关键一步，而研制适合橡胶果脱壳的机械首先应当对橡胶果的力学特性进行试验与分析。

目前国内外对坚果破壳力学特性方面的研究有很多，如曹成茂等[7]发现山核桃的受载接触形式和破壳机构直接影响了山核桃的果仁损伤率、破壳率以及破壳质量。高警等[8]发现核桃尺寸对破壳力的影响比较显著。Galeda等[9]发现开心果的破壳加载方向对破壳力影响显著。还有很多学者经过研究得出坚果破壳加载方向[10]、坚果的尺寸[11]、不同的刀具[12]对破壳力有很大的影响。现在国内外对橡胶果破壳力学特性研究比较少，目前最常用的橡胶果脱壳机主要是借鉴其他物种物理性质进行脱壳[13-15]，存在脱壳效果不佳的问题。近年来在坚果机械损伤研究方面，有很多学者[16-17]采用有限元的方法深入探讨了核桃、银杏等内部应力应变情况及损伤规律，为坚果脱壳设备的研制提供有效的理论依据。

现在橡胶果脱壳机存在脱壳效率低，壳仁分离不完整，果仁完整率低等问题[18-19]。这些问题关键一点就是确定破壳力的大小，破壳力大了就会导致果仁完整率低，破壳力小了就会导致壳仁分离不完整。在橡胶果破壳力学特性研究方面，何焯亮等[20]选取加载速度、方向、球度等因素，利用挤压刀具进行橡胶果压缩试验，但忽略了橡胶果尺寸和不同刀具对破壳力的影响，而且没有研究橡胶果破壳过程中的应力应变情况及损伤规律。本试验拟采用物性测试仪为主要力学测定仪器，采用自行设计力学试验装置和刀具，一方面研究橡胶果在不同破壳加载方向与不同刀具作用下的破壳力关系，另一方面研究不同加载方向对破壳力与整仁率的影响以及橡胶果的尺寸对破壳力的影响，最后通过有限元法研究橡胶果内部应力应变情况及损伤规律，旨在为橡胶果脱壳机械的改进提供技术参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以中国云南种植面积较大的橡胶树品种的橡胶果为研究对象。橡胶果形状是不规则的椭圆形，单果质量1.935～3.942 g,平均单果质量2.637 g。橡胶果的基本尺寸按横径、纵径、棱径(横径是橡胶果沿着短轴方向的最大尺寸；纵径是橡胶果沿着长轴方向的最大尺寸；棱径是橡胶果沿着缝合线短轴方向的最大尺寸)划分。橡胶果的三维尺寸图见图1。

图1 橡胶果的三维尺寸图Figure 1 Three-dimensional dimension of rubber fruit

1.2 主要仪器

橡胶果力学试验机：测试范围为15～1 500 N，精度±1%，实验室自行设计；

游标卡尺：VL-1050型，规格0～150 mm，精度0.02 mm，香港威特龙工具有限公司；

电子天平：CL-T500型，规格50 g/0.001 g，北京市宸龙恒信贸易有限公司。

1.3 橡胶果力学试验机的结构与原理

试验机主要由机架、样品定位装置、破壳装置和破壳力测量装置组成，结构图见图2。本试验机有剪切刀具、锥刺刀具、挤压刀具，见图3。该试验的橡胶果力学试验机主要利用的是二力平衡与滑轮组的原理，其工作原理为：夹具平台可以调节位置，试验前调整夹具平台两个夹板的位置，保证刀具在夹具平台两个夹板正中间的橡胶果上面，利用重力使橡胶果受力，利用二力平衡的原理，橡胶果受到的力等于左侧可滑动桶与推拉力计自身的重力，推拉力计自身的重力与可滑动桶的重力由推拉力计显示，最后通过式(1) 计算橡胶果破壳力。

1. 底座 2. 滑动导杆 3. 可滑动桶 4. 推拉力计 5. 小定滑轮 6. 上固定杆 7. 上连接杆 8. 挂钩 9. 可滑动上下板 10. 加压头 11. 刀架 12. 小动滑轮 13. 刀具 14. 橡胶果 15. 夹板 16. 夹具架 17. 样品承重块 18. 调节螺丝 19. 承重支撑平台 20. 大定滑轮

图2 橡胶果力学试验机结构示意图

Figure 2 Structural sketch of rubber fruit mechanics testing machine

图3 刀具Figure 3 Tool

G=nF，

(1)

式中：

G——破壳力，N；

n——承重的绳子段数，n=3；

F——推拉力计的读数，N。

1.4 橡胶果的外形尺寸

为保证试验质量，首先测量橡胶果的尺寸，共测100个，使用游标卡尺按图1测量出各个样本的三维尺寸，橡胶果的三维尺寸和标准差见表1。根据表1可以看出，纵径的标准差为0.80，低于横径与棱径的标准差，表示纵径的参考价值最高。将所得的原始数据按照橡胶果的纵径为标准将橡胶果分为三类：Ⅰ类(20.5 mm以下)，Ⅱ类(20.5～23.0 mm)，Ⅲ类(23.0 mm以上)。其中Ⅱ类(20.5～23.0 mm)占66%，Ⅰ类(20.5 mm以下) 与Ⅲ类(23.0 mm 以上)各占17%。

1.5 橡胶果力学特性的测定方法

橡胶果破壳加载方向是按照长轴、短轴、缝合线分别记为X、Y、Z的3个加载方向，破壳加载方向见图4。3种刀具分别做剪切力、锥刺力、挤压力的破壳力静态压缩试验，力学特性测试装置见图5。

表1 橡胶果的三维尺寸和标准方差Table 1 Three-dimensional dimensions and standard deviation of rubber fruit

图4 破壳加载方向Figure 4 Broken shell loading direction

图5 力学特性测试装置Figure 5 Mechanical property testing device

1.6 橡胶果有限元受力模型

基于有限元软件(ANSYS Workbench 15.0)对橡胶果进行有限元分析。橡胶果壳与果仁是有间隙的，橡胶果破壳时主要是果壳受力。橡胶果通过SolidWorks14.0绘制，模型三维尺寸如表1所示。橡胶果壳的厚度是不均匀的，呈两顶端厚、中部薄、缝合线处厚的特点，橡胶果破壳后用游标卡尺测出橡胶果壳厚度，其中两顶端平均厚度为0.8 mm，中间平均厚度为0.5 mm，缝合线处平均厚度为0.8 mm，依靠这些数据建立橡胶果三维模型，并在橡胶果壳的三维模型两端放置两块平行钢板，将橡胶果三维模型导入到有限元软件 ANSYS Workbench中。橡胶果壳与普通木材非常的相似，把橡胶果壳仁的泊松比取0.3，果壳表现为脆性材料，因此橡胶果壳的破坏准则采用脆性断裂破坏强度准则。橡胶果壳仁密度为 603 kg/m3，橡胶果与板栗有点类似，壳的弹性模量取120 MPa，仁的弹性模量取壳的1/10[21]。考虑到有限元网格划分的特点以及橡胶果的形状，采用自由网格划分的形式对橡胶果进行网格划分。

2 结果与分析

2.1 橡胶果在不同加载方向和不同刀具下的静态压缩试验

从试验样品中随机抽取完整的橡胶果90个随机分为3组，每组30个，橡胶果破壳加载方向分别为X、Y、Z3个方向。每组30个橡胶果再分为3份，每份10个再分别做剪切力、锥刺力、挤压力的破壳力静态压缩试验。根据试验的数据计算出剪切力、锥刺力、挤压力的X、Y、Z3个方向的静态压缩试验最小、最大破壳力以及用式(2)求出的平均破壳力，结果见表2。

(2)

式中：

An——平均破壳力，N；

an——样品中的第n个数；

n——样品中的总个数。

表2 橡胶果静态压缩试验破壳力Table 2 Rubber fruit static compression test shell breaking force kN

由表2可知，X、Y、Z3个方向破壳力的大小关系为F挤压力>F剪切力>F锥刺力，锥刺刀具所要的破壳力是最小的，可能是锥刺刀具受力面积小。

从剪切力可以看出X、Y、Z3个方向橡胶果平均破壳力分别为0.502 4，0.381 3，0.395 3 kN，根据数据可以看出剪切破壳力的大小关系为FX>FZ>FY，沿Y方向加载时最省力。从锥刺力可以看出X、Y、Z3个方向橡胶果平均破壳力分别为0.048 7，0.132 3，0.162 6 kN，根据数据可以得出锥刺破壳力的大小关系为FZ>FY>FX，沿Z方向加载时最费力，沿X方向加载时最省力，这是因为受力点在橡胶果脐上面。从挤压力可以看出X、Y、Z3个加载方向橡胶果平均破壳力分别为0.613 2，0.558 7，0.573 1 kN，根据数据可以看出挤压破壳力的大小关系为FX>FZ>FY，沿Y方向加载时最省力。相对而言剪切力、锥刺力、挤压力在Y方向加载所要的破壳力是最合适的。

2.2 橡胶果破壳加载方向对破壳力与整仁率的影响

取Ⅱ类(20.5～23.0 mm) 橡胶果30颗分成3组，每组10个，分别沿X、Y、Z3个方向进行挤压破壳力静态压缩试验直到橡胶果破裂，结果见表3。

表3 Ⅱ类橡胶果挤压破壳力静态压缩试验

Table 3 Static compression test of shell breaking force of type II rubber fruit extrusion

加载方向平均破壳力/kN整仁率/%标准差X0.606 2700.126 91Y0.570 8800.101 62Z0.584 6600.104 61

橡胶果在静态压缩试验刚开始时，橡胶果破壳所要的力随着时间的延长而增大，当橡胶果被压缩至某一载荷时，橡胶果的果壳会出现裂纹，强度突然降低，此时橡胶果所承受的载荷称为“破裂载荷”，当经过这一点之后，橡胶果所需的破壳力会急剧减小。最佳加载方向以橡胶果破壳力与整仁率为主要评价标准，从表3可以看出，沿X方向加载橡胶果的平均破壳力最大，沿Z方向加载的居中，沿Y方向加载的最小。从整仁率看，沿Y方向加载橡胶果的整仁率达到80%，高于X方向与Z方向加载的。Y方向加载的标准差最小，标准差能反映橡胶果平均破壳力数据集的离散程度，标准差越小，这些值偏离平均值就越少，破壳时的破壳力大小比较集中，利于破壳。根据数据可以得出最佳加载方向为Y方向。

2.3 橡胶果的尺寸对破壳力的影响

取Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类橡胶果各10颗，分别沿Y方向进行剪切破壳力静态压缩试验，直到橡胶果破裂得出橡胶果破壳力；再分别取Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类橡胶果各10颗，分别沿Y方向进行挤压破壳力静态压缩试验，直到橡胶果破裂得出橡胶果破壳力；Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类橡胶果Y方向加载时剪切破壳力与挤压破壳力见表4。

从表4中可以看出，在剪切破壳力与挤压破壳力静态压缩试验中，橡胶果的尺寸对橡胶果破壳力的影响比较显著。其中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类橡胶果在Y加载方向的平均剪切破壳力分别为0.287 8，0.373 2，0.398 2 kN；Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类橡胶果在Y加载方向平均挤压破壳力分别为0.548 0，0.564 5，0.715 1 kN。根据数据可以得出，随着橡胶果尺寸的增加，橡胶果破壳时所需要的破壳力也就越大，说明橡胶果的尺寸也是影响橡胶果破壳力的主要因素。所以在进行橡胶果脱壳时为了得到较高的破壳率和整仁率，在对橡胶果脱壳前进行分类是必要的。

表4 Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类橡胶果Y方向加载时剪切破壳力与挤压破壳力

Table 4 Shear and extrusion shell breaking forces of rubber fruits of class I, class II and class III under Y direction loading

力学类型橡胶果类型平均破壳力/kN标准差Ⅰ类0.287 80.048 03剪切力Ⅱ类0.373 20.031 51Ⅲ类0.398 20.046 04Ⅰ类0.548 00.111 52挤压力Ⅱ类0.564 50.100 80Ⅲ类0.715 10.051 73

2.4 橡胶果压缩特性的有限元分析

在对橡胶果进行不同方向挤压时，橡胶果被挤压时裂纹的扩展方式和产生的部位也不同，橡胶果的有限元分析中考虑了X、Y、Z3个加载方向，并依次进行了试验研究。把橡胶果所受力简化成200 N集中力。并对比3种加载方向下橡胶果应力应变情况及损伤规律。

2.4.1X方向加载 橡胶果在两板的挤压作用下破壳，一端的板受到集中力的作用，另一端的板采用固定约束。橡胶果沿X方向施加平均集中力为200 N。橡胶果沿X方向加载时压缩特性的有限元分析结果见图6。

从图6可以看出，沿X方向挤压时，橡胶果顶部的应力应变呈环形分布，在橡胶果较薄的中部也受到一定的应力。由于橡胶果呈不规则的椭圆形，其顶部受力面积比较小，但壳非常厚，所以所需的破壳力是最大的。橡胶果的应力应变不具有明确的方向性，可以推测接触部位能够导致果壳局部裂开，但是裂纹较少。挤压的过程中容易产生崩溃现象，即橡胶果的某一很小的部分从橡胶果上分离下来，但是由于橡胶果的大部分还没有破裂不利于后期的取仁。

2.4.2Y方向加载 橡胶果沿Y方向施加平均集中力为200 N。橡胶果沿Y方向加载时压缩特性的有限元分析结果见图7。

从图7可以看出，沿Y方向加载时，在载荷加载点橡胶果应力应变比较小，这是因为橡胶果的上、下挤压面比较平坦，在挤压时受力也比较均匀而且受力面积大，抗挤压能力大。橡胶果所受应力波及整个表面，应力呈环形分布，在橡胶果较薄的中部受到的应力面积大，橡胶果顶部两端受到的应力比较集中，应力应变沿载荷点周围向外逐渐减小，应力出现明显的方向性。可以预测在此加载情况下，环形应力分布区域产生较多的局部裂纹点，橡胶果裂纹会以橡胶果的上、下挤压面为中心向四周扩散，使橡胶果破裂比较充分，为后期的取仁提供方便。

图6 橡胶果沿X方向加载时压缩特性的有限元分析

Figure 6 Finite element analysis results of compression characteristics of rubber fruitloaded inXdirection

图7 橡胶果沿Y方向加载时压缩特性的有限元分析

Figure 7 Finite element analysis results of compression characteristics of rubber fruit loaded inYdirection

2.4.3Z方向加载 橡胶果沿Z方向施加平均集中力为200 N。橡胶果沿Z方向加载时压缩特性的有限元分析结果见图8。

从图8可以看出，沿Z方向加载时，橡胶果应力应变呈环形分布，应力向四周延展而且分布范围较广且比较均匀，应力分布沿橡胶果缝合线方向沿两边扩展最为明显，因为裂纹首先出现在应力最大处，可以预测在挤压的过程中橡胶果会因破壳力的作用而分成两半，可能会压碎果仁，导致果仁损伤率较大。

图8 橡胶果沿Z方向加载时压缩特性的有限元分析

Figure 8 Finite element analysis results of compression characteristics of rubber fruitloaded inZdirection

综合分析X、Y、Z方向加载时橡胶果应力应变图，可知沿X方向加载时，橡胶果果壳局部裂开，产生的局部裂纹较少，脱壳效果不佳，不利于后期的取仁；沿Y方向加载时，橡胶果沿载荷点破裂比较充分，局部裂纹多，破壳效果好，为后期的取仁提供方便；沿Z方向加载时，应力分布沿橡胶果缝合线方向沿两边扩展最为明显，可能导致橡胶果分成两半，整仁率可能不高。与表3对比可看出，有限元模拟和试验得结果一致。

3 结论

(1) 通过剪切力、锥刺力与挤压力在X、Y、Z3个加载方向的静态压缩试验分析得出，橡胶果在剪切力、锥刺力与挤压力下破壳力的大小关系为F挤压力>F剪切力>F锥刺力；在Y加载方向橡胶果破壳力是最合适最省力的。以橡胶果整仁率和破壳力为评价标准，得出橡胶果较佳的加载方向为Y方向。通过测量本次试验橡胶果品种的三维尺寸对橡胶果进行分类，得出Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类橡胶果在Y方向加载的剪切破壳力与挤压破壳力分别为0.287 8，0.373 2，0.398 2 kN与0.548 0，0.564 5，0.715 1 kN，得出橡胶果尺寸对破壳力的影响比较显著，随着橡胶果尺寸的增加破壳力也会增加，在橡胶果脱壳前进行分类是提高破壳率和整仁率的有效方法。

(2) 有限元分析软件ANSYS Workbench 15.0对橡胶果3个加载方向进行应力应变的仿真分析，模拟橡胶果的破壳状态，研究橡胶果在压缩载荷作用下应力应变情况及损伤规律，得出最佳加载方向为Y加载方向，与试验的结果一致。

(3) 前人的研究主要探讨橡胶果的含水率、加载速度、方向、球度等对破壳力的影响，忽略了橡胶果尺寸和不同刀具对破壳力的影响，而且缺少有限元分析橡胶果破壳中的应力应变情况及损伤规律，本试验可作其补充。由于实验室条件有限，只能测剪切破壳力、锥刺破壳力、挤压破壳力。后续可以在本试验的基础上进行更深层次的机械试验，如设计一些刀具进行其他类型的橡胶果破壳力学试验、进行橡胶果有裂纹情况下的破壳力学试验等，进一步完善橡胶果破壳力学方面的研究。