糙米碰撞过程试验及仿真分析

曹宪周，张 超*，房凯文，安红周，张昊辰，张 宁

1.河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450001 2.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

稻谷糙米非正常加工破碎，严重影响其营养价值及经济价值。目前国内外大部分相关研究都是对稻谷进行宏观静力学研究:如冯帅博等[1]利用质构仪和扫描电镜研究了心白、腹白、无垩白糙米的压缩力学特性，发现芯部存在垩白现象的糙米相较于腹部存在垩白现象及无垩白现象的糙米，其不能够承受较大挤压机械力；李阳等[2]通过物性分析仪对稻谷外壳进行拉伸试验，测得稻谷外壳的力学特性参数，并结合稻谷外壳拉伸断裂裂纹处的显微图像分析稻谷外壳拉伸破坏过程；周显青等[3]通过糙米碾白试验，发现随着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]通过水稻谷粒挤压力学试验，测得力-位移曲线，研究了稻谷成熟度和谷壳对水稻谷粒力学性能的影响。李毅念等[5]分别以糙米的腹部、背部作为承压面，对糙米的三点弯曲破碎力学性能进行了测试，发现腹部的断裂能小于背部；Resende等[6]对糙米进行了压缩试验，得到了不同水分含量糙米的断裂力、形变、最大压缩力和弹性模量；Mohapatra等[7]研究了3种籼稻的物理、化学和力学性能，并对糙米进行了不同程度的碾磨，设计了碾磨系数和磨损指数来表征糙米的品质；李耀明等[8]利用碰撞理论和能量守恒定理分析了稻谷与脱离装置之间的碰撞过程，并使用稻谷脱粒试验平台进行脱粒模拟试验，推导并验证了稻谷破碎和脱粒装置线速度的数学方程；常光宝[9]利用撞击特性试验装置和脱粒模拟装置对水稻籽粒进行了试验分析，建立了谷粒力学特性有限元分析模型，计算出水稻籽粒即将发生塑性变形时脱粒装置与水稻籽粒的相对速度。

上述研究主要集中于稻谷的宏观静态或动态特性研究，得到了稻谷加工过程中所需的基础参数和数据，但是缺少碾米过程中糙米的动态机械力学特性研究，而且对糙米内部损伤规律的研究较少。因此，作者通过糙米碰撞过程试验及有限元分析软件ABAQUS的模拟仿真验证，研究不同品种的糙米在不同影响因子下的动态力学性能，以此探寻糙米的撞击特性和损伤规律，对于后续深入研究降低糙米在碾白过程中的非正常破碎具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2018年收获的江西泰优398、河南冈优1237、广东天优3618三省籼稻，手工剥壳，每个品种挑选符合试验要求的样品100粒。水分含量：9.0%±0.5%(干燥后)、12.0%±0.5%(标准)、15.0%±0.5%(调质后)。

1.2 试验设备

自制撞击力试验平台(图1)、高速动态力值测量系统。计算机通过撞击力传感器，以3 kHz频率采集数据，对数据进行处理并显示力-时间曲线，数据测量系统工作窗口如图2所示。

1.传感器；2.撞击台；3.高度尺图1 撞击力试验平台Fig.1 Impact force test platform

1.当前力窗口；2.系统归零按钮；3.峰值归零按钮； 4.峰值窗口；5.力-时间曲线图图2 高速动态力值测量系统界面Fig.2 Interface of high speed dynamic force measurement system

1.3 试验方法

1.3.1 糙米碰撞试验

利用自制的撞击力试验台，将糙米样品放置在传感器中心，以不同高度自由释放撞击块与糙米发生撞击，采用高速动态力值测量系统读取、记录撞击过程中的撞击力最大值，并保存撞击力与时间图像。试验完成后，试验数据导入数据处理软件Matlab进行正交极差分析，确定糙米品种、撞击动量和水分含量对撞击力影响的主次顺序及最优水平。

1.3.2 有限元模拟仿真

运用Solidworks三维建模软件，建立仿真装配体模型，模型包含撞击锤和糙米。糙米以实际测量均值为例来进行实体建模，选用籼稻品种冈优1237品种，粒长6.26 mm、粒厚1.64 mm、粒宽2.08 mm。与糙米接触的撞击锤长40 mm，宽40 mm，高5 mm。有限元分析采用ABAQUS软件，仿真条件设置为前述碰撞试验得到的最优碰撞参数进行对比分析。表1为建模过程中的零部件材料设置参数。建好的三维模型(图3)通过数据接口导入到有限元分析软件ABAQUS中进行仿真分析(图4)。

表1 零部件材料设置参数Table 1 Material parameters of components

图3 仿真实体模型Fig.3 Simulation entity model

图4 仿真实体装配图Fig.4 Simulation entity assembly

2 结果与分析

2.1 碰撞试验

表2是碰撞过程试验的设计因素与水平。表3为正交试验结果与极差分析情况。

表2 因素与水平Table 2 Factors and levels

由表3可知，试验因子对糙米破碎影响的主次顺序为C>B>A，最优水平组合为A2B1C2，即最佳试验参数为水分含量9.0%、撞击动量538×10-6kg·m/s、品种河南冈优1237。

表3 正交试验结果与极差分析Table 3 Range analysis of orthogonal experiment

图5为水分含量9.0%的冈优1237在受到撞击动量538×10-6kg·m/s撞击时撞击力-时间的变化情况。

由图5可知，水分含量9.0%的冈优1237在受到撞击时，撞击力随时间的变化成开口向下的曲线，糙米受到的撞击力在撞击过程中存在最大值，在0.002 s时取得撞击力峰值57.07 N，同时在试验中还发现，撞击点是糙米发生损伤破坏的发生点。

图5 试验撞击力-时间的变化情况Fig.5 Test impact force vs. time

2.2 有限元模拟仿真

图6给出了通过有限元分析软件，水分含量9.0%的冈优1237在受到538×10-6kg·m/s撞击动量时撞击锤对糙米的撞击力云图。图7则显示了仿真过程中仿真撞击力和时间的变化情况。

图6 撞击力云图Fig.6 Impact force nephogram

由图6可知，水分含量9%的冈优1237在受到538×10-6kg·m/s撞击动量撞击时的撞击力峰值为57.12 N；撞击力的云图呈六芒星分布，撞击点处的受力最大，离撞击点越远，受到的撞击力越小；同时也验证了撞击点是糙米发生破坏的发生点。

由图7可知，水分含量9.0%的冈优1237在受到538×10-6kg·m/s仿真撞击力随时间变化的历程与碰撞试验过程相似，而图5显示了在相同参数下，试验撞击力峰值为57.07 N，仿真撞击力的值略大于试验撞击力，它们之间存在误差的原因：一是由于试验设备运动零件之间存在摩擦，撞击高度也存在测量误差，因而造成撞击动量小于试验要求的撞击动量；二是糙米几何尺寸存在测量误差，糙米样品内部损伤不一，而仿真时所建模型为理想模型，故而产生一定的误差。

图7 仿真撞击力-时间的变化情况Fig.7 Simulated impact force vs. time

表4给出了模拟仿真和碰撞过程试验撞击力的回归线方程参数。表4表明回归方程是极其显著的。仿真撞击力的回归直线和试验撞击力回归直线上升趋势基本相同，两条直线之间的误差不大且比较稳定，说明所建糙米有限元仿真分析模型和试验操作过程可行。

表4 撞击力回归方程Table 4 Regression equation of impact force

3 结论

本研究通过糙米碰撞试验，得到了不同品种的糙米在不同影响因子下的动态力学性能数据，通过数据分析得到了可降低糙米破碎的最优工作参数，并利用有限元分析软件对糙米碰撞过程进行了验证，由此验证试验方法及仿真分析的可行性。该试验和仿真方法对如何降低糙米加工过程中的破碎率具有重要意义。同时，仿真分析和试验都显示糙米受不同撞击动量撞击时，撞击力峰值不同，但撞击力持续总时间相同，达到最大撞击力的时间也相同，该结论对于改变碾米机结构设计及糙米防破碎研究也具有十分重要的意义。