橡膠果外殼破碎力試驗(yàn)

何焯亮+王濤+嵇明志+黃志志+李粵

摘要：為了分析橡膠果外殼在不同條件下破碎力的變化規(guī)律，通過萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行破壞試驗(yàn)。采用正交試驗(yàn)，選取含水率、加載速度、加載方向、壓板材料等因素，分析各因素對橡膠果外殼破碎力指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，隨著加載速度、含水率的增加，破碎力總體呈上升趨勢；正向放置時(shí)橡膠果的破碎力比橫向放置時(shí)大；采用鋼制壓板時(shí)橡膠果破碎力比采用木制壓板時(shí)大，對于破碎力的影響從大到小為加載方向、含水率、壓板材料、加載速度。當(dāng)加載速度為100 mm/min、加載方向?yàn)闄M向、壓板材料為木制、含水率為低時(shí)橡膠果外殼破碎力最小。

關(guān)鍵詞：橡膠果；脫殼裝置；破碎力

中圖分類號：S226.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）15-3655-04

Experiments of Rubber Fruits Crushing Force

HE Zhuo-liang，WANG Tao，JI Ming-zhi，HUANG Zhi-zhi，LI Yue

（Institute of Electrical and Mechanical Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： To analyze the variation of rubber husk' crushing under different conditions， the destructive test of rubber fruits was conducted with universal mechanical testing machine. Orthogonal tests of different moisture factor， load speed， load direction， plate materials were made to analyze the variation of rubber husk' crushing force. The results showed that the crushing force rised substantially with the increase of the loading speed and moisture content. The crushing force was larger when rubber fruit was placed forward rather than horizontally. The resuls was the same when steel plate was used rather than wooden plate. The destructive factors included loading direction， moisture content， plate materials， loading speed. When the loading speed was 100 mm/min， loading direction was horizontal， plate material was wood， the water content was low， the crushing force of rubber husk could be minimum.

Key words： rubber fruit； shelling device； crushing force

收稿日期：2014-05-15

基金項(xiàng)目：海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（514211）；國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201203072）

作者簡介：何焯亮（1992-），男，廣東中山人，2011級在讀本科生，（電話）18689520215（電子信箱）137780990@qq.com；通訊作者，王 濤

（1980-），男，陜西西安人，副教授，碩士，主要從事機(jī)電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試的研究工作，（電話）13976122160（電子信箱）

gxdxyjs@163.com。

我國的橡膠種植園主要集中在低緯度地區(qū)，如海南、西雙版納等地。橡膠種植產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，已初具規(guī)模，其主要產(chǎn)品天然橡膠用途甚廣，各行各業(yè)對橡膠產(chǎn)品的需求越來越高。到2007年，我國橡膠種植面積已達(dá)8 753 km2，年天然橡膠產(chǎn)量達(dá)59萬t，種植面積和產(chǎn)膠量均居世界43個產(chǎn)膠國家的第五位[1]。橡膠樹除生產(chǎn)天然橡膠外，其果實(shí)也是橡膠樹種植業(yè)的一項(xiàng)副產(chǎn)品。由于植膠面積巨大，我國橡膠果資源相當(dāng)豐富，同時(shí)它也有巨大的潛在價(jià)值：若用作部分工藝品的原材料，具有一定的觀賞性；橡膠果果內(nèi)的果子含有油脂、高蛋白質(zhì)等多種成分，利用橡膠子萃取的食用油，不飽和脂肪酸含量很高，與深海魚油相近；橡膠果油也可以開發(fā)成工業(yè)用油，經(jīng)過改性成為潤滑油、液壓油。萃取過程產(chǎn)生的廢渣，還可以提取植酸，為水果、蔬菜提供肥料。目前我國對橡膠果深加工的開發(fā)利用尚處于空白階段，由于其數(shù)量眾多，采摘簡單，如將其深加工開發(fā)，綜合利用變廢為寶，應(yīng)用前景非常廣闊。

東南亞植膠國家對橡膠果的利用已經(jīng)很普遍，而在中國除少量果實(shí)用于育種外，大部分的果實(shí)均沒有得到充分利用，甚至是被廢棄，從而造成大量的橡膠果資源流失[2]。關(guān)于農(nóng)作物破碎力試驗(yàn)的研究，科技人員已經(jīng)開展了長時(shí)間的探索[3-7]。農(nóng)產(chǎn)品常常由于受到生長環(huán)境的影響，導(dǎo)致品相不一、大小規(guī)格不同，難以在不損壞產(chǎn)品組織的前提下為其研發(fā)相應(yīng)的全自動收獲甚至是收獲后處理的輔助設(shè)備，橡膠果也不例外。一方面，橡膠果外形相對復(fù)雜，脫殼較難；另一方面，國內(nèi)對橡膠果的探討較少，其巨大的潛在價(jià)值，尤其是經(jīng)濟(jì)價(jià)值并未受到重視。這直接導(dǎo)致國內(nèi)針對橡膠果外殼破碎機(jī)理的分析以及相關(guān)脫殼裝置研發(fā)滯后的現(xiàn)象。為了解決其資源浪費(fèi)的問題，中國迫切需要研發(fā)有關(guān)橡膠果的高效脫殼裝置，而橡膠果外殼破碎力的試驗(yàn)研究正是其基礎(chǔ)。該實(shí)驗(yàn)研究，擬采用正交試驗(yàn)方法，取加載方向、含水率，壓板材料、加載速度等為影響因素，探討橡膠果外殼破碎的相關(guān)機(jī)理和破碎規(guī)律。endprint

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用橡膠果取自海南省北部澄邁縣居民橡膠園。選取寬度50～60 mm，高度38～48 mm的橡膠果作為試驗(yàn)對象。

電子數(shù)字顯示游標(biāo)卡尺（規(guī)格0～200 mm，精度0.01 mm，桂林量具刀具有限公司）；定制的鋼制平板、木質(zhì)平板；WD-200B電子萬能試驗(yàn)機(jī)（廣州試驗(yàn)儀器廠）。

1.2 方法

1.2.1 單因素試驗(yàn) 挑選外形、大小基本相同的橡膠果置于相同環(huán)境下足夠長的時(shí)間，使其含水量大致相同。其中1～8號材料為摘取后經(jīng)過一周時(shí)間脫水處理含水量較低的干果，9～24號材料為含水量較高的濕果。

采用鋼制壓板，選取1～4、9～12號材料，將橡膠果正放；選取5～8、13～16號材料，將橡膠果橫放；選取10、20、50、100 mm/min的加載速度，測量橡膠果外殼破碎力。

采用木制壓板，選取17～20號材料，將橡膠果正放；選取21～24號材料，將橡膠果橫放；選取10、20、50、100 mm/min的加載速度，測量橡膠果外殼破碎力。

1.2.2 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用正交試驗(yàn)分析含水率、加載速度、加載方向、壓板材料等因素對橡膠果外殼破碎力的影響。正交試驗(yàn)因素與水平見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠果殼體實(shí)際崩殼形式

從自然界獲取的橡膠果一般外形為長球形或扁球形，具3溝（偶有4溝），溝長而闊；外壁兩層，外層較厚，表面具細(xì)致的網(wǎng)狀雕紋，網(wǎng)眼圓，大小較一致，輪廓線不平。如今，以橡膠果最大橫截面上的最大直徑的兩端點(diǎn)及該截面上的最小直徑的兩端點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，建立橡膠果的幾何模型（圖1）[8]。據(jù)試驗(yàn)觀察，空心殼體的I曲線以及3個空心殼體相連接的溝狀結(jié)構(gòu)上易出現(xiàn)應(yīng)力極值，它們是殼體失穩(wěn)、斷裂的危險(xiǎn)線。通常所謂擠壓脫殼實(shí)質(zhì)是由于殼體危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力集中及拉應(yīng)力達(dá)到或者超過對應(yīng)點(diǎn)處斷裂強(qiáng)度極限所引起的結(jié)果。實(shí)際斷裂情況如圖2所示。

正向放置加載時(shí)，開裂大多數(shù)發(fā)生在第一分型面上，即殼體沿I線分開，如圖2a所示。橫向放置加載時(shí)，開裂大多數(shù)發(fā)生在3個空心殼體相連接的溝狀結(jié)構(gòu)上，如圖2b所示；偶爾發(fā)生第一分型面開裂同時(shí)溝狀結(jié)構(gòu)斷裂的情況。

2.2 破殼力趨勢分析

不同含水率下破殼力趨勢分析結(jié)果如圖3所示。在正放狀態(tài)下如圖3a所示，隨著加載速度的增加，含水率低的橡膠果破碎力逐漸增大，而含水率高的材料從20 mm/min開始，破碎力呈下降趨勢；加載速度50 mm/min前，含水率低的橡膠果比含水率高的橡膠果外殼破碎力小；加載速度在50 mm/min之后，含水率低的橡膠果反而比含水率高的橡膠果外殼破碎力大。如圖3b所示，橫放狀態(tài)下則有所不同，隨著加載速度的增加，含水率高的橡膠果外殼的破碎力逐漸增大，而含水率低的橡膠果外殼破碎力先減小到1.56 kN后再增大到2.04 kN，呈波動趨勢。說明含水率低的橡膠果破碎力總體上比含水率高的橡膠果的破碎力小，結(jié)合試驗(yàn)過程中所觀察到的含水率低的橡膠果比含水率高的橡膠果更難破碎的現(xiàn)象，可以判斷橡膠果的最佳破碎時(shí)機(jī)是干燥后。

不同壓板材料時(shí)破殼力趨勢分析如圖4所示。在正放狀態(tài)下，隨著加載速度的增加，加載速度10 mm/min后，無論壓板材料是鋼板還是木板，橡膠果破碎力有逐漸減小的趨勢（圖4a）；橫向放置時(shí)則有所不同，如圖4b所示，隨著加載速度的增加，采用鋼制壓板時(shí)材料的破碎力逐漸增大，而采用木制壓板時(shí)橡膠果的破碎力在加載速度為10 mm/min時(shí)達(dá)到最大（2.58 kN），之后呈現(xiàn)波動變化。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用木制壓板時(shí)橡膠果的破碎力總體略小于采用鋼制壓板時(shí)橡膠果的破碎力。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

按L8（4×24）進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表2可以看出，對于橡膠果殼破碎力的主要影響因素從大到小為加載方向、含水率、壓板材料、加載速度。橡膠果破殼所需要的最小破碎力組合為A4B2C1D2，即加載方向?yàn)闄M向、含水率為低、壓板材料為木板、加載速度為100 mm/min時(shí)，破壞橡膠果外殼所需要的破碎力為最小。原因可簡單歸結(jié)為當(dāng)橡膠果橫向加載的時(shí)候，溝狀結(jié)構(gòu)受到壓力作用，較正向加載時(shí)更易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致破碎；而加載速度越大，對橡膠果施壓的能量也越大，也更容易造成破碎；橡膠果含水率越高，外殼硬度越低，所需破碎力越小，這與現(xiàn)實(shí)情況相符。

3 小結(jié)

對于影響橡膠果破碎所需破碎力的因素大小順序?yàn)椋杭虞d方向、含水率、壓板材料、加載速度。橡膠果破殼所需要的最小破碎力組合為A4B2C1D2，即加載方向?yàn)闄M向，含水率為低，壓板材料為木板，加載速度為100 mm/min時(shí)，破壞橡膠果外殼所需要的破碎力為最小；橡膠果的自然分型面及溝狀結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對其破碎力的影響較為重要。橫向加載時(shí)最易破碎，開裂大多數(shù)發(fā)生在三個空心殼體相連接的溝狀結(jié)構(gòu)上，偶爾發(fā)生第一分型面開裂同時(shí)溝狀結(jié)構(gòu)斷裂的情況。

上述試驗(yàn)結(jié)果可為設(shè)計(jì)研發(fā)更高效的橡膠果外殼脫殼裝置提供理論基礎(chǔ)，并為更深入地研究橡膠果外殼破碎機(jī)理提供參考。值得一提的是，圖3和圖4中曲線某些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如圖3 b中含水率低時(shí)的破碎力曲線在加載速度為50 mm/min時(shí)，為何由本來的上升趨勢突變?yōu)橄陆第厔?；圖4 b中木板破碎力曲線為何呈現(xiàn)波動原因還不清楚，這或許取決于橡膠果外殼各溝股間連接方式的不同以及橡膠果外殼特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步提取橡膠果外殼材料作詳細(xì)的力學(xué)剖析或可解釋其中原因，更深入探討橡膠果外殼破碎機(jī)理的關(guān)鍵；制取相關(guān)脫殼機(jī)械后進(jìn)行更詳細(xì)的試驗(yàn)研究也可使橡膠果外殼破碎模型更趨完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜亞光.我國天然橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展成就與前景預(yù)測[J].中國橡膠，2009，25（6）：21-23.

[2] 李建華，王春燕，蔣菊生，等.天然橡膠樹的綜合開發(fā)利用現(xiàn)狀、問題及對策分析[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，33（6）：71-74.

[3] 那雪姣，劉明國，張 文，等.機(jī)械脫殼時(shí)花生仁損傷特征及規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：117-121.

[4] 王新忠，王 敏.銀杏種核力學(xué)特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（8）：84-88.

[5] 卿艷梅，李長友，黃漢東，等.龍眼力學(xué)特性的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（6）：143-147.

[6] 周顯青，張玉榮，褚洪強(qiáng)，等.糙米機(jī)械破碎力學(xué)特性試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（18）：255-262.

[7] 陳海濤，任珂珂，余 嘉.北方壟作蘿卜物理力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（6）：163-169.

[8] 王靈忠，周玉林.松籽脫殼機(jī)機(jī)理[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1991，22（1）：98-103.endprint

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用橡膠果取自海南省北部澄邁縣居民橡膠園。選取寬度50～60 mm，高度38～48 mm的橡膠果作為試驗(yàn)對象。

電子數(shù)字顯示游標(biāo)卡尺（規(guī)格0～200 mm，精度0.01 mm，桂林量具刀具有限公司）；定制的鋼制平板、木質(zhì)平板；WD-200B電子萬能試驗(yàn)機(jī)（廣州試驗(yàn)儀器廠）。

1.2 方法

1.2.1 單因素試驗(yàn) 挑選外形、大小基本相同的橡膠果置于相同環(huán)境下足夠長的時(shí)間，使其含水量大致相同。其中1～8號材料為摘取后經(jīng)過一周時(shí)間脫水處理含水量較低的干果，9～24號材料為含水量較高的濕果。

采用鋼制壓板，選取1～4、9～12號材料，將橡膠果正放；選取5～8、13～16號材料，將橡膠果橫放；選取10、20、50、100 mm/min的加載速度，測量橡膠果外殼破碎力。

采用木制壓板，選取17～20號材料，將橡膠果正放；選取21～24號材料，將橡膠果橫放；選取10、20、50、100 mm/min的加載速度，測量橡膠果外殼破碎力。

1.2.2 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用正交試驗(yàn)分析含水率、加載速度、加載方向、壓板材料等因素對橡膠果外殼破碎力的影響。正交試驗(yàn)因素與水平見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠果殼體實(shí)際崩殼形式

從自然界獲取的橡膠果一般外形為長球形或扁球形，具3溝（偶有4溝），溝長而闊；外壁兩層，外層較厚，表面具細(xì)致的網(wǎng)狀雕紋，網(wǎng)眼圓，大小較一致，輪廓線不平。如今，以橡膠果最大橫截面上的最大直徑的兩端點(diǎn)及該截面上的最小直徑的兩端點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，建立橡膠果的幾何模型（圖1）[8]。據(jù)試驗(yàn)觀察，空心殼體的I曲線以及3個空心殼體相連接的溝狀結(jié)構(gòu)上易出現(xiàn)應(yīng)力極值，它們是殼體失穩(wěn)、斷裂的危險(xiǎn)線。通常所謂擠壓脫殼實(shí)質(zhì)是由于殼體危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力集中及拉應(yīng)力達(dá)到或者超過對應(yīng)點(diǎn)處斷裂強(qiáng)度極限所引起的結(jié)果。實(shí)際斷裂情況如圖2所示。

正向放置加載時(shí)，開裂大多數(shù)發(fā)生在第一分型面上，即殼體沿I線分開，如圖2a所示。橫向放置加載時(shí)，開裂大多數(shù)發(fā)生在3個空心殼體相連接的溝狀結(jié)構(gòu)上，如圖2b所示；偶爾發(fā)生第一分型面開裂同時(shí)溝狀結(jié)構(gòu)斷裂的情況。

2.2 破殼力趨勢分析

不同含水率下破殼力趨勢分析結(jié)果如圖3所示。在正放狀態(tài)下如圖3a所示，隨著加載速度的增加，含水率低的橡膠果破碎力逐漸增大，而含水率高的材料從20 mm/min開始，破碎力呈下降趨勢；加載速度50 mm/min前，含水率低的橡膠果比含水率高的橡膠果外殼破碎力??；加載速度在50 mm/min之后，含水率低的橡膠果反而比含水率高的橡膠果外殼破碎力大。如圖3b所示，橫放狀態(tài)下則有所不同，隨著加載速度的增加，含水率高的橡膠果外殼的破碎力逐漸增大，而含水率低的橡膠果外殼破碎力先減小到1.56 kN后再增大到2.04 kN，呈波動趨勢。說明含水率低的橡膠果破碎力總體上比含水率高的橡膠果的破碎力小，結(jié)合試驗(yàn)過程中所觀察到的含水率低的橡膠果比含水率高的橡膠果更難破碎的現(xiàn)象，可以判斷橡膠果的最佳破碎時(shí)機(jī)是干燥后。

不同壓板材料時(shí)破殼力趨勢分析如圖4所示。在正放狀態(tài)下，隨著加載速度的增加，加載速度10 mm/min后，無論壓板材料是鋼板還是木板，橡膠果破碎力有逐漸減小的趨勢（圖4a）；橫向放置時(shí)則有所不同，如圖4b所示，隨著加載速度的增加，采用鋼制壓板時(shí)材料的破碎力逐漸增大，而采用木制壓板時(shí)橡膠果的破碎力在加載速度為10 mm/min時(shí)達(dá)到最大（2.58 kN），之后呈現(xiàn)波動變化。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用木制壓板時(shí)橡膠果的破碎力總體略小于采用鋼制壓板時(shí)橡膠果的破碎力。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

按L8（4×24）進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表2可以看出，對于橡膠果殼破碎力的主要影響因素從大到小為加載方向、含水率、壓板材料、加載速度。橡膠果破殼所需要的最小破碎力組合為A4B2C1D2，即加載方向?yàn)闄M向、含水率為低、壓板材料為木板、加載速度為100 mm/min時(shí)，破壞橡膠果外殼所需要的破碎力為最小。原因可簡單歸結(jié)為當(dāng)橡膠果橫向加載的時(shí)候，溝狀結(jié)構(gòu)受到壓力作用，較正向加載時(shí)更易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致破碎；而加載速度越大，對橡膠果施壓的能量也越大，也更容易造成破碎；橡膠果含水率越高，外殼硬度越低，所需破碎力越小，這與現(xiàn)實(shí)情況相符。

3 小結(jié)

對于影響橡膠果破碎所需破碎力的因素大小順序?yàn)椋杭虞d方向、含水率、壓板材料、加載速度。橡膠果破殼所需要的最小破碎力組合為A4B2C1D2，即加載方向?yàn)闄M向，含水率為低，壓板材料為木板，加載速度為100 mm/min時(shí)，破壞橡膠果外殼所需要的破碎力為最??；橡膠果的自然分型面及溝狀結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對其破碎力的影響較為重要。橫向加載時(shí)最易破碎，開裂大多數(shù)發(fā)生在三個空心殼體相連接的溝狀結(jié)構(gòu)上，偶爾發(fā)生第一分型面開裂同時(shí)溝狀結(jié)構(gòu)斷裂的情況。

上述試驗(yàn)結(jié)果可為設(shè)計(jì)研發(fā)更高效的橡膠果外殼脫殼裝置提供理論基礎(chǔ)，并為更深入地研究橡膠果外殼破碎機(jī)理提供參考。值得一提的是，圖3和圖4中曲線某些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如圖3 b中含水率低時(shí)的破碎力曲線在加載速度為50 mm/min時(shí)，為何由本來的上升趨勢突變?yōu)橄陆第厔?；圖4 b中木板破碎力曲線為何呈現(xiàn)波動原因還不清楚，這或許取決于橡膠果外殼各溝股間連接方式的不同以及橡膠果外殼特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步提取橡膠果外殼材料作詳細(xì)的力學(xué)剖析或可解釋其中原因，更深入探討橡膠果外殼破碎機(jī)理的關(guān)鍵；制取相關(guān)脫殼機(jī)械后進(jìn)行更詳細(xì)的試驗(yàn)研究也可使橡膠果外殼破碎模型更趨完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜亞光.我國天然橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展成就與前景預(yù)測[J].中國橡膠，2009，25（6）：21-23.

[2] 李建華，王春燕，蔣菊生，等.天然橡膠樹的綜合開發(fā)利用現(xiàn)狀、問題及對策分析[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，33（6）：71-74.

[3] 那雪姣，劉明國，張 文，等.機(jī)械脫殼時(shí)花生仁損傷特征及規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：117-121.

[4] 王新忠，王 敏.銀杏種核力學(xué)特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（8）：84-88.

[5] 卿艷梅，李長友，黃漢東，等.龍眼力學(xué)特性的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（6）：143-147.

[6] 周顯青，張玉榮，褚洪強(qiáng)，等.糙米機(jī)械破碎力學(xué)特性試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（18）：255-262.

[7] 陳海濤，任珂珂，余 嘉.北方壟作蘿卜物理力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（6）：163-169.

[8] 王靈忠，周玉林.松籽脫殼機(jī)機(jī)理[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1991，22（1）：98-103.endprint

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用橡膠果取自海南省北部澄邁縣居民橡膠園。選取寬度50～60 mm，高度38～48 mm的橡膠果作為試驗(yàn)對象。

電子數(shù)字顯示游標(biāo)卡尺（規(guī)格0～200 mm，精度0.01 mm，桂林量具刀具有限公司）；定制的鋼制平板、木質(zhì)平板；WD-200B電子萬能試驗(yàn)機(jī)（廣州試驗(yàn)儀器廠）。

1.2 方法

1.2.1 單因素試驗(yàn) 挑選外形、大小基本相同的橡膠果置于相同環(huán)境下足夠長的時(shí)間，使其含水量大致相同。其中1～8號材料為摘取后經(jīng)過一周時(shí)間脫水處理含水量較低的干果，9～24號材料為含水量較高的濕果。

采用鋼制壓板，選取1～4、9～12號材料，將橡膠果正放；選取5～8、13～16號材料，將橡膠果橫放；選取10、20、50、100 mm/min的加載速度，測量橡膠果外殼破碎力。

采用木制壓板，選取17～20號材料，將橡膠果正放；選取21～24號材料，將橡膠果橫放；選取10、20、50、100 mm/min的加載速度，測量橡膠果外殼破碎力。

1.2.2 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用正交試驗(yàn)分析含水率、加載速度、加載方向、壓板材料等因素對橡膠果外殼破碎力的影響。正交試驗(yàn)因素與水平見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠果殼體實(shí)際崩殼形式

從自然界獲取的橡膠果一般外形為長球形或扁球形，具3溝（偶有4溝），溝長而闊；外壁兩層，外層較厚，表面具細(xì)致的網(wǎng)狀雕紋，網(wǎng)眼圓，大小較一致，輪廓線不平。如今，以橡膠果最大橫截面上的最大直徑的兩端點(diǎn)及該截面上的最小直徑的兩端點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，建立橡膠果的幾何模型（圖1）[8]。據(jù)試驗(yàn)觀察，空心殼體的I曲線以及3個空心殼體相連接的溝狀結(jié)構(gòu)上易出現(xiàn)應(yīng)力極值，它們是殼體失穩(wěn)、斷裂的危險(xiǎn)線。通常所謂擠壓脫殼實(shí)質(zhì)是由于殼體危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力集中及拉應(yīng)力達(dá)到或者超過對應(yīng)點(diǎn)處斷裂強(qiáng)度極限所引起的結(jié)果。實(shí)際斷裂情況如圖2所示。

正向放置加載時(shí)，開裂大多數(shù)發(fā)生在第一分型面上，即殼體沿I線分開，如圖2a所示。橫向放置加載時(shí)，開裂大多數(shù)發(fā)生在3個空心殼體相連接的溝狀結(jié)構(gòu)上，如圖2b所示；偶爾發(fā)生第一分型面開裂同時(shí)溝狀結(jié)構(gòu)斷裂的情況。

2.2 破殼力趨勢分析

不同含水率下破殼力趨勢分析結(jié)果如圖3所示。在正放狀態(tài)下如圖3a所示，隨著加載速度的增加，含水率低的橡膠果破碎力逐漸增大，而含水率高的材料從20 mm/min開始，破碎力呈下降趨勢；加載速度50 mm/min前，含水率低的橡膠果比含水率高的橡膠果外殼破碎力小；加載速度在50 mm/min之后，含水率低的橡膠果反而比含水率高的橡膠果外殼破碎力大。如圖3b所示，橫放狀態(tài)下則有所不同，隨著加載速度的增加，含水率高的橡膠果外殼的破碎力逐漸增大，而含水率低的橡膠果外殼破碎力先減小到1.56 kN后再增大到2.04 kN，呈波動趨勢。說明含水率低的橡膠果破碎力總體上比含水率高的橡膠果的破碎力小，結(jié)合試驗(yàn)過程中所觀察到的含水率低的橡膠果比含水率高的橡膠果更難破碎的現(xiàn)象，可以判斷橡膠果的最佳破碎時(shí)機(jī)是干燥后。

不同壓板材料時(shí)破殼力趨勢分析如圖4所示。在正放狀態(tài)下，隨著加載速度的增加，加載速度10 mm/min后，無論壓板材料是鋼板還是木板，橡膠果破碎力有逐漸減小的趨勢（圖4a）；橫向放置時(shí)則有所不同，如圖4b所示，隨著加載速度的增加，采用鋼制壓板時(shí)材料的破碎力逐漸增大，而采用木制壓板時(shí)橡膠果的破碎力在加載速度為10 mm/min時(shí)達(dá)到最大（2.58 kN），之后呈現(xiàn)波動變化。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用木制壓板時(shí)橡膠果的破碎力總體略小于采用鋼制壓板時(shí)橡膠果的破碎力。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

按L8（4×24）進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表2可以看出，對于橡膠果殼破碎力的主要影響因素從大到小為加載方向、含水率、壓板材料、加載速度。橡膠果破殼所需要的最小破碎力組合為A4B2C1D2，即加載方向?yàn)闄M向、含水率為低、壓板材料為木板、加載速度為100 mm/min時(shí)，破壞橡膠果外殼所需要的破碎力為最小。原因可簡單歸結(jié)為當(dāng)橡膠果橫向加載的時(shí)候，溝狀結(jié)構(gòu)受到壓力作用，較正向加載時(shí)更易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致破碎；而加載速度越大，對橡膠果施壓的能量也越大，也更容易造成破碎；橡膠果含水率越高，外殼硬度越低，所需破碎力越小，這與現(xiàn)實(shí)情況相符。

3 小結(jié)

對于影響橡膠果破碎所需破碎力的因素大小順序?yàn)椋杭虞d方向、含水率、壓板材料、加載速度。橡膠果破殼所需要的最小破碎力組合為A4B2C1D2，即加載方向?yàn)闄M向，含水率為低，壓板材料為木板，加載速度為100 mm/min時(shí)，破壞橡膠果外殼所需要的破碎力為最??；橡膠果的自然分型面及溝狀結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對其破碎力的影響較為重要。橫向加載時(shí)最易破碎，開裂大多數(shù)發(fā)生在三個空心殼體相連接的溝狀結(jié)構(gòu)上，偶爾發(fā)生第一分型面開裂同時(shí)溝狀結(jié)構(gòu)斷裂的情況。

上述試驗(yàn)結(jié)果可為設(shè)計(jì)研發(fā)更高效的橡膠果外殼脫殼裝置提供理論基礎(chǔ)，并為更深入地研究橡膠果外殼破碎機(jī)理提供參考。值得一提的是，圖3和圖4中曲線某些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如圖3 b中含水率低時(shí)的破碎力曲線在加載速度為50 mm/min時(shí)，為何由本來的上升趨勢突變?yōu)橄陆第厔?；圖4 b中木板破碎力曲線為何呈現(xiàn)波動原因還不清楚，這或許取決于橡膠果外殼各溝股間連接方式的不同以及橡膠果外殼特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步提取橡膠果外殼材料作詳細(xì)的力學(xué)剖析或可解釋其中原因，更深入探討橡膠果外殼破碎機(jī)理的關(guān)鍵；制取相關(guān)脫殼機(jī)械后進(jìn)行更詳細(xì)的試驗(yàn)研究也可使橡膠果外殼破碎模型更趨完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜亞光.我國天然橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展成就與前景預(yù)測[J].中國橡膠，2009，25（6）：21-23.

[2] 李建華，王春燕，蔣菊生，等.天然橡膠樹的綜合開發(fā)利用現(xiàn)狀、問題及對策分析[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，33（6）：71-74.

[3] 那雪姣，劉明國，張 文，等.機(jī)械脫殼時(shí)花生仁損傷特征及規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：117-121.

[4] 王新忠，王 敏.銀杏種核力學(xué)特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（8）：84-88.

[5] 卿艷梅，李長友，黃漢東，等.龍眼力學(xué)特性的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（6）：143-147.

[6] 周顯青，張玉榮，褚洪強(qiáng)，等.糙米機(jī)械破碎力學(xué)特性試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（18）：255-262.

[7] 陳海濤，任珂珂，余 嘉.北方壟作蘿卜物理力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（6）：163-169.

[8] 王靈忠，周玉林.松籽脫殼機(jī)機(jī)理[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1991，22（1）：98-103.endprint