花生籽?；謴?fù)系數(shù)及摩擦系數(shù)研究

陸永光+吳努+林德志+于昭洋+游兆延+胡志超

摘要：為建立花生籽粒在CFD-EDEM中的運(yùn)動(dòng)仿真模型，以花生主產(chǎn)區(qū)典型花生品種四粒紅、白沙、魯花11和?；樵囼?yàn)材料，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)方程原理構(gòu)建了花生籽?；謴?fù)系數(shù)測(cè)定裝置和滑動(dòng)摩擦系數(shù)斜面儀，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，分別研究了花生品種、接觸材料、材料厚度、下落高度及花生含水率對(duì)恢復(fù)系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響。測(cè)試結(jié)果和方差分析表明，花生籽粒恢復(fù)系數(shù)隨材料厚度、下落高度的增加而增大，隨含水率的增大而減??；同一品種和相同含水率條件下的花生籽粒在有機(jī)玻璃、Q235鋼、橡膠板材上的滑動(dòng)性能依次降低；不同品種之間四粒紅花生籽粒滑動(dòng)摩擦系數(shù)最小，流動(dòng)性最好，魯花11花生籽?；瑒?dòng)摩擦系數(shù)最大，流動(dòng)性最差?；ㄉ蚜；謴?fù)系數(shù)隨含水率的增大而增大。研究結(jié)果可為花生產(chǎn)后加工機(jī)械仿真模擬參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：花生籽粒；恢復(fù)系數(shù)；摩擦系數(shù)；正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： S233.75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0386-04

花生是世界四大油料作物之一和優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)資源，同時(shí)也是我國(guó)重要的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品。我國(guó)花生種植面積達(dá)5.12×106 hm2，占世界花生總種植面積的20%，總產(chǎn)量1.44×107 t，占世界總產(chǎn)量的42%，位居世界首位，年出口創(chuàng)匯達(dá)到6.1億美元，是我國(guó)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的經(jīng)濟(jì)作物[1]。

我國(guó)花生機(jī)械化收獲水平較低，開展花生收獲及產(chǎn)后加工研發(fā)較晚，技術(shù)儲(chǔ)備和研發(fā)力度不夠，尤其是花生產(chǎn)后加工機(jī)械，如花生脫殼機(jī)械以及分級(jí)篩選機(jī)械，傷損率和未脫凈率都較高[2]。探其原因，還是在機(jī)具設(shè)計(jì)時(shí)大多憑經(jīng)驗(yàn)，未能有效考慮花生特性，在分級(jí)、脫殼、清選過(guò)程中，花生莢果之間、花生殼與花生籽粒之間、花生與機(jī)具之間會(huì)產(chǎn)生形態(tài)復(fù)雜的碰撞、擠壓和彈射。其復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)理只憑經(jīng)驗(yàn)計(jì)算設(shè)計(jì)不能有效滿足產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。在設(shè)計(jì)之初借用計(jì)算機(jī)進(jìn)行CFD、EDEM等仿真模擬試驗(yàn)可有效地探究花生在機(jī)具里的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、降低試驗(yàn)次數(shù)、減少研發(fā)成本，對(duì)花生機(jī)械設(shè)備的研制及主要工作部件的設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作都具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)于花生物理特性的研究，前人做了大量的工作并取得有益的成果，呂小蓮等對(duì)花生籽粒幾何尺寸及物理特性進(jìn)行了研究[1]，劉德軍等對(duì)花生殼擠壓破碎力學(xué)性能進(jìn)行了研究[3]，高連興等研究了花生在各種氣流場(chǎng)中進(jìn)行氣力輸送時(shí)的氣流速度及漂浮速度[4]。但是關(guān)于仿真模擬試驗(yàn)時(shí)需要設(shè)定的花生運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)，如花生恢復(fù)系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的研究，目前尚不多見(jiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用我國(guó)花生主產(chǎn)區(qū)典型品種四粒紅、白沙、魯花和?；ā４郎y(cè)籽粒是復(fù)式花生脫殼機(jī)脫殼分選后的花生籽粒，按不同品種隨機(jī)選取，經(jīng)過(guò)清理和篩選，去除三軸尺寸差異較大的花生籽粒，將其中部分樣品放入5 ℃冰柜進(jìn)行冷藏提高其籽粒含水率。然后將花生籽粒分成6組，采用DGF30型電熱鼓風(fēng)干燥箱，在103 ℃的溫度下分別以30 min時(shí)間差制取不同含水率的花生籽粒。將得到的不同含水率的花生分成2組，一組用于后續(xù)碰撞試驗(yàn)，另一組進(jìn)行對(duì)應(yīng)組分含水率參數(shù)的測(cè)量。

1.2 測(cè)試裝置及原理

1.2.1 恢復(fù)系數(shù)的測(cè)定 恢復(fù)系數(shù)的測(cè)定方法，前人已有大量的研究[5-11]。本試驗(yàn)采用運(yùn)動(dòng)學(xué)方程原理（圖1）對(duì)花生籽粒恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)時(shí)將花生籽粒從指定高度的水平投料面上的落料孔投放，自由下落后并與安置在與水平面成45°角的斜面上的碰撞材料發(fā)生碰撞，經(jīng)反彈后落到鋪滿黃沙的托盤上。瞬時(shí)莢果接近速度為[FK（W1。5]vo=[KF（]2gH[KF）]；測(cè)量2組在不同托盤安裝高度條件下的花生莢果運(yùn)動(dòng)水平分位移S1和S2、豎直分位移h1和h2，并由公式（1）計(jì)算出水平分速度vx和豎直分速度vy，再代入公式（2）推導(dǎo)即可得出該參數(shù)設(shè)定下的莢果碰撞恢復(fù)系數(shù)。為減小測(cè)量誤差及莢果個(gè)體差異對(duì)結(jié)果的影響，每次實(shí)驗(yàn)選取2顆參數(shù)基本一致的花生籽粒，各重復(fù)50次，用3ε法去除異常數(shù)值，然后取平均值作為該莢果的位移測(cè)量數(shù)值。

1.2.2 滑動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)定 滑動(dòng)摩擦系數(shù)是反映物料顆粒物理特性的重要參數(shù)[12-14]，通過(guò)測(cè)試物料的摩擦系數(shù)，可知物料在接觸部件上的滑動(dòng)性，某種程度上反映該物料顆粒的流動(dòng)性，該參數(shù)在CFD-DEM顆粒運(yùn)動(dòng)仿真中是重要的需設(shè)定參數(shù)之一，利用滑動(dòng)摩擦系數(shù)斜面儀通過(guò)測(cè)量滑動(dòng)摩擦角得到滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

測(cè)試前按正交試驗(yàn)要求將不同品種和含水率的花生進(jìn)行分組裝進(jìn)自制鐵盒中，試驗(yàn)時(shí)將鐵盒倒扣在摩擦系數(shù)測(cè)量?jī)x（圖2）上，保證測(cè)試花生籽粒與被試接觸材料面充分接觸，且避免鐵盒與接觸材料面接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)搖把緩慢提升斜面傾斜角度，當(dāng)花生籽粒沿斜面開始下滑時(shí)，搖把停止轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量此時(shí)斜面傾角，該值即為待測(cè)花生籽粒在測(cè)試板上的滑動(dòng)摩擦角，從而得到該試驗(yàn)水平下花生籽粒的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。每種情況重復(fù)測(cè)試5次，取平均值作為選定條件下花生籽粒與此材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方法

影響花生籽?；謴?fù)系數(shù)的主要因素有花生籽粒的品種及含水率、碰撞材料的材質(zhì)和厚度、下落時(shí)的高度。影響花生籽粒滑動(dòng)摩擦系數(shù)的主要因素為接觸材料、花生品種及含水率。正交試驗(yàn)的因素水平和試驗(yàn)安排如表1所示。

2 結(jié)果與分析

花生籽?；謴?fù)系數(shù)與滑動(dòng)摩擦系數(shù)的正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3，方差分析見(jiàn)表4。通過(guò)對(duì)比分析可以看出，花生籽粒在點(diǎn)面接觸碰撞模型中影響其恢復(fù)系數(shù)的主要因素依次為碰撞材料、材料厚度、含水率、下落高度，其中碰撞材料和材料厚度對(duì)恢復(fù)系數(shù)的影響極為顯著，下落高度和含水率較為顯著，而花生品種對(duì)恢復(fù)系數(shù)的影響不顯著。

在接觸滑動(dòng)模型中影響滑動(dòng)摩擦系數(shù)的主要因素為接觸材料、花生品種及含水率。由方差分析可知，接觸材料對(duì)花生籽?；瑒?dòng)摩擦系數(shù)的影響較為顯著，含水率及花生品種次之。

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

從正交試驗(yàn)可知，影響花生籽?；謴?fù)系數(shù)的主要影響因素為接觸材料、材料厚度、含水率和下落高度；影響滑動(dòng)摩擦系數(shù)的主要因素為接觸材料、含水率和花生品種。為進(jìn)一步探究各因素對(duì)恢復(fù)系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響，分別進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，因素水平分別為接觸材料（橡膠、鋁合金、Q235鋼、有機(jī)玻璃）、材料厚度（1、2、3、5 mm）、含水率（7.8%、13.5%、18.6%、25.3%）、花生品種（四粒紅、白沙、魯花11、?；ǎ┖拖侣涓叨龋?4、80、100、120 cm），在其他條件相同，控制單一變量的情況下，單因素試驗(yàn)結(jié)果如表5和表6所示。由于接觸材料和花生品種無(wú)法量化，故未做系數(shù)趨勢(shì)圖及回歸分析。材料厚度、含水率、下落高度的變化趨勢(shì)如圖3所示。

2.2.1 接觸材料對(duì)花生籽粒物料特性的影響 由正交試驗(yàn)和接觸材料單因素試驗(yàn)可知，在所有試驗(yàn)因素中接觸材料種類對(duì)花生籽粒恢復(fù)系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響最為顯著。其中Q235鋼對(duì)恢復(fù)系數(shù)影響最大，鋁合金和有機(jī)玻璃板材次之，橡膠材料最小，這是由于Q235材料硬度相對(duì)最高，花生籽粒與板材發(fā)生碰撞時(shí)擠壓變形小，能量損失較低；滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)中，橡膠板材影響最大，Q235和鋁合金材料次之，有機(jī)玻璃最小。

2.2.2 花生品種對(duì)花生籽粒物料特性的影響 不同花生品種的幾何尺寸、飽滿度和球形度都有一定的差異，呈現(xiàn)出的物理特性也不同。四粒紅花生籽粒形狀、大小相對(duì)均勻，籽粒組織較為飽滿；白沙花生籽粒的形狀、大小均勻性次之，籽粒組織較為疏松，魯花11的幾何尺寸較大，但形狀均勻性相對(duì)較差。在碰撞模型恢復(fù)系數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)中，花生品種對(duì)恢復(fù)系數(shù)的影響不顯著，相比于碰撞材料、下落高度等因素，品種之間物理特性的差異性對(duì)瞬時(shí)碰撞時(shí)所導(dǎo)致的能量損失影響不大，但在滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定過(guò)程中，品種之間物理特性的差異有較明顯的影響，這是因?yàn)樵跍y(cè)定過(guò)程中，花生籽粒與材料的接觸是長(zhǎng)時(shí)的不是瞬態(tài)的過(guò)程，不同花生表面特性對(duì)流動(dòng)性能的影響能有效地呈現(xiàn)出來(lái)，試驗(yàn)表明四粒紅花生籽粒的流動(dòng)性相對(duì)較好，魯花11花生籽粒的流動(dòng)性相對(duì)最差。

2.2.3 含水率對(duì)花生籽粒物料特性的影響 含水率對(duì)花生籽?；謴?fù)系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響相對(duì)弱于接觸材料、下落高度、材料厚度等因素。通過(guò)正交試驗(yàn)可以看出，花生籽?；謴?fù)系數(shù)隨含水率的增大而減小，這是由于籽粒含水率越高，花生籽粒表面越軟，在與碰撞材料發(fā)生碰撞時(shí)形變也越大，從而導(dǎo)致花生籽粒在碰撞過(guò)程中能量損失變大，反彈后法向分離速度相對(duì)變小。此外，隨著花生籽粒含水率的增大，與接觸板材接觸時(shí)黏性變大，導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦系數(shù)增大。

3 結(jié)論與討論

影響恢復(fù)系數(shù)的主次因素（按顯著性）依次為碰撞材料、材料厚度、含水率、下落高度、花生品種，其中碰撞材料和材料厚度是影響花生籽?；謴?fù)系數(shù)的主要因素，花生品種對(duì)花生籽?；謴?fù)系數(shù)影響不顯著。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，在相同的材料厚度、下落高度、花生品種及其含水率的條件下，花生籽粒與Q235鋼、有機(jī)玻璃、橡膠之間的恢復(fù)系數(shù)依次減小；在其他條件保持一致的情況下花生籽粒恢復(fù)系數(shù)隨著材料厚度、下落高度的增大而增大，隨含水率的增大呈減小趨勢(shì)。

影響滑動(dòng)摩擦系數(shù)的主要因素為接觸材料、含水率、花生品種，其中接觸材料顯著性相對(duì)較為明顯。同一品種相同含水率下的花生籽粒在有機(jī)玻璃、Q235鋼、橡膠板材上的滑動(dòng)性能依次降低；不同品種之間四粒紅花生籽粒滑動(dòng)摩擦系數(shù)最小，流動(dòng)性最好，魯花11花生籽粒滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大，流動(dòng)性最差?；ㄉ蚜ＤΣ料禂?shù)越大，其流動(dòng)性越差，在輸送過(guò)程中產(chǎn)生的傷損率就越高；花生籽粒含水率越高，與板材之間的接觸黏性就越大，一定程度上增大了滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

花生籽?；謴?fù)系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定過(guò)程中，由于籽粒形態(tài)個(gè)體差異大，除了以上討論因素外，可能還受籽粒球形度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、接觸點(diǎn)等具有隨機(jī)性、不可控性因素的影響，雖然試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行大量重復(fù)試驗(yàn)，但仍然避免不了個(gè)體差異造成的隨機(jī)誤差，這些都有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂小蓮，胡志超，于昭洋，等. 花生籽粒幾何尺寸及物理特性的研究[J]. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2013，34（3）：61-64.

[2]王建楠，謝煥雄，胡志超，等. 復(fù)式花生脫殼機(jī)振動(dòng)分選裝置試驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（2）：365-370.

[3]劉德軍，邵志剛，高連興. 花生殼擠壓碎裂力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，43（1）：81-84.

[4]高連興，張 文，杜 鑫，等. 花生脫殼機(jī)脫出物的漂浮系數(shù)試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（2）：289-292.

[5]Hastie D B. Experimental measurement of the coefficient of restitution of irregular shaped particles impacting on horizontal surfaces[J]. Chemical Engineering Science，2013，101：828-836.

[6]Aryaei A，Hashemnia K，Jafarpur K. Experimental and numerical study of ball size effect on restitution coefficient in low velocityimpacts[J]. International Journal of Impact Engineering，2010，37（10）：1037-1044.

[7]Li T，Zhang J，Ge W. Simple measurement of restitution coefficient of irregular particles[J]. China Particuology，2004，2（6）：274-275.

[8]王成軍，李耀明，馬履中，等. 小麥籽粒碰撞模型中恢復(fù)系數(shù)的測(cè)定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（11）：274-278.

[9]黃小毛，查顯濤，潘海兵，等. 油菜籽粒點(diǎn)面接觸碰撞中恢復(fù)系數(shù)的測(cè)定及分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（24）：22-29.

[10]楊明金，楊 玲，李慶東. 顆粒物料恢復(fù)系數(shù)簡(jiǎn)易測(cè)量方法及其應(yīng)用[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（10）：25-27.

[11]李洪昌，高 芳，李耀明，等. 水稻籽粒物理特性測(cè)定[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（3）：23-27.

[12]崔 濤，劉 佳，楊 麗，等. 基于高速攝像的玉米種子滾動(dòng)摩擦特性試驗(yàn)與仿真[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（15）：34-41.

[13]張 琴，丁為民，鄧麗君，等. 芡實(shí)機(jī)械脫殼中的摩擦特性試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（1）：56-63.

[14]馮家暢，程緒鐸，嚴(yán)曉婕. 大豆與倉(cāng)壁材料摩擦系數(shù)的研究[J]. 大豆科學(xué)，2014，33（5）：787-789，794.