劉 英， 范開欣， 李小燕， 許迎春

(甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006)

向日葵為菊科、向日葵屬植物，因花盤有向日性而得名?？ㄗ咽俏覈?guó)重要的油料作物，主要用于榨油，也可嗑食，具有較大的社會(huì)需求量，并且其副產(chǎn)品是食品、醫(yī)藥、輕工業(yè)的原料，也可做飼料。向日葵適應(yīng)性強(qiáng)，分布廣泛。我國(guó)葵花的種植區(qū)域大多分布在北方，主要集中在東北地區(qū)，以及華北地區(qū)的河北、山西和內(nèi)蒙古等地，西北地區(qū)的寧夏、甘肅和新疆等地，且多分布在干旱的貧瘠土地和鹽堿地上，是農(nóng)民增收的重要經(jīng)濟(jì)作物。截至2019年，全國(guó)葵花籽種植面積達(dá)到1 490萬(wàn)畝，已成為世界最大的食葵種植國(guó)，其中甘肅省葵花籽種植面積達(dá)到78萬(wàn)畝，是我國(guó)葵花籽主產(chǎn)區(qū)之一。

隨著向日葵種植面積的不斷增大，傳統(tǒng)的人力脫籽方式已經(jīng)不能滿足向日葵產(chǎn)業(yè)化的需求，因此亟待尋找一種高效的葵花脫籽機(jī)械。目前市場(chǎng)上的葵花脫籽機(jī)械均存在脫籽效率低和破碎率高等問題，已經(jīng)不能完全滿足向日葵脫籽的要求。研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)葵花脫籽機(jī)械時(shí)應(yīng)著重考慮向日葵的脫籽效果，但葵花籽在脫籽過(guò)程中易破碎，目前針對(duì)該問題所做的研究工作還較少，所以葵花籽的臨界破碎力參數(shù)顯得尤為重要[1-4]。本實(shí)驗(yàn)采用SANS微機(jī)控制的電子拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)葵花籽進(jìn)行力學(xué)特性分析，建立其物理模型，并根據(jù)ANSYS模擬葵花籽在脫粒過(guò)程中的變形情況，為葵花脫籽、清選機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[5-6]。

1 葵花籽壓縮特性試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料與設(shè)備

向日葵試驗(yàn)品種為甘肅地區(qū)種植的嘉瑞1號(hào)、凱福瑞2號(hào)、黎萊褔1號(hào)，含水率為14%～22%。選擇成熟、顆粒形態(tài)完好、無(wú)破損、無(wú)病蟲害的向日葵樣品作為試驗(yàn)材料?？ㄗ训膲嚎s力學(xué)特性試驗(yàn)在深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SANS微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)臺(tái)如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)

1.2 試驗(yàn)方法

用游標(biāo)卡尺測(cè)量葵花籽粒的長(zhǎng)徑、寬徑、高徑。參數(shù)測(cè)量方法如圖2 所示，選用量程0～150 mm、測(cè)量精度0.02 mm的電子式游標(biāo)卡尺，隨機(jī)選擇150?？ㄗ逊謩e對(duì)其長(zhǎng)徑、寬徑、高徑進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 葵花籽三維尺寸測(cè)量方法

葵花籽在脫籽過(guò)程中受力主要為脫籽輥的作用力，脫籽輥轉(zhuǎn)速及葵花籽與脫籽輥之間的接觸方式對(duì)脫籽結(jié)果有很大影響，因此有必要測(cè)定葵花籽的壓縮特性參數(shù)[7-8]。

試驗(yàn)采用的加載壓頭為平板壓頭，傳感器量程為20 kN，精度為0.1 N，加載速率為1.5 mm/min，在相同加載速率(1.5 mm/min)條件下，研究3種不同接觸方式葵花籽破碎需要力的大小。每組試驗(yàn)隨機(jī)選取20個(gè)試樣，葵花籽壓縮示意圖如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3個(gè)品種葵花籽的幾何尺寸測(cè)量結(jié)果見表1。由表1可知，葵花籽的品種不同，則幾何尺寸不同，其中嘉瑞1號(hào)的總體尺寸最大，凱福瑞2號(hào)次之，黎萊褔1號(hào)最?。挥勺儺愊禂?shù)可知，同一品種的葵花籽相同方向上的尺寸在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，且符合正態(tài)分布；同一品種的葵花籽在不同方向上的尺寸存在較大差異，長(zhǎng)徑方向尺寸最大，寬徑方向尺寸次之，高徑方向尺寸最小。

用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)得力-位移數(shù)據(jù)，得到葵花籽壓縮時(shí)的力-位移曲線，如圖4 所示，該圖反映了葵花籽尺寸相同時(shí)的應(yīng)力-位移曲線。由圖4可以看出，力與位移關(guān)系曲線呈非線性關(guān)系，正向壓縮時(shí)生物屈服點(diǎn)最高。當(dāng)電子拉力試驗(yàn)機(jī)開始?jí)嚎s時(shí)，壓力逐漸上升，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，電子拉力試驗(yàn)機(jī)下降速度變慢，壓力值繼續(xù)上升，隨著平板壓頭繼續(xù)加壓，壓力值達(dá)到頂峰，葵花籽破碎，電子拉力試驗(yàn)機(jī)停止壓縮。分析壓力—位移曲線，可知在縱向壓縮時(shí)，葵花籽的破碎極限壓力平均值為54 N，橫向壓縮時(shí)破碎極限壓力平均值為54 N，正向壓縮時(shí)極限破碎壓力平均值為66 N，其不同接觸方式壓力值分布如圖5所示。

圖3 葵花籽壓縮示意圖

表1 不同品種葵花籽三維尺寸測(cè)量結(jié)果

圖4 葵花籽不同壓縮方式的壓力-位移曲線

圖5 葵花籽不同接觸方式壓縮壓力值分布

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用正向壓縮時(shí)，葵花籽的破碎壓力最大，縱向與橫向壓縮破碎壓力大小相似。因此，在設(shè)計(jì)葵花脫籽機(jī)中脫籽輥的轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)取縱向或橫向壓縮的壓力值作為參考。

2 葵花籽的有限元分析

2.1 葵花籽材料參數(shù)及受力模型

用ANSYS對(duì)葵花籽在脫籽過(guò)程中的受力進(jìn)行有限元分析，對(duì)葵花籽進(jìn)行模擬沖擊試驗(yàn)，研究葵花籽在脫籽過(guò)程中的變形情況，在微觀上研究葵花籽的變形，從而為葵花脫籽機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。新鮮的葵花籽生物特性個(gè)體間差異較大，多次測(cè)量取平均值：長(zhǎng)20 mm、寬10 mm，呈現(xiàn)兩頭小、中間大的橄欖形，其厚度最大值為5 mm?？ㄗ褞缀文Ｐ腿鐖D6所示。

圖6 葵花籽幾何模型

目前通常采用壓縮試驗(yàn)法研究農(nóng)業(yè)物料的彈性模量，物料固定在兩剛性平板之間，再給其中一平板加載一定的速率和力，利用布森聶理論可以得出彈性模量的計(jì)算公式：

(1)

式中：μ為葵花籽的泊松比；D為葵花籽的變形；F為加載力的大小；R為壓模半徑。

大部分生物材料的泊松比在0.2～0.5 之間，由于新鮮葵花籽的材質(zhì)比較柔軟，查閱相關(guān)資料取泊松比為0.36。經(jīng)計(jì)算可得，正向壓縮時(shí)葵花籽的彈性模量為78.0 MPa，側(cè)向壓縮時(shí)葵花籽的彈性模量為76.3 MPa。

不同的加載速率對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有一定的影響，因此在試驗(yàn)時(shí)保持速度不變，由不同大小力作用下的變形得出應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如圖7所示。

圖7 葵花籽應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)慣性定理可知，葵花籽在脫籽輥?zhàn)矒粝露虝r(shí)間內(nèi)不發(fā)生位移，而是在慣性力的作用下產(chǎn)生變形，變形大小隨轉(zhuǎn)速大小的變化而變化。在脫籽輥1 300 r/min和1 500 r/min兩種轉(zhuǎn)速情況下，針對(duì)葵花籽短期變形對(duì)葵花籽總變形的影響進(jìn)行有限元分析。

利用Solidworks進(jìn)行三維建模并導(dǎo)入ANSYS，分析葵花籽的受力，可知葵花籽變形一部分為彈性變形，一部分是塑性變形，故本有限元分析為非線性分析，采用SOLID45單元，輸入對(duì)應(yīng)材料參數(shù)，利用ANSYS網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)有限元模型進(jìn)行位移加載，由于速度的不同，葵花籽的瞬間變形也不同。在葵花籽模型的3/4處施加位移載荷，1 300 r/min時(shí)施加1 mm的位移載荷，1 500 r/min時(shí)施加2 mm位移載荷，其有限元模型和位移加載情況如圖8所示。

圖8 葵花籽有限元模型及位移加載

2.2 有限元仿真結(jié)果分析

網(wǎng)格劃分完畢后，對(duì)其進(jìn)行載荷步設(shè)置，利用ANSYS求解器求解，求解完畢后會(huì)出現(xiàn)結(jié)果收斂批示圖。利用ANSYS軟件生成結(jié)果文件，進(jìn)行后處理，可以得出脫籽輥在1 300 r/min時(shí)及1 500 r/min時(shí)葵花籽在Z向的變形情況，如圖9所示。

新鮮的葵花籽材質(zhì)較軟，有較強(qiáng)的彈性恢復(fù)能力。由圖9可以看出，轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)，葵花籽大部分變形在0.9 mm左右，最大變形為1.4 mm。觀察葵花籽的變形規(guī)律，最大變形處集中在頂部，葵花籽的變形對(duì)葵花籽殼以及葵花仁損傷較小。轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，葵花籽的整體變形較大，大部分變形在1.8 mm左右，頂部變形達(dá)到2.8 mm，此時(shí)的變形更容易引起葵花籽殼破碎、葵花仁損傷。

圖9 葵花籽不同轉(zhuǎn)速下的Z向變形云圖

3 結(jié)論

(1)葵花籽壓縮試驗(yàn)表明：在縱向壓縮時(shí)，葵花籽的破碎極限壓力平均值為54 N，橫向壓縮時(shí)破碎極限壓力平均值為54N，正向壓縮時(shí)極限破碎壓力平均值為66 N；采用正向壓縮時(shí)，葵花籽的破碎力最大。計(jì)算可得正向壓縮時(shí)葵花籽的彈性模量為78.0 MPa，側(cè)向壓縮時(shí)葵花籽的彈性模量為76.3 MPa。

(2)對(duì)模擬沖擊試驗(yàn)下的葵花籽有限元分析表明：主要變形集中在中部及頂部，而頂部的變形對(duì)葵花籽的影響最大，會(huì)導(dǎo)致葵花籽破裂。在設(shè)計(jì)葵花脫粒機(jī)械時(shí)，脫籽輥的轉(zhuǎn)速對(duì)葵花籽的損傷有很大影響，結(jié)合變形云圖分析結(jié)果可知，脫籽輥轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)計(jì)在1 300 r/min左右。