橡膠果破殼力學(xué)特性試驗(yàn)與分析

王遠(yuǎn)榮 王 濤 聶俊峰

(海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

橡膠果是橡膠樹種植的副產(chǎn)物，它是橡膠樹的種子，因?yàn)橄鹉z果有毒，所以一直以來都沒有得到足夠的重視。現(xiàn)在中國(guó)絕大多數(shù)橡膠果只能腐爛在橡膠林里，造成巨大的浪費(fèi)[1-3]。隨著中國(guó)對(duì)可再生資源逐漸重視，橡膠果的利用被提上議程。橡膠果主要由果殼和果仁兩部分組成，橡膠果仁可以壓榨成食用油，還可以用作生物燃料，壓榨之后剩余的是橡膠果粕，經(jīng)過加溫干燥去毒處理也可以作為動(dòng)物飼料，橡膠果殼可用于制造家具[4-6]。橡膠果機(jī)械脫殼是實(shí)現(xiàn)其價(jià)值的關(guān)鍵一步，而研制適合橡膠果脫殼的機(jī)械首先應(yīng)當(dāng)對(duì)橡膠果的力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)與分析。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)堅(jiān)果破殼力學(xué)特性方面的研究有很多，如曹成茂等[7]發(fā)現(xiàn)山核桃的受載接觸形式和破殼機(jī)構(gòu)直接影響了山核桃的果仁損傷率、破殼率以及破殼質(zhì)量。高警等[8]發(fā)現(xiàn)核桃尺寸對(duì)破殼力的影響比較顯著。Galeda等[9]發(fā)現(xiàn)開心果的破殼加載方向?qū)ζ茪ちτ绊戯@著。還有很多學(xué)者經(jīng)過研究得出堅(jiān)果破殼加載方向[10]、堅(jiān)果的尺寸[11]、不同的刀具[12]對(duì)破殼力有很大的影響?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠果破殼力學(xué)特性研究比較少，目前最常用的橡膠果脫殼機(jī)主要是借鑒其他物種物理性質(zhì)進(jìn)行脫殼[13-15]，存在脫殼效果不佳的問題。近年來在堅(jiān)果機(jī)械損傷研究方面，有很多學(xué)者[16-17]采用有限元的方法深入探討了核桃、銀杏等內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變情況及損傷規(guī)律，為堅(jiān)果脫殼設(shè)備的研制提供有效的理論依據(jù)。

現(xiàn)在橡膠果脫殼機(jī)存在脫殼效率低，殼仁分離不完整，果仁完整率低等問題[18-19]。這些問題關(guān)鍵一點(diǎn)就是確定破殼力的大小，破殼力大了就會(huì)導(dǎo)致果仁完整率低，破殼力小了就會(huì)導(dǎo)致殼仁分離不完整。在橡膠果破殼力學(xué)特性研究方面，何焯亮等[20]選取加載速度、方向、球度等因素，利用擠壓刀具進(jìn)行橡膠果壓縮試驗(yàn)，但忽略了橡膠果尺寸和不同刀具對(duì)破殼力的影響，而且沒有研究橡膠果破殼過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況及損傷規(guī)律。本試驗(yàn)擬采用物性測(cè)試儀為主要力學(xué)測(cè)定儀器，采用自行設(shè)計(jì)力學(xué)試驗(yàn)裝置和刀具，一方面研究橡膠果在不同破殼加載方向與不同刀具作用下的破殼力關(guān)系，另一方面研究不同加載方向?qū)ζ茪ちεc整仁率的影響以及橡膠果的尺寸對(duì)破殼力的影響，最后通過有限元法研究橡膠果內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變情況及損傷規(guī)律，旨在為橡膠果脫殼機(jī)械的改進(jìn)提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以中國(guó)云南種植面積較大的橡膠樹品種的橡膠果為研究對(duì)象。橡膠果形狀是不規(guī)則的橢圓形，單果質(zhì)量1.935～3.942 g,平均單果質(zhì)量2.637 g。橡膠果的基本尺寸按橫徑、縱徑、棱徑(橫徑是橡膠果沿著短軸方向的最大尺寸；縱徑是橡膠果沿著長(zhǎng)軸方向的最大尺寸；棱徑是橡膠果沿著縫合線短軸方向的最大尺寸)劃分。橡膠果的三維尺寸圖見圖1。

圖1 橡膠果的三維尺寸圖Figure 1 Three-dimensional dimension of rubber fruit

1.2 主要儀器

橡膠果力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：測(cè)試范圍為15～1 500 N，精度±1%，實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)；

游標(biāo)卡尺：VL-1050型，規(guī)格0～150 mm，精度0.02 mm，香港威特龍工具有限公司；

電子天平：CL-T500型，規(guī)格50 g/0.001 g，北京市宸龍恒信貿(mào)易有限公司。

1.3 橡膠果力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

試驗(yàn)機(jī)主要由機(jī)架、樣品定位裝置、破殼裝置和破殼力測(cè)量裝置組成，結(jié)構(gòu)圖見圖2。本試驗(yàn)機(jī)有剪切刀具、錐刺刀具、擠壓刀具，見圖3。該試驗(yàn)的橡膠果力學(xué)試驗(yàn)機(jī)主要利用的是二力平衡與滑輪組的原理，其工作原理為：夾具平臺(tái)可以調(diào)節(jié)位置，試驗(yàn)前調(diào)整夾具平臺(tái)兩個(gè)夾板的位置，保證刀具在夾具平臺(tái)兩個(gè)夾板正中間的橡膠果上面，利用重力使橡膠果受力，利用二力平衡的原理，橡膠果受到的力等于左側(cè)可滑動(dòng)桶與推拉力計(jì)自身的重力，推拉力計(jì)自身的重力與可滑動(dòng)桶的重力由推拉力計(jì)顯示，最后通過式(1) 計(jì)算橡膠果破殼力。

1. 底座 2. 滑動(dòng)導(dǎo)桿 3. 可滑動(dòng)桶 4. 推拉力計(jì) 5. 小定滑輪 6. 上固定桿 7. 上連接桿 8. 掛鉤 9. 可滑動(dòng)上下板 10. 加壓頭 11. 刀架 12. 小動(dòng)滑輪 13. 刀具 14. 橡膠果 15. 夾板 16. 夾具架 17. 樣品承重塊 18. 調(diào)節(jié)螺絲 19. 承重支撐平臺(tái) 20. 大定滑輪

圖2 橡膠果力學(xué)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 2 Structural sketch of rubber fruit mechanics testing machine

圖3 刀具Figure 3 Tool

G=nF，

(1)

式中：

G——破殼力，N；

n——承重的繩子段數(shù)，n=3；

F——推拉力計(jì)的讀數(shù)，N。

1.4 橡膠果的外形尺寸

為保證試驗(yàn)質(zhì)量，首先測(cè)量橡膠果的尺寸，共測(cè)100個(gè)，使用游標(biāo)卡尺按圖1測(cè)量出各個(gè)樣本的三維尺寸，橡膠果的三維尺寸和標(biāo)準(zhǔn)差見表1。根據(jù)表1可以看出，縱徑的標(biāo)準(zhǔn)差為0.80，低于橫徑與棱徑的標(biāo)準(zhǔn)差，表示縱徑的參考價(jià)值最高。將所得的原始數(shù)據(jù)按照橡膠果的縱徑為標(biāo)準(zhǔn)將橡膠果分為三類：Ⅰ類(20.5 mm以下)，Ⅱ類(20.5～23.0 mm)，Ⅲ類(23.0 mm以上)。其中Ⅱ類(20.5～23.0 mm)占66%，Ⅰ類(20.5 mm以下) 與Ⅲ類(23.0 mm 以上)各占17%。

1.5 橡膠果力學(xué)特性的測(cè)定方法

橡膠果破殼加載方向是按照長(zhǎng)軸、短軸、縫合線分別記為X、Y、Z的3個(gè)加載方向，破殼加載方向見圖4。3種刀具分別做剪切力、錐刺力、擠壓力的破殼力靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，力學(xué)特性測(cè)試裝置見圖5。

表1 橡膠果的三維尺寸和標(biāo)準(zhǔn)方差Table 1 Three-dimensional dimensions and standard deviation of rubber fruit

圖4 破殼加載方向Figure 4 Broken shell loading direction

圖5 力學(xué)特性測(cè)試裝置Figure 5 Mechanical property testing device

1.6 橡膠果有限元受力模型

基于有限元軟件(ANSYS Workbench 15.0)對(duì)橡膠果進(jìn)行有限元分析。橡膠果殼與果仁是有間隙的，橡膠果破殼時(shí)主要是果殼受力。橡膠果通過SolidWorks14.0繪制，模型三維尺寸如表1所示。橡膠果殼的厚度是不均勻的，呈兩頂端厚、中部薄、縫合線處厚的特點(diǎn)，橡膠果破殼后用游標(biāo)卡尺測(cè)出橡膠果殼厚度，其中兩頂端平均厚度為0.8 mm，中間平均厚度為0.5 mm，縫合線處平均厚度為0.8 mm，依靠這些數(shù)據(jù)建立橡膠果三維模型，并在橡膠果殼的三維模型兩端放置兩塊平行鋼板，將橡膠果三維模型導(dǎo)入到有限元軟件 ANSYS Workbench中。橡膠果殼與普通木材非常的相似，把橡膠果殼仁的泊松比取0.3，果殼表現(xiàn)為脆性材料，因此橡膠果殼的破壞準(zhǔn)則采用脆性斷裂破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則。橡膠果殼仁密度為 603 kg/m3，橡膠果與板栗有點(diǎn)類似，殼的彈性模量取120 MPa，仁的彈性模量取殼的1/10[21]。考慮到有限元網(wǎng)格劃分的特點(diǎn)以及橡膠果的形狀，采用自由網(wǎng)格劃分的形式對(duì)橡膠果進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠果在不同加載方向和不同刀具下的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

從試驗(yàn)樣品中隨機(jī)抽取完整的橡膠果90個(gè)隨機(jī)分為3組，每組30個(gè)，橡膠果破殼加載方向分別為X、Y、Z3個(gè)方向。每組30個(gè)橡膠果再分為3份，每份10個(gè)再分別做剪切力、錐刺力、擠壓力的破殼力靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算出剪切力、錐刺力、擠壓力的X、Y、Z3個(gè)方向的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)最小、最大破殼力以及用式(2)求出的平均破殼力，結(jié)果見表2。

(2)

式中：

An——平均破殼力，N；

an——樣品中的第n個(gè)數(shù)；

n——樣品中的總個(gè)數(shù)。

表2 橡膠果靜態(tài)壓縮試驗(yàn)破殼力Table 2 Rubber fruit static compression test shell breaking force kN

由表2可知，X、Y、Z3個(gè)方向破殼力的大小關(guān)系為F擠壓力>F剪切力>F錐刺力，錐刺刀具所要的破殼力是最小的，可能是錐刺刀具受力面積小。

從剪切力可以看出X、Y、Z3個(gè)方向橡膠果平均破殼力分別為0.502 4，0.381 3，0.395 3 kN，根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出剪切破殼力的大小關(guān)系為FX>FZ>FY，沿Y方向加載時(shí)最省力。從錐刺力可以看出X、Y、Z3個(gè)方向橡膠果平均破殼力分別為0.048 7，0.132 3，0.162 6 kN，根據(jù)數(shù)據(jù)可以得出錐刺破殼力的大小關(guān)系為FZ>FY>FX，沿Z方向加載時(shí)最費(fèi)力，沿X方向加載時(shí)最省力，這是因?yàn)槭芰c(diǎn)在橡膠果臍上面。從擠壓力可以看出X、Y、Z3個(gè)加載方向橡膠果平均破殼力分別為0.613 2，0.558 7，0.573 1 kN，根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出擠壓破殼力的大小關(guān)系為FX>FZ>FY，沿Y方向加載時(shí)最省力。相對(duì)而言剪切力、錐刺力、擠壓力在Y方向加載所要的破殼力是最合適的。

2.2 橡膠果破殼加載方向?qū)ζ茪ちεc整仁率的影響

?、蝾?20.5～23.0 mm) 橡膠果30顆分成3組，每組10個(gè)，分別沿X、Y、Z3個(gè)方向進(jìn)行擠壓破殼力靜態(tài)壓縮試驗(yàn)直到橡膠果破裂，結(jié)果見表3。

表3 Ⅱ類橡膠果擠壓破殼力靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

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

加載方向平均破殼力/kN整仁率/%標(biāo)準(zhǔn)差X0.606 2700.126 91Y0.570 8800.101 62Z0.584 6600.104 61

橡膠果在靜態(tài)壓縮試驗(yàn)剛開始時(shí)，橡膠果破殼所要的力隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，當(dāng)橡膠果被壓縮至某一載荷時(shí)，橡膠果的果殼會(huì)出現(xiàn)裂紋，強(qiáng)度突然降低，此時(shí)橡膠果所承受的載荷稱為“破裂載荷”，當(dāng)經(jīng)過這一點(diǎn)之后，橡膠果所需的破殼力會(huì)急劇減小。最佳加載方向以橡膠果破殼力與整仁率為主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從表3可以看出，沿X方向加載橡膠果的平均破殼力最大，沿Z方向加載的居中，沿Y方向加載的最小。從整仁率看，沿Y方向加載橡膠果的整仁率達(dá)到80%，高于X方向與Z方向加載的。Y方向加載的標(biāo)準(zhǔn)差最小，標(biāo)準(zhǔn)差能反映橡膠果平均破殼力數(shù)據(jù)集的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越小，這些值偏離平均值就越少，破殼時(shí)的破殼力大小比較集中，利于破殼。根據(jù)數(shù)據(jù)可以得出最佳加載方向?yàn)閅方向。

2.3 橡膠果的尺寸對(duì)破殼力的影響

取Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類橡膠果各10顆，分別沿Y方向進(jìn)行剪切破殼力靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，直到橡膠果破裂得出橡膠果破殼力；再分別?、耦?、Ⅱ類、Ⅲ類橡膠果各10顆，分別沿Y方向進(jìn)行擠壓破殼力靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，直到橡膠果破裂得出橡膠果破殼力；Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類橡膠果Y方向加載時(shí)剪切破殼力與擠壓破殼力見表4。

從表4中可以看出，在剪切破殼力與擠壓破殼力靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中，橡膠果的尺寸對(duì)橡膠果破殼力的影響比較顯著。其中Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類橡膠果在Y加載方向的平均剪切破殼力分別為0.287 8，0.373 2，0.398 2 kN；Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類橡膠果在Y加載方向平均擠壓破殼力分別為0.548 0，0.564 5，0.715 1 kN。根據(jù)數(shù)據(jù)可以得出，隨著橡膠果尺寸的增加，橡膠果破殼時(shí)所需要的破殼力也就越大，說明橡膠果的尺寸也是影響橡膠果破殼力的主要因素。所以在進(jìn)行橡膠果脫殼時(shí)為了得到較高的破殼率和整仁率，在對(duì)橡膠果脫殼前進(jìn)行分類是必要的。

表4 Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類橡膠果Y方向加載時(shí)剪切破殼力與擠壓破殼力

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

力學(xué)類型橡膠果類型平均破殼力/kN標(biāo)準(zhǔn)差Ⅰ類0.287 80.048 03剪切力Ⅱ類0.373 20.031 51Ⅲ類0.398 20.046 04Ⅰ類0.548 00.111 52擠壓力Ⅱ類0.564 50.100 80Ⅲ類0.715 10.051 73

2.4 橡膠果壓縮特性的有限元分析

在對(duì)橡膠果進(jìn)行不同方向擠壓時(shí)，橡膠果被擠壓時(shí)裂紋的擴(kuò)展方式和產(chǎn)生的部位也不同，橡膠果的有限元分析中考慮了X、Y、Z3個(gè)加載方向，并依次進(jìn)行了試驗(yàn)研究。把橡膠果所受力簡(jiǎn)化成200 N集中力。并對(duì)比3種加載方向下橡膠果應(yīng)力應(yīng)變情況及損傷規(guī)律。

2.4.1X方向加載 橡膠果在兩板的擠壓作用下破殼，一端的板受到集中力的作用，另一端的板采用固定約束。橡膠果沿X方向施加平均集中力為200 N。橡膠果沿X方向加載時(shí)壓縮特性的有限元分析結(jié)果見圖6。

從圖6可以看出，沿X方向擠壓時(shí)，橡膠果頂部的應(yīng)力應(yīng)變呈環(huán)形分布，在橡膠果較薄的中部也受到一定的應(yīng)力。由于橡膠果呈不規(guī)則的橢圓形，其頂部受力面積比較小，但殼非常厚，所以所需的破殼力是最大的。橡膠果的應(yīng)力應(yīng)變不具有明確的方向性，可以推測(cè)接觸部位能夠?qū)е鹿麣ぞ植苛验_，但是裂紋較少。擠壓的過程中容易產(chǎn)生崩潰現(xiàn)象，即橡膠果的某一很小的部分從橡膠果上分離下來，但是由于橡膠果的大部分還沒有破裂不利于后期的取仁。

2.4.2Y方向加載 橡膠果沿Y方向施加平均集中力為200 N。橡膠果沿Y方向加載時(shí)壓縮特性的有限元分析結(jié)果見圖7。

從圖7可以看出，沿Y方向加載時(shí)，在載荷加載點(diǎn)橡膠果應(yīng)力應(yīng)變比較小，這是因?yàn)橄鹉z果的上、下擠壓面比較平坦，在擠壓時(shí)受力也比較均勻而且受力面積大，抗擠壓能力大。橡膠果所受應(yīng)力波及整個(gè)表面，應(yīng)力呈環(huán)形分布，在橡膠果較薄的中部受到的應(yīng)力面積大，橡膠果頂部?jī)啥耸艿降膽?yīng)力比較集中，應(yīng)力應(yīng)變沿載荷點(diǎn)周圍向外逐漸減小，應(yīng)力出現(xiàn)明顯的方向性?？梢灶A(yù)測(cè)在此加載情況下，環(huán)形應(yīng)力分布區(qū)域產(chǎn)生較多的局部裂紋點(diǎn)，橡膠果裂紋會(huì)以橡膠果的上、下擠壓面為中心向四周擴(kuò)散，使橡膠果破裂比較充分，為后期的取仁提供方便。

圖6 橡膠果沿X方向加載時(shí)壓縮特性的有限元分析

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

圖7 橡膠果沿Y方向加載時(shí)壓縮特性的有限元分析

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

2.4.3Z方向加載 橡膠果沿Z方向施加平均集中力為200 N。橡膠果沿Z方向加載時(shí)壓縮特性的有限元分析結(jié)果見圖8。

從圖8可以看出，沿Z方向加載時(shí)，橡膠果應(yīng)力應(yīng)變呈環(huán)形分布，應(yīng)力向四周延展而且分布范圍較廣且比較均勻，應(yīng)力分布沿橡膠果縫合線方向沿兩邊擴(kuò)展最為明顯，因?yàn)榱鸭y首先出現(xiàn)在應(yīng)力最大處，可以預(yù)測(cè)在擠壓的過程中橡膠果會(huì)因破殼力的作用而分成兩半，可能會(huì)壓碎果仁，導(dǎo)致果仁損傷率較大。

圖8 橡膠果沿Z方向加載時(shí)壓縮特性的有限元分析

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

綜合分析X、Y、Z方向加載時(shí)橡膠果應(yīng)力應(yīng)變圖，可知沿X方向加載時(shí)，橡膠果果殼局部裂開，產(chǎn)生的局部裂紋較少，脫殼效果不佳，不利于后期的取仁；沿Y方向加載時(shí)，橡膠果沿載荷點(diǎn)破裂比較充分，局部裂紋多，破殼效果好，為后期的取仁提供方便；沿Z方向加載時(shí)，應(yīng)力分布沿橡膠果縫合線方向沿兩邊擴(kuò)展最為明顯，可能導(dǎo)致橡膠果分成兩半，整仁率可能不高。與表3對(duì)比可看出，有限元模擬和試驗(yàn)得結(jié)果一致。

3 結(jié)論

(1) 通過剪切力、錐刺力與擠壓力在X、Y、Z3個(gè)加載方向的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)分析得出，橡膠果在剪切力、錐刺力與擠壓力下破殼力的大小關(guān)系為F擠壓力>F剪切力>F錐刺力；在Y加載方向橡膠果破殼力是最合適最省力的。以橡膠果整仁率和破殼力為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出橡膠果較佳的加載方向?yàn)閅方向。通過測(cè)量本次試驗(yàn)橡膠果品種的三維尺寸對(duì)橡膠果進(jìn)行分類，得出Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類橡膠果在Y方向加載的剪切破殼力與擠壓破殼力分別為0.287 8，0.373 2，0.398 2 kN與0.548 0，0.564 5，0.715 1 kN，得出橡膠果尺寸對(duì)破殼力的影響比較顯著，隨著橡膠果尺寸的增加破殼力也會(huì)增加，在橡膠果脫殼前進(jìn)行分類是提高破殼率和整仁率的有效方法。

(2) 有限元分析軟件ANSYS Workbench 15.0對(duì)橡膠果3個(gè)加載方向進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的仿真分析，模擬橡膠果的破殼狀態(tài)，研究橡膠果在壓縮載荷作用下應(yīng)力應(yīng)變情況及損傷規(guī)律，得出最佳加載方向?yàn)閅加載方向，與試驗(yàn)的結(jié)果一致。

(3) 前人的研究主要探討橡膠果的含水率、加載速度、方向、球度等對(duì)破殼力的影響，忽略了橡膠果尺寸和不同刀具對(duì)破殼力的影響，而且缺少有限元分析橡膠果破殼中的應(yīng)力應(yīng)變情況及損傷規(guī)律，本試驗(yàn)可作其補(bǔ)充。由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，只能測(cè)剪切破殼力、錐刺破殼力、擠壓破殼力。后續(xù)可以在本試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更深層次的機(jī)械試驗(yàn)，如設(shè)計(jì)一些刀具進(jìn)行其他類型的橡膠果破殼力學(xué)試驗(yàn)、進(jìn)行橡膠果有裂紋情況下的破殼力學(xué)試驗(yàn)等，進(jìn)一步完善橡膠果破殼力學(xué)方面的研究。