糙米碰撞力學(xué)特性研究

王鑫宇，張超*，王巍，李淑博

糙米碰撞力學(xué)特性研究

王鑫宇1，張超1*，王巍2，李淑博2

（1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450000； 2.中央儲(chǔ)備糧濱州直屬庫(kù)有限公司，山東 濱州 256600）

研究糙米的力學(xué)特性影響因素，并尋找糙米破碎的最佳參數(shù)（糙米的初始溫度、撞擊動(dòng)量和品種）以及不同初始溫度糙米的破碎能。通過(guò)改變糙米的品種和初始溫度以及撞擊動(dòng)量，在自制試驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并作壓縮量-撞擊力曲線，以糙米所受的撞擊力和破碎率為雙試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，考察分析試驗(yàn)因素與糙米撞擊力、破碎率之間的相應(yīng)變化關(guān)系。動(dòng)量和糙米初始溫度對(duì)糙米撞擊力和破碎率有顯著影響，糙米品種對(duì)撞擊力和破碎率影響并不顯著，較優(yōu)的參數(shù)組合方案是品種2（兆優(yōu)）在20 ℃或25 ℃的情況下經(jīng)637×10?6kg·m/s撞擊后，其撞擊力最小和破碎率最低，并對(duì)兆優(yōu)不同溫度下的破碎能進(jìn)行計(jì)算，在15～35 ℃下破碎能分別為25.676 6、30.788 8、23.023 1、26.041 1、21.699 2 N·mm。在同一溫度下，其不同品種撞擊力不同。隨著溫度的升高，秈米和粳米的撞擊力出現(xiàn)不同的趨勢(shì)，然而破碎率趨勢(shì)卻相同。在同一撞擊動(dòng)量情況下，撞擊力和破碎率都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。秈米的碰撞能隨溫度呈升高后降低的趨勢(shì)。本文為更好研究糙米的破碎提供了參考，并對(duì)碾米機(jī)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等方面具有十分重要的意義。

糙米；撞擊動(dòng)量；糙米初始溫度；正交試驗(yàn)；破碎能

水稻是中國(guó)第一大糧食作物，約占世界稻谷產(chǎn)量的40%，但目前我國(guó)水稻產(chǎn)量卻有所下降。經(jīng)人民日?qǐng)?bào)報(bào)道[1]，2022年稻谷產(chǎn)量4 169.9億斤，較2021年降低了87億斤，下降了2%，稻谷播種面積2 946.667萬(wàn)hm2，比2021年減少了47.107萬(wàn)hm2，下降了1%。受南方地區(qū)高溫干旱影響，稻谷單產(chǎn)7 124.997 kg/hm2，每hm2產(chǎn)量比2021年減少34.5 kg，下降了0.5%。稻谷在我國(guó)糧食產(chǎn)量處于下降狀態(tài)，在加工環(huán)節(jié)損失嚴(yán)重，極大威脅我國(guó)國(guó)民口糧安全。如何在加工過(guò)程中，降低破碎率和提高產(chǎn)量逐漸成為我國(guó)糧食人員長(zhǎng)期關(guān)注的難題。

在碾米加工過(guò)程中，糙米的碰撞和壓縮會(huì)直接影響糙米加工破碎率。李修銀等[2]研究糙米中裂紋和擴(kuò)展變化，當(dāng)碾白壓力大于30 N，糙米會(huì)產(chǎn)生裂紋，并總是從糙米底部產(chǎn)生。張濤等[3]對(duì)糙米進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)并觀察裂紋擴(kuò)展變化，結(jié)果表明在糙米受力時(shí)，先由內(nèi)部產(chǎn)生裂紋而后擴(kuò)展正面。Siebenmorgen等[4]對(duì)糙米進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明破碎力與糙米寬度或長(zhǎng)度沒(méi)有顯著關(guān)系，與厚度呈極顯著關(guān)系，并得出糙米具有相似的平均破碎力，但破碎力分布大不相同。馮帥博等[5]測(cè)定了心白、腹白、無(wú)堊白糙米的壓縮力學(xué)特性并利用顯微鏡切片觀察，結(jié)果表明無(wú)堊白糙米和腹白糙米承受壓縮力大于心白糙米，先是內(nèi)部形成連續(xù)裂紋，然后以胚乳為中心輻射狀向表皮擴(kuò)散。

上述學(xué)者主要研究單品種糙米的壓縮力和由此引發(fā)的裂紋，并未對(duì)多品種以及碰撞做出分析，糙米碾白過(guò)程是受多因素耦合共同影響，在碾白過(guò)程中糙米的破碎率是由碰撞和壓縮等多因素綜合作用。

劉程等[6]利用仿真軟件研究糙米在不同含水率和不同速度的碰撞過(guò)程，結(jié)果表明糙米破碎率隨著含水率和碰撞速度的增加而增加，米粒臨界速度為22 m/s。吳中華等[7]研究同一稻谷品種下不同溫度和含水率的壓縮特性，結(jié)果表明其壓縮特性載荷存在統(tǒng)計(jì)分布特性，并得出含水率較溫度其對(duì)擠壓載荷影響更大，當(dāng)?shù)竟仍诟邷馗吆氏陆禃r(shí)，其糙米所受擠壓載荷將會(huì)增加。上述研究主要集中在糙米參數(shù)和壓縮特性，并未在碰撞角度下，對(duì)糙米不同初始溫度進(jìn)行研究。從玻璃化理論角度下，在碾白過(guò)程，當(dāng)糙米溫度發(fā)生變化，糙米內(nèi)部物性參數(shù)變化較小，溫度超過(guò)糙米的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，糙米內(nèi)部的物理參數(shù)將會(huì)急劇變化，從而影響糙米的碰撞和壓縮等力學(xué)性能，因此研究在不同初始溫度的下糙米碰撞性能變化規(guī)律，以便于更好地應(yīng)用于糧食實(shí)際加工。

本文將通過(guò)試驗(yàn)糙米撞擊破碎過(guò)程分析，在單因素和多因素正交試驗(yàn)中分析糙米初始溫度、品種以及對(duì)撞擊動(dòng)量對(duì)破碎力和破碎率的影響，并基于矩陣分析法優(yōu)化參數(shù)，降低破碎力和破碎率，計(jì)算其不同溫度下的破碎能。

1 試驗(yàn)

1.1 材料和儀器

主要材料：糙米，四川宜賓于2022年秋季收獲。

主要儀器：恒溫恒濕箱，中國(guó)福瑞杰公司；自制撞擊試驗(yàn)臺(tái)，自制撞擊試驗(yàn)臺(tái)主要由NOS-F306傳感器（長(zhǎng)沙諾賽希斯公司）和撞擊頭槌組成，撞擊頭槌上標(biāo)有高度尺。傳感器記錄糙米所受的撞擊力，傳感器與計(jì)算機(jī)相連接，計(jì)算機(jī)以3 kHz的頻率采集數(shù)據(jù)。自制撞擊試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖1所示，圖2為配套軟件窗口圖。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，需對(duì)傳感器調(diào)零。

圖1 自制撞擊試驗(yàn)臺(tái)

1.力數(shù)值；2.調(diào)零按鈕；3.峰值歸零按鈕； 4.當(dāng)前力峰值；5.力曲線。

1.2 方法

1.2.1 材料制備

稻谷經(jīng)過(guò)礱谷后，手工剝?nèi)ノ赐耆コ牡練?，去除碎米、不完整和病變顆粒，隨機(jī)挑選符合試驗(yàn)的凈糙米，選取顆粒需顆粒飽滿(mǎn)，無(wú)堊白、無(wú)裂紋。不同品種的糙米各準(zhǔn)備500顆，在恒溫箱中調(diào)節(jié)糙米溫度，每隔30 min取100顆糙米用溫度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，溫度取多次測(cè)量值的平均值。為了防止測(cè)量時(shí)溫度發(fā)生變化，利用中央空調(diào)將室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)至目標(biāo)溫度。

1.2.2 試驗(yàn)因素

試驗(yàn)因素選擇糙米品種、糙米初始溫度和撞擊動(dòng)量。每組試驗(yàn)取20顆糙米進(jìn)行撞擊試驗(yàn)，記錄其撞擊力和破碎率，撞擊力取平均值。

本試驗(yàn)主要選擇四川宜賓產(chǎn)的晶兩優(yōu)、兆優(yōu)、荃優(yōu)和鄭州產(chǎn)的鄭州早稻、鄭州81574，水平分別設(shè)置為1～5。每種品種糙米各準(zhǔn)備500粒。

在經(jīng)過(guò)多次碾米試驗(yàn)后，在2022年秋季測(cè)得其在常溫下糙米初始溫度約為21.5 ℃，經(jīng)過(guò)碾米試驗(yàn)后，其糙米出機(jī)溫度約為31 ℃，糙米溫度設(shè)5個(gè)水平，分別為15、20、25、30、35 ℃。

在自制試驗(yàn)臺(tái)，撞擊頭槌刻有高度尺，撞擊錘頭設(shè)置不同的高度，產(chǎn)生不同的瞬間撞擊速度，對(duì)糙米施加不同的撞擊動(dòng)量。其撞擊動(dòng)量計(jì)算過(guò)程，見(jiàn)式（1）。

式中：為錘頭質(zhì)量，kg；為錘頭和糙米的瞬時(shí)撞擊速度，m/s；為錘頭和糙米的瞬時(shí)動(dòng)量，kg·m/s；1為撞擊后的瞬時(shí)速度，m/s；1為撞擊后的瞬時(shí)動(dòng)量，kg·m/s；為撞擊時(shí)間，；為撞擊力，N。

經(jīng)試驗(yàn)知，經(jīng)過(guò)碰撞后，糙米基本處于靜止或破碎狀態(tài)，因此1和1設(shè)置為0，撞擊時(shí)間趨近于0[8]，設(shè)置最大撞擊力為，則式（1）可以簡(jiǎn)化為：

==(2)

式中：為最大瞬時(shí)撞擊力，N。

由式（2）可知，只需計(jì)算糙米的瞬時(shí)碰撞速度和測(cè)量其撞擊錘頭質(zhì)量即可求出其撞擊動(dòng)量。撞擊速度可由自由落體公式計(jì)算得出，其因素水平設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 高度和動(dòng)量水平

Tab.1 Height and momentum level

1.2.3 糙米碰撞數(shù)據(jù)采集和處理

在自制試驗(yàn)臺(tái)中，以不同的高度自由釋放撞擊頭槌，頭槌會(huì)以不同撞擊速度與糙米發(fā)生碰撞，糙米受力會(huì)經(jīng)傳感器，實(shí)時(shí)與高速動(dòng)態(tài)力值測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和讀取，輸出其力-時(shí)間和力-壓縮量數(shù)據(jù)。整理保存數(shù)據(jù)后，通過(guò)origin和minitab軟件進(jìn)行繪圖和統(tǒng)計(jì)。

1.2.4 單因素和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為更快且可靠地掌握試驗(yàn)對(duì)象的相互影響關(guān)系，比較各因素的影響程度，完成參數(shù)優(yōu)化。本試驗(yàn)首先采用單因素試驗(yàn)確定其單因素最佳條件，再進(jìn)行正交分析。通過(guò)正交試驗(yàn)，就可以得出每個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，確定出各因素的主次順序。在試驗(yàn)前，控制室溫防止糙米溫度發(fā)生變化。

第1組試驗(yàn)以溫度為變量，分別設(shè)置為15、20、25、30、35 ℃，其余參數(shù)除品種外保持不變，撞擊動(dòng)量設(shè)置為637×10?6kg·m/s。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后，統(tǒng)計(jì)其撞擊力和破碎率，共有25組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)糙米個(gè)數(shù)為20。表2為糙米品種和初始溫度試驗(yàn)。

第2組試驗(yàn)以動(dòng)量為變量，分別設(shè)置為589×10?6、637×10?6、681×10?6、722×10?6、760×10?6kg·m/s，其余參數(shù)除品種外保持不變，設(shè)置糙米初始溫度為20 ℃。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后，統(tǒng)計(jì)其撞擊力和破碎率，共有25組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)糙米個(gè)數(shù)為20。表3為糙米品種和動(dòng)量水平。

表2 糙米品種和初始溫度試驗(yàn)

Tab.2 Brown rice varieties and initial temperature test

表3 糙米品種和動(dòng)量水平

Tab.3 Brown rice varieties and momentum level

本次正交試驗(yàn)不考慮交互作用，按照=3，>5，盡可能小的原則，選用正交表25（56），試驗(yàn)方案具體設(shè)計(jì)如表4所示。根據(jù)自制試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行25組糙米撞擊試驗(yàn)。雙試驗(yàn)指標(biāo)分別為糙米撞擊力和破碎率。得到試驗(yàn)結(jié)果后，以矩陣分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Tab.4 Orthogonal experiment design

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

為研究糙米各影響因素對(duì)糙米破碎的影響規(guī)律和機(jī)理，進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。因品種是一個(gè)獨(dú)特的參數(shù)，各品種物性參數(shù)不同，無(wú)法進(jìn)行單因素試驗(yàn)，故需要做雙因素試驗(yàn)。試驗(yàn)以撞擊力和破碎率為雙指標(biāo)研究糙米力學(xué)特性。

第1組試驗(yàn)以糙米初始溫度為變量，分別設(shè)置為15、20、25、30、35 ℃，其他參數(shù)除品種外保持不變，糙米初始溫度對(duì)撞擊力指標(biāo)的影響如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可分析出，在同一溫度下，不同品種糙米受到撞擊力不同，這是因?yàn)槠贩N、環(huán)境、遺傳和倉(cāng)儲(chǔ)等因素導(dǎo)致的性質(zhì)差異[9-10]，撞擊力均在65～75 N[4]。在相同溫度下，其撞擊力不同是因其品種差異[11]，品種1、2和3屬于秈米，形狀細(xì)而長(zhǎng)，而品種4和5屬于粳米，形狀短而粗，不同糙米結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其撞擊力承受能力不同。糙米屬于高分子物質(zhì)，在不同溫度下，當(dāng)糙米溫度超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，內(nèi)部鏈段運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變，物質(zhì)進(jìn)入橡膠態(tài)。在橡膠態(tài)下，物質(zhì)變形能力增加，發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，糙米的彈性模量和熱系數(shù)等物性參數(shù)發(fā)生急劇改變。力學(xué)性能參數(shù)尤為突出，并且溫度導(dǎo)致糙米含水率發(fā)生變化，其抗破壞強(qiáng)度、皮層和胚乳之間的結(jié)合力發(fā)生改變[12]，從而導(dǎo)致糙米的撞擊力和破碎率的不同。由圖4可知，大部分品種的破碎率在20～30℃時(shí)達(dá)到最低。

圖3 糙米初始溫度變化下的撞擊力試驗(yàn)結(jié)果

第2組試驗(yàn)以動(dòng)量為變量，分別設(shè)置為589×10?6、637×10?6、681×10?6、722×10?6、760×10?6kg·m/s，其余參數(shù)除品種外保持不變，糙米初始溫度對(duì)撞擊力和破碎率的影響如圖5和圖6所示。隨著施加動(dòng)量的增大，糙米所受撞擊力和破碎率不斷增大，糙米所受動(dòng)量對(duì)撞擊力和破碎率成正比。隨著動(dòng)量的增加，其糙米受到的撞擊力越來(lái)越大，超過(guò)了其皮層和糊粉層的結(jié)合力，在其糙米短軸產(chǎn)生裂紋[13]，進(jìn)而發(fā)生破碎。

圖4 糙米初始溫度變化下的破碎率試驗(yàn)結(jié)果

圖5 動(dòng)量變化下的撞擊力試驗(yàn)結(jié)果

2.2 正交試驗(yàn)

上文通過(guò)單因素分析得到了影響撞擊力和破碎率的規(guī)律，但各參數(shù)之間可能存在相互聯(lián)系，相互制約。為了更快速可靠地掌握試驗(yàn)因素之間的相互影響，比較各因素對(duì)指標(biāo)的影響程度，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)三因素五水平正交試驗(yàn)。選用25(56)正交表，以糙米品種、初始溫度、施加動(dòng)量為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)雙指標(biāo)試驗(yàn)，具體各因素水平和試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析以及雙指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，得出試驗(yàn)最佳水平。

圖6 動(dòng)量變化下的破碎率試驗(yàn)結(jié)果

表5中的撞擊力直觀分析，顯示了撞擊力的極差對(duì)比，撞擊力隨著品種的不同而不同；在不同溫度下，撞擊力極差處于先降低后增加狀態(tài)，在溫度20 ℃情況下，撞擊力達(dá)到最低；在不同撞擊動(dòng)量下，撞擊力極差處于先增加后降低再增加的狀態(tài)，在589×10?6kg·m/s情況下，撞擊力極差達(dá)到最低。根據(jù)極差對(duì)比，3個(gè)影響因素對(duì)撞擊力的相關(guān)性從大到小排序?yàn)?、、，?dòng)量對(duì)撞擊力影響最大，品種最小。

由表5中的破碎率直觀分析以及破碎率的極差對(duì)比可知，破碎率隨著品種不同和溫度的增加，處于先降低后增加隨后再降的狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)糙米為品種2的情況下，糙米初始溫度為15 ℃或20 ℃時(shí)破碎率達(dá)到最小值；糙米的破碎率隨著動(dòng)量的增加而增加，在589×10?6kg·m/s情況下，破碎率極差達(dá)到最低。根據(jù)極差對(duì)比，3個(gè)因素對(duì)破碎率的相關(guān)性從大到小排序?yàn)?、、，同撞擊力相關(guān)性排序相同，動(dòng)量對(duì)撞擊力影響最大，品種最小。

由表5得到的正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知，對(duì)于撞擊力，最優(yōu)參數(shù)組合是121，即品種2在動(dòng)量為589×10?6kg·m/s、溫度為20 ℃情況下，撞擊力最??；對(duì)于破碎率，糙米在溫度為20 ℃和25 ℃時(shí)破碎率最低，最佳組合為231或221，即品種2在動(dòng)量為589×10?6kg·m/s的情況下，處于20 ℃或25 ℃時(shí)破碎率最低。

2.3 矩陣分析

由于影響2項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的最優(yōu)方案不一致，在單指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，采取矩陣分析法對(duì)2項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合權(quán)重分析后選取最佳方案，從而解決撞擊力和破碎率的最優(yōu)配置問(wèn)題。矩陣分析法[14]的計(jì)算過(guò)程如下：

表5 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.5 Orthogonal experiment data

其中1為試驗(yàn)指標(biāo)層矩陣，1為因素層矩陣，1為水平層矩陣，1為指標(biāo)的權(quán)矩陣，同理可得2，總矩陣為所有權(quán)矩陣的平均值，計(jì)算如下：

由矩陣的結(jié)果分析得到了3個(gè)參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合影響程度排序從大到小為、、，即動(dòng)量、溫度、品種，同極差分析相同，證明結(jié)果可靠性。其中的5個(gè)不同水平因素的對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的權(quán)重分別為0.003 491、0.003 963 6、0.003 303、0.003 762、0.00 377 4，顯然2的權(quán)重最大，同理中的2和3權(quán)重最大，中的1權(quán)重最大。由此可以確定其最優(yōu)方案為221或231，即兆優(yōu)在20 ℃或25 ℃的情況下經(jīng)637×10?6kg·m/s撞擊后，其撞擊力最小和破碎率最低。

2.4 破碎能

糙米的撞擊力-壓縮量曲線如圖7所示。在糙米發(fā)生破碎時(shí)，其瞬時(shí)的接觸力為破壞應(yīng)力，壓縮曲線破壞應(yīng)力以前的曲線同坐標(biāo)軸圍成的面積為破壞能。糙米的破壞能是糙米力學(xué)特性的重要參數(shù)，它對(duì)糙米的運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和加工等方面起著重要的作用。對(duì)不同溫度下的平均撞擊力進(jìn)行分析，根據(jù)力-壓縮量圖計(jì)算得出15、20、25、30、35 ℃的破碎能分別為23.032 1、30.777 8、26.041 1、25.676 6、21.699 2 N·mm。圖9為20 ℃糙米撞擊力-壓縮量擬合曲線，圖8為不同溫度下溫度-破碎能曲線。由圖8可得，兆優(yōu)在不同溫度下，破碎能呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在20 ℃時(shí)破碎能最大，同圖3撞擊力的曲線呈相同趨勢(shì)，表明糙米破碎能越大其能承受的撞擊力越大。

圖7 20 ℃糙米撞擊力-壓縮量擬合曲線

圖8 溫度-破碎能曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)糙米在自制試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行不同參數(shù)下的碰撞試驗(yàn)，以糙米品種、糙米初始溫度和對(duì)糙米施加的動(dòng)量為3個(gè)變量，以撞擊力和破碎率為力學(xué)特性評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素和多因素正交試驗(yàn)獲得糙米撞擊力的最佳條件：在初始溫度為20 ℃時(shí)，品種2（兆優(yōu)）在動(dòng)量為589×10?6k·gm/s的情況下，撞擊力最小；破碎率最佳條件為品種2（兆優(yōu)）在動(dòng)量為589×10?6kg·m/s的情況下，處于20 ℃或25 ℃時(shí)破碎率最低。通過(guò)矩陣分析法綜合評(píng)定雙指標(biāo)后，得出最佳組合為221或231，即兆優(yōu)在20 ℃或25 ℃的情況下經(jīng)637×10?6kg·m/s撞擊后，其撞擊力最小并且破碎率最低。計(jì)算了兆優(yōu)在不同溫度下的破碎能，經(jīng)過(guò)分析得出，破碎能隨著溫度的上升呈現(xiàn)先增加后下降狀態(tài)，在20 ℃時(shí)破碎能達(dá)到最大值30.777 8 N·mm。通過(guò)糙米碰撞過(guò)程參數(shù)的分析，對(duì)糙米的加工降碎有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 邱海峰.中國(guó)糧食產(chǎn)量再創(chuàng)新高[N]. 人民日?qǐng)?bào)海外版, 2022-12-13(003).

QIU Hai-feng. China's Grain Production Reaches a New High[N]. People's Daily Oversea Oversea, 2022-12-13(003).

[2] 李修銀, 廖敏, 張濤, 等. 糙米腹背部破碎特性與裂紋擴(kuò)展研究[J]. 糧食與油脂, 2022, 35(7): 33-37.

LI Xiu-yin, LIAO Min, ZHANG Tao, et al. Study on Crushing Characteristics and Crack Propagation of Brown Rice Ventral and Dorsal Side[J]. Cereals & Oils, 2022, 35(7):33-37.

[3] 張濤, 李修銀, 廖敏, 等. 糙米正面破碎特性與裂紋擴(kuò)展規(guī)律[J]. 食品與機(jī)械, 2022, 38(2): 88-92

ZHANG Tao, LI Xiu-yin, LIAO Min, et al. Front Fracture Characteristics and Crack Propagation of Brown Rice[J]. Food & Machinery, 2022, 38(2): 88-92.

[4] SIEBENMORGEN T J, QIN G. Relating Rice Kernel Breaking Force Distributions to Milling Quality[J]. Transactions of the Asabe, 2005, 48(1): 223-228.

[5] 馮帥博, 田勇, 曹憲周, 等. 基于機(jī)械力作用的糙米顯微結(jié)構(gòu)分析[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 40(6):70-74.

FENG Shuai-bo, TIAN Yong, CAO Xian-zhou, et al. Microstructure Analysis of Brown Rice Based on Mechanical Force Action[J]. Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition), 2019, 40(6):70-74.

[6] 劉程, 王旺平, 宋少云. 基于離散元EDEM的米粒破碎特性分析[J]. 食品與機(jī)械, 2022, 38(9): 88-92.

LIU Cheng, WANG Wang-ping, SONG Shao-yun. Analysis of Rice Grain Breakage Characteristics Based on Discrete Element EDEM[J]. Food & Machinery, 2022, 38(9): 88-92.

[7] 吳中華, 王珊珊, 董曉林, 等. 不同溫度及含水率稻米籽粒加工過(guò)程破裂載荷分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2019, 35(2): 278-283.

WU Zhong-hua, WANG Shan-shan, DONG Xiao-lin, et al. Analysis of Rice Compression Fracture Load in Processes with Various Temperatures and Moisture Content[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2019, 35(2): 278-283.

[8] 曹憲周, 張超, 房凱文, 等. 糙米碰撞過(guò)程試驗(yàn)及仿真分析[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2020, 41(6): 80-83

CAO Xian-zhou, ZHANG Chao, FANG Kai-wen, et al. Experiment and Simulation Analysis of Brown Rice Collision Process[J]. Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition), 2020, 41(6): 80-83.

[9] 杜雪樹(shù), 李進(jìn)波, 夏明元, 等. 稻米整精米率研究進(jìn)展[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2021, 60(S2): 13-15.

DU Xue-shu, LI Jin-bo, XIA Ming-yuan, et al. Research Progress on Head Rice Rate[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2021, 60(S2): 13-15.

[10] 鄒禹, 錢(qián)寶云, 占新春, 等. 我國(guó)南方秈稻整精米率發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)策[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2021, 49(11): 38-45.

ZOU Yu, QIAN Bao-yun, ZHAN Xin-chun, et al. The Development Trend and Countermeasures on Head Rice Rate of Indica Rice in Southern China[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2021, 49(11): 38-45.

[11] 任祖方, 許喬洺, 吳杰, 等. 稻谷的機(jī)械力學(xué)特性試驗(yàn)[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 51(21): 4880-4883.

REN Zu-fang, XU Qiao-ming, WU Jie, et al. Research on the Mechanical Properties of Rice Kernel[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2012, 51(21): 880-4883.

[12] 周顯青, 孫晶, 張玉榮. 稻米籽粒靜態(tài)力學(xué)特性的表征與分析[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 39(4): 1-7.

ZHOU Xian-qing, SUN Jing, ZHANG Yu-rong. Research on the Mechanical Properties of Rice Kernel[J]. Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition), 2018, 39(4): 1-7.

[13] 張超, 曹憲周, 張昊晨, 等. 糙米撞擊裂紋擴(kuò)展的分形研究[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2021, 42(4): 96-101.

ZHANG Chao, CAO Xian-zhou, ZHANG Hao-chen, et al. Fractal Study on Stress Crack Propagation during Brown Rice Impact[J]. Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition), 2021, 42(4): 96-101.

[14] 周玉珠. 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的矩陣分析方法[J]. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí), 2009, 39(2): 202-207.

ZHOU Yu-zhu. A Matrix Analysis of Orthogonal Design[J]. Mathematics in Practice and Theory, 2009, 39(2): 202-207.

Collision Properties of Brown Rice

WANG Xin-yu1,ZHANG Chao1*, WANG Wei2,LI Shu-bo2

(1. College of Mechanical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450000, China; 2. Central Grain Reserve Binzhou Depot Co., Ltd., Shandong Binzhou 256600, China)

The work aims to explore the factors of the collision properties of brown rice, and find the best parameters for breaking brown rice (initial temperature, impact momentum, and variety of brown rice) as well as the breakage energy of brown rice at different temperature. By changing the variety, initial temperature, and impact momentum of brown rice, experiments were conducted in a self-made platform. The data were recorded and impact force curve was drawn. Orthogonal experiments were conducted with the impact force and breakage rate of brown rice as experiment indicators to analyze the corresponding relationships between experiment factors and the impact force and breakage rate of brown rice. Momentum and initial temperature of brown rice had a significant effect on the impact force and breakage rate of brown rice, but the brown rice varieties did not have a significant effect. The preferred parameter combination was that variety 2 (Zhaoyou) had the lowest impact force and breakage rate after being impacted by 637×10?6kg·m/s at 20 ℃ or 25 ℃. The breakage energy of Zhaoyou at 15 to 35 ℃ was 25.676 6, 30.788 8, 23.023 1, 26.041 1, and 21.699 2 N·mm, respectively. At the same temperature, the impact force of different varieties is different. With the increase of temperature, the impact force of long-grain rice and polished round-grained rice shows different trends, but the trend of breakage rate is the same. Under the same impact momentum, the impact force and breakage rate all show an upward trend. The collision energy of long-grain rice decreases with the increase of temperature. This work provides a reference for better study of brown rice breaking, and is of great significance to the design and structural parameters of rice mill.

brown rice; impact momentum; initial temperature of brown rice; orthogonal experiment; breakage energy

TS210.2

A

1001-3563(2023)23-0118-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.014

2023-04-07

河南省教育廳高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（22B460006）；河南工業(yè)大學(xué)高層次人才基金項(xiàng)目（2019BS016）

責(zé)任編輯：曾鈺嬋