橡膠籽沖擊特性研究

李梓豪 - 王 濤

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

橡膠籽是橡膠樹的一種高附加值副的產(chǎn)品，對其外殼制備的活性炭可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、食品及工業(yè)等多種領(lǐng)域；其籽仁油精煉后可獲取富含不飽和脂肪酸的高品質(zhì)食用油，功效與深海魚油相近[1]。橡膠籽屬于堅果類，脫殼程度直接影響煉油的品質(zhì)。由于橡膠籽外形復(fù)雜、種類繁多[2]，殼仁分離難度大，用已有的其他種類堅果脫殼機(jī)處理橡膠籽時效率較低，所以開發(fā)專用的橡膠籽脫殼機(jī)[3]尤其重要，而橡膠籽的沖擊特性則是設(shè)計脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)。

目前對臨界破碎力的研究較多，對橡膠籽沖擊特性的研究較少。何焯亮等選取加載速度、方向、擋板材料、含水率、球度等因素，進(jìn)行破壞力試驗[4]，分析以上指標(biāo)對橡膠籽外殼破碎力的影響[5]，進(jìn)行了剝殼機(jī)的設(shè)計[6]，但忽略了外界因素對碰撞力的影響，使得在破碎時機(jī)器破殼結(jié)構(gòu)與外界因素作用未達(dá)到最優(yōu)解，從而不能達(dá)到預(yù)期的脫殼效果。本研究擬對橡膠籽沖擊特性進(jìn)行試驗研究，以了解沖擊破碎的基本規(guī)律，以期為今后脫殼機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

橡膠籽呈卵圓形，褐色并帶有銀灰色斑紋[7]，由籽殼和籽仁組成。籽外殼堅硬，厚度約為1 mm，有一定韌性，籽仁含油量高，約占50%。試驗所用的橡膠籽來自海南省澄邁縣橡膠園，成熟橡膠果經(jīng)干燥及破殼處理后得到的橡膠籽。從中選取縱棱L約為24 mm、橫棱W約為20 mm、側(cè)棱H約為17 mm 的橡膠籽作為試驗對象，橡膠籽尺寸示意圖見圖1。

圖1 橡膠籽尺寸示意圖Figure 1 Schematic diagram of rubber seed size

1.2 試驗儀器

電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺：規(guī)格0～200 mm，桂林量具刀具有限公司；

數(shù)據(jù)采集儀：RFP-CJ8型，宇博智能科技(杭州)有限公司；

RFP薄膜壓力傳感器：RFP-612型，宇博智能科技(杭州)有限公司。

其中RFP薄膜壓力傳感器可對任何接觸面的壓力進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)測量，并且通過多通道壓力采集儀，可以在PC端的軟件上以直觀、形象的二維圖像實時顯示各點的壓力值，并且可隨時對測量記錄進(jìn)行查看、分析。

1.3 試驗原理

在不同外界條件作用下，將橡膠籽釋放并撞擊傳感器，傳感器將施加在其感應(yīng)區(qū)域的壓力變化轉(zhuǎn)換成電阻信號，然后使用數(shù)據(jù)采集儀，根據(jù)力-電阻的標(biāo)定關(guān)系曲線獲得外界所施壓力的變化信息，從而在PC端軟件上顯示出橡膠籽的碰撞力，進(jìn)而分析不同外界條件對橡膠籽碰撞力的影響，數(shù)據(jù)采集裝置見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置實物圖Figure 2 Physical picture of data acquisition device

1.4 試驗方法

挑選若干個形狀和重量相似的橡膠籽，采用單因素試驗方法，將傳感器放在地面上，由不同的撞擊條件測出試驗所需碰撞力。如圖3所示，從0.5 m到2.0 m每隔0.1 m取一個高度無初速度釋放橡膠籽，測量并記錄橡膠籽的碰撞力；如圖4所示，保持高度1.0 m不變，從30°到90°每隔5°設(shè)置一個對應(yīng)角度的斜面，將橡膠籽從斜面上端無初速釋放，測量并記錄橡膠籽到達(dá)斜面底端撞擊傳感器時的碰撞力；保持高度1.0 m、斜面角度90°不變，從0.5 m/s到5.0 m/s每隔0.5 m/s 設(shè)置一個試驗的初速度，測量并記錄橡膠籽的碰撞力；試驗記錄的每個數(shù)據(jù)是由多次測量，去除粗大誤差后取平均值得到。

圖3 試驗過程示意圖Figure 3 Schematic diagram of the experimental process

圖4 斜面示意圖Figure 4 Schematic diagram of slope

2 結(jié)果與分析

2.1 曲線估計

圖5 高度和碰撞力對于不同函數(shù)模型的曲線估計圖Figure 5 The graph of height and collision force for different functional models

圖6 高度和碰撞力的最優(yōu)模型圖Figure 6 The optimal model of height and collision force

圖7 角度和碰撞力對于不同函數(shù)模型的曲線估計圖Figure 7 The graph of angle and collision force for different functional models

圖8 角度和碰撞力的最優(yōu)模型圖Figure 8 The optimal model of angle and collision force

2.1.3 初速度與碰撞力 采用SPSS Statistics 22.0軟件對初速度與碰撞力進(jìn)行不同函數(shù)模型的曲線估計，結(jié)果見圖9，以判定系數(shù)R2、回歸系數(shù)和顯著性水平P值為主要依據(jù)，篩選出圖9中的最優(yōu)曲線擬合模型(指數(shù)函數(shù)，以e為底)，見圖10。隨著初速度的增加碰撞力逐漸增大。初速度的變化由動能定理可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨鹊淖兓?，即由初速度可推算出相對?yīng)的零初速度的高度，所以可知初速度越大相對應(yīng)的假設(shè)高度越高，由高度試驗結(jié)果可知，碰撞力F也越大，即該試驗結(jié)果符合物理規(guī)律。

圖9 初速度和碰撞力對于不同函數(shù)模型的曲線估計圖Figure 9 The graph of initial speed and collision force for different functional models

圖10 初速度和碰撞力的最優(yōu)模型圖Figure 10 The optimal model of initial speed and collision force

2.2 相關(guān)性分析

采用SPSS Statistics 22.0軟件對圖6、8、10中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。由表1可知，高度與碰撞力達(dá)到極顯著性水平(P<0.01)，角度、初速度與碰撞力達(dá)到顯著性水平(P<0.05)；由于Pearson相關(guān)系數(shù)均大于0.8，可知碰撞力與高度、角度和初速度的都呈較強(qiáng)正線性相關(guān)關(guān)系。

表1 碰撞力和多因素的相關(guān)性?

? **. 在置信度(雙測)為 0.01 時，相關(guān)性是顯著的；*. 在置信度(雙測)為 0.05 時，相關(guān)性是顯著的。

2.3 多元線性回歸分析

2.3.1 擬合公式模型 通過SPSS Statistics 22.0軟件采用逐步法，以碰撞力為因變量，依次以角度，角度和高度，角度、高度和初速度作為自變量，對上述圖6、8、10的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸。

由表2可以看出，模型1的P值為0.003，模型2的P值為0.001，模型3的P值為0.000，由于3個模型回歸方程顯著性檢驗的P值均小于顯著性水平0.01，因此被解釋變量(碰撞力)與解釋變量(高度、角度和初速度)間的線性關(guān)系顯著，即建立線性模型是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

由表3可知，模型1中常數(shù)項的P值為0.649；模型2中常數(shù)項的P值為0.077，高度變量系數(shù)的P值為0.025；而模型3中的常數(shù)項及3個變量系數(shù)的P值<0.01。即前2個模型都存在不顯著的解釋變量，則模型3為最終擬合結(jié)果，從表3中提取相應(yīng)項的系數(shù)得到其表達(dá)式為：

Y=-1.246+0.024X1+1.272X2+0.192X3，

(1)

式中：

Y——碰撞力，N；

X1——角度(0°～90°)，(°)；

表2 3個模型的方差分析?

? 模型1～3的預(yù)測變量分別為：常量、角度；常量、角度、高度；常量、角度、高度、初速度。

表3 模型中變量的系數(shù)及其顯著性

X2——高度，m；

X3——初速度，m/s。

2.3.2 模型的驗證 為防止樣本的局限性，利用插入法選取樣本外部的4組自變量，一方面用擬合的多元公式模型進(jìn)行帶入計算得出對應(yīng)的碰撞力，另一方面用上述提到的試驗方法測得真實的碰撞力。再對這兩種方法得出的碰撞力大小進(jìn)行比較得出直觀散點圖(見圖11)，并根據(jù)式(2)、(3)求出相對誤差α值，見圖12。由圖12可清晰地看出，誤差均在允許范圍±5%以內(nèi)，進(jìn)一步證明了由多元線性回歸得出的公式模型的準(zhǔn)確性。

β=b-b′，

(2)

(3)

式中：

b——公式計算值，N；

b′——試驗實測值，N；

β——絕對誤差，N；

α——相對誤差，%。

圖11 實測值與公式計算值的直觀比較圖Figure 11 The visual comparison diagram of measured values and formula values

圖12 相對誤差圖Figure 12 The graph of relative error

3 結(jié)論

(1) 本試驗結(jié)果顯示，高度、初速度、角度均和碰撞力呈正相關(guān)，而且相關(guān)性達(dá)到顯著水平，在理想條件下由動能定理和動量定理推導(dǎo)驗證可知試驗結(jié)果及分析的正相關(guān)是正確的，符合物理規(guī)律；多元線性回歸分析根據(jù)試驗數(shù)據(jù)推出具有顯著性的公式，并用插入法對公式模型進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗證。

(2) 本試驗討論分析了不同外界條件下的橡膠籽所受碰撞力的大小，可結(jié)合橡膠籽的破碎力試驗中不同情況的破碎力，設(shè)計合理的破殼機(jī)結(jié)構(gòu)，從而控制高度、角度、初速度等因素，使得橡膠籽進(jìn)入破殼機(jī)后能夠更有效地完成脫殼工作。

(3) 后續(xù)可在本試驗的基礎(chǔ)進(jìn)行更深層次的試驗，得出多因素、更加全面、更加符合實際情況的力學(xué)模型，如進(jìn)行有限元分析[8]等，使橡膠籽脫殼機(jī)模型更加趨于高效化和自動化。

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