水稻谷粒的力学性能及基于能量平衡的脱粒损伤机理研究

摘要

评价大米的质量，除了色泽、杂质含量外，主要还是看整精米率，这是国际通用标准，由于我国大米的碎米率偏高，难于达到高等级大米指标，因而很难占领国际市场，特别是欧美国家市场。随着人民生活水平的不断提高，人们对大米的整精米率提出了更高要求。水稻谷粒的损伤与破碎除与其所受内、外力的作用有关之外，也与其本身的力学性能有关。本研究测定了水稻谷粒的物理性能，通过对水稻谷粒的挤压力学性能试验，测得了其压力一位移曲线，分析了水稻谷粒的挤压破碎过程。破坏力和破坏能是水稻谷粒力学性能的两个重要指标。本研究给出了破坏力、破坏能的计算方法。试验研究了稻谷的品种、成熟程度、后熟作用和谷壳对水稻谷粒力学性能的影响。比较了有壳、无壳谷粒的破坏力与破坏能，分析了谷壳对谷粒压力一位移曲线及刚度的影响。指出了谷壳在降低谷粒收获、加工、储运中损伤程度中的重要作用。试验研究了弯、剪载荷下水稻谷粒的力学性能，并对水稻谷粒的压、弯、剪力学性能进行了比较。为相关机械的优化、设计提供了力学参数。在自制脱粒分离试验台上对水稻进行了脱粒试验，通过试验研究了稻谷的品种、成熟程度、后熟作用对脱粒破碎率的影响，并对静载力学性能与脱粒破碎率之间的关系进行了比较。 分析讨论了谷粒内部组织与其力学性能的关系，根据工程材料损伤的定义，对水稻谷粒损伤进行了定义，分析了水稻谷粒在压、弯、剪载荷下的机械损伤特点。将能量平衡原理应用于水稻谷粒机械损伤的研究中。试验证明了谷粒损伤形式为产生裂纹时，其机械损伤量(裂纹扩展程度)与其吸收能量成正比的数学关系。试验研究了水稻谷粒的滞回耗能特性，得到了一个加载、卸载过程水稻谷粒吸收的能量。分析综述了静载荷下谷粒的机械损伤机理。通过试验研究了水稻谷粒的成熟程度、后熟作用对其在外载荷作用下损伤程度的影响，及不同水稻品种在外载荷作用下的不同损伤程度。 谷粒在收获、加工、储运过程中的损伤不仅与其所受载荷的大小有关，也与载荷作用次数有关。在变动载荷下对谷粒进行了挤压试验，分析了变动载荷下谷粒的机械损伤机理。通过试验建立了压力峰值、加载循环次数对谷粒损伤率影响规律的数学模型，并对模型进行了F检验。通过该模型导出了谷粒损伤率为1％时压力峰值与加载循环次数间关系曲线。尝试给出了计算脱粒元件对谷粒冲击次数的方法。在自制试验台上，进行了脱粒试验，通过试验研究了半喂入脱粒装置夹持输送速度对脱粒破碎率的影响规律及全喂入、半喂入脱粒装置脱粒破碎率沿脱粒滚筒轴向分布规律。 脱粒是水稻联合收获中必不可少又至关重要的一道工序。尽管脱粒装置早在两个多世纪以前已经出现，但由于脱粒过程中脱粒元件与被脱谷物之间的作用难以描述，至今为止，国内、外在这方面的研究主要集中于从台架或田间试验的角度出发，运用回归或构造函数的方法找出脱粒装置各性能指标与脱粒装置结构、运动参数之间的关系，进而通过优化脱粒部件的结构、运动参数来获得最佳脱粒性能，很少进行理论分析。这种试验研究方法只找到与某种脱粒结构相关的外在规律，没有找出其中隐含的机理。本研究分析了脱粒元件和水稻谷粒间的相对运动，利用相对运动原理和碰撞理论，推导了水稻谷粒和脱粒元件碰撞过程中的相对动能的变化。基于能量平衡原理，导出了和脱粒元件碰撞中水稻谷粒损伤产生新表面的自由表面能。利用积分原理，计算了脱粒损伤量及圆形、矩形截面脱粒元件在相同条件下对水稻谷粒损伤量的比例关系。分析了影响谷粒脱粒损伤的因素。在此基础上，基于碰撞理论和能量平衡原理对单个、多个谷粒和脱粒元件的碰撞过程进行了理论分析。建立了圆形截面脱粒元件线速度和脱粒破碎率之间的数学模型。并在自制的脱粒分离性能试验台上对水稻进行了脱粒性能试验，通过试验确定了数学模型中的待定系数，验证了数学模型的正确性。该模型不仅能为现有典型水稻脱粒装置的设计、优化提供理论依据，还能为其它农业物料如玉米、花生、大豆等收获加工中的机械损伤研究提供理论启发，具有广阔的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的目的意义

1.2农业物料力学性能的国内外研究现状及发展趋势

1.2.1关于固态农业物料的静载力学性能研究

1.2.2关于固态农业物料的动态力学性能研究

1.3脱粒原理方面的国内外研究现状与发展趋势

1.4本课题的研究内容、关键问题、技术路线和创新点

1.4.1本课题的研究内容

1.4.2本课题研究的关键问题和技术路线

1.4.3本课题的创新点

第2章谷粒的静载力学性能及其对脱粒破碎率的影响

2.1谷粒的形态及物理性能测定

2.1.1谷粒的形态特征简介

2.1.2试验材料、测试仪器及方法

2.1.3测试结果

2.2谷粒挤压静载力学性能研究

2.2.1试验设备及试验仪器

2.2.2试验压头及加载速度的选择

2.2.3试验方法

2.2.4试验过程及结果分析

2.2.5影响谷粒挤压力学性能的因素分析

2.3谷粒的弯、剪力学性能研究

2.3.1谷粒抗弯力学性能研究

2.3.2谷粒抗剪力学性能研究

2.3.3谷粒的压、弯、剪力学性能比较

2.4谷粒静载力学性能对脱粒破碎率的影响

2.4.1试验装置

2.4.2试验台工作过程

2.4.3试验仪器设备

2.4.4试验条件及试验方法

2.4.5试验结果及分析

2.5本章小结

第3章谷粒的机械损伤机理研究

3.1谷粒内部组织及其与力学性能的关系

3.1.1谷粒的组织结构简介

3.1.2谷粒中的淀粉

3.1.3谷粒的组织结构与力学性能的关系

3.2谷粒损伤的定义及特点

3.2.1 工程材料损伤的定义与谷粒损伤的定义

3.2.2谷粒机械损伤的发生和发展

3.2.3不同类型载荷下谷粒的机械损伤特点

3.3谷粒机械损伤的能量平衡原理

3.3.1能量平衡原理

3.3.2谷粒机械损伤形式为形成裂纹时的能量平衡式

3.4谷粒机械损伤能量平衡式的验证

3.4.1验证设备

3.4.2日本尼康研究型体视显微图像SMZ1000工作站简介

3.4.3摄像系统的标定

3.4.4谷粒机械损伤能量平衡式的验证方法和步骤

3.4.5验证结果与讨论

3.5谷粒的机械损伤机理综述

3.6影响谷粒机械损伤程度因素分析

3.6.1迟滞回线与内能增量

3.6.2影响谷粒损伤程度因素试验

3.7本章小结

第4章变动载荷下谷粒的力学性能及脱粒试验

4.1目的意义

4.2变动载荷下谷粒的力学性能试验

4.2.1试验设备仪器

4.2.2试验材料与试验方法

4.2.3损伤粒的鉴别

4.2.4试验过程

4.3变动载荷下谷粒的损伤机理分析

4.4压力峰值和加载循环次数对谷粒损伤率的影响研究

4.5夹持输送速度对脱粒破碎率影响规律的试验研究

4.5.1试验装置和试验仪器

4.5.2试验台工作过程

4.5.3试验条件和试验方法

4.5.4半喂入脱粒装置脱粒破碎率与夹持输送链速度关系分析

4.5.5试验结果

4.6脱粒破碎率沿脱粒滚筒轴向分布的试验研究

4.6.1半喂入脱粒滚筒破碎率沿滚筒轴向分布试验

4.6.2全喂入轴流滚筒脱粒元件对谷粒冲击次数最大值计算方法的探索

4.6.3全喂入轴流脱粒装置脱粒破碎率沿轴向分布试验

4.7本章小结

第5章基于能量平衡的脱粒损伤机理研究

5.1研究方法

5.2相对运动中质点系动能定理的推导

5.2.1惯性系中质点系动能定理推导过程简介

5.2.2相对运动中的质点系动能定理的推导

5.3脱粒过程中的谷粒的相对动能分析

5.3.1假设条件

5.3.2谷粒和脱粒元件间的相对运动与相对动能

5.4脱粒碰撞中谷粒的能量平衡及碰撞后的自由表面能

5.4.1单个谷粒的能量平衡及自由表面能

5.4.2多个谷粒的能量平衡及自由表面能

5.5圆形、矩形截面脱粒元件对稻谷损伤的比较

5.5.1矩形截面脱粒元件脱粒时谷粒的自由表面能

5.5.2圆、矩形截面脱粒元件对谷粒损伤的比较

5.5.3式验

5.6脱粒元件线速度与脱粒破碎率关系研究

5.6.1 临界破碎能量分析

5.6.2待定系数的确定及结果分析

5.7本章小结

第6章结论

6.1研究工作总结

6.2进一步研究的建议

致谢

参考文献

附录

在学期间发表的主要论文与参加的科研工作