基于广义动力学数值模型的坚果与金属动态耦合脱壳机理及其能耗研究

脱壳是许多农产品加工的必要工序，其生产过程破碎损耗率高，能耗大。据不完全统计，水稻，花生，大豆，油菜及主要坚果的脱壳耗能已占全部农产品粗加工能耗的近50%[1]；2008年我国稻谷总产量19189.6万吨，仅加工过程的破碎损耗率已高达3%～7%，相当于我国南方一个产粮大省全年的稻谷总产量[2]。.目前，农产品在机械化脱壳过程中的变形特征与脱壳机理、加工能耗间的关系尚不清楚，如何降低加工破碎损耗率和加工能耗等科学问题尚未解决。为此，本项目拟选择颗粒较大，外形较均匀的坚果（银杏）为试验材料，对其变形脱壳过程进行高速摄影和图像处理，采用广义动力学建模方法结合三维有限元分析和模流分析技术，建立坚果脱壳过程的动力学模型，研究其有机质外壳与金属脱壳盘动态耦合过程所发生的变形特征和脱壳机理，并以功率分析法，在线测试不同脱壳参数和坚果品种组合条件下的脱壳总体能耗，以期揭示坚果破壳机理与能耗的关系。

为研究坚果脱壳机理和过程能耗，项目以银杏为试验材料进行了坚果脱壳运动轨迹建模仿真和试验分析，发现坚果几何中心速度随时间的变化规律为近似的三角余弦函数。当碾搓盘主轴转速为1400r/min时，其合成速度均值为0.44m/s，合成加速度均值为8.43 m/s2。经对坚果单体在动、定盘间受挤压耦合特征进行有限元分析，得到侧棱所在平面与截面夹角为450时坚果最易破壳。项目组基于LABVIEW和Modbus-RTU协议构建了坚果脱壳过程功率动态分析试验系统，实时测试了脱壳过程能耗。经多元正交回归试验，分析了影响坚果碾搓式脱壳能耗的主要因素有：动定盘倾角、动盘主轴转速、坚果含水率、动定盘纹理间距等，其中动定盘倾角与脱壳能耗呈负线性相关，坚果含水率与脱壳能耗呈正线性相关，转速和纹理间距与脱壳能耗呈非线性关系，转速和纹理间距过大或过小都会增加脱壳能耗，影响坚果脱壳能耗的关键因素按顺序依次为：转速>含水率>纹理间距>角度，其优化取值为：动、定盘的倾角为450、动盘主轴转速为1250r/min、含水率为45%、动定盘纹理间距为6mm。项目按原计划完成，研究结果为降低坚果脱壳能耗提供了理论依据。