糧食干燥機(jī)旋淋擾動(dòng)布料裝置的研究與設(shè)計(jì)

劉 玨謝澤良

(1. 武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430048；2. 湖北天和機(jī)械有限公司，湖北 鄂州 436042)

糧食收獲后的水分含量較高，不及時(shí)干燥將發(fā)生霉?fàn)€、變質(zhì)，造成較大損失。干燥技術(shù)的優(yōu)劣與糧食的干燥品質(zhì)[1-2]以及干燥效率、干燥費(fèi)用等密切相關(guān)[3-4]。通過(guò)優(yōu)化干燥工藝[5-6]以及干燥過(guò)程工作參數(shù)[7-8]，并對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行在線控制[9-10]，有利于保證高效干燥。研究[11]表明，倉(cāng)內(nèi)雜質(zhì)分布和含雜不均勻度與進(jìn)料口的布料裝置有關(guān)，且糧食與雜質(zhì)粒度相差越大、布糧器轉(zhuǎn)速越高，糧食自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象越明顯。這種現(xiàn)象可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)布料器結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)來(lái)緩解。如在淺圓倉(cāng)中使用變速布糧器裝倉(cāng)入糧，可以減緩倉(cāng)內(nèi)雜質(zhì)聚集，并降低含雜不均勻度[12]；通過(guò)數(shù)控布糧器小麥入倉(cāng)儲(chǔ)糧試驗(yàn)，解決糧食自然入倉(cāng)所形成的中心區(qū)域雜質(zhì)集聚現(xiàn)象[13]；利用離散元方法模擬溢料筒不同環(huán)寬下大豆顆粒入料過(guò)程，解決淺圓倉(cāng)布料器在實(shí)際應(yīng)用中常因環(huán)寬過(guò)小發(fā)生雜質(zhì)堵塞或環(huán)寬過(guò)大導(dǎo)致偏流的問(wèn)題[14]。在干燥過(guò)程中，物料分布是否均勻直接影響到干燥介質(zhì)的作用效果，進(jìn)而影響物料干燥的均勻性。為此，黃正明等[15]設(shè)計(jì)了一種用于大型立式干燥器的旋轉(zhuǎn)布料與往復(fù)勻料相結(jié)合的布料裝置，并以料面平整度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用顆粒飼料為原材料，對(duì)影響布料均勻性的主要結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到布料板轉(zhuǎn)速、高度以及漿葉角度等工作參數(shù)。但未涉及濕糧中的水分含量和雜質(zhì)含量等因素影響物料流動(dòng)以及造成自動(dòng)分級(jí)從而影響干燥品質(zhì)的問(wèn)題。

針對(duì)干燥作業(yè)中糧食在進(jìn)料口易產(chǎn)生自動(dòng)分級(jí)和布料不均勻而影響干燥品質(zhì)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種糧食干燥機(jī)旋淋擾動(dòng)布料裝置，分析旋淋擾動(dòng)組合布料技術(shù)特點(diǎn)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證組合布料方式與單一布料方式的優(yōu)劣。

1 濕糧流動(dòng)特性

濕糧與干糧的流動(dòng)性有較大的差別，影響濕糧流動(dòng)性的主要因素是水分含量和雜質(zhì)含量。中國(guó)糧食標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)糧食流動(dòng)性的說(shuō)明與規(guī)范，均是指符合貯藏標(biāo)準(zhǔn)的糧食，但對(duì)收割脫粒后濕糧的流動(dòng)性很少涉及，相關(guān)濕糧流動(dòng)性的研究與報(bào)道亦不多。由牛頓黏性理論[16]：

(1)

式中：

τ——濕糧流動(dòng)時(shí)的黏性力，N/m2；

μ——濕糧顆粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)黏性系數(shù)，N/(m2·s)；

收割脫粒后的濕糧中，水分含量大多為20%～30%；雜質(zhì)含量為1%～10%。依據(jù)2017年5月～12月湖北華苑糧油有限公司干燥車間干燥小麥、油菜籽、早稻、中稻、晚稻的生產(chǎn)紀(jì)錄和濕糧流動(dòng)性試驗(yàn)資料，綜合分析表明：濕糧流動(dòng)時(shí)的黏性力τ與糧食的粒徑、形狀、密度相關(guān)；與濕糧水分含量，特別是與糧食顆粒表層的自由水分含量密切相關(guān)；與濕糧中的雜質(zhì)含量相關(guān)，特別是與高水分纖維性輕雜含量密切相關(guān)；du/dy與濕糧流動(dòng)發(fā)生的位置關(guān)聯(lián)密切。在干燥機(jī)頂層布糧時(shí)，要求濕糧有較大的橫向速度，使?jié)窦Z向四周均質(zhì)與均勻擴(kuò)散；在干燥機(jī)底層，要求濕糧有較大的向出料口方向的流動(dòng)速度，使干燥機(jī)底層的物料較均勻地從出料口排出；在干燥機(jī)進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)風(fēng)道處及干燥倉(cāng)邊壁形狀發(fā)生突變處，要求dy方向的變化僅影響局部du的大小和方向，而不影響干燥機(jī)內(nèi)濕糧的整體流動(dòng)。μ為黏性系數(shù)，與濕糧的粒徑、形狀、表面粗糙度、水分及雜質(zhì)含量、雜質(zhì)狀況等因素有關(guān)。

2 糧食均勻干燥機(jī)理

糧食干燥機(jī)的種類較多，但對(duì)流干燥機(jī)型約占糧食干燥機(jī)總數(shù)量或總噸位的90%以上。圖1為對(duì)流干燥模型。干燥倉(cāng)1內(nèi)裝有需要干燥的物料4，熱風(fēng)經(jīng)進(jìn)風(fēng)角狀盒2進(jìn)入料層，在物料顆粒間滲流流動(dòng)，然后進(jìn)入位于進(jìn)風(fēng)角狀盒上部和下部的排風(fēng)角狀盒3排出。熱風(fēng)穿過(guò)料層對(duì)物料加熱，使物料溫度升高，同時(shí)帶走物料中的水分，使物料干燥。所以，位于上、下部排風(fēng)角狀盒之間的物料層處于干燥降水狀態(tài)。若處于干燥機(jī)上排風(fēng)角狀盒排風(fēng)口橫斷面的物料，經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，流動(dòng)到下排風(fēng)角狀盒排風(fēng)口的位置，且仍處于同一橫斷面內(nèi)。即干燥機(jī)內(nèi)的物料，流動(dòng)距離為上、下排風(fēng)角狀盒之間的位置高度差h時(shí)，所需時(shí)間為t，由連續(xù)性方程可知：

ρ1A1v1=ρ2A2v2，

(2)

v=h/t，

(3)

式中：

ρ1、ρ2——上、下斷面上物料的容積密度，kg/m3；

A1、A2——上、下斷面的有效斷面積，m2；

v1、v2——上、下斷面上的物料流速，m/s；

h——上、下斷面之間的距離，m；

t——物料流經(jīng)干燥段的時(shí)間，s；

v——物料流經(jīng)干燥段的平均流速，m/s。

由式(2)、(3)可知，若要保持t或v為不變量，則需保持ρ1和ρ2相同，即干燥機(jī)任一橫斷面上物料的容積密度相同，則ρ1=ρ2=ρ。由于干燥機(jī)倉(cāng)體設(shè)計(jì)時(shí)，需減小倉(cāng)壁對(duì)糧食向下流動(dòng)的阻力，干燥倉(cāng)倉(cāng)體的倉(cāng)壁大多與糧食流動(dòng)方向平行。所以，A1=A2，v1=v2=v，且v=h/t。通過(guò)控制干燥機(jī)的排料量，可以調(diào)節(jié)糧層整體流經(jīng)h距離的時(shí)間t，從而控制糧食在干燥機(jī)內(nèi)的干燥時(shí)間。并通過(guò)調(diào)節(jié)熱風(fēng)風(fēng)量和熱風(fēng)溫度，還可控制糧食的降水速度和糧食流經(jīng)h距離時(shí)的降水幅度，實(shí)現(xiàn)糧食均勻干燥。

1. 干燥倉(cāng) 2. 進(jìn)風(fēng)角狀盒 3. 排風(fēng)角狀盒 4. 物料 5. 干燥氣流

但糧食干燥機(jī)進(jìn)料口的斷面積比干燥倉(cāng)的斷面積小得多，進(jìn)料口附近的糧食向下流動(dòng)的同時(shí)，需要橫向運(yùn)動(dòng)，才能使糧食布滿干燥倉(cāng)。所以，進(jìn)料口附近糧食的實(shí)際流動(dòng)方向是向下速度與橫向速度的合成。由于橫向速度的存在，以及糧粒與雜質(zhì)的大小、形狀、表面粗糙狀況、真實(shí)密度和容積密度等均存在較大差異，將使糧食和糧食中的雜質(zhì)自動(dòng)分級(jí)，導(dǎo)致干燥倉(cāng)橫斷面上各處的雜質(zhì)分布不均勻。此外，由于濕糧中的水分含量和雜質(zhì)含量高，濕糧的流動(dòng)性更差，致使?jié)窦Z的自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象更嚴(yán)重，且使干燥倉(cāng)內(nèi)糧食的容積密度ρ和糧流速度v產(chǎn)生變化，影響干燥品質(zhì)。

3 旋淋擾動(dòng)布料技術(shù)

3.1 旋淋布料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

XH-30型旋淋擾動(dòng)糧食干燥機(jī)見(jiàn)圖2。旋淋布料機(jī)構(gòu)10由匯料筒16、短旋淋嘴15、長(zhǎng)旋淋嘴18、旋轉(zhuǎn)軸17以及電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。旋淋布料機(jī)構(gòu)安裝在干燥機(jī)進(jìn)料口9的下方，并位于擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)11的上方。旋淋布料機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)安裝在干燥倉(cāng)頂部的電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。糧食經(jīng)提升機(jī)落入干燥機(jī)的進(jìn)料口9中，并落入旋轉(zhuǎn)的匯料筒16中，匯料筒與長(zhǎng)旋淋嘴和短旋淋嘴相通。由于長(zhǎng)、短旋淋嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在離心力的作用下，匯料筒中的糧食只能從長(zhǎng)旋淋嘴和短旋淋嘴中甩出。隨著旋淋布料機(jī)構(gòu)勻速旋轉(zhuǎn)布料，將在干燥機(jī)頂層糧食形成以長(zhǎng)旋淋嘴和短旋淋嘴為半徑的兩個(gè)同心圓環(huán)。由于糧食的流動(dòng)性和自然堆角作用，糧食可布滿干燥倉(cāng)的橫斷面，并可改善糧食在布料過(guò)程中的自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象，有利于減小干燥倉(cāng)橫斷面上糧食容積密度的不均勻度。

1. 振動(dòng)排料機(jī)構(gòu) 2. 出料口 3. 集料斗 4. 導(dǎo)料桿 5. 前后置角狀盒 6. 左右置角狀盒 7. 提升機(jī) 8. 彈性吊座 9. 進(jìn)料口 10. 旋淋布料機(jī)構(gòu) 11. 擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu) 12. 干燥倉(cāng) 13. 彈性支座 14. 機(jī)架 15. 短旋淋嘴 16. 匯料筒 17. 旋轉(zhuǎn)軸 18. 長(zhǎng)旋淋嘴 19. 平料柵 20. 邊緣測(cè)點(diǎn) 21. 中部測(cè)點(diǎn)

圖2 旋淋擾動(dòng)糧食干燥機(jī)工作原理示意圖

Figure 2 Schematic diagram of working principle for grain dryer combined rotary shower and disturbance

3.2 擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

XH-30型旋淋擾動(dòng)糧食干燥機(jī)的擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)由平料柵19、彈性吊座8、導(dǎo)料桿4和振動(dòng)排料裝置1等組成。振動(dòng)排料裝置1利用彈性支座13安裝在機(jī)架14上。平料柵19利用彈性吊座8懸掛在干燥倉(cāng)12的頂部。導(dǎo)料桿4的上端與平料柵19鉸接；導(dǎo)料桿下端與振動(dòng)排料裝置鉸接。當(dāng)振動(dòng)排料裝置工作時(shí)，帶動(dòng)導(dǎo)料桿振動(dòng)。導(dǎo)料桿由外套筒和內(nèi)導(dǎo)桿組成，外套筒外側(cè)與糧食接觸，而內(nèi)導(dǎo)桿位于外套筒內(nèi)，不與糧食接觸，可傳遞振動(dòng)力。當(dāng)導(dǎo)料桿穿過(guò)振動(dòng)排料裝置與平料柵之間的糧層，導(dǎo)料桿的振動(dòng)力亦將衰減，平料柵的運(yùn)動(dòng)亦衰減至擾動(dòng)。如圖2所示，平料柵的橫向與縱向肋板將擾動(dòng)力傳遞給與之接觸的糧食，將使糧食的自然堆角增大，糧食產(chǎn)生橫向位移，從而布滿干燥倉(cāng)的橫斷面。所以，在平料柵擾動(dòng)力的作用下，干燥機(jī)頂層的糧食將有向四周的橫向運(yùn)動(dòng)。因擾動(dòng)力較小，糧食與平料柵之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度較小，且糧食顆粒之間的橫向運(yùn)動(dòng)速度亦較小，不易使糧食與糧食中所含的雜質(zhì)產(chǎn)生自動(dòng)分級(jí)。所以，擾動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用既有利于糧食布滿干燥倉(cāng)頂層的整個(gè)橫斷面，又有利于防止布料過(guò)程中產(chǎn)生糧食自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象，控制干燥倉(cāng)橫斷面上糧食容積密度的不均勻度。

3.3 旋淋擾動(dòng)組合布料技術(shù)特點(diǎn)

HX-30型糧食干燥機(jī)干燥倉(cāng)斷面積為3 m×3 m，從提升機(jī)到干燥倉(cāng)的溜管斷面積為0.2 m×0.2 m。由于糧食在溜管中運(yùn)動(dòng)有速度、方向和動(dòng)量，存在自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象。將旋淋布料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)短旋淋嘴結(jié)構(gòu)，并取長(zhǎng)旋淋嘴半徑為1.25 m，短旋淋嘴半徑為0.75 m，使兩個(gè)同心圓環(huán)的面積為溜管進(jìn)料口斷面積的20～50倍。并依據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，旋淋布料機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速在10～100 r/min時(shí)，從旋淋嘴甩出糧粒的速度在0.5～5.0 m/s，不易造成糧食的損傷與雜質(zhì)分級(jí)。當(dāng)糧食粒徑較大時(shí)，旋淋布料機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速取較小值；反之，取較大值。同時(shí)，由于擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)對(duì)兩個(gè)同心圓環(huán)糧食實(shí)測(cè)堆角增大到110°～170°，基本布滿干燥倉(cāng)頂部橫斷面，并有效防止了進(jìn)料口糧食的自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象。另外，長(zhǎng)、短旋淋嘴布置在同一軸線上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，有利于配重與平衡；有利于安裝、維護(hù)和磨損后現(xiàn)場(chǎng)配重平衡。所以，旋淋擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)將旋淋布料機(jī)構(gòu)與擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，可有效控制干燥倉(cāng)橫斷面上糧食的容積密度。

如圖2所示，將旋淋布料機(jī)構(gòu)置于擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)的上方。干燥機(jī)工作時(shí)，糧食經(jīng)提升機(jī)落入勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的匯料筒中。糧食從長(zhǎng)旋淋嘴和短旋淋嘴中甩出，在干燥倉(cāng)內(nèi)糧食頂層形成以長(zhǎng)旋淋嘴為半徑的大圓環(huán)和以短旋淋嘴為半徑的小圓環(huán)。兩圓環(huán)同心，相當(dāng)于兩個(gè)同心圓環(huán)進(jìn)料口的布料效果。由于兩個(gè)同心圓環(huán)的有效布料斷面積要比單點(diǎn)或多點(diǎn)布料口的有效斷面積大20～50倍，可以改善單點(diǎn)或多點(diǎn)布料效果。擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)的平料柵的中間部分置于糧層中，但四周邊緣部分暴露在空氣中，當(dāng)振動(dòng)排料裝置工作時(shí)，振動(dòng)力通過(guò)導(dǎo)料桿傳遞給平料柵時(shí)，平料柵產(chǎn)生擾動(dòng)。平料柵上的橫向或縱向肋板將糧食向四周邊緣擾動(dòng)，使旋淋布料機(jī)構(gòu)布料形成的兩個(gè)同心圓環(huán)糧食的錐頂角不斷增大，使同心圓環(huán)糧食的錐頂角保持在110°～170°，糧食向四周邊緣移動(dòng)，充滿干燥倉(cāng)頂部的橫斷面，實(shí)現(xiàn)旋淋擾動(dòng)組合布料過(guò)程。

4 裝置性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

晚稻：黃花粘，含水率26%～28%，市售。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備與條件

4.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

旋淋擾動(dòng)糧食干燥機(jī)：HX-30型，湖北天和機(jī)械有限公司；

米麥兩用水分計(jì)：1D-6型，上海三久機(jī)械有限公司；

單粒水分計(jì)：CTR.500ET型，上海三久機(jī)械有限公司；

爆腰檢查器：DC.50型，上海三久機(jī)械有限公司。

4.2.2 試驗(yàn)地點(diǎn) 湖北華苑糧油有限公司的干燥車間。

4.2.3 試驗(yàn)時(shí)間與試驗(yàn)條件 2017年10月26日～11月7日，大氣溫度9～23 ℃，相對(duì)濕度60%～85%。

4.3 試驗(yàn)方法

將剛收割的晚稻黃花粘裝入HX-30型旋淋擾動(dòng)糧食干燥機(jī)，進(jìn)行干燥試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，采用停機(jī)進(jìn)行頂部取樣的方式，按GB/T 6970—2007《糧食干燥機(jī)試驗(yàn)方法》以及GB/T 21015—2007《稻谷干燥技術(shù)規(guī)范》測(cè)定試樣的含水率、含雜率、水分不均勻度、含雜不均勻度等。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表1可知，隨著干燥作業(yè)進(jìn)行和糧食水分含量降低，圖2 所示測(cè)點(diǎn)的水分值、含雜量、水分均值、含雜量均值、水分不均勻度、含雜量不均勻度值都在降低。糧食中含雜量的降低，說(shuō)明雜質(zhì)的含水量比糧食含水量大；當(dāng)糧食水分降低時(shí)，雜質(zhì)的失水更多，故雜質(zhì)的含量降低。同時(shí)，當(dāng)糧食水分<17% 以后，水分不均勻度值<1%。糧食中含雜量的不均勻度值隨著糧食水分降低而減小，并小于0.5%，說(shuō)明旋淋擾動(dòng)布料過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象，糧食干燥機(jī)內(nèi)糧食的容積密度變化很小，可以忽略不計(jì)，達(dá)到了均勻布料的設(shè)計(jì)要求。

表1 旋淋擾動(dòng)布料裝置試驗(yàn)結(jié)果

表1顯示，當(dāng)糧食水分較高時(shí)，甩盤(pán)布料方式中，邊緣測(cè)點(diǎn)含雜量高于中部測(cè)點(diǎn)的。當(dāng)糧食水分較低時(shí)，甩盤(pán)布料方式中，邊緣測(cè)點(diǎn)含雜量略低于中部測(cè)點(diǎn)的，說(shuō)明糧食水分較高時(shí)，雜質(zhì)的含水量更高，雜質(zhì)更重，甩得較遠(yuǎn)，邊緣測(cè)點(diǎn)處的雜質(zhì)含量較高；當(dāng)糧食水分較低時(shí)，雜質(zhì)失水更多，重量減少更快，甩的距離亦減小，中部測(cè)點(diǎn)處的雜質(zhì)含量增多。

5 結(jié)論

分析高水分、高含雜濕糧對(duì)流動(dòng)性的影響，設(shè)計(jì)旋淋擾動(dòng)組合布料機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)表明：旋淋布料形成兩個(gè)同心圓環(huán)，且兩個(gè)同心圓環(huán)的斷面積比進(jìn)料口斷面積大20～50倍；擾動(dòng)布料使兩個(gè)同心圓環(huán)糧食的錐頂角增大到110°～170°，既使干燥機(jī)頂層糧食有水平運(yùn)動(dòng)，又控制了糧食與雜質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，防止自動(dòng)分級(jí)現(xiàn)象出現(xiàn)。采用旋淋擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)，使邊緣測(cè)點(diǎn)位置和中部測(cè)點(diǎn)位置所測(cè)含雜不均勻度小于2%，且各測(cè)點(diǎn)水分不均勻度均小于1%，說(shuō)明旋淋擾動(dòng)布料機(jī)構(gòu)可增大進(jìn)料口斷面積和增加糧食水平運(yùn)動(dòng)，使干燥機(jī)頂層糧食基本保持水平狀態(tài)，是一種工作穩(wěn)定可靠的糧食布料裝置。

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