蕎麥剝殼機(jī)流量控制對剝殼效果的影響

成圖雅，陳 偉，杜文亮

(1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

蕎麥作為一種傳統(tǒng)的雜糧作物，對降低血脂、預(yù)防高血壓和心腦血管疾病具有較好的作用，日益受到人們的青睞[1-3]。蕎麥米是蕎麥加工的初級產(chǎn)物，可直接蒸煮食用，亦可作為加工蕎麥粉或其他食品的原料，其關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備為蕎麥剝殼機(jī)[4-5]。目前，砂盤式蕎麥剝殼機(jī)市場應(yīng)用較為廣泛，其剝殼效果好，但效率略低[6-7]。對于提高剝殼機(jī)工作效率和剝殼質(zhì)量方面，前人做了較多研究，如吉平等[8]應(yīng)用雙盤式結(jié)構(gòu)對沙棘進(jìn)行了脫殼試驗(yàn)，圍繞含水率、轉(zhuǎn)速、剝殼間隙等因素對脫殼效果的影響規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。佟姝艷[9]根據(jù)固體松散物料輸送流量控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于物料體積進(jìn)行控制的定量給料裝置，對散狀物料進(jìn)行控制。刁斯琴等[10]發(fā)現(xiàn)剝殼間隙對蕎麥剝殼效果影響顯著。邢凱等[11]提出了蕎麥米加工過程中應(yīng)用容積法實(shí)時(shí)檢測和控制在線流量的建議，但是未進(jìn)行具體的試驗(yàn)驗(yàn)證。全亞靜等[12]基于蕎麥搓擦式剝殼過程及長圓孔篩的機(jī)理，設(shè)計(jì)了長圓孔篩并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為蕎麥剝殼前的分級處理提供了參考。陳偉等[13-14]針對蕎麥剝殼機(jī)剝殼間隙的均勻性對剝殼效果的影響進(jìn)行了研究，分析出剝殼間隙周向不均的產(chǎn)生原因，同時(shí)采用增加刻度環(huán)的方式提高了剝殼間隙調(diào)整的方便與準(zhǔn)確性，同時(shí)選取剝殼間隙、砂盤轉(zhuǎn)速及間隙周向誤差為影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，出米率高于目前蕎麥米生產(chǎn)水平10%～25%。

上述眾多研究中，對于砂盤的粗糙度、工作面寬度及工作流量對蕎麥剝殼的影響少有報(bào)道。鑒于此，本研究擬通過采用自行設(shè)計(jì)的流量測定裝置對極限流量進(jìn)行測定，并對不同粒度及工作面寬度的砂盤進(jìn)行試驗(yàn)研究，以發(fā)現(xiàn)其作用規(guī)律，為設(shè)備合理使用及結(jié)構(gòu)參數(shù)改良奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置及工作原理

1.1.1 蕎麥剝殼機(jī)的組成及原理 蕎麥剝殼機(jī)是試驗(yàn)的主要設(shè)備，其主要工作部件為一對上下平行的砂盤，下砂盤工作時(shí)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，上砂盤靜止不動(dòng)。當(dāng)分級后的物料進(jìn)入剝殼機(jī)后，流經(jīng)剝殼機(jī)內(nèi)上、下砂盤之間的剝殼間隙時(shí)，在砂盤的摩擦、碰撞和擠壓等作用下而剝殼，最終得到蕎麥、蕎麥米、蕎麥皮及粉塵的混合物。出口的混合物再經(jīng)過篩分得到干凈的蕎麥米、碎米和未剝殼蕎麥等。蕎麥剝殼機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于剝殼機(jī)的結(jié)構(gòu)原因，工作時(shí)剝殼機(jī)內(nèi)的局部地方會殘存一定量的物料，進(jìn)而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。為了既保證數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)減少試驗(yàn)用料，試驗(yàn)前對設(shè)備進(jìn)行了局部改動(dòng)。將剝殼機(jī)的外圈用4根立柱代替，并采用便于拆卸的布料進(jìn)行外圍的包裹，一方面便于對內(nèi)部殘存物料進(jìn)行清理，另一方面可使得剝殼間隙調(diào)整更加直觀和準(zhǔn)確。此外，用布料包裹的方式可以避免在極限流量狀態(tài)時(shí),剝殼機(jī)內(nèi)部物料堵塞造成的設(shè)備停轉(zhuǎn)和損壞。

1.料斗； 2.調(diào)整輪； 3.上蓋； 4.上砂盤； 5.下砂盤； 6.出料口； 7.外圈； 8.鎖緊環(huán)1.Hopper; 2.Adjusting wheel; 3.Top-cover; 4.Upper sand disc; 5.Lower sand disc; 6.Discharge hole; 7.Outer ring; 8.Locking ring圖1 蕎麥剝殼機(jī)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure of buckwheat huller

1.1.2 流量檢測的原理及設(shè)備 在流量檢測中常采用容積法、微波法和撞擊法等測量方法[15-16]，使用前一般均需要進(jìn)行矯正,方能較為準(zhǔn)確測量出工作流量，矯正過程中的物料流量越大則數(shù)據(jù)的可靠性越大。本研究設(shè)計(jì)了專用的流量檢測裝置來判斷工作流量的大小。

工作流量檢測思路：通過在管道中測量流動(dòng)過程中,某物料截面流經(jīng)不同管道位置時(shí)的時(shí)間差，配合管道直徑和物料的密度，從而計(jì)算出物料的實(shí)際流量。具體操作：在剝殼機(jī)入口位置設(shè)置一直徑稍大的亞克力透明管作為流量檢測管，在管道上、下兩端分別開小孔，并在小孔外側(cè)安裝激光對穿傳感器。同時(shí)，在檢測管下方設(shè)置卸料插板，用以控制卸料速度。剝殼機(jī)工作前，檢測管中填滿試驗(yàn)物料，激光受到物料的遮擋而無法到達(dá)接收傳感器端。工作時(shí)，打開卸料插板，檢測管中的物料料位逐漸下降。當(dāng)料位分別到達(dá)上、下2個(gè)激光傳感器位置時(shí)，激光信號穿過小孔及管道到達(dá)接收傳感器端，信號采集模塊分別對信號進(jìn)行采集并輸出至計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中，通過軟件可以查看信號輸出的絕對時(shí)間及時(shí)差，結(jié)合管徑與物料容積即可得到相應(yīng)的流量。信號采集部分采用單片機(jī)和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過重復(fù)性試驗(yàn)可知，相同參數(shù)下的測量誤差在±0.1 s內(nèi)，可滿足試驗(yàn)測量要求。圖2為工作流量采集系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)參數(shù)：檢測管采用外徑為110 mm的透明亞克力管，壁厚3 mm。傳感器：PNP型激光對穿傳感器，工作電壓12 V、電流120 mA，響應(yīng)時(shí)間1 ms。信號采集板：Arduino UNO及配套軟件。

工作流量計(jì)算公式：

Q=π×D2×H×ρ4×T≈4.619T

(1)

式中，Q為工作流量，kg/s；D為流量管直徑(0.104 m)；H為測量段高度(0.8 m)；T為時(shí)間，s；ρ為蕎麥密度(680 kg/m3)。

1.蕎麥剝殼機(jī)； 2.對穿傳感器； 3.透明管； 4.電源；5.信號轉(zhuǎn)換電路； 6.信號采集板； 7.計(jì)算機(jī)1.Buckwheat huller; 2.Interpenetrating sensor; 3.Transparent tube; 4.Power supply; 5.Signal conversion circuit; 6.Signal acquisition board; 7.Computer圖2 流量采集系統(tǒng)組成Fig.2 System composition of flow detection

1.2 試驗(yàn)材料

本研究中的蕎麥為內(nèi)蒙古自治區(qū)普遍種植的蕎麥品種溫莎，產(chǎn)地為內(nèi)蒙古自治區(qū)武川縣，2018年秋季人工收獲，收獲后自然晾曬并進(jìn)行存儲，含水率10%～14%。試驗(yàn)前使用組合清理篩對蕎麥進(jìn)行清理，清理后的蕎麥再經(jīng)過平面回轉(zhuǎn)篩進(jìn)行分級，將分級后的蕎麥分別存放。從中選出4.6～4.8 mm粒徑的蕎麥作為試驗(yàn)樣品。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)

蕎麥米的加工過程中，既要追求質(zhì)量，同時(shí)要保證足夠的生產(chǎn)率，具體表現(xiàn)在剝殼效果和工作效率上。剝殼效果主要體現(xiàn)在出米率和相對碎米率上，出米率越高，相對碎米率越低，則剝殼效果越好。工作效率則指單位時(shí)間的產(chǎn)米量，其不僅與出米率有關(guān)，還與工作流量有關(guān)。出米率越高，工作流量越大，則單位時(shí)間產(chǎn)米量越大(單位時(shí)間產(chǎn)米量=工作流量×出米率)，表明剝殼機(jī)的工作效率越高。因此，試驗(yàn)過程中首先針對砂盤粒度、砂盤工作面寬度、工作速度和剝殼間隙各因素對出米率及相對碎米率的影響規(guī)律進(jìn)行研究；其次，針對砂盤工作面寬度、工作速度和剝殼間隙3個(gè)因素對流量的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

出米率(A)：

A=M1M×100%

(2)

相對碎米率 (B)：

B=M2M×100%

(3)

單位時(shí)間產(chǎn)米量(C)：

C=Q×A×100%

(4)

式中，M—?jiǎng)儦で笆w麥總質(zhì)量，g；M1—?jiǎng)儦ず笏@得所有蕎麥米的質(zhì)量，g；M2—?jiǎng)儦ず笏@得蕎麥碎米的質(zhì)量(即直徑3 mm篩下物)，g；Q—蕎麥剝殼機(jī)喂入蕎麥流量，kg/s。

1.4 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)前使用毛刷對設(shè)備內(nèi)部的殘留物料進(jìn)行清理，并初步調(diào)節(jié)剝殼間隙，然后通過針規(guī)對砂盤間隙進(jìn)行測量，并反復(fù)調(diào)整至所需間隙并將外圍用布料包裹。剝殼前后各空載運(yùn)行約15 s，保證設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。測量出米率與碎米率的試驗(yàn)過程為：原料→分級→取樣→剝殼→去粉→去皮→分離→稱質(zhì)量。極限流量在剝殼的同時(shí)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測。圖3中L為剝殼機(jī)上砂盤工作面寬度。

圖3 上砂盤結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of upper sand plate

單因素試驗(yàn)主要為測量剝殼間隙、砂盤轉(zhuǎn)速、砂盤粒度及工作面寬度對極限流量的影響。試驗(yàn)均為單因素試驗(yàn)，因素水平選擇見表1，部分試驗(yàn)因素水平選取較為特殊，詳見2.2部分。單因素試驗(yàn)均重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)用料量除極限流量測量外，單次樣品均為500 g，一次性喂入剝殼機(jī)。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平Tab.1 Single factor test factor and level

工作流量控制是剝殼過程中的重要環(huán)節(jié)，流量越大，同等出米率下單位時(shí)間將獲得更多的蕎麥米，故而生產(chǎn)上一般將其調(diào)節(jié)至極限流量附近。極限流量的測量采用前述自制的測量裝置，測量前關(guān)閉卸料插板并填裝物料至漏斗內(nèi)指定高度，然后同時(shí)調(diào)整變頻器并開機(jī)，等待15 s后打開計(jì)算機(jī)端的串口監(jiān)視窗口，并對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，待監(jiān)視窗口不斷顯示“0”時(shí)，移除卸料插板即可。隨著物料的突然下降并填充滿剝殼機(jī)內(nèi)的腔體后，物料流動(dòng)趨于穩(wěn)定。當(dāng)上端物料平面分別經(jīng)過上、下傳感器時(shí)將觸發(fā)信號，串口會分別記錄觸發(fā)時(shí)間并通過相減得到時(shí)差，即物料經(jīng)過上下傳感器時(shí)所消耗的時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 砂盤轉(zhuǎn)速對剝殼效果的影響

在5.0 mm剝殼間隙條件下，通過改變砂盤轉(zhuǎn)速來觀察極限流量和剝殼率的變化。砂盤轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率實(shí)現(xiàn)，頻率與轉(zhuǎn)速大致呈線性關(guān)系。為方便起見，試驗(yàn)時(shí)取整數(shù)頻率，對應(yīng)砂盤轉(zhuǎn)速見表1，試驗(yàn)結(jié)果見圖4、5。由圖4、5可知，隨著砂盤轉(zhuǎn)速的增加，出米率和相對碎米率均會增加，當(dāng)砂盤轉(zhuǎn)速達(dá)到950 r/min附近時(shí)相對碎米率會明顯增加，表明工作速度不宜超過此速度，否則蕎麥的加工損失會快速增加。原因可能在于砂盤轉(zhuǎn)速過大后，蕎麥籽粒在砂盤間反復(fù)彈跳，撞擊力增大，故而產(chǎn)生大量的破碎籽粒，即籽粒運(yùn)動(dòng)速度接近臨界沖擊損傷速度[12-13]。在較低砂盤轉(zhuǎn)速剝殼時(shí)可獲得較少的損失，蕎麥出米質(zhì)量較好，但出米率下降較大，使用時(shí)可根據(jù)質(zhì)量要求適當(dāng)降低或增加砂盤轉(zhuǎn)速。

圖4 砂盤轉(zhuǎn)速-出米率曲線Fig.4 Curve of rotational speed of sand disc-rice yield rate

圖5 砂盤轉(zhuǎn)速-相對碎米率曲線Fig.5 Curve of rotational speed of sand disc-relative broken rice rate

2.2 剝殼機(jī)極限流量自變化規(guī)律

剝殼機(jī)的單位時(shí)間產(chǎn)米量不僅與出米率相關(guān)，也與剝殼機(jī)的工作流量相關(guān)。增大工作流量是提高剝殼機(jī)單位時(shí)間產(chǎn)米量的途徑之一。圖6—9以砂盤轉(zhuǎn)速、剝殼間隙、工作面寬度及砂盤粒度為因素對極限流量進(jìn)行測量，找出極限流量的變化規(guī)律。

由圖6可知，砂盤轉(zhuǎn)速的增加并不會引起極限流量的線性增加，當(dāng)砂盤轉(zhuǎn)速達(dá)一定數(shù)值后極限流量增長緩慢。剝殼機(jī)的正常工作速度位于此平滑增長段，盡管極限流量變化不大，但是速度的增加使得蕎麥更易剝殼，進(jìn)而出米率增加。

圖6 砂盤轉(zhuǎn)速-極限流量曲線Fig.6 Curve of rotational speed of sand disc-limited flow

由圖7可知，隨著剝殼間隙的增大極限流量呈線性增加。

由圖8可知，工作面寬度的變化會導(dǎo)致極限流量的明顯變化，隨著工作面寬度的增加，極限流量趨于線性減小。因此在保證出米率基本不變的情況下，可盡量使工作面變窄，以獲得較大的極限流量，提高生產(chǎn)效率。

圖8 工作面寬度-極限流量曲線Fig.8 Curve of working face width-limited flow

圖9表明，在有限的砂盤粒度范圍內(nèi)，砂盤粒度對極限流量的影響較小，可忽略不計(jì)。

圖9 上砂盤粒度-極限流量曲線Fig.9 Curve of sand plate particle size-limited flow

3 結(jié)論與討論

本研究以追求較高的出米質(zhì)量為目標(biāo)，選取砂盤轉(zhuǎn)速、剝殼間隙、工作面寬度和砂盤粒度四因素對極限流量的影響因素做單因素試驗(yàn)分析，得出影響剝殼效果的主要因素。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著砂盤轉(zhuǎn)速的增大，出米率呈線性增長，但在轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，相對碎米率急劇上升，砂盤轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后極限流量增長緩慢。當(dāng)砂盤轉(zhuǎn)速趨于950 r/min時(shí)相對碎米率明顯增加，砂盤轉(zhuǎn)速對極限流量的影響恰好趨于平滑段，對極限流量的影響不明顯，因此砂盤轉(zhuǎn)速不建議超過950 r/min。隨著剝殼間隙的增大，極限流量呈線性增長，但是剝殼間隙在大于某一閾值之后，如果繼續(xù)增大，極限流量雖然增大，但出米率卻會因?yàn)樯舷律氨P對蕎麥的搓擦擠壓程度變小而降低。工作面寬度的變化會導(dǎo)致極限流量的明顯變化，隨著工作面寬度的增大，極限流量呈線性減小趨勢。因此，在保證出米率基本不變的情況下，盡量使工作面寬度變窄，以獲得較大的極限流量，從而提高生產(chǎn)效率。砂盤的粒度對極限流量影響較小，在有效的砂盤粒度范圍內(nèi)，可忽略不計(jì)。

以往的研究中[14,17]，人們常常僅選取剝殼間隙、砂盤轉(zhuǎn)速、砂盤工作面寬度及間隙周向誤差等參數(shù)進(jìn)行單因素及正交試驗(yàn)分析蕎麥剝殼機(jī)的剝殼效果,鮮有考慮砂盤轉(zhuǎn)速、工作面寬度、剝殼間隙對極限流量和剝殼效果的影響。針對蕎麥剝殼機(jī)流量檢測方面，邢凱等[11]僅提出應(yīng)用容積法實(shí)時(shí)檢測和控制在線流量的建議，但一直未有相關(guān)學(xué)者對流量的控制做具體的研究。本研究在綜合考慮剝殼機(jī)的工作性能的情況下，設(shè)計(jì)一套流量采集系統(tǒng)對流量進(jìn)行監(jiān)測，并合理優(yōu)化剝殼機(jī)的極限流量，有助于降低剝殼機(jī)組的噸米耗電量，此外在節(jié)能環(huán)保等方面也做出了重要貢獻(xiàn)。