橫式碾米機內米粒碾白機理及破碎特性探討

趙海瑞

（江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站 江蘇·南京 210000）

1 碾米機內米粒碾白理論概述

首先，米粒碾白理論的研究。自第一臺碾米機出現(xiàn)后，關于碾米理論也在不斷的發(fā)展，為今后的研究奠定了基礎。其中，大部分的理論分析是把碾白室中的米粒群近似為“米粒流體”，并且根據(jù)連續(xù)介質力學來研究米粒碾白運動情況，但是忽略了米粒群自身的力學屬性，使得分析過程存在一定的偏差。所以利用碾米理論對其機理的研究具有一定的局限性。

其次，米粒破碎理論的研究。由于米粒破碎的加工過程比較復雜，且影響因素較多，給米粒破碎理論的研究帶來了許多困難。經(jīng)過近10年的研究，闡明了從單籽粒方向分析籽粒群破碎力學行為的重要性，同時給稻谷損傷機理和加工工序的研究奠定了基礎。

2 橫式碾米機內米粒碾白機理

2.1 橫式碾米機碾米過程離散元模型建立

2.1.1 米粒接觸模型的建立

在碾米機當中會出現(xiàn)米粒之間以及米粒與碾米機間的摩擦碰撞，其本質是米粒群的受力與力矩之間的傳遞過程。所以，計算出米粒之間的力矩至關重要。現(xiàn)階段，各種離散元接觸模型被應用到力與力矩的計算當中，綜合考慮米粒碾白的要求以及各個模型的特點，本文選用Hertz-Mindlin接觸模型，從而求得米粒間的力與力矩，描述出米粒在不同時刻的運行狀態(tài)。

2.1.2 米粒離散元模型的建立

對于大多數(shù)的農(nóng)業(yè)散粒體物料來說，其離散元模型主要分為兩種，分別為利用帶有滾動摩擦系數(shù)的球形顆粒和利用多球面重疊來模擬真實籽粒情況。其中，多球重疊法能夠在最大程度上模擬真實的籽粒形狀，然而由于球面的重疊會使得顆粒之間出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，其仿真時間和重疊的數(shù)量呈正比例關系。而具有滾動摩擦系數(shù)的球形顆?？梢酝ㄟ^接觸檢測算法，使得仿真成本得到一定的減少。此外，一些學者已經(jīng)使用帶有滾動摩擦系數(shù)的球形顆粒來近似玉米等農(nóng)作物，而且驗證了此方法的可行性。所以，本文使用帶有滾動摩擦系數(shù)的球形顆粒來近似米粒。

2.1.3 橫式碾米機模型的建立

利用商業(yè)化離散元軟件能夠對橫式碾米機內米粒碾白過程進行模擬分析，并且利用實驗室級碾米機當作原型機來開展測繪工作，從而建立碾米機離散元仿真模型，如圖1所示。此橫式碾米機模型為簡化裝置，省去了料口調節(jié)裝置等部分。

橫式碾米機模型和實驗室級碾米機的配置相似，主要由料斗、螺旋輸運器、米篩、凸筋以及碾米棍等部分構成。其中，米篩和螺旋運輸器構成的空腔可以看做是“輸運室”，主要功能為給碾白室當中不斷的提供米粒；而凸筋是碾米棍上的部分，米篩和碾米棍構成的空腔可以看做為“碾白室”，而米粒擦離碾白就是在該區(qū)域內進行。

圖1：橫式擦離型碾米機離散元模型

2.1.4 碾米過程離散元模型的驗證

在模擬米粒碾白過程之前，需要對其離散元接觸模型和相關的參數(shù)進行驗證，主要分為直接驗證、間接驗證等方式。其中，直接驗證是通過核磁共振成像、粒子圖像測速等測試技術，將試驗過程可視化處理，同時將其顆粒信息和仿真結果進行對比，以便分析離散元模型的可行性。而間接驗證是把停留時間、功率等測量參數(shù)與仿真結果進行比較，說明離散元模型的可行性。雖然直接驗證的可信度較高，但是試驗成本高，適用于小規(guī)模的試驗。綜合來看，本文利用間接驗證的方法，將稻谷與白米表示為不同靜摩擦系數(shù)的米粒，同時把顆粒停留時間以及碾米機的實時功率當作指標，從而驗證離散元模型的效果。

2.2 米粒碾白運動一致性分析

在碾米機當中，米粒的運動軌跡可以看做為近似的螺旋線，因此運動過程能夠分為軸向運動以及圓周運動等。而且米粒碾白運動的一致性對碾磨的均勻性和程度具有一定的影響，能夠通過數(shù)值模擬過程中停留的時間以及碰撞能進行表示。所以，研究靜摩擦系數(shù)對米粒軸向和圓周運動的一致性、停留時間、碰撞能的影響具有重要的意義。

首先，軸向運動的分析。根據(jù)示蹤米粒的軸向坐標，米粒與壁面間的摩擦系數(shù)對軸向運動的影響較為明顯，且米粒的速度與其密集程度具有一定差異性。米粒越密集，其軸向運動的一致性越好。所以米粒表面的粗糙程度對軸向運動的一致性有著密切的影響。

其次，圓周運動的分析。當靜摩擦系數(shù)增加時，受到粗糙程度的影響，米粒的數(shù)量不斷的增加，其碰撞產(chǎn)生的能量也越來越大。因此，米粒間產(chǎn)生的靜摩擦系數(shù)對圓周運動的一致性有著重要的影響，而通過提高米粒間的靜摩擦系數(shù)，能夠提高其圓周運動的均勻性。

2.3 米粒碾磨性能分析

首先，停留時間。碾磨時間能夠有效的評價橫式碾米機的碾磨性能。當米粒運動相同的距離時，其軸向運動能力大致相同，一旦筒壁的粗糙度較大，米粒的停留時間也會延長。也就是說，當米粒的軸向運動差異性較小時（米粒在碾白室中停留時間相似），米粒碾磨性能更好；而當米粒在碾磨機中停留的時間具有一定的差異性，產(chǎn)生重碾或者輕碾的問題，就會導致米粒的碾磨不均勻。

其次，碰撞特性。當靜摩擦系數(shù)增大的時候，米粒的平均碰撞能呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢，這主要是由于徑向速度梯度會隨著靜摩擦系數(shù)的增加而增加，使得碾米棍傳遞給米粒的碰撞能不斷的增加，而徑向速度梯度減小，碰撞能也隨之減少。此外，平均碰撞能的變化情況和圓周運動的一致性較為類似，因此可以認為碰撞強度與米粒的圓周運動一致性之間有著密切的聯(lián)系。

3 橫式碾米機內米粒破碎特性

3.1 單粒米破碎特性分析

在研究過程中，利用商業(yè)軟件EDEMTM對不同含水量下單粒米破碎的數(shù)值進行模擬，利用顆粒粘結模型作為離散元接觸模型。在米粒離散元模型的建立過程中，把米粒的真實形狀變?yōu)檩S對稱橢球體，從而保證單粒米破碎特性分析的有效性。在建立破碎的米粒模型時，通過擠壓填充的方式，把橢球聚合體近似為真實的米粒，從而構建米粒的離散元模型。

沖擊速度對沖擊強度有著直接的影響，而含水率對粘結鍵強度有著間接的影響，這兩點都對米粒沖擊斷裂失效特征有著重要的影響，所以，可以從沖擊速度以及含水率等兩方面來分析米粒的破碎特性。

首先，沖擊速度的影響。沖擊速度是影響單顆粒破碎特性的重要因素之一。當沖擊速度存在差異時，不同的材料屬性、形狀以及尺寸都會產(chǎn)生不同的破碎形式以及破碎程度?？梢酝ㄟ^破碎率以及最大碎塊尺寸率量化說明米粒的破碎程度。

其次，含水率的影響。米粒自身的強度也是影響其破碎程度的主要原因，可利用不同粘結參數(shù)組合的粘結鍵來表示米粒的強度。由于粘結鍵強度的降低，隨著含水率的提高，米粒的破碎程度也逐漸的加強，因此，米粒破碎和粘結鍵的強度有一定的關系，即粘結鍵的強度越低，米粒越容易發(fā)生破碎。

沖擊速度、含水率和破碎率之間的關系如圖2所示。a、b、c、d四個區(qū)域分別表示未破碎、局部破碎、破裂、粉碎等四個破碎形態(tài)?？梢钥闯?，當沖擊速度、含水率一定時，能夠根據(jù)三者之間的關系判斷出米粒的破碎特性。

圖2：沖擊速度及含水率與破碎之間的關系

3.2 米粒群破碎特性分析

在離散元模型建立的過程中，把米粒的真實形狀變?yōu)檩S對稱橢球體，利用13個重疊球來近似米粒的外形輪廓。利用橫式碾米機模型對米粒群破碎特性進行分析，通過顆粒替換模型與離散元法的結合對橫式碾米機中米粒破碎的情況進行模擬。在碾白的過程中，米粒之間、與碾米輥和米篩之間的碰撞強度大于自身的承受強度，所以使得米粒出現(xiàn)破碎的現(xiàn)象。此外，根據(jù)研究表明，與碰撞能相比較，耗散能更加適合量化沖擊強度，因此，可以通過耗散能量化米粒和相鄰米粒之間、與碾米輥和米篩之間的碰撞強度。

在米粒碾白的過程中，由于米粒間的碰撞強度較大，因此前期的斷裂形式主要為脆性斷裂，而后期的斷裂形式為疲勞斷裂，且在特定的情況下脆性斷裂和疲勞斷裂會同時存在。此外，脆性斷裂主要發(fā)生在碾米機出料口或者碾米輥周圍，而疲勞斷裂的產(chǎn)生區(qū)域為碾米機進料口處或者米篩附近。

4 總結

本文通過對橫式碾米機內米粒碾白機理及破碎特性的探討，使我們了解到了，碾米加工過程中碎米率與沖擊速度、含水率的關系，對如何降低碾米加工中碎米率提供了技術支撐，提高了經(jīng)濟效益。因此，對米粒碾白機理的研究以及破碎特性的分析具有重要的實際意義，不但能夠為以碾米降碎為目標的碾米機優(yōu)化提供科學的指導，而且能夠很好的解決在碾米加工過程中出現(xiàn)的碎米問題。另外，在實際的碾米過程中，不僅要對米粒的碾白運動進行分析，還包括糠層的移除等工作，需要進行更加深入的研究。