振動磨機(jī)磨介特征對小麥麩皮超微粉碎效果的影響

程 敏，劉保國，曹憲周，王明旭

（1. 河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001；2. 河南省糧食加工智能裝備工程研究中心，鄭州 450001）

0 引 言

小麥麩皮纖維含量較高，物理特性呈現(xiàn)出韌性大、脆性小的特點(diǎn)，常規(guī)糧食粉碎設(shè)備很難對其進(jìn)行超微粉碎[1-2]。振動磨作為一種依靠磨介在高頻振動過程中產(chǎn)生的沖擊、剪切、擠壓、研磨等破碎效應(yīng)粉碎物料的介質(zhì)類磨機(jī)，比普通球磨機(jī)、傳統(tǒng)錘式磨、實(shí)驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)等粉碎設(shè)備更適合超微粉碎高纖維生物質(zhì)材料[3-4]，如小麥麩皮[5]、毛竹筍干[6]、甘蔗渣[7]等。根據(jù)振動磨機(jī)的粉碎機(jī)理可知，當(dāng)振動磨機(jī)的振動特性[8]和粉碎溫度[9]優(yōu)化設(shè)置后，磨筒內(nèi)部磨介的形狀、尺寸、密度等特征將是制約小麥麩皮超微粉碎效果的關(guān)鍵因素。因?yàn)楫?dāng)磨介特征發(fā)生變化時，不僅影響磨介之間的接觸形式、空間位置、填充狀態(tài)等[10-11]，還將改變麩皮與磨介之間的沖擊接觸特性[12-13]，進(jìn)而影響小麥麩皮的振動沖擊超微粉碎效果。

然而，目前鮮有以小麥麩皮作為粉碎對象研究振動磨機(jī)磨介特征對其超微粉碎效果影響的相關(guān)報(bào)道，而以普通球磨機(jī)磨介特征影響礦物質(zhì)材料粉碎效果的研究居多。Kelsall等[14]、Ipek[15]、Cuhadaroglu等[16]、Simba等[17]、Shi[18]、Lameck 等[19-20]、Qian 等[21]、童佳琪等[22]選擇球體、圓柱體、立方體、半橢球體、六棱柱等具有不同形狀特征的磨介開展了多種礦物質(zhì)粉碎試驗(yàn)，研究磨介形狀特征對其粉碎效果的影響。錢海燕[23]研究了磨介尺寸對水泥粉碎效果的影響。李妙玲等[24]研究了磨介密度對球磨機(jī)粉碎效率影響。Farber 等[25]則同時研究了磨介尺寸和密度對球磨機(jī)粉碎性能的影響。以上研究證實(shí)了磨介的形狀、尺寸、密度等特征對普通球磨機(jī)粉碎性能的影響。雖然普通球磨機(jī)和振動磨均屬于介質(zhì)類磨機(jī)，但鑒于二者在粉碎機(jī)理方面以及礦物質(zhì)材料與生物質(zhì)材料在粉碎力學(xué)特性方面的差異性，普通球磨機(jī)磨介特征對礦物質(zhì)材料粉碎效果影響的研究成果是不能直接用于指導(dǎo)小麥麩皮的振動超微粉碎。事實(shí)上，針對振動磨機(jī)磨介特征對礦物質(zhì)材料粉碎效果的影響卻早已得到研究者的關(guān)注。唐果寧等[26]研究了磨介球大小及配比對煤矸石振動粉碎效果的影響。韓躍新等[27]利用鋁土礦粉碎試驗(yàn)研究了圓柱形、柱球、球形磨介對振動磨機(jī)選擇性磨礦效果的影響。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值建模技術(shù)的發(fā)展，林楓等[28]利用離散元數(shù)值模擬方法研究多種密度組合磨介球?qū)φ駝幽シ鬯榱W(xué)特性的影響。程敏等[12]利用非線性有限元數(shù)值模擬方法研究了磨介尺寸和密度對小麥麩皮振動沖擊破碎性能的影響。以上研究雖然可以證實(shí)振動磨機(jī)磨介特征對物料粉碎效果的影響，但卻未能系統(tǒng)地給出磨介形狀、尺寸、密度等特征對小麥麩皮振動超微粉碎效果影響的作用機(jī)制，更無法指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

為此，本文選擇小型實(shí)驗(yàn)型振動磨和低溫循環(huán)泵構(gòu)建具有控溫功能的試驗(yàn)平臺，基于振動磨振動特性相同原則設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，針對磨介的形狀、尺寸、密度等特征開展小麥麩皮振動沖擊粉碎試驗(yàn)。選取小麥麩皮粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為產(chǎn)量指標(biāo)，微粉粒度分布特征參數(shù)作為品質(zhì)指標(biāo)，探究磨介特征對小麥麩皮振動沖擊粉碎效果的影響規(guī)律，從而為利用磨介特征提升小麥麩皮超微粉碎效果提供實(shí)踐基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 振動磨機(jī)動力學(xué)模型

振動磨機(jī)一般由電動機(jī)、聯(lián)軸器、磨筒及其磨介、激振器、冷卻系統(tǒng)、支撐減振裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時，電動機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器驅(qū)動激振器做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而使振動體在支撐減振裝置上做高頻振動，磨筒內(nèi)的物料受到磨介強(qiáng)烈的沖擊、擠壓、摩擦、剪切等破碎效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)超微粉碎。其動力學(xué)模型可用如下微分方程組進(jìn)行描述[13,29]

式中x、y分別為磨機(jī)振動體在水平和鉛垂方向上的位移，m；m為磨機(jī)振動體總質(zhì)量，且m=m0+m1+λ(m2+m3)；m0為激振器偏心塊質(zhì)量，kg；m1為磨筒質(zhì)量，kg；m2為磨介質(zhì)量，kg；m3為物料質(zhì)量，kg；λ為磨介與物料的參振系數(shù)；cx、cy分別為磨機(jī)振動體的水平和鉛垂阻尼，N/(m/s)，與激振力相比，可忽略不計(jì)；kx、ky分別為支撐減振裝置的水平和鉛垂剛度，N/m，技術(shù)上可令kx=ky，為表達(dá)方便，令彈簧剛度ks=kx=ky；r0為偏心塊質(zhì)心半徑，m；ω為激振器工作頻率，Hz，與聯(lián)軸器聯(lián)接時為電機(jī)轉(zhuǎn)速；θ為初相位角，rad。

式中A為振幅，m；K為振動強(qiáng)度；F為磨介慣性力，N；g為重力加速度，m/s2。根據(jù)式（2）～（4）可知，只要保證磨介質(zhì)量m2相同，振動磨機(jī)振動特性參數(shù)A、K、F也可完全相同，理論上振動磨機(jī)應(yīng)具有相同的超微粉碎性能和能耗[30]。

根據(jù)振動磨機(jī)磨介填充率的修正質(zhì)量計(jì)量法[12]，磨筒內(nèi)的磨介質(zhì)量m2亦可表示為

式中φ為磨介填充率，%；V為磨筒容積，L；ρ為磨介密度，kg/m3；η為磨介致密度系數(shù)，與磨介的形狀、尺寸有關(guān)[12]。根據(jù)式（5）可知，當(dāng)磨介質(zhì)量相同時，磨介的密度、形狀、尺寸等特征可以完全不同，此時磨介之間的接觸形式、空間位置、填充狀態(tài)等將發(fā)生變化，必將影響振動磨機(jī)的超微粉碎性能，但振動磨機(jī)動力學(xué)模型卻無法描述因磨介特征差異而引起的超微粉碎性能的變化。為了揭示磨介特征對小麥麩皮超微粉碎效果的影響規(guī)律，在保證振動磨機(jī)振動特性不變的前提下，開展小麥麩皮振動沖擊超微粉碎試驗(yàn)是目前比較可靠實(shí)用的研究方法。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

小麥麩皮為2019 年產(chǎn)煙農(nóng)19，購于鄭州市金苑面粉廠零售門市部。為了便于對比分析振動沖擊粉碎試驗(yàn)效果，依次用5 目、20 目標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩對清洗后的麩皮原料進(jìn)行篩分處理，取5 目篩下、20 目篩上的麩皮作為粉碎試驗(yàn)試樣。麩皮含水率約為13.4%。

2.2 儀器與設(shè)備

MZ03 小型實(shí)驗(yàn)型振動磨（青島帕羅德粉體設(shè)備有限公司）；低溫冷卻液循環(huán)泵（鄭州優(yōu)大儀器設(shè)備有限公司）；NKT2010-L 干法粒度分析儀（濟(jì)南耐克特分析儀器有限公司）；分辨率0.1 g 電子天平（常熟市佳衡天平儀器有限公司）；水分測定儀（常州奧豪斯儀器有限公司）；5 目、20 目、60 目、200 目標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩（衡水綠若絲網(wǎng)制品有限公司）；振動磨專用磨介，包括不銹鋼球形磨介、氧化鋯球形磨介和不銹鋼圓圓柱形磨介。

試驗(yàn)前，先用T 型螺母配合六角螺栓將振動磨安裝在T 型槽鑄鐵實(shí)驗(yàn)平臺上；再用低溫軟管將低溫循環(huán)泵與振動磨磨筒冷卻片連接起來，構(gòu)成低溫冷卻液循環(huán)回路，以平衡因磨介沖擊碰撞產(chǎn)生的熱量所引起的磨筒內(nèi)部溫升，從而保證小麥麩皮在粉碎過程中近似處于25 ℃的恒溫狀態(tài)。構(gòu)建的振動粉碎試驗(yàn)平臺如圖2 所示。

2.3 試驗(yàn)方案

為了保證振動磨機(jī)的振動特性相同，小麥麩皮均取300 g，磨介質(zhì)量均取4 kg，磨筒內(nèi)溫度保持在25 ℃附近，振動磨額定功率為3 kW，激振器工作頻率50 Hz。圓柱形磨介長度約為25 mm。根據(jù)式（5）制定的試驗(yàn)方案如表1 所示。試驗(yàn)時，利用試驗(yàn)項(xiàng)目A、C 對比分析磨介密度對小麥麩皮粉碎效果的影響，此時磨介形狀、尺寸相同，也即磨介致密度系數(shù)相同。利用試驗(yàn)項(xiàng)目B、C、D、E 對比分析磨介尺寸對小麥麩皮粉碎效果的影響。利用試驗(yàn)項(xiàng)目F、D、G、H 和I、J、K、L 對比分析磨介形狀在時間維度上對小麥麩皮粉碎效果的影響。

表1 小麥麩皮超微粉碎試驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 Experiment projects of wheat bran superfine grinding

試驗(yàn)時，為了節(jié)約時間和研究成本，每個項(xiàng)目進(jìn)行3次粉碎試驗(yàn)，然后將粉碎后的麩皮粉體進(jìn)行混合，再對混合后的麩皮粉體進(jìn)行篩分處理，最后利用粒度分析儀對篩分后的麩皮微粉進(jìn)行粒度分布特征分析，從而解決因多次試驗(yàn)無法統(tǒng)一表征麩皮微粉粒度分布特征的問題，便于對比分析磨介特征對麩皮粉碎效果的影響規(guī)律。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析方法

試驗(yàn)完成后，用5 目標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩分離磨介和麩皮粉體，再依次利用20、60、200 目標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩對麩皮粉體進(jìn)行篩分處理。20 目篩上物定義為未粉碎麩皮（篩分粒徑dA>900μm），20 目篩下物、60 目篩上物定義為麩皮粗粉（280μm

將各種麩皮粉體的質(zhì)量分別與麩皮粉體總質(zhì)量相除即可得到對應(yīng)的麩皮粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

式中DR 表示差異率，CV 表示當(dāng)前值，RV 表示參考值。當(dāng)DR<5%時，表示差異不明顯，可以忽略磨介特征對麩皮粉碎效果的影響；當(dāng)DR>5%時，表示差異明顯，需考慮磨介特征對麩皮粉碎效果的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粉碎試驗(yàn)結(jié)果

振動粉碎試驗(yàn)完成后，根據(jù)試驗(yàn)方案對麩皮粉體進(jìn)行篩分和粒度分析，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 小麥麩皮振動沖擊粉碎試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of vibration impact grinding of wheat bran

3.2 磨介密度對小麥麩皮粉碎效果的影響

根據(jù)圖3 可知，在磨介質(zhì)量相同的條件下，不銹鋼磨介的麩皮粗粉和細(xì)粉產(chǎn)量大于氧化鋯磨介，而麩皮微粉和超微粉產(chǎn)量卻小于氧化鋯磨介。以試驗(yàn)項(xiàng)目C 的試驗(yàn)結(jié)果作為參考值，根據(jù)式（8）計(jì)算可知，氧化鋯磨介與不銹鋼磨介在麩皮粗粉、細(xì)粉方面的產(chǎn)量差異率DR 為負(fù)值，分別為?17.48%、?27.67%；微粉、超微粉的產(chǎn)量差異率DR 為正值，分別為16.11%、50.05%，差異率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5%。表明在磨介質(zhì)量相同的情況下，磨介密度特征對小麥麩皮粉碎效果的影響是非常明顯的，且高密度磨介有利粗粉碎和細(xì)粉碎，低密度磨介有利于微粉碎和超微粉碎。根據(jù)式（5）可知，高密度不銹鋼磨介的填充率（數(shù)量）小于低密度氧化鋯磨介，單個不銹鋼磨介攜帶的能量大于氧化鋯磨介，有利于麩皮的粗粉碎和細(xì)粉碎。另外，由于氧化鋯磨介數(shù)量大于不銹鋼磨介數(shù)量，相對增加了麩皮顆粒與磨介的研磨接觸次數(shù)，有利于麩皮的微粉碎和超微粉碎。因此，為了提高麩皮超微粉體產(chǎn)量，在磨介質(zhì)量相同的情況下應(yīng)選擇低密度磨介。

麩皮微粉的粒度分布特征決定著麩皮超微粉體的產(chǎn)量。圖4 給出了不同磨介密度時小麥麩皮微粉的粒度分布特征曲線。當(dāng)磨介質(zhì)量相同時，氧化鋯磨介的麩皮微粉主峰粒徑值（最頻粒徑[29]）與不銹鋼磨介麩皮微粉的主峰粒徑值相同，均為19.77μm。然而，氧化鋯磨介的微粉粒度分布曲線居中性優(yōu)于不銹鋼磨介，不銹鋼磨介的微粉粒度分布曲線右半支呈現(xiàn)次峰趨勢。另外，氧化鋯磨介麩皮微粉中值粒徑D50為22.52μm，不銹鋼磨介麩皮微粉中值粒徑D50為25.62μm。由此可知，在磨介質(zhì)量相同的情況下，低密度氧化鋯磨介的微粉品質(zhì)優(yōu)于高密度不銹鋼磨介，有利于提高超微粉體產(chǎn)量。

3.3 磨介尺寸對小麥麩皮粉碎效果的影響

根據(jù)表2 得到麩皮各類粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磨介尺寸之間的關(guān)系曲線，如圖5 所示。根據(jù)圖5 可知，隨著磨介尺寸的增大，麩皮粗粉、細(xì)粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小，而微粉、超微粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則先減小后增大，具有二次非線性特征。其中，超微粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磨介尺寸之間的擬合關(guān)系式為

式中d為球形磨介直徑，6mm≤d≤18mm。由于擬合決定系數(shù)R2>0.95，式（9）具有可信度，可用于分析磨介尺寸變化對麩皮超微粉體產(chǎn)量影響的靈敏度。以試驗(yàn)項(xiàng)目B 的麩皮粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為參考值，可以計(jì)算得到磨介尺寸變化引起的麩皮粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的差異率，如表3 第2～4 列DRC-B、DRD-B、DRE-B所示。表3 第5 列DRmax則為不同尺寸磨介對應(yīng)的各種粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值與最小值之間的差異率，此時以粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最小值作為參考值。

表3 磨介尺寸引起的麩皮粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的差異率Table 3 Difference rate of wheat bran powder mass fraction caused by grinding medium size %

根據(jù)表3 可知，在磨介質(zhì)量相同的情況下，麩皮各類粉體的產(chǎn)量差異率均大于5%，說明磨介尺寸對麩皮粉體產(chǎn)量的影響是非常明顯的。其中，負(fù)值表示產(chǎn)量下降，正值表示產(chǎn)量增加。因磨介尺寸變化引起各種粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值與最小值之間的差異率DRmax遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5%，其中超微粉體的DRmax接近50%，說明利用磨介尺寸調(diào)控麩皮超微粉體產(chǎn)量的調(diào)控范圍是充足的。根據(jù)Hertz 接觸理論[32]可知，當(dāng)磨介尺寸增大時，接觸力也隨著增大，但接觸面積的增大速率大于接觸力的增大速率，對麩皮的擠壓研磨效應(yīng)隨之減小，沖擊剪切效應(yīng)隨之增大。如僅考慮麩皮的超微粉體產(chǎn)量，DRmax的最大值49.64%出現(xiàn)在試驗(yàn)項(xiàng)目C、E 之間，說明某些大尺寸磨介也有利于麩皮的超微粉碎。在實(shí)施磨介級配粉碎或分級遞進(jìn)粉碎時，磨介之間應(yīng)具有明顯的尺寸梯度，且大尺寸磨介的填充質(zhì)量可大于小尺寸磨介。

圖6 給出了4 種不同尺寸磨介的麩皮微粉粒度分布特征曲線。根據(jù)圖6 可知，隨著磨介尺寸的增大，麩皮微粉的粒度分布曲線由單粒徑峰向雙粒徑峰轉(zhuǎn)變。當(dāng)磨介直徑為6 mm 時，主峰粒徑值為22.56μm，粒度分布頻率大于其他3 種磨介尺寸。當(dāng)磨介直徑為10 mm 時，開始出現(xiàn)雙粒徑峰現(xiàn)象，主峰粒徑值為19.77μm。當(dāng)磨介直徑為14 mm 時，雙粒徑峰現(xiàn)象比較明顯，主峰粒徑值仍為19.77μm。當(dāng)磨介直徑為18 mm 時，微粉粒度分布特征發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，主峰粒徑值變?yōu)?0.92μm，次峰粒徑值變?yōu)?5.75μm。根據(jù)微粉粒度分布特征分析結(jié)果可知，磨介直徑分別為6、10、14、18 mm 對應(yīng)的麩皮微粉中值粒徑D50依次為24.20、25.62、27.65、34.40μm。如果選擇試驗(yàn)項(xiàng)目B 的中值粒徑D50作為參考值，則試驗(yàn)項(xiàng)目C、D、E 與之的品質(zhì)差異率DR 分別為5.87%、14.26%、42.15%，均大于5%。表明麩皮微粉的品質(zhì)隨著磨介尺寸的增大而降低，且品質(zhì)變化比較明顯。在磨介質(zhì)量相同的情況下，小尺寸磨介可以提高磨介與麩皮之間的接觸概率，有利于麩皮的研磨破碎。但由于磨介之間形成了過多的點(diǎn)約束，且分散了單個磨介攜帶的能量，從而降低了磨介的沖擊破碎效應(yīng)。因此，小尺寸磨介有利于麩皮的微粉碎和超微粉碎，大尺寸磨介有利于麩皮的粗、細(xì)粉碎。

綜上所述，在磨介質(zhì)量相同的條件下，不同尺寸的磨介所產(chǎn)生的粉碎效果也是不相同的，這正是振動磨采用磨介級配制度或分級遞進(jìn)粉碎制度的原因。大尺寸磨介有利于提高麩皮各類粉體的產(chǎn)量，而小尺寸磨介有助于提高麩皮超微粉體的品質(zhì)。為此，在采用磨介級配制度或分級遞進(jìn)粉碎制度時，小尺寸磨介和大尺寸磨介之間應(yīng)設(shè)置明顯的尺寸梯度，以便充分利用小尺寸磨介的研磨破碎效應(yīng)和大尺寸磨介的沖擊破碎效應(yīng)，提高麩皮超微粉碎效果。

3.4 磨介形狀對小麥麩皮粉碎效果的影響

選擇球形磨介試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果作為對比評價的參考值，表4 給出了圓柱形磨介和球形磨介的各類麩皮粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在時間維度上的對比情況。根據(jù)表4 可知，圓柱形磨介和球形磨介的麩皮粉體產(chǎn)量在時間維度上的變化規(guī)律具有相似性。粗粉產(chǎn)量呈現(xiàn)出先增加后緩慢下降的非線性變化，而細(xì)粉、微粉、超微粉產(chǎn)量呈遞增趨勢。在相同粉碎時間內(nèi)，圓柱形磨介的粗粉、細(xì)粉、微粉和超微粉產(chǎn)量均大于球形磨介，且差異率遠(yuǎn)大于5%。特別當(dāng)粉碎時間為1 h 時，圓柱形磨介與球形磨介在微粉和超微粉產(chǎn)量方面的差異較大，分別達(dá)到 84.66%和70.07%，表明磨介形狀特征對小麥麩皮振動沖擊粉碎效果的影響顯著，這也是目前國內(nèi)外通常利用磨介形狀特征調(diào)控物料粉碎效果的原因[14-22]。圓柱形磨介之間易形成線接觸，粉碎效應(yīng)以沖擊剪切為主，球形磨介之間易形成點(diǎn)、面接觸，粉碎效應(yīng)以擠壓研磨為主，沖擊剪切更有利于切斷麩皮纖維[18,32]。

表4 圓柱形磨介和球形磨介的麩皮粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比Table 4 Comparison of wheat bran powder mass fraction between cylindrical grinding medium and spherical grinding medium %

圖7 是粉碎時間分別為0.5、1.0、1.5、2.0 h 時圓柱形磨介和球形磨介的小麥麩皮微粉粒度分布特征曲線。根據(jù)圖7 可知，在相同的粉碎時間內(nèi)圓柱形磨介和球形磨介的麩皮微粉粒度分布特征曲線非常相似，均出現(xiàn)了雙粒徑峰現(xiàn)象。當(dāng)粉碎時間為0.5 h 時，兩種磨介的主峰粒徑值均為56.9μm，體積分布頻率差異率為?3.41%，次峰粒徑值均為19.77μm，體積分布頻率差異率為?6.47%。此時可知球形磨介的粉碎品質(zhì)優(yōu)于圓柱形磨介。當(dāng)粉碎時間為1.0 h 時，兩種磨介的主峰粒徑值均為19.77μm，體積分布頻率差異率為?4.46%；次峰粒徑值均為49.86μm，體積分布頻率差異率為2.26%；二者均小于5%，此時可知球形磨介的超微粉體品質(zhì)略優(yōu)于圓柱形磨介。當(dāng)粉碎時間為1.5 h 時，球形磨介的主峰粒徑值仍為19.77μm，次峰粒徑值為56.90μm；而圓柱形磨介的主峰粒徑值變?yōu)?4.94μm，次峰粒徑值變?yōu)?9.77μm。粒徑值為19.77μm 對應(yīng)的體積分布頻率差異率為?3.4%，此時可知球形磨介的超微粉體品質(zhì)仍優(yōu)于圓柱形磨介。當(dāng)粉碎時間為2.0 h 時，圓柱形磨介和球形磨介的麩皮微粉主峰粒徑值均變?yōu)?4.94μm。次粒徑峰值產(chǎn)生了分化，圓柱形磨介的次峰值粒徑為19.77μm，球形磨介次峰粒徑值為22.56μm，二者對應(yīng)的體積分布頻率的差異率為13.18%。此時可知圓柱形磨介超微粉體品質(zhì)優(yōu)于球形磨介。其主要原因可能在于隨著粉碎時間的增加，球形磨介產(chǎn)生的沖擊擠壓效應(yīng)更易于使麩皮微粉顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。因?yàn)辂熎ち皆叫?，顆粒之間的各種作用力越明顯，越容易產(chǎn)生粘連[33]。根據(jù)歐氏距離法得到的兩條粒度分布特征曲線的相似度分別為0.848 3、0.901 5、0.833 5、0.785 8。由此可知，隨著粉碎時間的增加，圓柱形磨介和球形磨介的麩皮微粉粒度分布特征曲線的相似度呈現(xiàn)出先增加后下降的特點(diǎn)。當(dāng)粉碎時間為1.0 h 時，圓柱形磨介和球形磨介的麩皮微粉粒度分布特征的相似度達(dá)到最大值。表5 給出了圓柱形磨介和球形磨介麩皮微粉中值粒徑D50對比情況。由此可知，當(dāng)粉碎時間為0.5、1.0、1.5 h 時，球形磨介的微粉品質(zhì)高于柱形磨介；而當(dāng)粉碎時間為2.0 h 時，球形磨介的微粉品質(zhì)低于柱形磨介；說明球形磨介的微粉品質(zhì)劣化速度大于柱形磨介。當(dāng)粉碎時間為1.0 h 時，圓柱形磨介和球形磨介的麩皮微粉D50最小，接近于麩皮超微粉體25μm 的界限值，且二者之間的品質(zhì)差異率小于5%，可以忽略不計(jì)。此時，兩種磨介在麩皮超微粉體產(chǎn)量方面的差異率達(dá)到最大值70.07%。

表5 圓柱形磨介和球形磨介的麩皮微粉中值粒徑對比Table 5 Comparison of median particle size of wheat bran micro powder between cylindrical grinding medium and spherical grinding medium

綜上可知，磨介形狀特征在時間維度上對麩皮微粉品質(zhì)的影響是不均勻的，球形磨介的微粉品質(zhì)劣化速度大于柱形磨介。通過選擇適當(dāng)?shù)姆鬯闀r間，圓柱形磨介不僅能夠提高麩皮超微粉體的產(chǎn)量，還能夠保持超微粉體的品質(zhì)不會發(fā)生較大程度的劣化。因此，在振動磨機(jī)振動特性相同的情況下，可選擇圓柱形磨介，以保證麩皮微粉品質(zhì)在劣化不嚴(yán)重的情況下，最大程度地提高麩皮超微粉體的產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

1）在振動磨機(jī)磨介密度特征方面，高密度磨介有利于麩皮的粗、細(xì)粉碎，低密度磨介有利于麩皮的微粉碎和超微粉碎。氧化鋯磨介和不銹鋼磨介在麩皮超微粉體產(chǎn)量方面引起的差異率為50.05%，且氧化鋯磨介微粉品質(zhì)優(yōu)于不銹鋼磨介。為了提高麩皮超微粉體產(chǎn)量，在磨介質(zhì)量相同的情況下應(yīng)選擇低密度磨介。

2）在振動磨機(jī)磨介尺寸特征方面，麩皮超微粉體產(chǎn)量隨著磨介尺寸增大呈現(xiàn)先減小后增大特點(diǎn)。磨介尺寸變化引起的麩皮超微粉體產(chǎn)量的最大差異率為49.64%。麩皮微粉品質(zhì)隨著磨介尺寸的增大而明顯下降。為了充分利用小尺寸磨介有利于提高麩皮微粉品質(zhì)和大尺寸磨介有利于提高麩皮超微粉體產(chǎn)量的優(yōu)勢，振動粉碎小麥麩皮時可采用磨介級配制度或分級遞進(jìn)粉碎制度。

3）在振動磨機(jī)磨介形狀特征方面，圓柱形磨介和球形磨介的麩皮超微粉體產(chǎn)量均隨粉碎時間近似呈線性增加，且圓柱形磨介的麩皮超微粉體產(chǎn)量始終大于球形磨介。麩皮微粉品質(zhì)均隨粉碎時間先升高后下降，且球形磨介麩皮微粉品質(zhì)劣化速度大于柱形磨介。但當(dāng)粉碎時間為1.0 h 時，圓柱形磨介的微粉品質(zhì)接近球形磨介，且兩種磨介的超微粉體產(chǎn)量最大值差異率達(dá)到70.07%。為了充分利用磨介形狀特征產(chǎn)生的不同粉碎效應(yīng)，在合理選擇粉碎時間的基礎(chǔ)上可選擇圓柱形磨介。

在振動磨機(jī)振動特性相同的情況下，磨介特征的變化對小麥麩皮振動沖擊超微粉碎效果產(chǎn)生了明顯的影響，展現(xiàn)了利用磨介特征調(diào)控振動磨機(jī)超微粉碎性能的應(yīng)用前景。未來可結(jié)合小麥麩皮超微粉碎工藝流程進(jìn)一步研究磨介特征的優(yōu)選與設(shè)計(jì)問題，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，促進(jìn)小麥麩皮超微粉體的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。