一種新型柔性智能碾米機(jī)

戴智華,黃文雄，程 科，郭亞麗，周 娜，謝 健，余 魁，宋少云

(1.衢州市庫米賽諾糧食機(jī)械制造有限公司，浙江 衢州 324000；2.國糧武漢科學(xué)研究設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430079；3.武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430023)

糧食安全是事關(guān)人類生存的根本性問題，減少糧食損耗是保障糧食安全的重要途徑。中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《糧食節(jié)約行動方案》明確提出，到2025年，糧食全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)節(jié)糧減損舉措更加硬化實(shí)化細(xì)化，推動節(jié)糧減損取得更加明顯成效。我國作為全球第一大稻谷生產(chǎn)國，占全球比重近30%，年消費(fèi)大米近1億t，然而稻谷加工精制米的出品率一般在65%左右，大量的資源在加工過程中損耗。碎米率減少10%，每年至少可以增加整米50億～100億kg，相當(dāng)于增加耕地66.67萬～133.33萬hm2，可解決5千萬至1億人口一年的口糧。同時可以顯著節(jié)能環(huán)保，減少碳排放。如何提升糧食加工技術(shù)和裝備研發(fā)水平，節(jié)糧減損是當(dāng)前重要的研究課題[1]。

在稻谷加工過程中，70%以上的碎米產(chǎn)生在礱谷和碾米階段[2]。碾米機(jī)作為稻谷加工的主要設(shè)備，在提高糧食利用率方面起到至關(guān)重要的作用。新型的大米分層柔性智能砂帶碾米技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大米加工產(chǎn)業(yè)方面的“三降”(降碎、降溫、降耗)和“三增”(增量、增質(zhì)、增效)。

1 碾米機(jī)發(fā)展歷史

我國的稻作栽培歷史已有1.4萬年以上，是已知的世界栽培稻起源地。依據(jù)大量的文獻(xiàn)記載及稻米加工工具文物，原始的稻米加工工藝主要是利用碾盤、杵臼、碓等工具進(jìn)行碾磨和舂米使稻米脫殼和碾白[3]，這種原始的舂米工具為第一代碾米機(jī)的原型。隨著工業(yè)革命的興起，大機(jī)器生產(chǎn)代替手工勞動，各種通過壓力碾磨使谷糙分離的鐵輥和砂輥碾米機(jī)由歐洲率先研制而成，大米加工工藝較傳統(tǒng)工藝發(fā)生了巨大的變化，生產(chǎn)效率得到較大的提高。上世紀(jì)80～90年代后，碾米工業(yè)逐漸采用“多機(jī)輕碾”工藝，即砂輥與鐵輥碾米機(jī)組合使用，常見的有“兩砂一鐵”的三機(jī)串聯(lián)碾白，最大程度降低加工過程中米粒的破碎[4]。這種壓力碾米設(shè)備稱為第二代碾米機(jī)。近年來，分層柔性智能砂帶型碾米機(jī)的成功研制，徹底顛覆了傳統(tǒng)設(shè)備的“壓力摩擦”原理及其砂輥、鐵輥等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步解決了稻米加工行業(yè)長期存在的高增碎、高能耗、高米溫等“三高”問題，成為碾米行業(yè)的第三次技術(shù)革命。第三代高性能、節(jié)能型砂帶碾米機(jī)見圖1。

圖1 第三代高性能、節(jié)能型砂帶碾米機(jī)

2 新型碾米機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)壓力碾米機(jī)種類繁多，但其結(jié)構(gòu)通常由進(jìn)料裝置、碾白室、出料裝置等構(gòu)成，其中碾白室是核心部件。它的結(jié)構(gòu)包括砂輥或鐵輥、螺旋推進(jìn)器、米篩以及米刀等。作業(yè)時，糙米從進(jìn)料裝置進(jìn)入米機(jī)碾白室內(nèi)，通過砂輥內(nèi)壓力和機(jī)械力的推動，使糙米在碾白室內(nèi)得到擠壓，糙米表皮經(jīng)過連續(xù)反復(fù)“刀削”和“擦離”之后去掉皮層，使其開糙、碾白，完成碾米作業(yè)。砂輥或鐵輥在磨削糙米的過程中，由于砂輥或鐵輥磨具自身無彈性、磨削壓力大，糙米在磨削過程中易被壓碎，導(dǎo)致碎米率增高。同時，電機(jī)功耗大、溫升情況明顯，造成大米產(chǎn)后損失嚴(yán)重以及能源損耗。

新型高性能節(jié)能型砂帶碾米機(jī)，用砂帶磨米工藝替代擠壓磨米工藝。在砂帶滾筒外圍設(shè)置多個相互獨(dú)立且成整體的碾白室。糙米在碾白過程中，米流被均勻、獨(dú)立地導(dǎo)入各碾白室。在碾白室中，米粒依靠自重下落并與砂帶發(fā)生碰撞，米粒與旋轉(zhuǎn)砂帶之間形成高速線速差，經(jīng)旋轉(zhuǎn)砂帶均勻磨削加工而生成白米(見圖2)。

圖2 新型碾米機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

這種新型碾米機(jī)不僅省略了砂輥(或鐵輥)、螺旋推進(jìn)器、米篩、米刀和壓力門等構(gòu)件，而且由于在加工過程中糙米始終處于低壓強(qiáng)狀態(tài)，米粒不易破碎且摩擦產(chǎn)生的熱量較低，大米的溫升和能耗得到有效的降低。新型碾米機(jī)在進(jìn)料裝置、碾白室、排料裝置等結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)碾米機(jī)的對比見表1。新型碾米機(jī)與傳統(tǒng)碾米機(jī)“三高”比較見表2。

表1 新型碾米機(jī)與傳統(tǒng)碾米機(jī)結(jié)構(gòu)比較

表2 新型碾米機(jī)與傳統(tǒng)碾米機(jī)“三高”比較

由表2可見，新型碾米機(jī)在解決高增碎、高能耗、高米溫三高問題上相比傳統(tǒng)碾米機(jī)改進(jìn)效果明顯。相比傳統(tǒng)碾米機(jī)，新型碾米機(jī)增碎率由15%降至4%，降幅73.3%；單位能耗由25 kW/t降至7.5 kW/t,降幅70%；碾米溫升由30℃降至8℃，降幅73.3%。

3 新型碾米機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)

3.1 砂帶式滾筒

砂帶式滾筒由主滾筒、張緊滾筒、砂帶組成(見圖3)。主滾筒和張緊滾筒筒體部分均為豎立設(shè)置的圓柱體，張緊滾筒筒體的直徑小于主滾筒，砂帶套設(shè)在滾筒外側(cè)。主滾筒由電機(jī)驅(qū)動，帶動砂帶、張緊滾筒運(yùn)動，主滾筒、張緊滾筒、砂帶形成一個完整的砂輥結(jié)構(gòu)。砂帶外表面為粗糙表面，用于與糙米接觸進(jìn)行碾磨。進(jìn)料裝置、出料裝置分別位于滾筒的上下方，碾白室環(huán)繞砂帶設(shè)置。為了避免砂帶在工作過程中受重力影響向下滑動，砂帶式滾筒設(shè)置有砂帶偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)砂帶的實(shí)時狀態(tài)對砂帶位置進(jìn)行調(diào)整，確保砂帶在滾筒中間一定范圍內(nèi)上下運(yùn)動，使設(shè)備的可靠性更高。

圖3 砂帶式滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 碾白室

在滾筒砂帶的外圍設(shè)計有多個相互獨(dú)立且成整體單元的碾白室，每個碾白室的高度一致，且與主滾筒的高度匹配。碾米室主要由碾米腔、進(jìn)料口以及出料口組成(見圖4)。

圖4 碾白室結(jié)構(gòu)示意圖

碾米腔由三塊平板依次連接形成橫截面呈梯形的結(jié)構(gòu)，梯形的底部為開口且朝向砂帶。糙米經(jīng)進(jìn)料通道從進(jìn)料口進(jìn)入碾米腔并在碾米腔內(nèi)被碾磨。在碾米腔內(nèi)，糙米不僅自上而下自由落體運(yùn)動，而且還被砂帶帶動自轉(zhuǎn)，糙米與旋轉(zhuǎn)砂帶之間形成高速線速差，進(jìn)而被砂帶磨削成精米，并掉落至出料口傳送到出米通道中。被磨削掉的谷糠則掉落到排糠通道被收集。

3.3 排糠系統(tǒng)

出料口底部設(shè)置有排糠機(jī)構(gòu)，用來分離從碾白室流出的精米與谷糠混合物。排糠機(jī)構(gòu)包括分離器、出糠管以及負(fù)壓生產(chǎn)器。其中，分離器內(nèi)壁兩側(cè)沿長度方向依次交錯設(shè)置多個導(dǎo)流板；分離器側(cè)面設(shè)置與之相連的出糠管，用于收集谷糠；出糠管中設(shè)置負(fù)壓生成器，用于生成負(fù)壓對分離器中的谷糠產(chǎn)生吸力，使谷糠進(jìn)入出糠管。

碾磨后的精米與谷糠混合物，精米經(jīng)分離器的導(dǎo)流板導(dǎo)流后，從分離器底部流出并被收集，而谷糠由于相對于精米較輕，在分離器中受負(fù)壓的影響，被吸入出糠管排出，從而整個排糠系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精米與谷糠的分離功能。

4 結(jié)論

第三代高性能、節(jié)能新型碾米機(jī)采用分層柔性砂帶碾磨技術(shù)，徹底顛覆了傳統(tǒng)設(shè)備的“壓力摩擦”原理及其砂輥、鐵輥等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，解決了長期困擾稻米加工行業(yè)“高增碎、高能耗、高米溫”的三高痼疾，為國內(nèi)稻米產(chǎn)區(qū)進(jìn)行品種供給側(cè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整、節(jié)糧減損提供了強(qiáng)大的技術(shù)和裝備保障。