成圖雅，陳 偉，杜文亮

(1.內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術(shù)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，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[4-5]。目前，砂盤式蕎麥剝殼機市場應(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)對沙棘進行了脫殼試驗，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，設(shè)計了基于物料體積進行控制的定量給料裝置，對散狀物料進行控制。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)用容積法實時檢測和控制在線流量的建議，但是未進行具體的試驗驗證。全亞靜等[12]基于蕎麥搓擦式剝殼過程及長圓孔篩的機理，設(shè)計了長圓孔篩并進行了試驗驗證，為蕎麥剝殼前的分級處理提供了參考。陳偉等[13-14]針對蕎麥剝殼機剝殼間隙的均勻性對剝殼效果的影響進行了研究，分析出剝殼間隙周向不均的產(chǎn)生原因，同時采用增加刻度環(huán)的方式提高了剝殼間隙調(diào)整的方便與準確性，同時選取剝殼間隙、砂盤轉(zhuǎn)速及間隙周向誤差為影響因素進行試驗研究，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道。鑒于此，本研究擬通過采用自行設(shè)計的流量測定裝置對極限流量進行測定，并對不同粒度及工作面寬度的砂盤進行試驗研究，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 試驗裝置及工作原理

1.1.1 蕎麥剝殼機的組成及原理 蕎麥剝殼機是試驗的主要設(shè)備，其主要工作部件為一對上下平行的砂盤，下砂盤工作時高速轉(zhuǎn)動，上砂盤靜止不動。當分級后的物料進入剝殼機后，流經(jīng)剝殼機內(nèi)上、下砂盤之間的剝殼間隙時，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。蕎麥剝殼機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于剝殼機的結(jié)構(gòu)原因，工作時剝殼機內(nèi)的局部地方會殘存一定量的物料，進而影響試驗數(shù)據(jù)準確性。為了既保證數(shù)據(jù)的可靠性，同時減少試驗用料，試驗前對設(shè)備進行了局部改動。將剝殼機的外圈用4根立柱代替，并采用便于拆卸的布料進行外圍的包裹，一方面便于對內(nèi)部殘存物料進行清理，另一方面可使得剝殼間隙調(diào)整更加直觀和準確。此外，用布料包裹的方式可以避免在極限流量狀態(tài)時,剝殼機內(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行矯正,方能較為準確測量出工作流量，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過程中,某物料截面流經(jīng)不同管道位置時的時間差，配合管道直徑和物料的密度，從而計算出物料的實際流量。具體操作：在剝殼機入口位置設(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，在檢測管下方設(shè)置卸料插板，用以控制卸料速度。剝殼機工作前，檢測管中填滿試驗物料，激光受到物料的遮擋而無法到達接收傳感器端。工作時，打開卸料插板，檢測管中的物料料位逐漸下降。當料位分別到達上、下2個激光傳感器位置時，激光信號穿過小孔及管道到達接收傳感器端，信號采集模塊分別對信號進行采集并輸出至計算機。在計算機中，通過軟件可以查看信號輸出的絕對時間及時差，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和計算機實現(xiàn)，經(jīng)過重復(fù)性試驗可知，相同參數(shù)下的測量誤差在±0.1 s內(nèi)，可滿足試驗測量要求。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)時間1 ms。信號采集板：Arduino UNO及配套軟件。

工作流量計算公式：

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為時間，s；ρ為蕎麥密度(680 kg/m3)。

1.蕎麥剝殼機； 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.計算機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行存儲，含水率10%～14%。試驗前使用組合清理篩對蕎麥進行清理，清理后的蕎麥再經(jīng)過平面回轉(zhuǎn)篩進行分級，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樣品。

1.3 試驗指標

蕎麥米的加工過程中，既要追求質(zhì)量，同時要保證足夠的生產(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，則單位時間產(chǎn)米量越大(單位時間產(chǎn)米量=工作流量×出米率)，表明剝殼機的工作效率越高。因此，試驗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個因素對流量的影響規(guī)律進行研究。

出米率(A)：

A=M1M×100%

(2)

相對碎米率 (B)：

B=M2M×100%

(3)

單位時間產(chǎn)米量(C)：

C=Q×A×100%

(4)

式中，M—剝殼前蕎麥總質(zhì)量，g；M1—剝殼后所獲得所有蕎麥米的質(zhì)量，g；M2—剝殼后所獲得蕎麥碎米的質(zhì)量(即直徑3 mm篩下物)，g；Q—蕎麥剝殼機喂入蕎麥流量，kg/s。

1.4 試驗方法

在試驗前使用毛刷對設(shè)備內(nèi)部的殘留物料進行清理，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用計算機進行檢測。圖3中L為剝殼機上砂盤工作面寬度。

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。試驗均為單因素試驗，因素水平選擇見表1，部分試驗因素水平選取較為特殊，詳見2.2部分。單因素試驗均重復(fù)3次，取平均值作為試驗結(jié)果。試驗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。

表1 單因素試驗因素水平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，然后同時調(diào)整變頻器并開機，等待15 s后打開計算機端的串口監(jiān)視窗口，并對單片機進行復(fù)位，待監(jiān)視窗口不斷顯示“0”時，移除卸料插板即可。隨著物料的突然下降并填充滿剝殼機內(nèi)的腔體后，物料流動趨于穩(wěn)定。當上端物料平面分別經(jīng)過上、下傳感器時將觸發(fā)信號，串口會分別記錄觸發(fā)時間并通過相減得到時差，即物料經(jīng)過上下傳感器時所消耗的時間。

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)變頻器的頻率實現(xiàn)，頻率與轉(zhuǎn)速大致呈線性關(guān)系。為方便起見，試驗時取整數(shù)頻率，對應(yīng)砂盤轉(zhuǎn)速見表1，試驗結(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，當砂盤轉(zhuǎn)速達到950 r/min附近時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，即籽粒運動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，使用時可根據(jù)質(zhì)量要求適當降低或增加砂盤轉(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 剝殼機極限流量自變化規(guī)律

剝殼機的單位時間產(chǎn)米量不僅與出米率相關(guān)，也與剝殼機的工作流量相關(guān)。增大工作流量是提高剝殼機單位時間產(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，當砂盤轉(zhuǎn)速達一定數(shù)值后極限流量增長緩慢。剝殼機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。

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，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分析，得出影響剝殼效果的主要因素。由試驗結(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)速達到一定值時，相對碎米率急劇上升，砂盤轉(zhuǎn)速達到一定數(shù)值后極限流量增長緩慢。當砂盤轉(zhuǎn)速趨于950 r/min時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，但出米率卻會因為上下砂盤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。

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)進行單因素及正交試驗分析蕎麥剝殼機的剝殼效果,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。針對蕎麥剝殼機流量檢測方面，邢凱等[11]僅提出應(yīng)用容積法實時檢測和控制在線流量的建議，但一直未有相關(guān)學者對流量的控制做具體的研究。本研究在綜合考慮剝殼機的工作性能的情況下，設(shè)計一套流量采集系統(tǒng)對流量進行監(jiān)測，并合理優(yōu)化剝殼機的極限流量，有助于降低剝殼機組的噸米耗電量，此外在節(jié)能環(huán)保等方面也做出了重要貢獻。