趙海瑞

（江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站 江蘇·南京 210000）

1 碾米機(jī)內(nèi)米粒碾白理論概述

首先，米粒碾白理論的研究。自第一臺(tái)碾米機(jī)出現(xiàn)后，關(guān)于碾米理論也在不斷的發(fā)展，為今后的研究奠定了基礎(chǔ)。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(zhì)力學(xué)來(lái)研究米粒碾白運(yùn)動(dòng)情況，但是忽略了米粒群自身的力學(xué)屬性，使得分析過(guò)程存在一定的偏差。所以利用碾米理論對(duì)其機(jī)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(guò)程比較復(fù)雜，且影響因素較多，給米粒破碎理論的研究帶來(lái)了許多困難。經(jīng)過(guò)近10年的研究，闡明了從單籽粒方向分析籽粒群破碎力學(xué)行為的重要性，同時(shí)給稻谷損傷機(jī)理和加工工序的研究奠定了基礎(chǔ)。

2 橫式碾米機(jī)內(nèi)米粒碾白機(jī)理

2.1 橫式碾米機(jī)碾米過(guò)程離散元模型建立

2.1.1 米粒接觸模型的建立

在碾米機(jī)當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)米粒之間以及米粒與碾米機(jī)間的摩擦碰撞，其本質(zhì)是米粒群的受力與力矩之間的傳遞過(guò)程。所以，計(jì)算出米粒之間的力矩至關(guān)重要。現(xiàn)階段，各種離散元接觸模型被應(yīng)用到力與力矩的計(jì)算當(dāng)中，綜合考慮米粒碾白的要求以及各個(gè)模型的特點(diǎn)，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(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.2 米粒離散元模型的建立

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

2.1.3 橫式碾米機(jī)模型的建立

利用商業(yè)化離散元軟件能夠?qū)M式碾米機(jī)內(nèi)米粒碾白過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并且利用實(shí)驗(yàn)室級(jí)碾米機(jī)當(dāng)作原型機(jī)來(lái)開(kāi)展測(cè)繪工作，從而建立碾米機(jī)離散元仿真模型，如圖1所示。此橫式碾米機(jī)模型為簡(jiǎn)化裝置，省去了料口調(diào)節(jié)裝置等部分。

橫式碾米機(jī)模型和實(shí)驗(yàn)室級(jí)碾米機(jī)的配置相似，主要由料斗、螺旋輸運(yùn)器、米篩、凸筋以及碾米棍等部分構(gòu)成。其中，米篩和螺旋運(yùn)輸器構(gòu)成的空腔可以看做是“輸運(yùn)室”，主要功能為給碾白室當(dāng)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(gòu)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(nèi)進(jìn)行。

圖1：橫式擦離型碾米機(jī)離散元模型

2.1.4 碾米過(guò)程離散元模型的驗(yàn)證

在模擬米粒碾白過(guò)程之前，需要對(duì)其離散元接觸模型和相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，主要分為直接驗(yàn)證、間接驗(yàn)證等方式。其中，直接驗(yàn)證是通過(guò)核磁共振成像、粒子圖像測(cè)速等測(cè)試技術(shù)，將試驗(yàn)過(guò)程可視化處理，同時(shí)將其顆粒信息和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以便分析離散元模型的可行性。而間接驗(yàn)證是把停留時(shí)間、功率等測(cè)量參數(shù)與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，說(shuō)明離散元模型的可行性。雖然直接驗(yàn)證的可信度較高，但是試驗(yàn)成本高，適用于小規(guī)模的試驗(yàn)。綜合來(lái)看，本文利用間接驗(yàn)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(shí)把顆粒停留時(shí)間以及碾米機(jī)的實(shí)時(shí)功率當(dāng)作指標(biāo)，從而驗(yàn)證離散元模型的效果。

2.2 米粒碾白運(yùn)動(dòng)一致性分析

在碾米機(jī)當(dāng)中，米粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看做為近似的螺旋線，因此運(yùn)動(dòng)過(guò)程能夠分為軸向運(yùn)動(dòng)以及圓周運(yùn)動(dòng)等。而且米粒碾白運(yùn)動(dòng)的一致性對(duì)碾磨的均勻性和程度具有一定的影響，能夠通過(guò)數(shù)值模擬過(guò)程中停留的時(shí)間以及碰撞能進(jìn)行表示。所以，研究靜摩擦系數(shù)對(duì)米粒軸向和圓周運(yùn)動(dòng)的一致性、停留時(shí)間、碰撞能的影響具有重要的意義。

首先，軸向運(yùn)動(dòng)的分析。根據(jù)示蹤米粒的軸向坐標(biāo)，米粒與壁面間的摩擦系數(shù)對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的一致性越好。所以米粒表面的粗糙程度對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)的一致性有著密切的影響。

其次，圓周運(yùn)動(dòng)的分析。當(dāng)靜摩擦系數(shù)增加時(shí)，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(lái)越大。因此，米粒間產(chǎn)生的靜摩擦系數(shù)對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的一致性有著重要的影響，而通過(guò)提高米粒間的靜摩擦系數(shù)，能夠提高其圓周運(yùn)動(dòng)的均勻性。

2.3 米粒碾磨性能分析

首先，停留時(shí)間。碾磨時(shí)間能夠有效的評(píng)價(jià)橫式碾米機(jī)的碾磨性能。當(dāng)米粒運(yùn)動(dòng)相同的距離時(shí)，其軸向運(yùn)動(dòng)能力大致相同，一旦筒壁的粗糙度較大，米粒的停留時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。也就是說(shuō)，當(dāng)米粒的軸向運(yùn)動(dòng)差異性較小時(shí)（米粒在碾白室中停留時(shí)間相似），米粒碾磨性能更好；而當(dāng)米粒在碾磨機(jī)中停留的時(shí)間具有一定的差異性，產(chǎn)生重碾或者輕碾的問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致米粒的碾磨不均勻。

其次，碰撞特性。當(dāng)靜摩擦系數(shù)增大的時(shí)候，米粒的平均碰撞能呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢(shì)，這主要是由于徑向速度梯度會(huì)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(yùn)動(dòng)的一致性較為類似，因此可以認(rèn)為碰撞強(qiáng)度與米粒的圓周運(yùn)動(dòng)一致性之間有著密切的聯(lián)系。

3 橫式碾米機(jī)內(nèi)米粒破碎特性

3.1 單粒米破碎特性分析

在研究過(guò)程中，利用商業(yè)軟件EDEMTM對(duì)不同含水量下單粒米破碎的數(shù)值進(jìn)行模擬，利用顆粒粘結(jié)模型作為離散元接觸模型。在米粒離散元模型的建立過(guò)程中，把米粒的真實(shí)形狀變?yōu)檩S對(duì)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(shí)，通過(guò)擠壓填充的方式，把橢球聚合體近似為真實(shí)的米粒，從而構(gòu)建米粒的離散元模型。

沖擊速度對(duì)沖擊強(qiáng)度有著直接的影響，而含水率對(duì)粘結(jié)鍵強(qiáng)度有著間接的影響，這兩點(diǎn)都對(duì)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(lái)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(dāng)沖擊速度存在差異時(shí)，不同的材料屬性、形狀以及尺寸都會(huì)產(chǎn)生不同的破碎形式以及破碎程度。可以通過(guò)破碎率以及最大碎塊尺寸率量化說(shuō)明米粒的破碎程度。

其次，含水率的影響。米粒自身的強(qiáng)度也是影響其破碎程度的主要原因，可利用不同粘結(jié)參數(shù)組合的粘結(jié)鍵來(lái)表示米粒的強(qiáng)度。由于粘結(jié)鍵強(qiáng)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(qiáng)，因此，米粒破碎和粘結(jié)鍵的強(qiáng)度有一定的關(guān)系，即粘結(jié)鍵的強(qiáng)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(guān)系如圖2所示。a、b、c、d四個(gè)區(qū)域分別表示未破碎、局部破碎、破裂、粉碎等四個(gè)破碎形態(tài)?？梢钥闯?，當(dāng)沖擊速度、含水率一定時(shí)，能夠根據(jù)三者之間的關(guān)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(guān)系

3.2 米粒群破碎特性分析

在離散元模型建立的過(guò)程中，把米粒的真實(shí)形狀變?yōu)檩S對(duì)稱橢球體，利用13個(gè)重疊球來(lái)近似米粒的外形輪廓。利用橫式碾米機(jī)模型對(duì)米粒群破碎特性進(jìn)行分析，通過(guò)顆粒替換模型與離散元法的結(jié)合對(duì)橫式碾米機(jī)中米粒破碎的情況進(jìn)行模擬。在碾白的過(guò)程中，米粒之間、與碾米輥和米篩之間的碰撞強(qiáng)度大于自身的承受強(qiáng)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(qiáng)度，因此，可以通過(guò)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(qiáng)度。

在米粒碾白的過(guò)程中，由于米粒間的碰撞強(qiáng)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(huì)同時(shí)存在。此外，脆性斷裂主要發(fā)生在碾米機(jī)出料口或者碾米輥周圍，而疲勞斷裂的產(chǎn)生區(qū)域?yàn)槟朊讬C(jī)進(jìn)料口處或者米篩附近。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)橫式碾米機(jī)內(nèi)米粒碾白機(jī)理及破碎特性的探討，使我們了解到了，碾米加工過(guò)程中碎米率與沖擊速度、含水率的關(guān)系，對(duì)如何降低碾米加工中碎米率提供了技術(shù)支撐，提高了經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)米粒碾白機(jī)理的研究以及破碎特性的分析具有重要的實(shí)際意義，不但能夠?yàn)橐阅朊捉邓闉槟繕?biāo)的碾米機(jī)優(yōu)化提供科學(xué)的指導(dǎo)，而且能夠很好的解決在碾米加工過(guò)程中出現(xiàn)的碎米問(wèn)題。另外，在實(shí)際的碾米過(guò)程中，不僅要對(duì)米粒的碾白運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，還包括糠層的移除等工作，需要進(jìn)行更加深入的研究。