阮競蘭，伍維維，武照云，安紅周

（1.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001；2.廣東省科技合作研究促進中心，廣州 510033）

0 引言

我國糧食作物中稻谷種植面積最大、總產(chǎn)量最多，世界上有半數(shù)以上人口以大米為主食。稻谷加工是糧食產(chǎn)業(yè)鏈中的重要組成部分，也是食品加工的基礎(chǔ)工業(yè)，在國民經(jīng)濟和國家糧食安全中具有重要的地位和作用。稻谷加工主要包括：清理去石、礱谷脫殼、谷糙分離、拋光及色選等工序，由于稻谷加工長期存在著單機產(chǎn)量低、加工能耗高、自動化程度低等問題，不能滿足糧食加工行業(yè)規(guī)?；a(chǎn)需要，嚴(yán)重制約了稻谷加工行業(yè)的發(fā)展。加快發(fā)展大型、高效、綠色、節(jié)能的稻谷加工裝備已成為解決上述問題最有效的途徑[1]。

針對我國稻谷加工裝備存在單機產(chǎn)量小、生產(chǎn)效率低、加工能耗高、工作穩(wěn)定性差、自動化水平低等問題，我們以提高稻谷加工裝備技術(shù)水平為目標(biāo)，以稻谷加工裝備的大型化、高效化、自動化、綠色化、節(jié)能化為重點，采取“理論研究→優(yōu)化工藝與參數(shù)→結(jié)構(gòu)創(chuàng)新→開發(fā)研制→推廣應(yīng)用”的技術(shù)路線，對稻谷加工主機裝備膠輥礱谷機見圖1，開展深入系統(tǒng)的研究。

1 基于復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析膠輥礱谷機參數(shù)優(yōu)化

稻谷加工過程中稻谷脫殼是重要的加工環(huán)節(jié)和關(guān)鍵工序，稻谷脫殼工藝效果的好壞，將直接影響后續(xù)加工成品米的質(zhì)量、出率、破碎率和產(chǎn)量。脫殼常用設(shè)備為膠輥礱谷機，其主要工作構(gòu)件是一對做相向不等速旋轉(zhuǎn)運動的橡膠輥筒。當(dāng)谷粒送入工作區(qū)后受到兩膠輥施加的擠壓力，以及由兩膠輥速度差所產(chǎn)生的摩擦力，擠壓力與摩擦力的綜合作用產(chǎn)生撕搓效應(yīng)，從而使稻殼破裂與糙米分離完成脫殼。膠輥礱谷機工作參數(shù)與工藝指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)系以及最優(yōu)工作參數(shù)的選擇始終是困擾行業(yè)的難題，缺乏深入系統(tǒng)的理論研究。為此，我們以膠輥礱谷機最佳工藝效果為目標(biāo)，創(chuàng)建基于復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的工作參數(shù)優(yōu)化配置方法。根據(jù)工作參數(shù)與工藝效果之間相互制約的關(guān)系，綜合采用回歸方程法、正交試驗分析法、響應(yīng)面分析法與矩陣分析法等方法，對工作參數(shù)與工藝指標(biāo)之間的變化規(guī)律和影響關(guān)系進行關(guān)聯(lián)分析，建立了膠輥礱谷機不同輥壓、快輥線速、流量、線速差與所對應(yīng)工藝評定參數(shù)脫殼率、破碎率、產(chǎn)量、膠耗、電耗之間的數(shù)學(xué)模型，研究和設(shè)計出最優(yōu)參數(shù)組合，其最佳工作參數(shù)為：輥間壓力6.5～7.0 kg/cm，快輥線速 16～18.5 m/s，快慢輥線速差 2.7～3.2 m/s。

膠輥礱谷機工作參數(shù)多因素、多指標(biāo)正交試驗分析得到的極差分析與方差分析結(jié)果見表1。

表1 正交試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析

由表1中極差與方差分析可知，膠輥礱谷機工作參數(shù)中，輥間壓力和線速差對脫殼工藝性能指標(biāo)脫殼率、產(chǎn)量、破碎率和膠耗等影響最為顯著；進機流量主要影響到產(chǎn)量和破碎率，而對脫殼率和膠輥膠耗影響均較??；另外，快輥線速對脫殼率、產(chǎn)量、破碎率等有極為顯著的影響，但對膠耗的影響較小。

達到高產(chǎn)量是設(shè)備研究設(shè)計者所追求的目標(biāo)，我們以礱谷產(chǎn)量Y為目標(biāo)進行響應(yīng)面分析，獲得二次回歸方程為：

式中 X1——輥間壓力，kg·cm-1；

X2——進機流量 kg·（cm·h）-1；

X3——快輥線速，m·s-1；

X4——線速差，m·s-1。

相應(yīng)的響應(yīng)面分析見圖2、圖3、圖4。

由上述響應(yīng)曲面圖可知，所有響應(yīng)面均為開口向下的凸曲面，反映出無論各因素怎樣變化，必有最佳礱谷產(chǎn)量值存在。當(dāng)輥間壓力為6.0～6.5 kg/cm、線速差為 2.9～3.3 m/s、快輥線速為17～18 m/s之間時，所得響應(yīng)值礱谷產(chǎn)量最大。經(jīng)計算優(yōu)化得最佳工作參數(shù)分別為：輥間壓力6.18 kg/cm、進機流量 173.9 kg/（cm·h）、快輥線速17.0 m/s、線速差 3.06 m/s。

2 膠輥礱谷機能量循環(huán)調(diào)控機制的研究

目前，國內(nèi)外膠輥礱谷機普遍采用單臺電機+齒輪變速箱+皮帶傳動組合的多級變速傳動機構(gòu)，如圖5所示。電機經(jīng)聯(lián)軸器至齒輪變速箱完成動力輸入，齒輪變速箱則通過兩根輸出軸分別由皮帶傳動快慢膠輥，并實現(xiàn)快、慢膠輥的相向旋轉(zhuǎn)運動。該齒輪變速箱所起作用：（1）速度轉(zhuǎn)換，通過換擋變速控制膠輥轉(zhuǎn)速，同時也可實現(xiàn)快慢輥互換；（2）運動方向轉(zhuǎn)換，將電機輸入的單向旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成快、慢膠輥的相向旋轉(zhuǎn)運動；（3）能量反饋與循環(huán)。它不僅起到速度轉(zhuǎn)換作用，還擔(dān)負(fù)著負(fù)載時摩擦傳動所獨有的定速和能量反饋作用，由膠輥礱谷機脫殼原理可知，負(fù)載時快慢膠輥以一定的輥間壓力和線速差作用于谷粒，快輥通過谷粒摩擦強制慢輥加速，此時，齒輪變速箱則起定速作用，限制慢輥加速并使其以一定速比轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)工作機構(gòu)件之間封閉的循環(huán)功率系統(tǒng)。齒輪變速箱不僅為原動機與工作機之間的獨立閉式傳動裝置，還是工作機構(gòu)件之間封閉的循環(huán)功率系統(tǒng)，這也正是傳統(tǒng)膠輥礱谷機必需設(shè)置齒輪變速箱（傳動—定速機構(gòu)）的主要原因。這種多級變速傳動機構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且存在噪聲大、故障率高、傳動效率低、齒輪箱漏油、污染等問題。

為此，根據(jù)動力學(xué)原理和差速傳動的特性，對膠輥礱谷機的動力傳遞規(guī)律開展了深入系統(tǒng)研究，建立傳動系統(tǒng)模型見圖6。

探明膠輥礱谷機雙電機驅(qū)動裝置的能量流循環(huán)調(diào)控機制，解決膠輥礱谷機負(fù)載時能量流循環(huán)傳遞問題，為節(jié)能降耗提供理論依據(jù)[2-5]。突破原有傳動方式，創(chuàng)新設(shè)計了膠輥礱谷機雙電機驅(qū)動裝置，采用雙變頻電機直接對膠輥礱谷機快、慢輥進行分別驅(qū)動，去掉齒輪變速箱及快、慢輥間的傳動-定速機構(gòu)，通過機電系統(tǒng)實現(xiàn)負(fù)載狀態(tài)下的能量封閉，其封閉路線為“快輥電機—快輥—慢輥—慢輥電機—快輥電機”，完成“電能→機械能→電能”的能量雙向轉(zhuǎn)換與回收循環(huán)利用，極大降低了膠輥礱谷機能耗，簡化了整體結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率，降低了設(shè)備故障率，提高了工作運行的可靠性。省去原傳動系統(tǒng)中齒輪變速箱后，也解決了機械換擋不能無級調(diào)速和精確控制快慢輥線速度與線速差，以及振動、噪聲、漏油等一系列問題。該雙電機驅(qū)動裝置設(shè)有控制和檢測單元，利用可編程控制器及變頻器對變頻電機進行無級調(diào)速，以滿足快慢輥轉(zhuǎn)速較為精確的控制需求，能夠根據(jù)膠輥磨損情況方便的交替變換快慢輥，按照工藝需要調(diào)節(jié)快慢膠輥線速差，并消除傳統(tǒng)膠輥礱谷機快、慢輥運動的耦合性，實現(xiàn)工作參數(shù)的任意調(diào)節(jié)。該技術(shù)已獲國家發(fā)明專利，它不僅提高了設(shè)備的自動化程度，并解決了能量回收再利用問題，實現(xiàn)了稻谷脫殼的綠色加工。

3 大型氣壓全自動膠輥礱谷機研制

在新型膠輥礱谷機雙電機驅(qū)動裝置的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)現(xiàn)代試驗設(shè)計理論和方法所獲得的優(yōu)化工作參數(shù)，運用現(xiàn)代控制技術(shù)與自動檢測技術(shù)，對設(shè)備運行狀態(tài)與參數(shù)進行自動控制[6-8]，研制了雙變頻電機驅(qū)動的大型氣壓全自動膠輥礱谷機如圖7所示。

整機工作狀態(tài)通過觸摸屏人機界面對話，智能操作，功能界面靈活、美觀，且具有可擴展性，實現(xiàn)了膠輥礱谷機的數(shù)字化調(diào)節(jié)與控制。從進機流量、喂料層厚、輥壓調(diào)節(jié)及工作參數(shù)等均實現(xiàn)了自動控制，整機工作狀態(tài)實時顯示。進料箱內(nèi)設(shè)置料位器通過可編程控制器監(jiān)控進料情況，實現(xiàn)自動喂料、有料自動合輥，無料自動分輥，自動流量控制，自動啟閉料門；喂料淌板上裝置料層厚度傳感器，以采集物料層厚度數(shù)據(jù)，并根據(jù)振動喂料器預(yù)設(shè)值控制和調(diào)節(jié)振幅大小，從而達到控制送料速度、穩(wěn)定喂料淌板上料層厚度的目的，為確保脫殼效率提供條件；雙電機變頻驅(qū)動快慢輥實現(xiàn)了膠輥線速、線速差的自動控制，以及快慢輥的自動定時切換；系統(tǒng)配備了氣壓傳感器和電流傳感器，通過讀取電流表數(shù)據(jù)實時監(jiān)控膠輥間輥壓及電機電流，輥間壓力自動調(diào)節(jié)，并設(shè)有超負(fù)荷報警功能，以防輥壓過大或產(chǎn)量過大而導(dǎo)致過流等問題。研制的大型氣壓全自動膠輥礱谷機推廣應(yīng)用后取得了顯著的社會效益與經(jīng)濟效益，其技術(shù)指標(biāo)為：處理量10噸/小時，脫殼率達92%，糙碎率降低2%，膠耗降低15%，同等產(chǎn)量下能耗降低30%。

4 結(jié)語

本項目綜合運用現(xiàn)代分析方法，研究了基于復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的膠輥礱谷機工作參數(shù)優(yōu)化配置方案。在探明膠輥礱谷機能量流循環(huán)調(diào)控機制的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計膠輥礱谷機雙電機驅(qū)動裝置，徹底解決膠輥礱谷機負(fù)載時能量流循環(huán)傳遞問題[9-12]。研制開發(fā)的大型氣壓全自動膠輥礱谷機，具有整體結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、工作穩(wěn)定、能耗低、產(chǎn)量大、脫殼率高、自動化水平高等特點。