代崢崢, 吳建章, 朱文學(xué), 陳鵬梟, 蔣萌蒙, 田高帥, 劉 坤

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,鄭州 450001)

20世紀(jì)90年代初,淺圓倉以其占地面積小、存儲量大、氣密性好以及機(jī)械化、自動(dòng)化水平、生產(chǎn)效率高[1]等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為主流的倉型。

淺圓倉的進(jìn)料方式具有入糧點(diǎn)高、落差大的特點(diǎn),導(dǎo)致糧食下落到倉底的速度較高,不但在與倉地坪、糧堆表面接觸時(shí)撞擊作用強(qiáng)、容易發(fā)生破碎,而且還出現(xiàn)糧食堆積的分級現(xiàn)象等[2,3]。分級現(xiàn)象是指某些具有類似性質(zhì)或者相同尺寸的物質(zhì)聚集在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的趨勢[4]。淺圓倉入倉過程中產(chǎn)生的糧食破碎、分級等現(xiàn)象,對后期糧食的安全儲藏、管理工作以及出倉糧食品質(zhì)的穩(wěn)定性等方面帶來諸多不利影響[5]。

淺圓倉入倉過程中糧食發(fā)生破碎、分級堆積后,破碎粒和雜質(zhì)較多的堆積區(qū)域孔隙率低,透氣性差,通風(fēng)時(shí)阻力較大,容易形成通風(fēng)死角[6],增大了通風(fēng)和環(huán)流熏蒸的難度,極易導(dǎo)致糧堆溫度升高,進(jìn)而發(fā)生蟲害、結(jié)塊、霉變等現(xiàn)象[7,8]。糧食的破碎率增加,意味著糧食的損耗增加,且儲存的糧食品質(zhì)下降,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[9]。破碎和分級會導(dǎo)致糧食在出倉的過程中前后品質(zhì)不均一,如先出倉的糧食質(zhì)量較好,雜質(zhì)、破碎粒等含量較少;后出倉的糧食雜質(zhì)、破損粒較多等。

研究和解決淺圓倉糧食入倉過程中的破碎和分級問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于研究課題的分工以及借鑒不同行業(yè)關(guān)于分級理論的研究成果,綜述了關(guān)于筒倉糧食和顆粒物料入倉過程中發(fā)生分級的機(jī)理研究、分級規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究以及糧庫管理者的實(shí)倉糧食分級測定結(jié)果等,以期通過國內(nèi)外研究者多角度的糧食分級機(jī)理研究、實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)倉測定結(jié)果,為進(jìn)一步研究筒倉入倉糧食的分級機(jī)理進(jìn)一步研究提供參考。

1 筒倉入倉糧食分級的機(jī)理研究

筒倉糧食入倉后產(chǎn)生分級的機(jī)理比較復(fù)雜,國內(nèi)外學(xué)者從不同方面進(jìn)行了分級機(jī)理的研究,并將分級機(jī)理劃分為幾個(gè)和多個(gè)糧食顆粒的運(yùn)動(dòng)過程綜合而成[4],如糧食顆粒在倉內(nèi)沉降運(yùn)動(dòng)過程中不同大小、形狀的顆粒物由于氣流阻力不同產(chǎn)生的分級以及羽流帶動(dòng)小顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分級;糧食顆粒落到糧堆表面上的碰撞、滾動(dòng)、反彈、流態(tài)化作用以及糧堆坍塌運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生的分級。本部分從糧食顆粒在倉內(nèi)的沉降運(yùn)動(dòng)、倉地坪上的堆積運(yùn)動(dòng)等兩方面對分級的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行歸納和闡述。

1.1 筒倉內(nèi)糧食沉降運(yùn)動(dòng)過程中的分級

散糧從筒倉頂部進(jìn)料口進(jìn)入筒倉后首先進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)即沉降運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,由于糧食顆粒物的大小、形狀、密度等物理特性的差異,下落過程中速度大小不一[10],具有發(fā)生分級的趨勢。并且下落糧食周圍產(chǎn)生的羽流對顆粒流中的輕物質(zhì)的空氣動(dòng)力作用,使輕質(zhì)顆粒物料在水平方向上出現(xiàn)位移,分級現(xiàn)象有可能進(jìn)一步發(fā)生。

Jian等[11]分析,在重力作用下,粒徑小的顆粒,空氣阻力和重力的比值大,表明空氣阻力對顆粒的下落有一定的影響。粒徑小于1 μm的顆粒下落速度小于0.08 mm/s,粒徑為25 μm顆粒下落速度為51 mm/s,可見顆粒粒徑的不同其下落的懸浮速度不一,則在相同沉降距離下所運(yùn)動(dòng)的時(shí)間將有差別。王永昌[12]認(rèn)為下落過程中的物料受到重力、浮力和空氣阻力的作用,在淺圓倉內(nèi)對距地面高45 m的沉降距離進(jìn)行下落時(shí)間計(jì)算,得到糧食和大雜的下落時(shí)間為3～5 s,小雜的下落時(shí)間在5～30 s,大小顆粒在空中滯留的時(shí)間不同。原方等[13]分別取大米中的完整粒和破碎粒為研究對象來模擬倉內(nèi)的顆粒沉降運(yùn)動(dòng)。下落高度為9 m時(shí),粒徑為5 mm的顆粒物下落時(shí)間為1.488 s;粒徑為2 mm的顆粒物下落時(shí)間為1.792 s,再次證明不同粒徑顆粒在空中下落的時(shí)間并不相同。同時(shí)在Matlab軟件上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示不同粒徑顆粒在下落時(shí)間為0.4 s時(shí)垂直方向上已經(jīng)有分級趨勢。

有學(xué)者提到倉中心進(jìn)料的顆粒流會帶動(dòng)周圍的空氣向下流動(dòng)(即形成羽流),當(dāng)向下的氣流到達(dá)地坪或料堆表面之后,改變方向沿下底面向四周運(yùn)動(dòng)(圖1),此時(shí)物料流、料堆表面附近較輕的粉塵、輕質(zhì)物料等就會被氣流帶動(dòng)向四周一起運(yùn)動(dòng),最后在倉壁區(qū)域沉降、集聚,形成物料的分級堆積現(xiàn)象[14-16]。李小川等[17]研究了粒徑在3.6～11.1 mm之間的顆粒下落過程中產(chǎn)生的卷吸空氣流速,建立了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?見表1),得到下落高度、質(zhì)量流量、顆粒直徑等因素對卷吸空氣流速均有影響。王冬雪等[18,19]以粒徑為9 mm左右的黑豆等糧食顆粒為原料,得到顆粒群下落時(shí)誘導(dǎo)空氣流速的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到顆粒在不同高度、不同粒徑下誘導(dǎo)空氣流速的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值,并驗(yàn)證該公式所計(jì)算得出的數(shù)據(jù)與實(shí)測值誤差在20%以內(nèi)。Jian等[11]提出粒徑小于100 μm的顆粒下落過程中懸浮速度較小,極易受到顆粒流所產(chǎn)生的氣流的影響,氣流帶動(dòng)這些小顆粒運(yùn)動(dòng),通常在遠(yuǎn)離倉中心處沉積下來。Cooper等[20]觀察到粉塵、細(xì)屑等小顆粒會在物料主流的下落過程中分離開來。物料沉降運(yùn)動(dòng)所帶動(dòng)的空氣流與下部形成的料堆相碰撞,釋放出的空氣流會帶動(dòng)小顆粒向四周運(yùn)動(dòng)。王怡等[21]利用DPM-CFD模型對顆粒流沉降運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流速度進(jìn)行了描述:氣流在中心軸線處速度最大且方向向下,達(dá)到筒倉底部時(shí)氣流改變方向向四周運(yùn)動(dòng),碰到倉壁后轉(zhuǎn)而向上,遇到中心軸線處氣流并與其匯合后向下形成渦旋。黃朋舉等[22]對顆粒下落過程與流場的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬。以0.1、0.5、1.0 mm 3種粒徑的顆粒為模擬對象,在1.1 m的下落高度情況下,可以看到較小的顆粒周圍空氣速度約為0.5 m/s,較大的顆粒周圍空氣流速可達(dá)到1 m/s,同時(shí)模擬在高度為1.1 m時(shí)的顆粒下落的速度云圖及流體流線圖,顆粒碰撞到底面帶動(dòng)周圍空氣流動(dòng),呈現(xiàn)出顆粒卷吸空氣后瞬間釋放的特性。田莉等[23]用Fluent軟件模擬顆粒流下落時(shí)空氣運(yùn)動(dòng)速度分布。粒徑為0.05 cm、密度為3 000 kg/m3、質(zhì)量流量為0.01 kg/s物料,下落高度0.2 m時(shí)中心軸線處空氣速度約為0.2 m/s,四周空氣流速約為0.05 m/s;下落高度0.5 m時(shí)中心軸線處空氣速度約為0.3 m/s,四周空氣流速約為0.1 m/s,并得到空氣流動(dòng)的速度云圖,表明空氣速度沿顆粒下落方向向周圍呈渦旋狀態(tài)。

表1 顆粒沉降和堆積運(yùn)動(dòng)中的數(shù)學(xué)模型

圖1 顆粒沉降所誘導(dǎo)的空氣流動(dòng)[14]

1.2 筒倉內(nèi)糧食堆積過程中的分級

通過沉降運(yùn)動(dòng)落入筒倉的糧食在倉底部逐漸堆積形成錐形糧堆,后續(xù)進(jìn)倉的糧食不斷落到糧堆表面上,通過滑動(dòng)、滾動(dòng)、坍塌、篩分、碰撞等復(fù)雜運(yùn)動(dòng),糧堆不斷增大、增高直至裝滿筒倉。在糧食的堆積過程中由于滾動(dòng)效應(yīng)、靜止角效應(yīng)、碰撞效應(yīng)、氣流作用、篩分效應(yīng)等導(dǎo)致分級現(xiàn)象產(chǎn)生[24]。Jian等[11]將物料堆積發(fā)生分級的機(jī)理簡化為4種作用:運(yùn)動(dòng)軌跡效應(yīng)、流態(tài)化效應(yīng)、篩分效應(yīng)和碰撞效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)軌跡效應(yīng)是指粒徑不同的顆?？諝庾枇εc重力的比值不同,在以一定的傾角進(jìn)料時(shí),大顆粒沉積在遠(yuǎn)離進(jìn)料口區(qū)域而更多的小顆粒集中在進(jìn)料口附近。流態(tài)化效應(yīng)是指這些顆粒由于不同的靜止角作用、顆粒的撞擊或其他顆粒的運(yùn)動(dòng)而形成像水一樣由高處向低處的流動(dòng)的現(xiàn)象。篩分效應(yīng)是指較小顆粒在形成的堆斜面運(yùn)動(dòng)的過程中,更容易被大顆粒之間形成的間隙所捕獲的現(xiàn)象。碰撞效應(yīng)是指顆粒在下落或者在堆頂面運(yùn)動(dòng)的過程中發(fā)生相互撞擊,較小顆粒被大顆粒碰撞到遠(yuǎn)處的現(xiàn)象。

Matthee[25]對顆粒在錐形料堆斜面上的滑動(dòng)和滾動(dòng)進(jìn)行了研究。當(dāng)顆粒以滑動(dòng)的形式在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí),發(fā)生分級的主要因素是物料顆粒本身的摩擦系數(shù),摩擦系數(shù)越大,在斜面上運(yùn)動(dòng)的距離越小。當(dāng)顆粒以滾動(dòng)的形式在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí),粒徑較小的顆粒會嵌入到大顆粒之間的空隙中并停留在料堆的中上部。同時(shí)也研究了小顆粒的滾動(dòng)阻力大于大顆粒的滾動(dòng)阻力,這也是大顆粒較小顆粒會在斜面上滾動(dòng)的更遠(yuǎn)的原因之一。

王永昌等[12,26]對糧食堆積而成的斜面上的物料運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析發(fā)現(xiàn),靜止角較小的糧粒沿斜面做下滑運(yùn)動(dòng),靜止角較大的雜質(zhì)將停留在糧堆斜面上。Mosby等[14]研究了在精鹽中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的綠豆所形成的混合物的入倉分級情況,指出由于高含鹽量,篩分效應(yīng)受到抑制,在倉壁面附近仍以綠豆為主,分級的原因是與綠豆相比,鹽的靜止角更大,這導(dǎo)致綠豆在鹽形成的表面上滾動(dòng)造成分級。再次利用細(xì)銅礦粉和粗砂兩種物料分批進(jìn)行沉降堆積實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)形成的混合堆積體中具有較大靜止角的粗砂顆粒會在堆頂部先形成較陡的斜坡,較小靜止角的細(xì)銅礦粉顆粒會沿著較陡斜坡下滑,最后較小靜止角的細(xì)銅礦粉會集中在堆的邊緣。

對于顆粒堆積形成傾斜面后,帶有一定速度的顆粒落到已經(jīng)形成的料堆上時(shí),由于下落的顆粒本身具有一定的質(zhì)量,在顆粒與顆粒之間產(chǎn)生的這種壓實(shí)力使得顆粒下落到堆頂部暫時(shí)形成大角度斜坡θ1。隨著來料顆粒增多,斜坡的角度不斷變大,變化角度為δ,到達(dá)一定的極限時(shí)角度最大為θ2,若繼續(xù)入料,這種暫時(shí)的平衡就會被打破[11],發(fā)生坍塌現(xiàn)象(圖2)。在堆上部具有較小靜止角的顆粒會沿斜面向下運(yùn)動(dòng),同時(shí)料堆角度減小,顆粒與顆粒運(yùn)動(dòng)形成交錯(cuò)的層,發(fā)生分級現(xiàn)象。隨著入料的繼續(xù),堆頂部又會形成高角度堆頂,隨之而來的下一次顆粒坍塌又會發(fā)生,分級現(xiàn)象再一次產(chǎn)生。

圖2 顆粒坍塌效應(yīng)[11]

當(dāng)大顆粒之間形成縫隙時(shí),小顆粒就會在運(yùn)動(dòng)過程中嵌入其中,被顆粒之間形成的間隙所捕獲的現(xiàn)象[27],或密度不同的顆粒沿著斜面運(yùn)動(dòng),發(fā)生分層現(xiàn)象即顆粒的篩分效應(yīng)(圖3)。王寧生[28]將混合顆?？醋鬟B續(xù)流體,推導(dǎo)出顆粒在縱向方向上的速度,并分析顆粒所受到的滲透阻力與其所在位置及混合顆粒的空隙率有關(guān)。

圖3 顆粒篩分效應(yīng)[27]

Takagi等[29]將下落的顆粒流劃分為中心M區(qū)域和顆粒流周圍的S區(qū)域。對于中心M區(qū)域,顆粒會落到已經(jīng)形成的堆頂部并依次向上方堆積,而處于顆粒流周圍S區(qū)域的顆粒下落至堆斜面的上部時(shí),由于顆粒具有一定的速度、較高的動(dòng)量,撞擊到斜面上向四周反彈分散至堆的中下部,形成分級現(xiàn)象(圖4)。黃朋舉等[22]以粒徑0.1 mm的氧化鋁材料,在1.1 m下落高度下進(jìn)行下落隨機(jī)反彈模擬實(shí)驗(yàn),模擬結(jié)果顯示隨著顆粒下落高度的增加,顆粒反彈、橫向遷移半徑也隨之增加。Yi等[30]研究具有一定速度的顆粒碰撞到糧堆斜面發(fā)生反彈時(shí),較大的顆粒更容易發(fā)生分級,歸結(jié)為大顆粒所受到的重力與空氣阻力之比較大,落到斜面上時(shí)會有較大的動(dòng)量,在撞擊時(shí)產(chǎn)生的反彈作用更大,相比于小顆粒就會遠(yuǎn)離堆的中心點(diǎn)。Jian等[31]指出顆粒流落到料堆頂部時(shí),會發(fā)生顆粒之間的相互碰撞的現(xiàn)象。大顆粒因?yàn)榫哂休^大的動(dòng)量,在碰撞的過程中小顆粒獲得更大的動(dòng)量從而被彈開至堆的遠(yuǎn)端,而大顆粒留在堆的上部形成分級現(xiàn)象。Narendran等[32]對物料入倉后油菜籽在倉外圍的含量高,而大豆、蕓豆等在倉中心含量較高這一現(xiàn)象做出解釋:在混合物下落到料堆頂部時(shí),油菜籽、大豆和蕓豆相互碰撞,具有較大動(dòng)量的大顆粒撞擊油菜籽等小顆粒使其向外部反彈。隨著下落高度的增加,對油菜籽這些小顆粒的沖擊力增加,使得更多油菜籽被彈到倉外圍。

圖4 顆粒反彈效應(yīng)[29]

糧食或其他物料入倉或沉降、堆積過程中由于多種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生分級現(xiàn)象,研究者還得到了一系列的數(shù)學(xué)模型,如表1所示。

2 糧食入倉分級的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 糧庫筒倉糧食分級的實(shí)際測定

為了掌握入倉后糧食在筒倉內(nèi)的真實(shí)分布情況,研究人員對筒倉內(nèi)的糧食分布情況進(jìn)行了大量實(shí)測。

楊文生[33]在2014年對中央儲備糧鎮(zhèn)江直屬庫直徑30 m筒倉內(nèi)的大豆進(jìn)行扦樣測定。在大豆中大雜主要是篩下物以及混雜的沙石、磚瓦塊、豆梗、豆殼等,小雜主要是種皮、細(xì)屑、無使用價(jià)值的大豆粒、異粒糧等。扦樣結(jié)果顯示,質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%以上的雜質(zhì)集中在距離中心半徑5 m的范圍內(nèi),且以大雜居多。小雜則相對大雜更容易集中在倉的外圍。并對這一現(xiàn)象做出解釋:大雜在糧堆表面與表面發(fā)生較小的相對運(yùn)動(dòng),而小雜則會在倉內(nèi)氣流的帶動(dòng)下在水平方向上發(fā)生較大的位移,產(chǎn)生分級現(xiàn)象。張峻嶺等[34]對鎮(zhèn)江糧庫筒倉內(nèi)所儲藏的10 000 t大豆的物料分布結(jié)果進(jìn)行分析,得到外圈中雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值在1%左右,靠內(nèi)圈雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～10%不等,內(nèi)圈雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值高于外圈,可見雜質(zhì)大部分集中在筒倉的中心處。劉根平等[35]對含雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.7%的大豆在直徑30 m的淺圓倉中進(jìn)行入倉扦樣實(shí)驗(yàn),主要是對中心部位直徑6 m內(nèi)的大豆進(jìn)行分層扦樣實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示中心處的雜質(zhì)在豎直方向上主要分布在筒倉的中上部,底部的雜質(zhì)含量較少。莊澤敏等[36]對含雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%的大豆進(jìn)行入倉實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在直徑25 m筒倉中,中心部位雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)12.1%,形成連續(xù)、大范圍柱狀雜質(zhì)聚集區(qū);各個(gè)層面上雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.1%～18.9%之間,在豎直方向上的雜質(zhì)相對來說較為分散。

周延智等[37]在廣東省儲備糧管理總公司東莞直屬庫中選取直徑25 m、裝糧高度30.4 m的淺圓倉作為實(shí)驗(yàn)倉房,對雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5%的三等小麥進(jìn)行扦樣。結(jié)果顯示在水平方向上輕雜含量隨直徑的增大而增大,在距中心12 m處輕雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.25%左右。重雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨直徑增大而減少,在中心位置高達(dá)2.6%,在倉壁周圍穩(wěn)定在0.4%左右。此外在現(xiàn)場觀察到中心位置重雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,高達(dá)至8.2%。呂軍倉等[38]在中央儲備糧西安大明宮直屬庫,對直徑30 m淺圓倉、雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的硬質(zhì)冬小麥進(jìn)行扦樣分析。結(jié)果顯示隨著筒倉半徑及糧面高度的增加,雜質(zhì)呈現(xiàn)出減少的趨勢,說明在筒倉的中心及下半部位的雜質(zhì)含量較高。張峻嶺等[34]對在鄭州糧庫倉容為8 000 t的筒倉小麥進(jìn)行入倉實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果表明在倉中心處雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直較高,在3%～8%之間波動(dòng),最高達(dá)到12%。而在倉直徑6 m范圍內(nèi)雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直穩(wěn)定在1%左右,整體結(jié)果表明雜質(zhì)多在倉中心聚集。

此外,還有劉磊等[39-41]分別在糧庫中對淺圓倉內(nèi)雜質(zhì)含量進(jìn)行測定,結(jié)果均顯示大雜質(zhì)在筒倉中心處含量較高,多為大雜質(zhì),而細(xì)小的灰塵細(xì)屑等集中在筒倉的邊緣處形成分級現(xiàn)象。

2.2 模擬倉糧食分級實(shí)驗(yàn)研究

糧庫及港口、碼頭的筒倉機(jī)械化程度高,入倉產(chǎn)量大,一條固定式入糧線可達(dá)2 000 t/h[42],加之糧食卸船(車)入倉時(shí)間的限制,很難在筒倉入糧的過程中進(jìn)行糧食分級的扦樣、實(shí)驗(yàn)等研究。因此,在一些科研部門按照一定比例來建造模型筒倉,通過在模擬倉中進(jìn)行反復(fù)的糧食入倉實(shí)驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)對筒倉糧食入倉分級實(shí)驗(yàn)的研究。

Prasad等[43]在1974年用半徑為2.1 m的筒倉對小麥、油菜籽的入倉分級情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中將所有外來物質(zhì)以及破碎的谷物定義為雜質(zhì),其中又將外來物質(zhì)分為大雜和小雜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)倉物料為小麥時(shí)其雜質(zhì)主要為小雜,多在距筒倉中心半徑1.6～2.1 m之間的環(huán)形區(qū)域雜質(zhì)分布,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7%。在以油菜籽為進(jìn)倉物料時(shí)雜質(zhì)主要以大雜居多,在距筒倉壁0.3 m的環(huán)形區(qū)域內(nèi)大雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高接近10%。Chang等[44-46]分別以小麥、玉米、高粱3種谷物在直徑3.2 m的筒倉中進(jìn)行入倉,并對細(xì)料雜質(zhì)的分布進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示使用雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的小麥為原料進(jìn)倉時(shí),在距筒倉中心0.4 m的圓形范圍內(nèi)雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,約為5%;當(dāng)使用雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.17%的玉米進(jìn)行入倉時(shí),筒倉中心雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7%;當(dāng)使用雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.87%的高粱進(jìn)行入倉時(shí),雜質(zhì)也同樣聚集在筒倉中心處,其雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7%。Parker等[47]以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91%的小麥為主要物料,其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%的油菜籽作為小顆粒雜質(zhì),添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%的大豆作為大顆粒雜質(zhì),在倉容為0.30 m3的倉中對顆粒分級情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果顯示當(dāng)下落高度為0.65 m時(shí),大豆這類大雜在倉壁處分布明顯比倉中心處含量較多,倉中心雜質(zhì)質(zhì)量在41.6 g,而倉壁處為52.2 g;油菜籽這類小雜質(zhì)其含量在中心處較多,倉中心雜質(zhì)質(zhì)量在44.4 g,而倉壁處為24.3 g。這可能是由于小麥顆粒堆積,顆粒與顆粒之間則形成縫隙,這種縫隙就會使得油菜籽這種小顆粒進(jìn)入縫隙之中而被固定在倉的中心部位,而大顆粒具有較大的質(zhì)量,從進(jìn)料點(diǎn)落到糧堆上則具有較大的動(dòng)量,就會沿斜面發(fā)生滾動(dòng)最后在倉壁處聚集,形成分級的現(xiàn)象。

Salarikia等[48]以雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.804%的小麥作為實(shí)驗(yàn)對象,在直徑10 m、高5 m的圓筒倉中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將大于2 mm的物質(zhì)視為大雜質(zhì),小于2 mm的物質(zhì)視為小雜質(zhì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示大雜質(zhì)主要集中在距筒倉中心1 m內(nèi)的圓形區(qū)域及距筒倉半徑3.75 m以外的倉壁處的環(huán)形區(qū)域,小雜質(zhì)則多集中在距筒倉中心1.25 m的范圍內(nèi),質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)3%。Narendran等[32]以倉半徑為2 m倉容量為1.25 m3的筒倉作為模擬倉,以小麥為主要物料,以油菜籽來模擬小顆粒雜質(zhì)、以蕓豆及大豆等模擬大顆粒雜質(zhì)來分析雜質(zhì)入倉的分級偏析情況。結(jié)果顯示油菜籽這種小雜質(zhì)在距筒倉中心1 m處的含量最多,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,蕓豆和大豆等大雜在距離中心0.5 m處的含量較多,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～2%,可見相較于小麥來說,大雜主要分布在筒倉中心,小雜多分布在筒倉邊緣處。

Jayas等[49,50]以油菜籽為入倉物料、在半徑為2.3 m的平底筒倉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,定義16目的篩下物質(zhì)為細(xì)料,在12目篩網(wǎng)上的物質(zhì)為谷殼、秸稈等。結(jié)果表明對于谷殼的分布更多集中在距筒倉半徑1.75～2.3 m之間的環(huán)形區(qū)域,多分布在筒倉壁處,而細(xì)料等較小的篩下物多集中在距筒倉中心0.5 m范圍內(nèi)。Moghadami等[51,52]設(shè)計(jì)了一種直徑為1 m特殊筒倉,筒倉由7個(gè)環(huán)層疊組成,每層高約0.14 m,進(jìn)料結(jié)束后可用中間隔板將環(huán)與環(huán)分開,便于后續(xù)環(huán)層取樣而不影響到其他區(qū)域。本實(shí)驗(yàn)以去殼玉米作為研究對象,將其中的破碎玉米及其他細(xì)料視為小雜,經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明每個(gè)環(huán)中所取得樣品的雜質(zhì)含量都隨半徑的增大而減少,在距環(huán)中心0.28 m的半徑范圍內(nèi)雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%～20%之間呈減小的趨勢,在距環(huán)0.5 m處的邊緣雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降至4%左右。

此外,還有學(xué)者使用其他材料如氧化鋁和玻璃球等來研究顆粒堆積后不同顆粒處在不同位置而形成的分級現(xiàn)象[53-58],對于粒徑來說,較大顆粒更傾向于集中在筒倉遠(yuǎn)端,較小顆粒則聚集在筒倉中心部分;對于不同密度的顆粒,密度較大的顆粒則更容易聚集在筒倉中心區(qū)域,密度較小的顆粒則多分布在筒倉邊緣處形成分級的現(xiàn)象。

3 總結(jié)與展望

淺圓倉進(jìn)糧的特點(diǎn)是進(jìn)糧口位于倉頂中心、落差大,糧食從倉頂落下形成糧堆的過程包含了眾多復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)以及相互作用,如自由落體運(yùn)動(dòng)、碰撞與反彈運(yùn)動(dòng)、坍塌運(yùn)動(dòng)、滾動(dòng)與滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)、氣流的作用等,最終由于運(yùn)動(dòng)軌跡效應(yīng)、流態(tài)化效應(yīng)、篩分效應(yīng)和碰撞效應(yīng)等產(chǎn)生糧食堆積后的分級現(xiàn)象。筒倉糧食的分級與糧食品種、糧食中各組分的大小、形狀、密度等特性以及糧倉的高度、直徑等尺寸密切相關(guān),此外還受到入倉方式、入糧速度、入料角度及質(zhì)量流量等多項(xiàng)工藝參數(shù)的影響。

雖然糧食的品種、組分等特性是糧食所固有,以及筒倉的直徑、高度等尺寸是實(shí)際生產(chǎn)所需求的,但是從糧食入倉的眾多且復(fù)雜的分級機(jī)理中可以得到,通過改變?nèi)雮}方式、糧食的入倉速度和方向角等工藝參數(shù)以及通過輔助入倉裝置降低入倉糧食的“有效落差”“有效速度”等因素來降低糧食的分級,是可行的。