糧食干燥機旋淋擾動布料裝置的研究與設計

劉 玨謝澤良

(1. 武漢輕工大學，湖北 武漢 430048；2. 湖北天和機械有限公司，湖北 鄂州 436042)

糧食收獲后的水分含量較高，不及時干燥將發生霉爛、變質，造成較大損失。干燥技術的優劣與糧食的干燥品質[1-2]以及干燥效率、干燥費用等密切相關[3-4]。通過優化干燥工藝[5-6]以及干燥過程工作參數[7-8]，并對干燥過程進行在線控制[9-10]，有利于保證高效干燥。研究[11]表明，倉內雜質分布和含雜不均勻度與進料口的布料裝置有關，且糧食與雜質粒度相差越大、布糧器轉速越高，糧食自動分級現象越明顯。這種現象可以通過合理設計布料器結構與工作參數來緩解。如在淺圓倉中使用變速布糧器裝倉入糧，可以減緩倉內雜質聚集，并降低含雜不均勻度[12]；通過數控布糧器小麥入倉儲糧試驗，解決糧食自然入倉所形成的中心區域雜質集聚現象[13]；利用離散元方法模擬溢料筒不同環寬下大豆顆粒入料過程，解決淺圓倉布料器在實際應用中常因環寬過小發生雜質堵塞或環寬過大導致偏流的問題[14]。在干燥過程中，物料分布是否均勻直接影響到干燥介質的作用效果，進而影響物料干燥的均勻性。為此，黃正明等[15]設計了一種用于大型立式干燥器的旋轉布料與往復勻料相結合的布料裝置，并以料面平整度作為評價指標，采用顆粒飼料為原材料，對影響布料均勻性的主要結構與工藝參數進行試驗研究，得到布料板轉速、高度以及漿葉角度等工作參數。但未涉及濕糧中的水分含量和雜質含量等因素影響物料流動以及造成自動分級從而影響干燥品質的問題。

針對干燥作業中糧食在進料口易產生自動分級和布料不均勻而影響干燥品質的問題，設計一種糧食干燥機旋淋擾動布料裝置，分析旋淋擾動組合布料技術特點，并通過現場試驗驗證組合布料方式與單一布料方式的優劣。

1 濕糧流動特性

濕糧與干糧的流動性有較大的差別，影響濕糧流動性的主要因素是水分含量和雜質含量。中國糧食標準有關糧食流動性的說明與規范，均是指符合貯藏標準的糧食，但對收割脫粒后濕糧的流動性很少涉及，相關濕糧流動性的研究與報道亦不多。由牛頓黏性理論[16]：

(1)

式中：

τ——濕糧流動時的黏性力，N/m2；

μ——濕糧顆粒間相對運動時黏性系數，N/(m2·s)；

收割脫粒后的濕糧中，水分含量大多為20%～30%；雜質含量為1%～10%。依據2017年5月～12月湖北華苑糧油有限公司干燥車間干燥小麥、油菜籽、早稻、中稻、晚稻的生產紀錄和濕糧流動性試驗資料，綜合分析表明：濕糧流動時的黏性力τ與糧食的粒徑、形狀、密度相關；與濕糧水分含量，特別是與糧食顆粒表層的自由水分含量密切相關；與濕糧中的雜質含量相關，特別是與高水分纖維性輕雜含量密切相關；du/dy與濕糧流動發生的位置關聯密切。在干燥機頂層布糧時，要求濕糧有較大的橫向速度，使濕糧向四周均質與均勻擴散；在干燥機底層，要求濕糧有較大的向出料口方向的流動速度，使干燥機底層的物料較均勻地從出料口排出；在干燥機進風和排風風道處及干燥倉邊壁形狀發生突變處，要求dy方向的變化僅影響局部du的大小和方向，而不影響干燥機內濕糧的整體流動。μ為黏性系數，與濕糧的粒徑、形狀、表面粗糙度、水分及雜質含量、雜質狀況等因素有關。

2 糧食均勻干燥機理

糧食干燥機的種類較多，但對流干燥機型約占糧食干燥機總數量或總噸位的90%以上。圖1為對流干燥模型。干燥倉1內裝有需要干燥的物料4，熱風經進風角狀盒2進入料層，在物料顆粒間滲流流動，然后進入位于進風角狀盒上部和下部的排風角狀盒3排出。熱風穿過料層對物料加熱，使物料溫度升高，同時帶走物料中的水分，使物料干燥。所以，位于上、下部排風角狀盒之間的物料層處于干燥降水狀態。若處于干燥機上排風角狀盒排風口橫斷面的物料，經過t時間后，流動到下排風角狀盒排風口的位置，且仍處于同一橫斷面內。即干燥機內的物料，流動距離為上、下排風角狀盒之間的位置高度差h時，所需時間為t，由連續性方程可知：

ρ1A1v1=ρ2A2v2，

(2)

v=h/t，

(3)

式中：

ρ1、ρ2——上、下斷面上物料的容積密度，kg/m3；

A1、A2——上、下斷面的有效斷面積，m2；

v1、v2——上、下斷面上的物料流速，m/s；

h——上、下斷面之間的距離，m；

t——物料流經干燥段的時間，s；

v——物料流經干燥段的平均流速，m/s。

由式(2)、(3)可知，若要保持t或v為不變量，則需保持ρ1和ρ2相同，即干燥機任一橫斷面上物料的容積密度相同，則ρ1=ρ2=ρ。由于干燥機倉體設計時，需減小倉壁對糧食向下流動的阻力，干燥倉倉體的倉壁大多與糧食流動方向平行。所以，A1=A2，v1=v2=v，且v=h/t。通過控制干燥機的排料量，可以調節糧層整體流經h距離的時間t，從而控制糧食在干燥機內的干燥時間。并通過調節熱風風量和熱風溫度，還可控制糧食的降水速度和糧食流經h距離時的降水幅度，實現糧食均勻干燥。

1. 干燥倉 2. 進風角狀盒 3. 排風角狀盒 4. 物料 5. 干燥氣流

但糧食干燥機進料口的斷面積比干燥倉的斷面積小得多，進料口附近的糧食向下流動的同時，需要橫向運動，才能使糧食布滿干燥倉。所以，進料口附近糧食的實際流動方向是向下速度與橫向速度的合成。由于橫向速度的存在，以及糧粒與雜質的大小、形狀、表面粗糙狀況、真實密度和容積密度等均存在較大差異，將使糧食和糧食中的雜質自動分級，導致干燥倉橫斷面上各處的雜質分布不均勻。此外，由于濕糧中的水分含量和雜質含量高，濕糧的流動性更差，致使濕糧的自動分級現象更嚴重，且使干燥倉內糧食的容積密度ρ和糧流速度v產生變化，影響干燥品質。

3 旋淋擾動布料技術

3.1 旋淋布料機構設計

XH-30型旋淋擾動糧食干燥機見圖2。旋淋布料機構10由匯料筒16、短旋淋嘴15、長旋淋嘴18、旋轉軸17以及電機傳動機構等組成。旋淋布料機構安裝在干燥機進料口9的下方，并位于擾動布料機構11的上方。旋淋布料機構的旋轉軸通過安裝在干燥倉頂部的電機傳動機構做旋轉運動。糧食經提升機落入干燥機的進料口9中，并落入旋轉的匯料筒16中，匯料筒與長旋淋嘴和短旋淋嘴相通。由于長、短旋淋嘴的結構設計，在離心力的作用下，匯料筒中的糧食只能從長旋淋嘴和短旋淋嘴中甩出。隨著旋淋布料機構勻速旋轉布料，將在干燥機頂層糧食形成以長旋淋嘴和短旋淋嘴為半徑的兩個同心圓環。由于糧食的流動性和自然堆角作用，糧食可布滿干燥倉的橫斷面，并可改善糧食在布料過程中的自動分級現象，有利于減小干燥倉橫斷面上糧食容積密度的不均勻度。

1. 振動排料機構 2. 出料口 3. 集料斗 4. 導料桿 5. 前后置角狀盒 6. 左右置角狀盒 7. 提升機 8. 彈性吊座 9. 進料口 10. 旋淋布料機構 11. 擾動布料機構 12. 干燥倉 13. 彈性支座 14. 機架 15. 短旋淋嘴 16. 匯料筒 17. 旋轉軸 18. 長旋淋嘴 19. 平料柵 20. 邊緣測點 21. 中部測點

圖2 旋淋擾動糧食干燥機工作原理示意圖

Figure 2 Schematic diagram of working principle for grain dryer combined rotary shower and disturbance

3.2 擾動布料機構設計

XH-30型旋淋擾動糧食干燥機的擾動布料機構由平料柵19、彈性吊座8、導料桿4和振動排料裝置1等組成。振動排料裝置1利用彈性支座13安裝在機架14上。平料柵19利用彈性吊座8懸掛在干燥倉12的頂部。導料桿4的上端與平料柵19鉸接；導料桿下端與振動排料裝置鉸接。當振動排料裝置工作時，帶動導料桿振動。導料桿由外套筒和內導桿組成，外套筒外側與糧食接觸，而內導桿位于外套筒內，不與糧食接觸，可傳遞振動力。當導料桿穿過振動排料裝置與平料柵之間的糧層，導料桿的振動力亦將衰減，平料柵的運動亦衰減至擾動。如圖2所示，平料柵的橫向與縱向肋板將擾動力傳遞給與之接觸的糧食，將使糧食的自然堆角增大，糧食產生橫向位移，從而布滿干燥倉的橫斷面。所以，在平料柵擾動力的作用下，干燥機頂層的糧食將有向四周的橫向運動。因擾動力較小，糧食與平料柵之間相對運動的速度較小，且糧食顆粒之間的橫向運動速度亦較小，不易使糧食與糧食中所含的雜質產生自動分級。所以，擾動機構的作用既有利于糧食布滿干燥倉頂層的整個橫斷面，又有利于防止布料過程中產生糧食自動分級現象，控制干燥倉橫斷面上糧食容積密度的不均勻度。

3.3 旋淋擾動組合布料技術特點

HX-30型糧食干燥機干燥倉斷面積為3 m×3 m，從提升機到干燥倉的溜管斷面積為0.2 m×0.2 m。由于糧食在溜管中運動有速度、方向和動量，存在自動分級現象。將旋淋布料機構設計為長短旋淋嘴結構，并取長旋淋嘴半徑為1.25 m，短旋淋嘴半徑為0.75 m，使兩個同心圓環的面積為溜管進料口斷面積的20～50倍。并依據試驗測定，旋淋布料機構的轉速在10～100 r/min時，從旋淋嘴甩出糧粒的速度在0.5～5.0 m/s，不易造成糧食的損傷與雜質分級。當糧食粒徑較大時，旋淋布料機構的轉速取較小值；反之，取較大值。同時，由于擾動布料機構對兩個同心圓環糧食實測堆角增大到110°～170°，基本布滿干燥倉頂部橫斷面，并有效防止了進料口糧食的自動分級現象。另外，長、短旋淋嘴布置在同一軸線上，具有結構簡單、制造成本低的優點，有利于配重與平衡；有利于安裝、維護和磨損后現場配重平衡。所以，旋淋擾動布料機構將旋淋布料機構與擾動布料機構進行組合，可有效控制干燥倉橫斷面上糧食的容積密度。

如圖2所示，將旋淋布料機構置于擾動布料機構的上方。干燥機工作時，糧食經提升機落入勻速轉動的匯料筒中。糧食從長旋淋嘴和短旋淋嘴中甩出，在干燥倉內糧食頂層形成以長旋淋嘴為半徑的大圓環和以短旋淋嘴為半徑的小圓環。兩圓環同心，相當于兩個同心圓環進料口的布料效果。由于兩個同心圓環的有效布料斷面積要比單點或多點布料口的有效斷面積大20～50倍，可以改善單點或多點布料效果。擾動布料機構的平料柵的中間部分置于糧層中，但四周邊緣部分暴露在空氣中，當振動排料裝置工作時，振動力通過導料桿傳遞給平料柵時，平料柵產生擾動。平料柵上的橫向或縱向肋板將糧食向四周邊緣擾動，使旋淋布料機構布料形成的兩個同心圓環糧食的錐頂角不斷增大，使同心圓環糧食的錐頂角保持在110°～170°，糧食向四周邊緣移動，充滿干燥倉頂部的橫斷面，實現旋淋擾動組合布料過程。

4 裝置性能試驗

4.1 試驗材料

晚稻：黃花粘，含水率26%～28%，市售。

4.2 試驗設備與條件

4.2.1 試驗設備

旋淋擾動糧食干燥機：HX-30型，湖北天和機械有限公司；

米麥兩用水分計：1D-6型，上海三久機械有限公司；

單粒水分計：CTR.500ET型，上海三久機械有限公司；

爆腰檢查器：DC.50型，上海三久機械有限公司。

4.2.2 試驗地點 湖北華苑糧油有限公司的干燥車間。

4.2.3 試驗時間與試驗條件 2017年10月26日～11月7日，大氣溫度9～23 ℃，相對濕度60%～85%。

4.3 試驗方法

將剛收割的晚稻黃花粘裝入HX-30型旋淋擾動糧食干燥機，進行干燥試驗。試驗過程中，采用停機進行頂部取樣的方式，按GB/T 6970—2007《糧食干燥機試驗方法》以及GB/T 21015—2007《稻谷干燥技術規范》測定試樣的含水率、含雜率、水分不均勻度、含雜不均勻度等。

4.4 試驗結果與分析

由表1可知，隨著干燥作業進行和糧食水分含量降低，圖2 所示測點的水分值、含雜量、水分均值、含雜量均值、水分不均勻度、含雜量不均勻度值都在降低。糧食中含雜量的降低，說明雜質的含水量比糧食含水量大；當糧食水分降低時，雜質的失水更多，故雜質的含量降低。同時，當糧食水分<17% 以后，水分不均勻度值<1%。糧食中含雜量的不均勻度值隨著糧食水分降低而減小，并小于0.5%，說明旋淋擾動布料過程中沒有出現自動分級現象，糧食干燥機內糧食的容積密度變化很小，可以忽略不計，達到了均勻布料的設計要求。

表1 旋淋擾動布料裝置試驗結果

表1顯示，當糧食水分較高時，甩盤布料方式中，邊緣測點含雜量高于中部測點的。當糧食水分較低時，甩盤布料方式中，邊緣測點含雜量略低于中部測點的，說明糧食水分較高時，雜質的含水量更高，雜質更重，甩得較遠，邊緣測點處的雜質含量較高；當糧食水分較低時，雜質失水更多，重量減少更快，甩的距離亦減小，中部測點處的雜質含量增多。

5 結論

分析高水分、高含雜濕糧對流動性的影響，設計旋淋擾動組合布料機構。試驗表明：旋淋布料形成兩個同心圓環，且兩個同心圓環的斷面積比進料口斷面積大20～50倍；擾動布料使兩個同心圓環糧食的錐頂角增大到110°～170°，既使干燥機頂層糧食有水平運動，又控制了糧食與雜質的相對運動速度，防止自動分級現象出現。采用旋淋擾動布料機構，使邊緣測點位置和中部測點位置所測含雜不均勻度小于2%，且各測點水分不均勻度均小于1%，說明旋淋擾動布料機構可增大進料口斷面積和增加糧食水平運動，使干燥機頂層糧食基本保持水平狀態，是一種工作穩定可靠的糧食布料裝置。

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