橫式碾米機內(nèi)米粒碾白機理及破碎特性探討

趙海瑞

（江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站 江蘇·南京 210000）

1 碾米機內(nèi)米粒碾白理論概述

首先，米粒碾白理論的研究。自第一臺碾米機出現(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)力學來研究米粒碾白運動情況，但是忽略了米粒群自身的力學屬性，使得分析過程存在一定的偏差。所以利用碾米理論對其機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程比較復雜，且影響因素較多，給米粒破碎理論的研究帶來了許多困難。經(jīng)過近10年的研究，闡明了從單籽粒方向分析籽粒群破碎力學行為的重要性，同時給稻谷損傷機理和加工工序的研究奠定了基礎(chǔ)。

2 橫式碾米機內(nèi)米粒碾白機理

2.1 橫式碾米機碾米過程離散元模型建立

2.1.1 米粒接觸模型的建立

在碾米機當中會出現(xiàn)米粒之間以及米粒與碾米機間的摩擦碰撞，其本質(zhì)是米粒群的受力與力矩之間的傳遞過程。所以，計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)用到力與力矩的計算當中，綜合考慮米粒碾白的要求以及各個模型的特點，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刻的運行狀態(tài)。

2.1.2 米粒離散元模型的建立

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

2.1.3 橫式碾米機模型的建立

利用商業(yè)化離散元軟件能夠?qū)M式碾米機內(nèi)米粒碾白過程進行模擬分析，并且利用實驗室級碾米機當作原型機來開展測繪工作，從而建立碾米機離散元仿真模型，如圖1所示。此橫式碾米機模型為簡化裝置，省去了料口調(diào)節(jié)裝置等部分。

橫式碾米機模型和實驗室級碾米機的配置相似，主要由料斗、螺旋輸運器、米篩、凸筋以及碾米棍等部分構(gòu)成。其中，米篩和螺旋運輸器構(gòu)成的空腔可以看做是“輸運室”，主要功能為給碾白室當中不斷的提供米粒；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)進行。

圖1：橫式擦離型碾米機離散元模型

2.1.4 碾米過程離散元模型的驗證

在模擬米粒碾白過程之前，需要對其離散元接觸模型和相關(guān)的參數(shù)進行驗證，主要分為直接驗證、間接驗證等方式。其中，直接驗證是通過核磁共振成像、粒子圖像測速等測試技術(shù)，將試驗過程可視化處理，同時將其顆粒信息和仿真結(jié)果進行對比，以便分析離散元模型的可行性。而間接驗證是把停留時間、功率等測量參數(shù)與仿真結(jié)果進行比較，說明離散元模型的可行性。雖然直接驗證的可信度較高，但是試驗成本高，適用于小規(guī)模的試驗。綜合來看，本文利用間接驗證的方法，將稻谷與白米表示為不同靜摩擦系數(shù)的米粒，同時把顆粒停留時間以及碾米機的實時功率當作指標，從而驗證離散元模型的效果。

2.2 米粒碾白運動一致性分析

在碾米機當中，米粒的運動軌跡可以看做為近似的螺旋線，因此運動過程能夠分為軸向運動以及圓周運動等。而且米粒碾白運動的一致性對碾磨的均勻性和程度具有一定的影響，能夠通過數(shù)值模擬過程中停留的時間以及碰撞能進行表示。所以，研究靜摩擦系數(shù)對米粒軸向和圓周運動的一致性、停留時間、碰撞能的影響具有重要的意義。

首先，軸向運動的分析。根據(jù)示蹤米粒的軸向坐標，米粒與壁面間的摩擦系數(shù)對軸向運動的影響較為明顯，且米粒的速度與其密集程度具有一定差異性。米粒越密集，其軸向運動的一致性越好。所以米粒表面的粗糙程度對軸向運動的一致性有著密切的影響。

其次，圓周運動的分析。當靜摩擦系數(shù)增加時，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)生的能量也越來越大。因此，米粒間產(chǎn)生的靜摩擦系數(shù)對圓周運動的一致性有著重要的影響，而通過提高米粒間的靜摩擦系數(shù)，能夠提高其圓周運動的均勻性。

2.3 米粒碾磨性能分析

首先，停留時間。碾磨時間能夠有效的評價橫式碾米機的碾磨性能。當米粒運動相同的距離時，其軸向運動能力大致相同，一旦筒壁的粗糙度較大，米粒的停留時間也會延長。也就是說，當米粒的軸向運動差異性較小時（米粒在碾白室中停留時間相似），米粒碾磨性能更好；而當米粒在碾磨機中停留的時間具有一定的差異性，產(chǎn)生重碾或者輕碾的問題，就會導致米粒的碾磨不均勻。

其次，碰撞特性。當靜摩擦系數(shù)增大的時候，米粒的平均碰撞能呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢，這主要是由于徑向速度梯度會隨著靜摩擦系數(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動的一致性較為類似，因此可以認為碰撞強度與米粒的圓周運動一致性之間有著密切的聯(lián)系。

3 橫式碾米機內(nèi)米粒破碎特性

3.1 單粒米破碎特性分析

在研究過程中，利用商業(yè)軟件EDEMTM對不同含水量下單粒米破碎的數(shù)值進行模擬，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程中，把米粒的真實形狀變?yōu)檩S對稱橢球體，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，通過擠壓填充的方式，把橢球聚合體近似為真實的米粒，從而構(gòu)建米粒的離散元模型。

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

其次，含水率的影響。米粒自身的強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)鍵來表示米粒的強度。由于粘結(jié)鍵強度的降低，隨著含水率的提高，米粒的破碎程度也逐漸的加強，因此，米粒破碎和粘結(jié)鍵的強度有一定的關(guān)系，即粘結(jié)鍵的強度越低，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四個區(qū)域分別表示未破碎、局部破碎、破裂、粉碎等四個破碎形態(tài)。可以看出，當沖擊速度、含水率一定時，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程中，把米粒的真實形狀變?yōu)檩S對稱橢球體，利用13個重疊球來近似米粒的外形輪廓。利用橫式碾米機模型對米粒群破碎特性進行分析，通過顆粒替換模型與離散元法的結(jié)合對橫式碾米機中米粒破碎的情況進行模擬。在碾白的過程中，米粒之間、與碾米輥和米篩之間的碰撞強度大于自身的承受強度，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度，因此，可以通過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度。

在米粒碾白的過程中，由于米粒間的碰撞強度較大，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同時存在。此外，脆性斷裂主要發(fā)生在碾米機出料口或者碾米輥周圍，而疲勞斷裂的產(chǎn)生區(qū)域為碾米機進料口處或者米篩附近。

4 總結(jié)

本文通過對橫式碾米機內(nèi)米粒碾白機理及破碎特性的探討，使我們了解到了，碾米加工過程中碎米率與沖擊速度、含水率的關(guān)系，對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)濟效益。因此，對米粒碾白機理的研究以及破碎特性的分析具有重要的實際意義，不但能夠為以碾米降碎為目標的碾米機優(yōu)化提供科學的指導，而且能夠很好的解決在碾米加工過程中出現(xiàn)的碎米問題。另外，在實際的碾米過程中，不僅要對米粒的碾白運動進行分析，還包括糠層的移除等工作，需要進行更加深入的研究。