淺談糧食破碎和自動分級形成原因、預防措施及裝置應用現狀

鄭來寧，侯文慶，杜連鵬，馮攀屹

（北京國貿東孚工程科技有限公司，北京 100037）

20世紀90年代，我國利用世界銀行貸款改善中國糧食流通項目，逐步引進了一批大容量、高效率的筒倉儲糧設施[1-2]。糧食筒倉以其機械化程度高、占地面積小、密閉性能好、抗震性能好等明顯優勢，在糧食倉儲行業中得到廣泛的推廣及應用[3]。但糧食筒倉在應用過程中也存在一些問題，如裝糧高度高，與倉底落差大，導致糧食入倉時速度快、沖擊大，造成糧食出現不同程度的破碎及自動分級現象。糧食破碎及自動分級現象對糧食的長期儲存帶來很多不利因素，嚴重影響儲糧品質[4-5]。針對這些問題，國內諸多糧食工作者及設備制造企業開拓思路、不斷創新，研究出了諸多防破碎及自動分級的裝置，在一定程度上解決了入倉時的普遍性問題。

1 糧食破碎和自動分級形成的原因及影響因素

1.1 糧食破碎、自動分級的形成原因

隨著科技水平的快速發展及機械化水平的提高，機械設備在倉儲行業的應用逐漸普遍，傳統的人工作業和包裝運輸中出現的糧食破碎問題，在當前糧食物流過程中更加突出。

糧食的破碎率是影響糧食品質的一項重要指標，糧食的運輸與輸送、烘干、入倉及出倉過程中均會造成糧食的破碎。目前糧食運輸方式大多為散糧，在運輸途中的相互撞擊不可避免的會造成糧食一定程度的破碎；濕糧在烘干過程中，水分的快速流失及溫度的快速升高，使籽粒內部產生應力聚積“失去平衡”，導致糧食稍遇外力便出現破碎現象[6]，試驗表明，干燥溫度超過150℃、受熱溫度超過60 ℃或一次降水幅度超過3%時，玉米的裂紋率就會大大增加，導致烘后糧食破碎率增值超過1.5%、裂紋率增值超過15%[7-8]；糧食入倉時的高度落差導致的強烈撞擊，以及出入倉過程中的提升及輸送設備對糧食的擠壓、撞擊也會造成糧食破碎率的增加，而且是影響糧食破碎率的主要因素，據統計，機械設備導致的糧食破碎率在5%以上，甚至高達10%及以上[9]。

自動分級是糧堆散落性的一種反映，指糧粒在震動、移動或入倉時，同類型、同質量的組分集中在糧堆的某一部位，引起糧堆組分重新分布的現象[10-11]，是顆粒在自由運動時自動產生且不可避免的一種現象[12]。糧堆是由糧粒、雜質和蟲霉等多種組分構成的非均質聚集體，糧粒有飽滿與癟瘦、完整與破碎之分，水分含量也不盡相同；雜質有輕重、形狀與大小的不同[13]，彼此的摩擦力、重力和空氣動力學特性的不同，造成其散落性的不同。在糧食入倉時，散落性不同的顆粒會引起糧堆組分的重新分布，形成以倉筒軸線為中心到倉壁由不同的顆粒組成的同心圓，即：灰塵–雜質–破碎糧的小顆粒–破碎糧的大顆粒–輕粒糧–重粒糧。灰塵、雜質和破碎糧的小顆粒形成的雜質區處于倉筒的中心部位，雜質區的直徑通常為3～4 m[11]。

1.2 糧食破碎、自動分級的影響因素

糧食的破碎、自動分級與糧食品種、含水率、含雜率等因素密切相關。糧食品種對于其發生破碎、自動分級現象的影響主要取決于其結構特性及物理特性等，如玉米由于粉質率高、籽粒較大等特點，在烘干及入倉時極易發生破碎問題[14]，據相關檢驗結果顯示，2008年度集港產自東北的76 571份、代表玉米實際數量約460萬t玉米樣品，破損粒含量最高可達6.33%[15]。大豆由于散落性好的特點，加之應用最多的淺圓倉僅有一個入糧點，在入倉時極易發生嚴重的自動分級問題，其中心落點雜質含量與倉周含量差異至少十倍以上，處理難度較大[16-17]。糧食含水率也是影響其破碎率及自動分級的一個重要因素，以東北玉米為例，含水率低的玉米，籽粒較硬，表皮柔韌性低，加之水分含量越低，烘干時的溫度越高，降水幅度越大，玉米的裂紋率越高，在輸送過程中的撞擊與擠壓，以及入倉過程中高落差下的撞擊，更易出現較高的破碎率[8,18]，糧食破碎率的增加也會引起入倉時自動分級現象的增加。糧食的收儲過程中，不可避免的會帶入泥土、砂石、秸稈、編織袋等雜質，糧食中雜質含量越大，不同顆粒間的散落性差異越大，在入倉時分級現象越嚴重等。

糧食的破碎與自動分級為儲糧過程中兩個常見的現象，但又相互影響與關聯，如糧食的破碎引起糧食顆粒不均勻及容重差異，必然會造成入倉時的自動分級現象，因此糧食破碎也是影響糧食自動分級的重要因素，控制糧食的破碎率可減少糧食入倉時自動分級現象的產生。

糧食破碎及自動分級現象不僅直接影響糧食的使用價值，降低糧食的加工品質及貿易的商品等級，對于糧食的儲藏特性也產生極大影響，破碎的糧食和雜質在入倉時，形成以落糧點為中心的柱狀雜質分級區域，該區域中破碎糧粒、土塊等雜質含量可達10%～14%，嚴重時高達20%及以上[8]。在糧食的長期儲存過程中，這些分級區域極易出現結露、發熱、霉變等影響儲糧安全的異常現象，而在采取機械通風、熏蒸、氣調等安全儲糧措施時，又成為“死角”部位，無法消除隱患，嚴重影響儲糧的安全穩定性。

2 預防糧食破碎及自動分級的措施

2.1 選擇合適的糧食干燥工藝

水分含量是影響糧食儲存安全性的重要指標之一，水分含量過高，糧食容易發熱、霉變，嚴重影響糧食的儲存及加工特性。為保證糧食的儲存安全性，水分含量高的糧食（主要為玉米），入庫前需進行干燥處理，使其水分含量降低至安全水分。目前，熱風干燥工藝是國內糧食干燥普遍采用的工藝，利用塔式烘干機進行高溫干燥，降低糧食水分含量，同時通過提高風溫來提高烘干機的產量。如果過度追求產量，一次性降水幅度過大，降水速度過快，就會出現裂紋率增加、破碎率增加的現象。

實驗表明，在玉米的干燥過程中，當干燥溫度超過150 ℃、糧食受熱溫度超過60 ℃或一次降水幅度超過3%時，玉米的裂紋率就會大大增加[19-20]。在已有干燥機使用中，通過適當降低產量、降低干燥溫度、延長干燥時間，必要時進行二次干燥以降低一次性降水幅度等措施，可降低糧食干燥后裂紋率及破碎率的增加[7]。故，選擇合理的干燥工藝是減少糧食破碎的關鍵措施。

2.2 選擇合理的進出倉工藝

筒倉糧食進倉時，入倉糧落差大、下降速度快，如不采取措施，糧食與地面或籽粒的猛烈碰撞會造成糧食大量破碎，同時不可避免地產生糧食、碎糧及雜質的自動分級現象。糧食進倉時，傾角大、長度長、垂直管道高的溜管對糧食也存在很大沖擊力，極易造成糧食破碎。因此設計進出倉工藝時，應避免多次提升與拋料、溜管過長或傾角過大，或在進糧口處，增設附壁溜槽、伸縮管或減壓管內緩沖器，減緩入倉糧粒的下降速度，可在一定程度上減少碎糧產生[21]。此外，糧食中雜質含量是影響其自動分級的主要因素，來糧過篩清理、提高入倉糧食質量是消除雜質分級的最好方法，可在進倉前增加清理環節，根據來糧雜質含量選擇一道或者多道清理設備來完成。

2.3 選擇合理的輸送設備

糧食進出倉輸送過程中，需要經過多級輸送設備進行輸送，不可避免的會發生碰撞、沖擊，造成糧食的破碎現象，斗式提升機、刮板輸送機、帶式輸送機等是造成糧食在輸送過程中破碎的主要對象。這些輸送機械在制造、安裝、調試等環節大多注重輸送能力的實現，忽略了設備運轉過程中對糧食破碎的影響，尤其是大宗糧食品種玉米，多臺設備多次倒運后，致使破碎率明顯增加。

斗式提升機的回流和糧食與拋糧罩的高速撞擊是造成破碎的主要因素[22]，在提升過程中，進料處底部糧堆受到挖取物料的畚斗擠壓，畚斗外的物料與畚斗、機尾斜導流板發生摩擦，造成糧食的破碎，且帶速越高、卸料口尺寸越小, 碰撞越激烈, 造成的破碎越嚴重[23]。因此在選擇斗式提升機設備時，應優先考慮塑料畚斗，且畚斗與斗提機底部的距離越小越好[24-25]，此外，將面對面相連的斗式提升機出料口連接，中間增加隔板，同時增加尼龍輸送帶等緩沖層，或在頭部罩殼拋料處增加緩沖擋簾等，也可在一定程度上減少糧食破碎[26]。

對于刮板輸送機，糧食在輸送過程中，極易落入刮板下方的間隙中，產生摩擦、擠壓以及與底層的碰撞，導致糧食破碎率的增加，且越靠近刮板底部，糧粒破碎越嚴重[27]。因此，在選用刮板輸送機時，可以通過加厚導軌，擴大刮板與底板間隙，使間隙大于糧食顆粒，減少輸送過程中對糧食的擠壓，以及在進料口加設擋料板，使糧食輸送過程中散落在刮板鏈條中間位置，減少刮板機鏈條跑偏引起的糧食沖擊等方式，減少輸送過程中糧食破碎率的增加。此外，由于刮板輸送機導致糧食破碎的現象無法避免，因此，大產量、遠距離輸送時不建議考慮刮板輸送機，可采用單托輥或雙氣墊帶式輸送機，故障率及能耗更低，運行更加平穩，且更便于維修，但在采用帶式輸送機的時候也應盡量避免多次搭接。

3 防破碎及自動分級裝置的應用

糧食筒倉主要包括淺圓倉和立筒倉，目前在糧食行業，淺圓倉主要用于儲備，立筒倉用于中轉，對于防破碎及自動分級需求不大，因此本文著重介紹防破碎及自動分級裝置在淺圓倉中的應用。

糧食破碎主要是輸送過程及進倉過程中的撞擊導致的，因此目前應用于淺圓倉的防破碎裝置主要通過增加緩沖和減少撞擊實現防破碎的目的，相關裝置較為單一，如附壁折板防破碎裝置；防自動分級裝置主要通過增加布料器實現多點進倉達到防自動分級的目的，相關裝置較多，如壓力門傘形多點布料器、閥控式防分級裝置及數控式旋轉布糧器等；此外，也有同時預防破碎和自動分級的裝置，如多功能中心減壓管。目前這些裝置已在倉儲設施中廣泛應用，但其應用效果不同，下面對這些設備的使用情況進行詳細分析，糧食工作者在糧食倉儲建設過程中可根據儲糧品種、糧食品質、設備投資等多方面合理選擇。

3.1 附壁折板防破碎裝置

附壁折板防破碎裝置是一種溜槽式的緩沖裝置，該裝置在筒倉的進料口處設置固定的敞開式斜溜糧槽（角度與糧食品種相關），再與筒倉側壁上的附壁溜糧槽相接，附壁溜槽是由鋼構架及溜糧槽板組成的斜度為30～35°的回轉折疊式排布的敞開式結構[28]。該裝置通過不斷改變糧食流向，增加糧食顆粒之間的相互作用，降低糧食入倉速度，減少糧粒之間及與地面之間的沖擊力，達到降低糧食破碎的目的。附壁折板裝置制作簡單，但設計不合理時會出現糧食“跳樓”現象，失去防破碎的意義，因此在設計時需根據糧食品種嚴格控制溜槽角度，同時在斜溜槽上設緩沖裝置，防止糧食流速過快。此外，在使用過程中，無法避免糧食的自動分級問題，會導致雜質全部聚集在筒倉邊緣，尤其是裝置的正下方。

附壁折板防破碎裝置具體形式如圖1所示。

3.2 壓力門式傘形多點布料器

壓力門式傘形多點布料器[29-30]是一種無動力的防糧食自動分級裝置，已在多個糧庫應用，能較好解決糧食入倉時的自動分級問題，且以自動分級最為嚴重的大豆中應用效果最好，能很好的實現淺圓倉大豆入倉的整倉布料均勻性，消除糧堆內部通風死角，解決淺圓倉入倉時單點落料分級嚴重的問題。

多點布料器主要由導流器、溢料筒、壓力門、傘形分配器和溜槽等部件組成。其中導流器、溢料筒安裝在淺圓倉的卸料筒內，壓力門安裝在卸料筒的入糧口下端，傘形分配器安裝在壓力門下方，傘形分配器由外周圓環和中心漏斗構成；傘形分配器的外周圓環上以30°間隔、分兩層排列著24個出口，外接24根溜槽，可形成24個落糧點，加上中心落料點，共有25個落糧點保證糧食入倉時的均勻分布。此外，25個卸料點同時入倉在一定程度上可以降低入倉后的平倉工作量，提高平倉效率。然而該裝置的缺點是在防止糧食自動分級的同時無法兼顧防破碎作用。具體形式如圖2所示。

3.3 閥控式防分級裝置

閥控式防分級是一種減少糧食入倉時自動分級的裝置，采用單點間斷、多點循環的入糧方式[31-32]。該裝置主要由分配器、分配溜槽（氣動閥門）、普通溜槽及控制系統（流量計、氣管、氣動控制箱和空氣濾清器等）組成。整個裝置共有6個分支，每個分支暫設3個出糧口，總共有18個出糧口，分支溜槽通過吊桿固定于糧倉頂部。

閥控式防分級裝置的工作原理為，控制系統利用糧食的流量信息控制分配器及各個分配溜槽上翻板閥門的啟閉時間，從而控制落點的位置和該次糧堆的數量。糧食的入倉方式為多點、多層交叉落料。多點是在同一層面上多個落料點進行交叉落料，使每層糧食的雜質破碎聚集區域相對分散；多層是在糧倉的縱向形成多個料層，相互錯開層與層之間的雜質及破碎聚集區域，同時中間層（雜質、破碎含量低的糧食）又隔斷了上下兩層的破碎聚集區。

該設備的優點包括：①采用單點間斷、多點循環的落料方式，使雜質由集中圓柱狀分布變為小團狀立體分布；②可采用PLC控制，具備自動進倉切換功能，可實現現場控制或遠程控制；③單個點落料重量可控，保證每點進料量基本相同，確保整倉雜質倉內分布相對均勻；④無需動力，無轉動部件，無安全隱患，運行能耗低；⑤安裝不影響倉房原有的防水、氣密、熏蒸、測溫等功能。該裝置與壓力門式傘形多點布料器相比，可控性強，能通過閥門開啟調節出糧口、出糧時間，使得雜質在平面上和立面上均實現均勻分布，但同樣存在無法兼顧防破碎作用的問題，該裝置具體形式如圖3所示。

圖3 閥控式防分級裝置示意圖Fig.3 Valve-controlle d anti-grading device

3.4 數控式旋轉布糧器

數控式旋轉布糧器是采用變速控制技術，通過調整溜槽的旋轉速度，將糧食以拋物線的形式精確的拋向倉內不同的位置，緩解筒倉入糧時倉中心區域的雜質聚集現象的裝置[33-34]，如圖4所示。數控式旋轉布料器主要由動力系統、傳動系統、轉筒、溜槽，以及 PLC、變頻器、電氣控制設備等部分組成。糧食進入布料器的轉筒后，從旋轉的溜槽甩出，以拋物線的形式下落，通過控制溜槽的轉速，形成不同的落料點，從而將不同雜質類型，不同粒型的糧食均勻分布。

圖4 數控式旋轉布糧器示意圖Fig.4 CNC rotary grain distributor

該布料器的優點為設備簡單、占用空間小、能有效的解決自動分級問題，同時極大的減少平倉量。但其缺點也較為突出，首先，包含動力裝置和傳動部件，運行時會增加能耗；其次，安裝完成后拆卸不便，發生故障時不易檢修，且日常維護保養需求較高；最后，糧食非自然落下，而是以拋物線的形式被甩出，糧食下落初速度大，會增加糧食破碎率。

3.5 多功能中心減壓管

多功能中心減壓管是一種集防分級、防破碎、通風降溫、環流熏蒸等多功能于一體的裝置，且近年來，技術不斷優化，其防分級及破碎的效果明顯提高，廣泛應用于糧食倉儲行業[35]。多功能中心管主要由離心風機、粉雜分散器及減壓管等部件組成，如圖5所示。其工作原理[36-37]為：糧食進入粉雜分散器內，使其在未分級時成圓環狀均勻下落，隨后通過風機的氣流作用，吹散其中的輕浮雜質，使得粉塵和輕型雜質均勻布置在倉內，減輕倉中心區域雜質分級程度；接料斗將糧流集中至減壓管內，通過減壓管內的溢流緩沖器和導流緩沖器，自由落體的糧流改為在減壓管內的有限流動，在接觸底部糧食后由溜槽流出，沿錐體斜面呈下滑狀態分布于倉內。這種進料方式既能減緩糧食的下降速度，又能有效減少入倉雜質的分級程度，是目前國內唯一能將防破碎及自動分級結合的裝置。此外，該裝置同時兼顧多種儲糧技術，包括機械通風、環流熏蒸、充氮氣調等，將多種技術融合在一起，減少倉外管道的布置。

圖5 多功能中心減壓管示意圖Fig.5 Schematic diagram of pressure relief pipe in multifunctional center

但該裝置也存在一定的缺陷，首先，多功能中心減壓管從倉頂連接至倉底，貫穿整個筒倉內部，雖對倉容無太大影響，但該裝置處于糧堆中央位置，當出現糧食板結問題時，會導致清理困難；其次，經實踐論證，通過多功能中心管裝置中的雙漏斗導流器、粉質分散器和減壓管內進料能使糧食的雜質分級及破碎現象得到較大改觀，但在中心管內還是會聚集大量的破碎糧粒和較重雜質，需在入糧結束后，將此部分高雜糧食放出、經清理后再入倉才能進入正常儲藏，且只有具有中心出糧口的筒倉才能順利實現，否則將形成新的儲糧隱患；最后，由于該裝置長期處于糧堆中，易受糧食側壓力及溫濕度變化的影響，如果安裝不當或中心管強度不足，極易出現設備腐蝕、扭曲變形等問題，影響結構安全性，增加安全隱患。

4 小結

糧食破碎及自動分級是糧食入倉過程中不可避免的問題，尤其是近年來，隨著機械化裝備以及筒倉儲糧技術在儲糧行業的廣泛應用，該問題尤為突顯，嚴重影響儲糧穩定性，亟需引起糧食倉儲企業高度重視。除糧食自身性質外，干燥工藝、進出倉工藝及輸送裝置等是影響糧食破碎及自動分級的重要因素，因此，為降低糧食破碎及自動分級引起的糧食損失、質量降低以及安全隱患，倉儲企業及糧食工作者需要綜合考慮儲糧品種、倉型特點、工程投資等諸多因素，合理調整糧食干燥工藝參數，選擇合理的進出倉工藝以及輸送設備，必要時可選擇防破碎和自動分級的裝置。但目前還存在一些問題有待深入研究，如入倉前最優的烘干工藝參數的選擇、降低損失的最優清理工藝的選擇等。此外，目前國內出現的一系列防破碎及防自動分級的裝置，雖然在一定程度上解決糧食的破碎及自動分級問題，但也存在一定缺陷，如效果不理想、無法兼顧防破碎和防自動分級，檢修困難等，因此還需要諸多糧食工作者及設備制造企業不斷實驗及優化創新，進一步完善工藝及設備，實現糧食破碎及自動分級問題的同步改善。