智能碾米機現狀及發展趨勢

◎ 王子嘯，王旺平，宋少云

（武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430048）

稻米是目前我國食用量及適用范圍最大的農作物。現階段我國稻米年產量約1.8億t，約占世界谷物總產量的40%。我國約有60%的人將稻米當作主食，平均每年消費水稻在1.6億t左右[1]。只有提高了稻米的生產力，才能保證我國的糧食安全，進而保障人們生活。

碾米機是加工稻米的主要機器，而大米的產能直接由碾米機的效率決定。如何提高產能，降低碎米率的同時，使碾白更為充分，是研究者們在研制碾米機時考慮的主要問題。常見碾米機的碾白方式主要有擦離碾白和碾削碾白，這兩種方式都是利用機械壓力剝離糙米外皮進行碾白。另外，同時使用擦離碾白與碾削碾白進行的混合碾白可以減少碎米量，提高出米質量以及生產效率，減少電能消耗。而智能碾米機是在傳統碾米機的基礎上，引入了智能化系統，通過傳感器測溫，電磁繼電器控制米粒進出料口流量差等方式，使碾米步入更加智能化的時代，在降低碎米率的同時，增加碾白效率以及出米率。基于此，本文對智能碾米機現狀及發展趨勢進行了研究。

1 碾米機的發展歷程

20世紀60年代，世界上第一個新型的立式砂臼碾米機在歐洲誕生。我國也在20世紀90年代對立式砂臼碾米機進行了早期的研制和試驗，并在此基礎上又提出了橫式的鐵輥碾米機。鐵輥碾米機的問世，大大提高了傳統碾米機的研制與開發效率，而且實現了糙米碾白技術的重大飛躍。

在對從英國引進的橫式鐵輥碾米機進行了研究和改造之后，我國的碾米機生產技術也邁出重要了一步。在20世紀50年代，我國農村普遍都采用米糠不分離的鐵輥碾米機進行生產勞動。20世紀80年代，由于技術水平的發展，分離式鐵輥碾米機的性能和工作效率明顯優于米糠不分離的鐵輥碾米機，所以分離式鐵輥碾米機逐漸取代了后者而被廣泛使用。20世紀90年代，鐵輥噴風碾米機憑借特有的噴風裝置出現在人們的視野中，它加工過的米不僅成色好，并且出米率也高[2]。我國在一段時期內主要采用橫式碾米機，近些年也加強了對立式碾米機的研發。成熟的機型有NF型旋篩噴風碾米機、MNML系列立式雙輥碾米機、NS型螺旋槽砂輥碾米機、MNMS30A型砂輥碾米機和MNMP系列鐵輥碾米機等[3]。

日本最開始以研究橫式碾米機聞名世界，近年也著力發展立式碾米機和組合型碾米機，如佐竹公司的VTA10AB-C立式砂輥碾米機、VBF10A-C/MC立式鐵輥碾米機及SAFF3G組合米機[4]。與日本相同，瑞士布勒公司也一直在對立式碾米機進行研究，開發的產品在世界上被廣泛使用，如DSRD型、TopWhite?BSPB型立式砂輥碾米機。

2 碾米機工作原理

傳統碾米機工作時，糙米從進料口流入，利用人工調節流量調節開關，控制進入碾白室中糙米流量。在推進器的作用下，糙米被送入碾白室中進行碾白，米糠通過米篩排出碾白室[5]。通過人工調節壓力調節門控制碾白室壓力以降低碎米率，最后碾白完成的白米從出料口排出。傳統碾米機工作原理如圖1所示。根據碾米機的不同作用性質主要分為擦離碾白和碾削碾白兩種。擦離碾白是一種利用合適的壓力對碾白室中的糙米不斷碰撞，使米粒與碾輥之間、米粒相互之間、米篩與米粒之間出現摩擦。在摩擦力作用下，糙米表面的種皮逐漸剝離，從而達到碾白效果。碾削碾白是在碾白室中，在一定壓力下，糙米與高速轉動的金剛砂的鋒刃相碰，米粒與米粒間發生摩擦，米粒與米篩之間發生摩擦達到糙米碾白。碾削碾白主要依靠金剛砂的鋒刃造成的切削力來完成糙米的碾白。

圖1 傳統碾米機工作原理圖

3 智能碾米機與傳統碾米機的主要區別

智能碾米機在碾削原理上與傳統碾米機幾乎相似，智能碾米機的優勢主要在于流量的控制與碾白室溫度監測，以此來降低碎米率，增加碾白程度。

3.1 智能碾米機組成及工作流程

智能碾米機主要由智能控制系統、進料機構、碾白室和出料機構組成，其中智能控制系統是智能碾米機與傳統碾米機差異較大的部分。智能碾米機控制器系統主要由執行機構、控制器硬件以及控制系統軟件構成。其執行機構主要分為電流傳感器、溫度傳感器、重力傳感器、白度傳感器、露點感應器、氣壓傳感器、后倉料位器、噴風裝置、氣動閥門、流量閥門以及壓力門調壓機構等[6]。智能碾米機工作流程如圖2所示。智能碾米機進料機構在結構上與傳統碾米機有一定差別，主要體現在智能流量調節裝置方面。智能碾米機的進料機構包括進料斗、流量調節控制裝置和螺旋推進器3個部分[7]。部分智能碾米機進料機構采用氣動與電動開度控制方式。上部閘門為氣動開合閘門，兩位開關控制斷料與通料，下部閘門為流量控制閘門，流量調節執行機構為永磁同步電機、渦輪減速器、閘門推拉連接桿和閘門。

圖2 智能碾米機工作流程圖

3.2 智能碾米機碾白控制

影響碾米效率和成米品質的一個重要因素是碾白室壓力控制，如果碾白室氣壓過大，會造成糙米無法順暢通過碾白室，使碾白室氣壓上升，糙米的碾白程度、成米質量以及碎米率提高；如果氣壓調節范圍過小，則成米更易于排出碾白室，碾白室的氣壓降低。雖然碾白室中氣壓過小會使碎米量降低，但易導致成米質量下降，碾白不完整等問題出現。碾白室的氣壓自動控制也是智能碾米機和傳統碾米機存在較大差異的部分。傳統碾米機無法自動控制碾白室壓力，只能通過人的主觀經驗進行判斷，自行增減進入碾白室糙米的流量，而智能碾米機的進料機構通過調節進入碾白室的流量的方式，來調整碾白室中米的密度，進而控制碾白室中米的壓力大小，以此來控制碎米率。智能碾米機的碾白室中設置有壓力傳感器，通過反饋調節來控制進出料口流量差，從而達到碾白室中米壓力大小的智能控制。

相關資料表明，碾白過程中隨著米溫升高，米粒的硬度會不斷減弱，增加碎米率。同時，在進行碾白時，排糠是否順利同樣影響著碾米的質量。若排糠不通暢，極易使碾白室壓力變大，溫度上升，米粒無法完全脫糠等，進而干擾碾白狀況，提高碎米率。所以，在碾白室中要保持一定的溫度，使碎米率達到最低。智能碾米機的碾白室中安裝有溫度傳感器，用于監測碾白室溫度，并將信息反饋給自動控制系統。控制系統會控制噴風機以調控風速。當噴風氣流通過碾白室時，不僅可以降低溫度，還可以促進米粒的充分翻滾，使碾白均勻，促進排糠，有利于提高碾米效果。智能碾米機風路循環流程如圖3所示。

圖3 風路循環流程圖

4 國內外智能碾米機現狀

4.1 光伏供電智能米機

光伏智能供電米機是由彭代湃設計的[8]。該設計通過安裝在智能碾米機頂部的光伏發電裝置提供部分電能，降低了智能碾米機在碾米過程中由外部提供的電能消耗。光伏供電智能米機示意圖如圖4所示。

圖4 光伏供電智能米機圖

該光伏供電智能米機包括機殼和安裝在機殼上的光伏發電裝置。機殼內從上到下依次設有儲谷倉、出料裝置和碾米裝置。光伏發電裝置為智能米機的工作提供電能。光伏發電裝置包括光伏電池板、中央控制器、DC-DC變換器、逆變器和蓄電元件，光伏電池板安裝在機殼的上部。光伏電池板共3塊，其中一塊安裝在該碾米機頂部，另外兩塊分別安裝在機殼頂部的兩側，并用鉸鏈與頂部的光伏電池板連接。機殼的兩側還設置有調節裝置，用來調節兩側的光伏電池板的位置，以便于更好地增加光伏電池板與陽光的接觸面積，從而增加發電量。

該光伏供電智能米機在不工作時，谷倉的出料口安裝的轉軸會被固定住，轉軸上的出料板會被堵住，讓米不能流入碾白室內。而智能碾米機工作時，轉軸會被松開，在出料板帶動下不斷轉動，將米不斷送入碾白室中。在出料板和轉軸轉動的過程中，安裝在谷倉出料板空腔內的線圈會切割安裝的兩個磁鐵間的磁感線，產生電能，由此完成了米的中立勢能到電能的轉變。產生的電能儲存在蓄電機構中，當光伏發電裝置儲存的電能不足時，可利用蓄電機構中的電能，保證智能米機的正常工作，進一步達到節能的效果。該設計非常節能，能保證智能碾米機的持續運行，但由于機體容量較小以及出料板安裝時的配合問題，會導致該米機的工作效率較低，產米量也相對較少。

4.2 CFN2525 F1智能碾米機

CFN2525 F1智能碾米機是由武漢中機星糧食機械股份有限公司的肖崇業[9]開發。該產品以“中機星”牌低溫升電動控制碾米機為機體，采用雙風源進風技術進風，并引入西門子PLC可編程控制器模塊及觸摸屏控制系統，這種控制系統能對碾米機實現自動化控制。CFN2525 F1智能碾米機外觀如圖5所示。

圖5 CFN2525 F1智能碾米機圖

CFN2525 F1智能碾米機利用雙壓力門閉風與強噴風這兩種相關技術使碾白室中通過的風量超過了常規碾米機的2.5倍，并且它能夠將米溫保持在合適的范圍。由于CFN2525 F1智能碾米機設計有進、出料及吸風裝置，可以將涼米的過程動態化，也可以降低成米溫度，且成米所含雜質也較少。CFN2525 F1智能碾米機使用的是可帶磁選裝置的雙進料閘門，使進入碾白室的糙米流量能夠在變化范圍內實現微調。此外，碾白室采用的旋轉設計可快速、準確地更換米篩。CFN2525 F1智能碾米機碾白室的雙輥并排設計能夠更好地完成增產和同時進料。

CFN2525 F1智能碾米機配有機頂智能控制盒，能夠實行人機對話，實時動態顯示控制參數值（電機電流、流量閘門開啟大小、壓力增加大小以及碾米溫升等）。同時，該機又運用模糊邏輯控制、迭代學習控制、分層碾遞階控制等技術，對數據進行分析處理，并對進料流量、碾白壓力調節執行機構進行實時調控。該機可實現手動操作、自動控制、提示錯誤操作、報警操作故障和提醒更換易損件等功能。此外，該機留有碾米機組控制系統的通信接口，能上傳或下載與上層系統交換數據，實時調整碾米機組中各臺米機的參數，實現無人操作自動運行。CFN2525 F1智能碾米機在CFN2525F低溫升碾米機基礎上進行了改良，產量較大，碎米率較低，在實際生產中也得到了很好的應用。同時，其使用方便，擁有先進的智能學習技術，使碾米過程更加智能化。但由于其搭載了大量智能系統以及大功率的進給設備，導致制造成本以及耗能偏高，不適合在工業生產中使用。

4.3 TopWhiteTM智能米機

TopWhiteTM智能米機是布勒公司生產的一款立式智能碾米機，主要用于糙米碾白，同時還可對小麥、大麥和豌豆等進行去殼加工。TopWhiteTM智能米機碾白室內使用垂直磨料，可實現全谷物產量最高。糙米顆粒通過兩個入口進入碾白室，并被引導進入進給螺桿。在碾白室中，糙米在6個磨環與篩網表面上的顆粒間互相摩擦，從而被碾白。碾白室主軸上的轉子轉動時是動態平衡的，因此能保證碾白室的平穩運行。糙米的碾白程度由兩個因素控制，即擋板的配重和轉子與制動器間的間隙。對于糙米碾白程度大小的粗調，只需轉動手輪，即可通過調整垂直制動器來調整制動器與轉子間的間隙，從而調整碾白室內的壓力。糙米碾白程度的精調，則是通過改變擋板的配重位置來實現壓力控制。TopWhiteTM智能米機的重力流能保證產品在緊急停機時無故障重啟。TopWhiteTM智能米機外觀如圖6所示，碾白室如圖7所示。

圖6 TopWhiteTM智能米機圖

圖7 TopWhiteTM智能米機碾白室圖

TopWhiteTM碾白室外部使用寬門封閉，便于檢修碾白室，有助于快速更換篩板和機器檢查。使用者可在運行期間調節TopWhiteTM設置，節省大米加工時間，也可通過中央控制面板同時調節三片篩框。該機在TopWhite? BSPB型立式砂輥碾米機上進行了改進，碾白效率高，碎米率較低，整體更為智能化，且易于檢修，符合人機工學設計，在實際生產中得到了廣泛使用。但其耗能也較高，提高了工業生產成本。

5 智能碾米機發展趨勢

未來新型的智能碾米機將會在以下4個方面得到進一步發展。①未來新型的智能碾米會在碾白室壓力調節與溫度調節方面更加靈敏。②智能碾米機將會向更加節能、低價的方向發展，將進一步降低維護與維修成本。③智能碾米機提供的大數據將會通過計算機網絡進行連接，選擇碾白效率最高、碎米率最低的碾米溫度與碾米壓力進行加工。智能碾米機在智能故障監測、迭代學習控制等方面仍然有很大的進步空間。④未來的新型智能碾米機與人機工程學、機器視覺技術[10]、計算機輔助技術等現代化技術的結合更為緊密。結合現代計算機仿真，如EDEM仿真，可以讓計算機與物聯網更緊密的結合，使智能碾米機得到更快速的發展。

在人工智能快速發展的當下，智能碾米機有了更大的發展空間。在實現高效碾米的同時，通過智能監測系統、智能故障診斷系統，讓智能碾米機向低碎米率、低能耗、低成本方向發展。智能碾米機研究目前已有初步結果，在智能降溫、智能維持壓力、節能等方面已經有了一定進展。智能碾米機的應用提高了糧食工業生產能力，小型自助碾米機更是得到了大力發展，更好地滿足了現代城市居民的糧食需求。

6 結語

本文介紹了碾米機的發展歷程與工作原理，闡述了智能碾米機與傳統碾米機的主要區別以及國內外智能碾米機的研究現狀，列出了幾個現有的設計方案與具體實例，對這些智能碾米機的優缺點進行了分析，并對未來的智能碾米機發展趨勢進行了展望。目前，人們在智能碾米機的智能降溫、智能維持壓力等方面已有初步成果。將新的模擬仿真技術及智能化現代技術與智能碾米機更緊密地結合，將成為未來智能碾米機發展的主流趨。未來，智能碾米機在提高生產量，降低碎米率的同時，會向節能、節省人力的智能化方向發展。