稻谷流動層孔隙率檢測裝置設計與試驗

童金杰　李長友　劉木華　肖志鋒　唐鑫　李濤

摘要：孔隙率直接關系到稻谷干燥介質迂曲度、能質傳遞、通風阻力的變化，是解析稻谷干燥過程和能耗的重要參數之一。為準確獲取流動狀態下稻谷層的孔隙率，設計稻谷流動層孔隙率檢測裝置；結合正交試驗方法和參數的物理意義，分析檢測裝置的測量性能，并研究不同工況下稻谷流動層孔隙率的演變規律。結果顯示，流動層孔隙率檢測裝置具有較好的可靠性，且多組試驗結果的方差范圍為0.010 1-0.022 9；在含水率為12.73%-32.01%區間，流動層孔隙率隨稻谷含水率增大而逐漸減小；流動層孔隙率在稻谷流動層厚度為400-850mm范圍內呈現先減小后增大的規律變化，且其最小值為63.1%；在開度為0-80mm區間內，流動層孔隙率隨開度增大而升高。

關鍵詞：稻谷；干燥；流動層；孔隙率；檢測裝置

中圖分類號：S511文獻標識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11002606

收稿日期：2023年2月3日修回日期：2023年8月11日

Design and experiment of detection device of porosity in rice flowing layer

Tong Jinjie Li Changyou Liu Muhua Xiao Zhifeng Tang Xin Li Tao

（1. Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment in Jiangxi Province， Jiangxi Agricultural University，

Nanchang， 330045， China； 2. Jiangxi Institute of Science & Technical Information， Nanchang， 330000， China；

3. South China Agricultural University， Guangzhou， 510642， China）

Abstract：Porosity is directly related to the change of the tortuosity of drying medium， mass-energy conversion and airflow resistance， which is one of important parameters to analyze the drying process and drying energy consumption of rice. In order to accurately obtain the porosity parameters of rice layer in flowing state， this paper created the detection device of porosity in rice flowing layer， analyzed the measurement performance of the detection device and investigated the evolution law of the porosity of rice flowing layer under different working conditions combined with the orthogonal experimental method and the physical significance of parameters. The results showed that the porosity detection device of flowing layer had excellent reliability， and the variance range of multiple test results was 0.010 1-0.022 9. In the range of moisture content of 12.73%-32.01%， the porosity of rice flowing layer decreased with the increase of moisture content， the porosity in flowing layer showed a regular change of decreasing and then increasing in the range of 400-850 mm of rice flowing layer thickness， and its minimum value was 63.1%， within the range of 0-80 mm opening， the porosity of flowing layer increased with the increase of the opening.

Keywords：rice; drying; flowing layer; porosity; detection device

0引言

孔隙率是孔隙體積與物料所占容器總體積的百分比。在稻谷干燥中，孔隙率直接關系到干燥介質迂曲度、通風阻力、熱濕傳遞系數、干燥相際間有效蒸發面積系數、干燥工藝參數的改變［13］，進而影響稻谷的干燥行為、干燥能耗、干燥效率、干燥品質和干燥成本［47］，是指導干燥機械結構設計、優化干燥系統能量結構、解析稻谷干燥過程、實現干燥自適應控制的重要特征參數。

為精準獲取孔隙率參數，人們展開了部分研究工作［810］。張淑珍等［11］基于理想氣體狀態方程，研制了一種能直接、準確、快速地測定各種散體物料和易吸濕物料孔隙率的檢測裝置。田曉紅等［12］認為采用儀器測量孔隙率具有操作簡單、數據可靠且重復性好等優勢。為提高孔隙率裝置的檢測精度和可靠性，李長友等［13］研制了一種定容積散體物料孔隙率測量裝置，開發了孔隙率自動檢測控制系統，并給出了測量誤差補償系數?？紫堵蕶z測裝置除了利用氣體置換原理，還有采用液體置換原理［1415］。但是，針對一些具有吸濕特性的散體物料，液體易被物料顆粒吸收。因此，液體置換方法無法使用，其應用范圍具有一定的局限性。同時，該方法測量結果偏差大［16］，往往導致孔隙率檢測結果與實際值不一致。

為進一步掌握孔隙率的特性，Martynenko等［17］通過研究確定物料含水率會影響孔隙率的變化，并構建了物料含水率與孔隙率間的數學表達式。許倩等［18］認為含水率對油茶籽的孔隙率具有顯著影響，且它們的函數關系與物料品種有關。李倩倩等［19］建立了小麥堆孔隙率與壓力的冪函數模型以及與含水率的二次函數表達式，且孔隙率隨壓力增大而減小，隨含水率增加而增大。Gustafson等［20］研究發現玉米層孔隙率先隨其含水率降低而減小，當達到最小值后又逐漸呈增大的趨勢變化。陳雪［21］和楊英強等［22］采用理論與試驗分析相結合的方法，證實了物料層高度會導致孔隙率改變。同時，Khalili等［23］結合試驗數據，建立了孔隙率與物料堆積厚度間的數學方程。在探索散體物料流動特性時，鮑德松等［24］研究發現出口開度尺寸會影響孔隙率，因為增大開口尺寸，物料的流動速率將提高，從而改變物料的流動狀態和顆粒的分布規律，進而引起孔隙率變化。綜上所述，現有的孔隙率檢測裝置主要用于靜態物料的孔隙率檢測，且水分、機械結構和厚度是影響孔隙率的重要因素。

在實際干燥中，稻谷是連續流動的，其流動狀態、慣性特征、顆粒間以及顆粒與容腔內壁的相互碰撞、擠壓等因素均會引起孔隙率的改變［2526］，且動態下的孔隙率變化特征與靜態下的孔隙率存在本質區別。而現有的孔隙率檢測裝置是基于物料靜止狀態下創制的，無法適用于動態下孔隙率的檢測。在解析動態干燥過程時，人們采用靜態條件下獲取的孔隙率進行計算分析，往往導致計算結果與實際情況存在較大偏差。為此，本文研制一種稻谷流動層孔隙率檢測裝置；結合試驗和數據統計方法，分析檢測裝置的工作性能，并探索稻谷流動層孔隙率與稻谷含水率、流動層厚度、開度等因素間的相互作用關系和內在聯系。

1裝置整體結構與工作原理

1.1整體結構

根據機械設計原理和孔隙率彈性理論，本研究設計的稻谷流動層孔隙率檢測裝置由測試室機架、動力機架、測試室、上移動板、下移動板、上軌道、下軌道、緩存室、氣缸、氣管、氣動控制閥組及電子秤組成，整體結構如圖1所示。在裝置中，共設計了4個氣缸，分別安裝在上軌道和下軌道上，并為上移動板和下移動板提供運動動力。在氣缸的作用下，上移動板和下移動板可沿著軌道實現往復移動。為改變測試室中稻谷的流動狀態，在下軌道上設計了擋塊，并固定在氣缸的伸縮桿正前方；擋塊的安裝位置可以調節，其目的是用于改變氣缸的伸縮行程，進而調節測試室中稻谷流出口開度。安裝在上軌道上的氣缸無擋塊，可以達到最大伸縮行程。電子秤位于測試室的正下方，并固定在測試室機架上，用于測量測試室中稻谷的質量。氣動控制閥組、氣缸和氣管構成了整個裝置的氣動控制系統，氣源通過市場上購買的空氣壓縮機提供。

1.2工作原理

首先，關閉測試室底部出口，并連通其入口和緩存室的出口；其次，將測試室和緩存室裝滿稻谷；然后，打開測壓室的底部出口，測試室和緩存室中的稻谷開始從上往下流動。當稻谷流動狀態穩定后，同時關閉上、下移動板。此時，將電子秤讀數清零，再將測試室中的稻谷全部排出來，并稱取稻谷的質量。最后，根據試驗參數和式（1）計算得出稻谷流動層孔隙率。當每次孔隙率檢測試驗結束后，將測試室和緩存室中稻谷清空，再次填滿稻谷，并重復上述操作?？紫堵视嬎惴匠淌饺缡剑?）所示。

ε=（1-ζ/?V_c×ρ_t）×100%（1）

式中：ε——流動層孔隙率，%；

ζ——測試室中稻谷的質量，kg；

V_c——測試室的容積，m³；

ρ_t——稻谷的真密度，kg/m³。

2關鍵零部件設計

2.1機架結構

由于氣動控制系統中的氣缸氣壓大、速度快，會產生振動現象。為了避免氣動控制系統的振動對流動層孔隙率檢測效果的影響，并降低測量誤差，本文所設計的機架由測試室機架和動力機架兩部分組成，且測試室機架和動力機架互不接觸，無干涉現象。測試室機架采用鋁合金型材制造，用于安裝測試室，其結構如圖2所示；動力機架由鋁合金型材、上軌道、下軌道和擋塊組成，其作用是用于安裝氣動控制元件、緩存室、上移動板和下移動板，詳細機械結構如圖3所示。由于測試室的長度與稻谷流動層厚度有關，在測試過程中需要更換多種不同長度尺寸的測試室。為此，將上軌道設計成活動可調，并可沿著豎直方向進行上下往復移動，以滿足不同長度測試室的安裝使用要求。

2.2測試系統結構

測試系統由上移動板、下移動板、緩存室、測試室等機械零件組成，其中，測試室和緩存室為亞克力材料制造而成，且兩者內徑相同，均為200mm，具體結構如圖4所示。緩存室位于測試室的正上方，且與測試室之間留有一定間隙，用于安裝上移動板。結合圖1，緩存室固定在動力機架上，測試室安裝于測試室機架上，且上移動板和下移動板分別與氣缸的伸縮桿連接。

為了提高上移動板和下移動板往復運動的穩定性，將其分別安裝在上軌道和下軌道中。同時，上移動板、下移動板與測試室的端面間隔1～1.5mm間隙，避免上移動板和下移動板在往復運動時碰到測試室而引起振動。在氣動控制系統的作用下，氣缸伸縮桿向外伸，上移動板和下移動板分別從測試室進口和出口的中心位置沿著軌道同時向兩邊移動，測試室的進口和出口打開。此時，測試室和緩存室連通，緩存室中的稻谷可以連續不斷地流入測試室；反之，氣缸的伸縮桿收縮，上移動板和下移動板分別從兩邊沿著原路徑向測試室進口和出口的中心位置靠攏，從而將測試室的進口和出口關閉，并且快速阻止緩存室中稻谷流入測試室中。為了使測試室出口處稻谷的流量實現可調，本文將下移動板的移動距離設計成可通過控制氣缸的伸縮行程來調節。

2.3氣動控制系統

氣動控制系統是稻谷流動層孔隙率檢測裝置的重要組成部分，主要包括氣缸、氣管、電磁閥、調壓閥、氣動三聯件和空氣壓縮機組，其中，每2個氣缸組成一組，其控制原理如圖5所示。

為了使上移動板和下移動板能夠實現單獨控制，每組氣缸單獨采用一個電磁閥控制。同時，同組氣缸的伸縮動作保持一致，且其伸縮桿同進同出。在每個電磁閥進氣管上均安裝調壓閥，用于調節氣缸的工作壓力和伸縮速度，保證控制系統的靈敏性，并使檢測裝置處于最佳工作狀態。為了提高氣動元件的運行精度和使用壽命，在管路中設計了氣動三聯件，用于去除空氣中的雜質和水霧。氣動元件的型號和參數如表1所示。

3試驗分析

3.1試驗方法

為了驗證流動層孔隙率檢測裝置的可靠性，本文利用正交試驗分析方法，設計了Bok-Behnken試驗方案，試驗因素水平如表2所示。同時，每組試驗在相同試驗條件下重復做10次，通過式（1）計算出每組試驗的流動層孔隙率值，再分析每組試驗條件下孔隙率方差，確定裝置的檢測性能。

3.2孔隙率的重復性

基于數據統計學方法，對相同試驗條件下的孔隙率數據進行方差分析，研究該組數據的離散程度，驗證流動層孔隙率檢測裝置的重復性。當方差值越小，重復性越好，方差計算如式（2）所示。

S²=∑ⁿ_i=1（x_i-E）²/n-1（2）

式中：S²——方差；

n——樣本總數；

x_i——

第i次孔隙率測量值，%；

E——孔隙率平均值，%。

3.3真密度測定

隨機從樣品中稱取一定質量的稻谷，采用實驗室研發的孔隙率測定儀［13］，在靜態下測定稻谷的孔隙率。根據孔隙率測定儀的容器體積參數和稻谷的質量，利用式（3）求出稻谷的容積密度；最后，根據式（4）求出不同含水率稻谷的真密度，每組數據測量3次，最后取平均值。

ρ_b=m/V₀（3）

ρ_t=100×ρ_b/100-ε₀（4）

式中：ε₀——孔隙率測定儀測定的孔隙率，%；

ρ_b——稻谷的容積密度，kg/m³；

ρ_t——稻谷的真密度，kg/m³;

V₀——容器體積，m³；

m——稻谷質量，kg。

3.4試驗結果分析

3.4.1稻谷流動層孔隙率檢測裝置可靠性分析

根據正交試驗要求，結合式（1）～式（4），計算出每組試驗中孔隙率的重復性指標，分析結果如表3所示。由表3可知，17組孔隙率檢測試驗的方差范圍為0.010 1～0.022 9，證實了稻谷流動層孔隙率檢測裝置的可靠性，且工作性能穩。

3.4.2稻谷流動層孔隙率變化特征分析

為揭示稻谷流動層孔隙率的演變規律，利用單因素試驗方法，結合本文創制的孔隙率檢測裝置及檢測方法，研究稻谷含水率、測試室出口開度和流動層厚度與稻谷流動層孔隙率間的內在聯系和相互作用關系。

1） 測試室出口開度對稻谷流動層孔隙率的影響。

在單因素試驗中，測試室高度為300mm，內徑為200mm，稻谷含水率為12.92%。在以上試驗因素不變的條件下，隨機調節測試室出口開度的大小，分析開度變化對稻谷流動層孔隙率的影響，結果如圖6所示。

由圖6可知，在單因素試驗條件下，稻谷流動層孔隙率隨測試室出口開度的增大而逐漸增加，且流動狀態下的孔隙率均大于靜止狀態下的孔隙率。測試室出口開度直接關系到稻谷在測試室中的流動狀態，當開度越大，稻谷的流動速度越快。同時，在流動過程中，稻谷顆粒因受顆粒間以及顆粒與容器內壁的相互作用力而產生擾動，從而導致流動層孔隙率發生改變。在1997年，Peng等［27］在探索散體顆粒物料流動特性時已證實了此現象，他們發現快速流動區域的顆?？紫堵时鹊退賲^域的孔隙率要大。因此，開度越大，稻谷流動層孔隙率也越大。

2） 流動層厚度對稻谷流動層孔隙率的影響。

在稻谷流動層孔隙率檢測裝置中，測試室高度即為流動層厚度。本試驗中以流動層厚度為變量，將測試室開度設定為26mm，稻谷含水率為23.01%，測試室內徑為200mm。按照試驗要求，分析稻谷在測試室高度分別為400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm等條件下的流動層孔隙率變化特性，試驗結果如圖7所示。

由圖7可知，稻谷流動層孔隙率隨流動層厚度增加先減小，到達最低點后又逐步呈升高的趨勢變化。在重力和摩擦力的作用下，流動狀態下的稻谷顆粒不斷發生擠壓、碰撞、剪切，使得稻谷顆粒在流動層中的分布特性發生改變［2829］。由于流動層厚度越大，測試室內的稻谷總質量越大，所以，稻谷顆粒受到的作用力增大。同時，根據糧倉效應理論［30］可知，初始時，隨著流動層厚度增加，測試室底部的壓力先隨著稻谷質量的增加而逐漸增大，此時，稻谷流動層被逐漸壓實，孔隙率降低。當流動層厚度達到一定數值時，底部壓力不在隨著流動層厚度增加而增大，因此，孔隙率經過極小值后沿著增大的趨勢變化。

3） 稻谷含水率對稻谷流動層孔隙率的影響。

選取高度設為500mm、內徑為200mm的測試室，并設定測試室出口開度為26mm。根據試驗要求，隨機獲取相同品種不同含水率的稻谷樣品，探索稻谷含水率（12.73%～32.01%）對稻谷流動層孔隙率的影響，試驗結果如圖8所示。

由圖8可知，當測試室出口開度和流動層厚度保持恒定值時，流動層孔隙率隨稻谷含水率的升高而逐步降低。稻谷屬于細小散體顆粒物料，既具有固體的特性，又具有液體的流動特性，且其顆粒外表存在大量細芒刺，表面粗糙。隨著水分的增加，稻谷表面的摩擦特性增強，導致顆粒粘附性和團聚性加劇，從而使稻谷顆粒在測試室中的流動受阻，流速減小且動能耗散大，進而引起流動層孔隙率改變。因此，稻谷含水率與流動層孔隙率成負相關性。

4結論

1） 搭建了稻谷流動層孔隙率檢測裝置，通過正交試驗和方差分析，測量得出稻谷流動層孔隙率的重復性指標為0.010 1～0.022 9，該裝置具有較好的可靠性。

2） 揭示了稻谷流動層孔隙率與含水率、開度、流動層厚度等因素間的相互作用關系。稻谷流動層孔隙率隨著測試室出口開度的增大而增大，且流動狀態下孔隙率均明顯大于靜止狀態時的孔隙率；隨含水率的降低，稻谷流動層孔隙率隨含水率降低而增大。

3） 隨著流動層厚度的增加，稻谷流動層孔隙率先逐漸減小，到達極小值后，再逐步增大。在流動層厚度約為750mm時，流動層孔隙率最小，其值約為63.1%。

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