横式碾米机内米粒碾白机理及破碎特性探讨

赵海瑞

（江苏省农业机械试验鉴定站 江苏·南京 210000）

1 碾米机内米粒碾白理论概述

首先，米粒碾白理论的研究。自第一台碾米机出现后，关于碾米理论也在不断的发展，为今后的研究奠定了基础。其中，大部分的理论分析是把碾白室中的米粒群近似为“米粒流体”，并且根据连续介质力学来研究米粒碾白运动情况，但是忽略了米粒群自身的力学属性，使得分析过程存在一定的偏差。所以利用碾米理论对其机理的研究具有一定的局限性。

其次，米粒破碎理论的研究。由于米粒破碎的加工过程比较复杂，且影响因素较多，给米粒破碎理论的研究带来了许多困难。经过近10年的研究，阐明了从单籽粒方向分析籽粒群破碎力学行为的重要性，同时给稻谷损伤机理和加工工序的研究奠定了基础。

2 横式碾米机内米粒碾白机理

2.1 横式碾米机碾米过程离散元模型建立

2.1.1 米粒接触模型的建立

在碾米机当中会出现米粒之间以及米粒与碾米机间的摩擦碰撞，其本质是米粒群的受力与力矩之间的传递过程。所以，计算出米粒之间的力矩至关重要。现阶段，各种离散元接触模型被应用到力与力矩的计算当中，综合考虑米粒碾白的要求以及各个模型的特点，本文选用Hertz-Mindlin接触模型，从而求得米粒间的力与力矩，描述出米粒在不同时刻的运行状态。

2.1.2 米粒离散元模型的建立

对于大多数的农业散粒体物料来说，其离散元模型主要分为两种，分别为利用带有滚动摩擦系数的球形颗粒和利用多球面重叠来模拟真实籽粒情况。其中，多球重叠法能够在最大程度上模拟真实的籽粒形状，然而由于球面的重叠会使得颗粒之间出现自锁现象，其仿真时间和重叠的数量呈正比例关系。而具有滚动摩擦系数的球形颗粒可以通过接触检测算法，使得仿真成本得到一定的减少。此外，一些学者已经使用带有滚动摩擦系数的球形颗粒来近似玉米等农作物，而且验证了此方法的可行性。所以，本文使用带有滚动摩擦系数的球形颗粒来近似米粒。

2.1.3 横式碾米机模型的建立

利用商业化离散元软件能够对横式碾米机内米粒碾白过程进行模拟分析，并且利用实验室级碾米机当作原型机来开展测绘工作，从而建立碾米机离散元仿真模型，如图1所示。此横式碾米机模型为简化装置，省去了料口调节装置等部分。

横式碾米机模型和实验室级碾米机的配置相似，主要由料斗、螺旋输运器、米筛、凸筋以及碾米棍等部分构成。其中，米筛和螺旋运输器构成的空腔可以看做是“输运室”，主要功能为给碾白室当中不断的提供米粒；而凸筋是碾米棍上的部分，米筛和碾米棍构成的空腔可以看做为“碾白室”，而米粒擦离碾白就是在该区域内进行。

图1：横式擦离型碾米机离散元模型

2.1.4 碾米过程离散元模型的验证

在模拟米粒碾白过程之前，需要对其离散元接触模型和相关的参数进行验证，主要分为直接验证、间接验证等方式。其中，直接验证是通过核磁共振成像、粒子图像测速等测试技术，将试验过程可视化处理，同时将其颗粒信息和仿真结果进行对比，以便分析离散元模型的可行性。而间接验证是把停留时间、功率等测量参数与仿真结果进行比较，说明离散元模型的可行性。虽然直接验证的可信度较高，但是试验成本高，适用于小规模的试验。综合来看，本文利用间接验证的方法，将稻谷与白米表示为不同静摩擦系数的米粒，同时把颗粒停留时间以及碾米机的实时功率当作指标，从而验证离散元模型的效果。

2.2 米粒碾白运动一致性分析

在碾米机当中，米粒的运动轨迹可以看做为近似的螺旋线，因此运动过程能够分为轴向运动以及圆周运动等。而且米粒碾白运动的一致性对碾磨的均匀性和程度具有一定的影响，能够通过数值模拟过程中停留的时间以及碰撞能进行表示。所以，研究静摩擦系数对米粒轴向和圆周运动的一致性、停留时间、碰撞能的影响具有重要的意义。

首先，轴向运动的分析。根据示踪米粒的轴向坐标，米粒与壁面间的摩擦系数对轴向运动的影响较为明显，且米粒的速度与其密集程度具有一定差异性。米粒越密集，其轴向运动的一致性越好。所以米粒表面的粗糙程度对轴向运动的一致性有着密切的影响。

其次，圆周运动的分析。当静摩擦系数增加时，受到粗糙程度的影响，米粒的数量不断的增加，其碰撞产生的能量也越来越大。因此，米粒间产生的静摩擦系数对圆周运动的一致性有着重要的影响，而通过提高米粒间的静摩擦系数，能够提高其圆周运动的均匀性。

2.3 米粒碾磨性能分析

首先，停留时间。碾磨时间能够有效的评价横式碾米机的碾磨性能。当米粒运动相同的距离时，其轴向运动能力大致相同，一旦筒壁的粗糙度较大，米粒的停留时间也会延长。也就是说，当米粒的轴向运动差异性较小时（米粒在碾白室中停留时间相似），米粒碾磨性能更好；而当米粒在碾磨机中停留的时间具有一定的差异性，产生重碾或者轻碾的问题，就会导致米粒的碾磨不均匀。

其次，碰撞特性。当静摩擦系数增大的时候，米粒的平均碰撞能呈现出先增大后减少的趋势，这主要是由于径向速度梯度会随着静摩擦系数的增加而增加，使得碾米棍传递给米粒的碰撞能不断的增加，而径向速度梯度减小，碰撞能也随之减少。此外，平均碰撞能的变化情况和圆周运动的一致性较为类似，因此可以认为碰撞强度与米粒的圆周运动一致性之间有着密切的联系。

3 横式碾米机内米粒破碎特性

3.1 单粒米破碎特性分析

在研究过程中，利用商业软件EDEMTM对不同含水量下单粒米破碎的数值进行模拟，利用颗粒粘结模型作为离散元接触模型。在米粒离散元模型的建立过程中，把米粒的真实形状变为轴对称椭球体，从而保证单粒米破碎特性分析的有效性。在建立破碎的米粒模型时，通过挤压填充的方式，把椭球聚合体近似为真实的米粒，从而构建米粒的离散元模型。

冲击速度对冲击强度有着直接的影响，而含水率对粘结键强度有着间接的影响，这两点都对米粒冲击断裂失效特征有着重要的影响，所以，可以从冲击速度以及含水率等两方面来分析米粒的破碎特性。

首先，冲击速度的影响。冲击速度是影响单颗粒破碎特性的重要因素之一。当冲击速度存在差异时，不同的材料属性、形状以及尺寸都会产生不同的破碎形式以及破碎程度。可以通过破碎率以及最大碎块尺寸率量化说明米粒的破碎程度。

其次，含水率的影响。米粒自身的强度也是影响其破碎程度的主要原因，可利用不同粘结参数组合的粘结键来表示米粒的强度。由于粘结键强度的降低，随着含水率的提高，米粒的破碎程度也逐渐的加强，因此，米粒破碎和粘结键的强度有一定的关系，即粘结键的强度越低，米粒越容易发生破碎。

冲击速度、含水率和破碎率之间的关系如图2所示。a、b、c、d四个区域分别表示未破碎、局部破碎、破裂、粉碎等四个破碎形态。可以看出，当冲击速度、含水率一定时，能够根据三者之间的关系判断出米粒的破碎特性。

图2：冲击速度及含水率与破碎之间的关系

3.2 米粒群破碎特性分析

在离散元模型建立的过程中，把米粒的真实形状变为轴对称椭球体，利用13个重叠球来近似米粒的外形轮廓。利用横式碾米机模型对米粒群破碎特性进行分析，通过颗粒替换模型与离散元法的结合对横式碾米机中米粒破碎的情况进行模拟。在碾白的过程中，米粒之间、与碾米辊和米筛之间的碰撞强度大于自身的承受强度，所以使得米粒出现破碎的现象。此外，根据研究表明，与碰撞能相比较，耗散能更加适合量化冲击强度，因此，可以通过耗散能量化米粒和相邻米粒之间、与碾米辊和米筛之间的碰撞强度。

在米粒碾白的过程中，由于米粒间的碰撞强度较大，因此前期的断裂形式主要为脆性断裂，而后期的断裂形式为疲劳断裂，且在特定的情况下脆性断裂和疲劳断裂会同时存在。此外，脆性断裂主要发生在碾米机出料口或者碾米辊周围，而疲劳断裂的产生区域为碾米机进料口处或者米筛附近。

4 总结

本文通过对横式碾米机内米粒碾白机理及破碎特性的探讨，使我们了解到了，碾米加工过程中碎米率与冲击速度、含水率的关系，对如何降低碾米加工中碎米率提供了技术支撑，提高了经济效益。因此，对米粒碾白机理的研究以及破碎特性的分析具有重要的实际意义，不但能够为以碾米降碎为目标的碾米机优化提供科学的指导，而且能够很好的解决在碾米加工过程中出现的碎米问题。另外，在实际的碾米过程中，不仅要对米粒的碾白运动进行分析，还包括糠层的移除等工作，需要进行更加深入的研究。