張興振 曹憲周

摘要：文章闡述了糙米不同特性與其破碎之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)論，并利用掃面電鏡圖形重點(diǎn)分析了糙米的力學(xué)結(jié)構(gòu)特性及加工力學(xué)特性，指出碾米機(jī)碾白壓力、碰撞速度及米室溫度等因素的耦合關(guān)系對(duì)糙米破碎有重要影響。

關(guān)鍵詞：糙米;碾米機(jī);破碎

中圖分類號(hào)：TS210.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210626

糧食非正常破碎不僅危及糧食安全[1-3]，同時(shí)也產(chǎn)生巨大的糧食浪費(fèi)。以稻谷為例，其非正常破碎，主要產(chǎn)生于加工過程中（糧食行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加工機(jī)組碎米率：粳稻≤15%、秈稻≤30%）。2018年5月在益海（南昌）米廠經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)第三道米機(jī)取樣發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)竟绕贩N是豐良優(yōu)、水分14.3%時(shí)，一國(guó)外米機(jī)產(chǎn)生碎米率21.3%，另外一國(guó)外米機(jī)碎米率20.3%;當(dāng)?shù)竟绕贩N是普晚7、水分14.1%時(shí)，一國(guó)外米機(jī)米機(jī)產(chǎn)生碎米率23.9%，另外一國(guó)外米機(jī)碎米率23.0%。即稻谷在產(chǎn)后的非正常破碎率高達(dá)20%以上，并且70%以上的破碎產(chǎn)生在礱谷脫殼和碾白工序[4-8]。

稻谷加工中，礱谷和碾白是重要的兩個(gè)工序，也是產(chǎn)生大米破碎最多的工序，尤其是碾米工序，生產(chǎn)時(shí)大約產(chǎn)生15%的碎米[9]。造成稻谷破碎的因素除稻谷品質(zhì)及加工工藝，另外一個(gè)重要因素就是加工裝備一碾米機(jī)。而目前國(guó)內(nèi)所應(yīng)用碾米機(jī)存在諸多問題，經(jīng)原國(guó)家質(zhì)檢總局產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督抽查表明，比較突出的是“噸料電耗高、碎米率高、智能化低、可靠性低”等問題[10]。并且，基于目前基礎(chǔ)研究水平的匱乏，當(dāng)前的糧食加工裝備技術(shù)參數(shù)不能隨物料特性和工況自適應(yīng)變化，是導(dǎo)致糧食破碎率增高、出米率低的重要原因之一。所以，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注于稻谷加工特性和碾米機(jī)的研究。

1稻谷加工特性研究

1.1糙米加工特性研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)稻谷加工特性研究的方法和內(nèi)容比較多。馮帥博[11]利用質(zhì)構(gòu)儀和掃面電鏡研究了心白、腹白、無璽白糙米的壓縮力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)心部存在璽白現(xiàn)象的糙米，相較于腹部存在璽白現(xiàn)象及無璽白現(xiàn)象的糙米，其不能夠承受較大擠壓機(jī)械力。李陽等[12]通過物性分析儀對(duì)稻谷外殼進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)得稻谷外殼的力學(xué)特性參數(shù)，并結(jié)合稻谷外殼拉伸斷裂裂紋處的顯微圖像分析稻谷外殼拉伸破壞過程。周顯青等[13]通過糙米碾白試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著糙米中不完善粒含量增加，整、精米率降低，碎米率升高。李耀明等[14]通過水稻谷粒擠壓力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了其力一位移曲線，發(fā)現(xiàn)稻谷成熟度和谷殼對(duì)水稻谷粒力學(xué)性能的影響。李毅念等[15]分別以糙米的腹部、背部作為承壓面，對(duì)糙米的三點(diǎn)彎曲破碎力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其腹部斷裂能小于背部。Osvaldo等[16]對(duì)糙米進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，得到了不同含水率糙米的斷裂力、形變、最大壓縮力和彈性模量。Mohapatra等[17]研究了3種秈稻的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，并對(duì)糙米進(jìn)行了不同程度的碾磨，設(shè)計(jì)了碾磨系數(shù)和磨損指數(shù)來表征糙米的品質(zhì)。Chattopadhyay等[18]利用試驗(yàn)裝置沿糙米軸向施加正弦變化應(yīng)力，得出了糙米的應(yīng)變變化規(guī)律及不同含水率糙米應(yīng)力應(yīng)變變化和糙米含水率的關(guān)系。李耀明等[19]利用碰撞理論和能量守恒定理分析了稻谷與脫離裝置之間的碰撞過程，并使用稻谷脫粒試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行脫粒模擬試驗(yàn)，推導(dǎo)并驗(yàn)證了稻谷破碎和脫粒裝置線速度的數(shù)學(xué)方程。常光寶[20]利用撞擊特性試驗(yàn)裝置和脫粒模擬裝置對(duì)水稻籽粒進(jìn)行了試驗(yàn)分析，建立了谷粒力學(xué)特性有限元分析模型，計(jì)算出水稻籽粒即將發(fā)生塑性變形時(shí)脫粒裝置與水稻籽粒的相對(duì)速度。

上述研究主要集中于稻谷的宏觀靜態(tài)或動(dòng)態(tài)特性研究，得到了稻谷加工過程中所需的基礎(chǔ)參數(shù)和數(shù)據(jù)，但是缺少加工過程中稻谷的動(dòng)態(tài)機(jī)械力學(xué)特性、溫升變化研究，而且對(duì)稻谷內(nèi)部損傷規(guī)律的研究較少。因此，筆者通過對(duì)糙米結(jié)構(gòu)特性及碰撞特性進(jìn)行相應(yīng)分析，以此探尋糙米的撞擊特性和損傷規(guī)律，對(duì)于后續(xù)深入研究降低糙米在碾白過程中的非正常破碎具有重要意義。

1.2糙米加工技術(shù)特點(diǎn)分析

1.2.1糙米結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

據(jù)材料力學(xué)強(qiáng)度理論可知，當(dāng)糙米所受最大應(yīng)力大于糙米破碎強(qiáng)度時(shí)，糙米產(chǎn)生裂紋或破碎。糙米破碎強(qiáng)度與其品種、成熟度、粒度、水分及撞擊力等因素有關(guān)。由掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)糙米內(nèi)部斷裂存在兩種形式，一種是細(xì)胞間的斷裂，一種是淀粉間的斷裂，細(xì)胞之間的結(jié)合力大于淀粉間的結(jié)合力，故淀粉間斷裂更容易發(fā)生[21]。觀察圖1、圖2 可知：糙米結(jié)構(gòu)強(qiáng)度取決于淀粉間的結(jié)合力，含水率升高，細(xì)胞吸收水分，促使細(xì)胞壁收縮，使淀粉間及細(xì)胞間結(jié)合力下降，當(dāng)受到外部載荷作用時(shí)，隨著水分及撞擊力的加大，糙米裂紋寬度加大，造成糙米內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低;同時(shí)由正交分析還發(fā)現(xiàn)影響糙米撞擊力因子的主次順序?yàn)樽矒魟?dòng)量>含水率>品種[22]。

1.2.2糙米加工力學(xué)特性

糙米主要由胚、胚乳和皮層（米糠）三大部分組成，碾米也即去除皮層的過程。當(dāng)外部載荷大于皮層與胚乳之間的結(jié)合力，且未大于胚乳自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，糙米皮層沿胚乳表面擦離脫落。當(dāng)糙米顆粒與碾白裝置碰撞過程中形成的機(jī)械應(yīng)力疲勞損傷積累大于糙米極限強(qiáng)度時(shí)即發(fā)生破碎。與此相關(guān)因素較多，其中，碾白室內(nèi)部壓力因素和碰撞因素權(quán)重較大。

1.2.3米室碾白作用力

1.2.4糙米碰撞相對(duì)速度

圖3為單糙米顆粒與碾白裝置碰撞時(shí)接觸力學(xué)示意圖。以糙米與碾白裝置碰撞初始點(diǎn)為原點(diǎn)O，接觸點(diǎn)處切平面為x-y，平面，z方向指向糙米顆粒，δ為糙米顆粒和碾白裝置碰撞接觸之間的壓縮量。由Hertz理論及機(jī)械動(dòng)力學(xué)理論可得出糙米發(fā)生機(jī)械應(yīng)力損傷時(shí)的相對(duì)臨界速度V₀為：

由此可知，糙米顆粒與碾白裝置碰撞速度與糙米顆粒質(zhì)量、綜合彈性模量負(fù)相關(guān)，與糙米粒度、強(qiáng)度極限正相關(guān)。當(dāng)糙米在循環(huán)變應(yīng)力作用下疲勞損傷積累達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí)則發(fā)生破碎。

1.2.5糙米溫升

研究人員通常主要關(guān)注糙米力學(xué)特性及裝備機(jī)械特性對(duì)糙米破碎的影響，而不同溫度下糙米力學(xué)特性的變化同樣是影響其破碎的重要因素。李莎莎等[23]發(fā)現(xiàn)不同品種的糙米粉在30 ℃與100 ℃時(shí)的水合特性明顯不同，30℃時(shí)，吸水指數(shù)、水溶性及膨脹勢(shì)均較小;當(dāng)溫度升為100℃時(shí)，由于淀粉糊化，淀粉顆粒溶脹破裂，其結(jié)合水能力提高，吸水指數(shù)、水溶性及膨脹勢(shì)均顯著增長(zhǎng)，增長(zhǎng)近5～10倍;夏吉慶等[24]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)稻谷含水率30%時(shí)的熱變性溫度為37.8℃、24%時(shí)為49.2 ℃、18%時(shí)為58.7 ℃，并且由電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)熱變性后稻谷內(nèi)部淀粉顆粒由原來的有序排列離散成無序的顆粒狀排列。據(jù)此可知，糙米在加工過程中的溫度升高，將導(dǎo)致其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)加劇的淀粉分子向各個(gè)方向擴(kuò)展造成排列順序的再改變，淀粉顆粒由有序變無序，使其組織結(jié)構(gòu)致密性下降;同時(shí)由于糙米材料屬性各向不同性，其體積應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)部裂紋向糙米外表面擴(kuò)展也會(huì)不同，從而降低糙米強(qiáng)度極限，更容易在碾白時(shí)發(fā)生破碎。

2碾米機(jī)研究

如何降低碾米破碎率，一直是有關(guān)人員關(guān)注和研究的內(nèi)容。楊會(huì)賓[25]、李爽[26]、肖崇業(yè)[27]、梁瑋[28]等從碾米工藝上提出了“多道輕碾”改進(jìn)措施;曹斌[29]利用離散元法研究了米粒在碾白室內(nèi)的碾磨過程，以期優(yōu)化碾白室結(jié)構(gòu)參數(shù);趙艷平[30]分析了碾米室在負(fù)壓狀態(tài)下糙米降碎效果;曾勇[31]以橫式擦離型碾米機(jī)為研究對(duì)象，推導(dǎo)了米粒脆性和疲勞斷裂理論臨界沖擊速度，探究了碾米輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)米粒碾白破碎特性影響情況;宋少云[32]利用FFM-DFM針對(duì)微裂紋稻谷進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展仿真;張雙[9]利用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)碾米機(jī)米室氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，討論了不同轉(zhuǎn)速對(duì)氣流場(chǎng)影響情況;李碧[33]以臥式鐵輥噴風(fēng)碾米機(jī)為例，使用EDEM-Fluent藕合對(duì)噴風(fēng)碾米過程進(jìn)行了仿真，討論了主軸轉(zhuǎn)速和風(fēng)速對(duì)米室內(nèi)糙米產(chǎn)生壓力的情況;李祖吉[34]利用EDEM離散元軟件對(duì)碾白室內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真，并對(duì)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行了臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。碾白過程相當(dāng)復(fù)雜，糙米在碾白室內(nèi)所受機(jī)械作用力是多種交叉，所反映的傳統(tǒng)碾白原理——摩擦擦離碾白和碾削碾白作用力并不是單一存在的，只是在碾米機(jī)內(nèi)以某一種形式存在為主。但是，傳統(tǒng)碾米設(shè)備工作原理主要是對(duì)糙米的碾削和擦離，所產(chǎn)生后果即能耗和破碎率比較高。針對(duì)此問題，王杭等[35]研制了一種新型碾米設(shè)備——砂帶碾米機(jī)，其原理有別于傳統(tǒng)碾白加工原理，該設(shè)備利用砂帶與糙米之間的研磨作用而去除皮層，避免了傳統(tǒng)碾白時(shí)的碰撞、擠壓、翻滾及摩擦現(xiàn)象，不僅使碾白增碎率低于2%，同時(shí)電耗也降低50%～80%，整體技術(shù)達(dá)到同領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先水平。

3結(jié)語

目前研究主要集中于碾米機(jī)動(dòng)力參數(shù)或結(jié)構(gòu)對(duì)糙米破碎的影響，但大部分是利用仿真進(jìn)行的研究，仿真時(shí)設(shè)置的物料屬性并不是物料真實(shí)屬性，即不是在糙米試驗(yàn)基礎(chǔ)上獲取的材料屬性;同時(shí)，現(xiàn)有研究大部分是對(duì)現(xiàn)有碾米機(jī)動(dòng)力參數(shù)或結(jié)構(gòu)參數(shù)的一種優(yōu)化，各參數(shù)之間的耦合關(guān)系，尤其是糙米力學(xué)特性與設(shè)備動(dòng)力、結(jié)構(gòu)及溫度參數(shù)之間的映射關(guān)系，所導(dǎo)致的糧食破碎及多場(chǎng)耦合對(duì)糙米產(chǎn)生的破碎研究，應(yīng)是將來研究?jī)?nèi)容之一。

“損耗大、效率低、可靠性差，缺少模塊化、智能化、信息化”是目前國(guó)內(nèi)外糧食加工裝備存在的共性問題，原因在于行業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)研究的匱乏或不完善，以至于許多糧食機(jī)械裝備生產(chǎn)企業(yè)只能對(duì)碾米裝備局部進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，缺乏系統(tǒng)性、原創(chuàng)性的研究開發(fā)。新型碾米裝備應(yīng)基于糙米力學(xué)加工特性，利用優(yōu)化、數(shù)字、傳感、射頻及自控等技術(shù)，將布料、支撐、碾磨、分離等機(jī)構(gòu)構(gòu)建成閉環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)，使碾米裝備在達(dá)到減損降耗節(jié)能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能化。

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The Research Development of Brown Rice Processing Technology and Its Equipment

Zhang Xingzhen，Cao Xianzhou

（School of ElecticalAndMechnical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450001）

Abstract：This paper demonstrates the experimental means，test methods and experimental results of the relationship between the different characteristics of brown rice and its crushing，emphatically analyzes the mechanical structure characteristics and processing mechanical characteristics of brown rice by using scanning electron microscope （SEM），and points out that the coupling relationship of milling pressure，collision velocity and rice room temperature with the rice mill has an important influence on brown rice crushing.

Key words：brown rice，rice milling machine，crushing