糙米加工技术及装备研究
时间：2022-11-05 08:00:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张兴振 曹宪周
摘要：文章阐述了糙米不同特性与其破碎之间关系的实验手段、实验方法及结论，并利用扫面电镜图形重点分析了糙米的力学结构特性及加工力学特性，指出碾米机碾白压力、碰撞速度及米室温度等因素的耦合关系对糙米破碎有重要影响。
关键词：糙米;碾米机;破碎
中图分类号：TS210.1文献标识码：ADOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210626
粮食非正常破碎不仅危及粮食安全[1-3]，同时也产生巨大的粮食浪费。以稻谷为例，其非正常破碎，主要产生于加工过程中（粮食行业标准规定加工机组碎米率：粳稻≤15%、籼稻≤30%）。2018年5月在益海（南昌）米厂经现场第三道米机取样发现：当稻谷品种是丰良优、水分14.3%时，一国外米机产生碎米率21.3%，另外一国外米机碎米率20.3%;当稻谷品种是普晚7、水分14.1%时，一国外米机米机产生碎米率23.9%，另外一国外米机碎米率23.0%。即稻谷在产后的非正常破碎率高达20%以上，并且70%以上的破碎产生在砻谷脱壳和碾白工序[4-8]。
稻谷加工中，砻谷和碾白是重要的两个工序，也是产生大米破碎最多的工序，尤其是碾米工序，生产时大约产生15%的碎米[9]。造成稻谷破碎的因素除稻谷品质及加工工艺，另外一个重要因素就是加工装备一碾米机。而目前国内所应用碾米机存在诸多问题，经原国家质检总局产品质量监督抽查表明，比较突出的是“吨料电耗高、碎米率高、智能化低、可靠性低”等问题[10]。并且，基于目前基础研究水平的匮乏，当前的粮食加工装备技术参数不能随物料特性和工况自适应变化，是导致粮食破碎率增高、出米率低的重要原因之一。所以，目前国内外学者主要关注于稻谷加工特性和碾米机的研究。
1稻谷加工特性研究
1.1糙米加工特性研究现状
目前国内外有关稻谷加工特性研究的方法和内容比较多。冯帅博[11]利用质构仪和扫面电镜研究了心白、腹白、无玺白糙米的压缩力学特性，发现心部存在玺白现象的糙米，相较于腹部存在玺白现象及无玺白现象的糙米，其不能够承受较大挤压机械力。李阳等[12]通过物性分析仪对稻谷外壳进行拉伸实验，测得稻谷外壳的力学特性参数，并结合稻谷外壳拉伸断裂裂纹处的显微图像分析稻谷外壳拉伸破坏过程。周显青等[13]通过糙米碾白试验发现随着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]通过水稻谷粒挤压力学实验，测得了其力一位移曲线，发现稻谷成熟度和谷壳对水稻谷粒力学性能的影响。李毅念等[15]分别以糙米的腹部、背部作为承压面，对糙米的三点弯曲破碎力学性能进行了测试，发现其腹部断裂能小于背部。Osvaldo等[16]对糙米进行了压缩试验，得到了不同含水率糙米的断裂力、形变、最大压缩力和弹性模量。Mohapatra等[17]研究了3种籼稻的物理、化学和力学性能，并对糙米进行了不同程度的碾磨，设计了碾磨系数和磨损指数来表征糙米的品质。Chattopadhyay等[18]利用试验装置沿糙米轴向施加正弦变化应力，得出了糙米的应变变化规律及不同含水率糙米应力应变变化和糙米含水率的关系。李耀明等[19]利用碰撞理论和能量守恒定理分析了稻谷与脱离装置之间的碰撞过程，并使用稻谷脱粒试验平台进行脱粒模拟试验，推导并验证了稻谷破碎和脱粒装置线速度的数学方程。常光宝[20]利用撞击特性试验装置和脱粒模拟装置对水稻籽粒进行了试验分析，建立了谷粒力学特性有限元分析模型，计算出水稻籽粒即将发生塑性变形时脱粒装置与水稻籽粒的相对速度。
上述研究主要集中于稻谷的宏觀静态或动态特性研究，得到了稻谷加工过程中所需的基础参数和数据，但是缺少加工过程中稻谷的动态机械力学特性、温升变化研究，而且对稻谷内部损伤规律的研究较少。因此，笔者通过对糙米结构特性及碰撞特性进行相应分析，以此探寻糙米的撞击特性和损伤规律，对于后续深入研究降低糙米在碾白过程中的非正常破碎具有重要意义。
1.2糙米加工技术特点分析
1.2.1糙米结构力学特性
据材料力学强度理论可知，当糙米所受最大应力大于糙米破碎强度时，糙米产生裂纹或破碎。糙米破碎强度与其品种、成熟度、粒度、水分及撞击力等因素有关。由扫描电子显微镜发现糙米内部断裂存在两种形式，一种是细胞间的断裂，一种是淀粉间的断裂，细胞之间的结合力大于淀粉间的结合力，故淀粉间断裂更容易发生[21]。观察图1、图2 可知：糙米结构强度取决于淀粉间的结合力，含水率升高，细胞吸收水分，促使细胞壁收缩，使淀粉间及细胞间结合力下降，当受到外部载荷作用时，随着水分及撞击力的加大，糙米裂纹宽度加大，造成糙米内部结构强度降低;同时由正交分析还发现影响糙米撞击力因子的主次顺序为撞击动量>含水率>品种[22]。
1.2.2糙米加工力学特性
糙米主要由胚、胚乳和皮层（米糠）三大部分组成，碾米也即去除皮层的过程。当外部载荷大于皮层与胚乳之间的结合力，且未大于胚乳自身结构强度时，糙米皮层沿胚乳表面擦离脱落。当糙米颗粒与碾白装置碰撞过程中形成的机械应力疲劳损伤积累大于糙米极限强度时即发生破碎。与此相关因素较多，其中，碾白室内部压力因素和碰撞因素权重较大。
1.2.3米室碾白作用力
1.2.4糙米碰撞相对速度
图3为单糙米颗粒与碾白装置碰撞时接触力学示意图。以糙米与碾白装置碰撞初始点为原点O，接触点处切平面为x-y，平面，z方向指向糙米颗粒，δ为糙米颗粒和碾白装置碰撞接触之间的压缩量。由Hertz理论及机械动力学理论可得出糙米发生机械应力损伤时的相对临界速度V0为：
由此可知，糙米颗粒与碾白装置碰撞速度与糙米颗粒质量、综合弹性模量负相关，与糙米粒度、强度极限正相关。当糙米在循环变应力作用下疲劳损伤积累达到其强度极限时则发生破碎。
1.2.5糙米温升
研究人员通常主要关注糙米力学特性及装备机械特性对糙米破碎的影响，而不同温度下糙米力学特性的变化同样是影响其破碎的重要因素。李莎莎等[23]发现不同品种的糙米粉在30 ℃与100 ℃时的水合特性明显不同，30℃时，吸水指数、水溶性及膨胀势均较小;当温度升为100℃时，由于淀粉糊化，淀粉颗粒溶胀破裂，其结合水能力提高，吸水指数、水溶性及膨胀势均显著增长，增长近5～10倍;夏吉庆等[24]通过试验发现稻谷含水率30%时的热变性温度为37.8℃、24%时为49.2 ℃、18%时为58.7 ℃，并且由电子显微镜发现热变性后稻谷内部淀粉颗粒由原来的有序排列离散成无序的颗粒状排列。据此可知，糙米在加工过程中的温度升高，将导致其内部运动加剧的淀粉分子向各个方向扩展造成排列顺序的再改变，淀粉颗粒由有序变无序，使其组织结构致密性下降;同时由于糙米材料属性各向不同性，其体积应力产生的内部裂纹向糙米外表面扩展也会不同，从而降低糙米强度极限，更容易在碾白时发生破碎。
2碾米机研究
如何降低碾米破碎率，一直是有关人员关注和研究的内容。杨会宾[25]、李爽[26]、肖崇业[27]、梁玮[28]等从碾米工艺上提出了“多道轻碾”改进措施;曹斌[29]利用离散元法研究了米粒在碾白室内的碾磨过程，以期优化碾白室结构参数;赵艳平[30]分析了碾米室在负压状态下糙米降碎效果;曾勇[31]以横式擦离型碾米机为研究对象，推导了米粒脆性和疲劳断裂理论临界冲击速度，探究了碾米辊结构参数对米粒碾白破碎特性影响情况;宋少云[32]利用FFM-DFM针对微裂纹稻谷进行了裂纹扩展仿真;张双[9]利用滑移网格技术对碾米机米室气流场进行了数值模拟分析，讨论了不同转速对气流场影响情况;李碧[33]以卧式铁辊喷风碾米机为例，使用EDEM-Fluent藕合对喷风碾米过程进行了仿真，讨论了主轴转速和风速对米室内糙米产生压力的情况;李祖吉[34]利用EDEM离散元软件对碾白室内物料运动过程进行仿真，并对主轴转速进行了临界转速计算。碾白过程相当复杂，糙米在碾白室内所受机械作用力是多种交叉，所反映的传统碾白原理——摩擦擦离碾白和碾削碾白作用力并不是单一存在的，只是在碾米机内以某一种形式存在为主。但是，传统碾米设备工作原理主要是对糙米的碾削和擦离，所产生后果即能耗和破碎率比较高。针对此问题，王杭等[35]研制了一种新型碾米设备——砂带碾米机，其原理有别于传统碾白加工原理，该设备利用砂带与糙米之间的研磨作用而去除皮层，避免了传统碾白时的碰撞、挤压、翻滚及摩擦现象，不仅使碾白增碎率低于2%，同时电耗也降低50%～80%，整体技术达到同领域国际领先水平。
3结语
目前研究主要集中于碾米机动力参数或结构对糙米破碎的影响，但大部分是利用仿真进行的研究，仿真时设置的物料属性并不是物料真实属性，即不是在糙米试验基础上获取的材料属性;同时，现有研究大部分是对现有碾米机动力参数或结构参数的一种优化，各参数之间的耦合关系，尤其是糙米力学特性与设备动力、结构及温度参数之间的映射关系，所导致的粮食破碎及多场耦合对糙米产生的破碎研究，应是将来研究内容之一。
“损耗大、效率低、可靠性差，缺少模块化、智能化、信息化”是目前国内外粮食加工装备存在的共性问题，原因在于行业基础技术研究的匮乏或不完善，以至于许多粮食机械装备生产企业只能对碾米装备局部进行技术改进，缺乏系统性、原创性的研究开发。新型碾米装备应基于糙米力学加工特性，利用优化、数字、传感、射频及自控等技术，将布料、支撑、碾磨、分离等机构构建成闭环自适应系统，使碾米装备在达到减损降耗节能的同时实现智能化。
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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
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