車 剛 王洪超 萬 霖 王 鑫 唐 浩 張成旭

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院， 大慶 163319； 2.黑龍江省農(nóng)機(jī)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 大慶 163319； 3.北大荒農(nóng)墾集團(tuán)有限公司， 哈爾濱 150030)

0 引言

水稻是熱敏性物料，其特殊的生理性組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其存在干燥特性差異。若干燥速率不均勻，或受熱溫度、干燥風(fēng)速較高，易產(chǎn)生內(nèi)部溫度梯度，出現(xiàn)爆腰的現(xiàn)象，在后續(xù)脫殼、碾米過程中會(huì)出現(xiàn)碎粒，造成出米率下降。若干燥溫度過高，則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)脂肪酸等物質(zhì)變性，加速水稻籽粒陳化，在蒸煮品嘗過程中，口感也會(huì)下降，即水稻食味值下降[1-6]。因此，水稻干燥品質(zhì)受熱風(fēng)風(fēng)速和溫度的影響大。近年來，以水分活度為統(tǒng)一特征，以自由能傳遞和轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一尺度，完整地從理論上揭示實(shí)際干燥過程，得到了干燥物系的數(shù)學(xué)解[7-8]，相關(guān)研究分析了影響干燥品質(zhì)的因素并提出了有益的干燥工藝[9-11]，但是由于水稻干燥是大滯后、非線性變量物系，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效節(jié)能干燥控制目標(biāo)存在難度[12-16]。目前，在水稻干燥生產(chǎn)中，普遍以低溫作業(yè)為主，但是存在生產(chǎn)效率與品質(zhì)控制的矛盾問題?；谄焚|(zhì)控制的變溫保質(zhì)干燥過程，對(duì)溫度精度要求較高，特別是當(dāng)糧食干燥溫度高于目標(biāo)溫度，則會(huì)嚴(yán)重影響干燥后的水稻品質(zhì)。實(shí)際生產(chǎn)中依靠調(diào)節(jié)熱風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量與PID控制器配合進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，具有大時(shí)滯性的特點(diǎn)，重新達(dá)到新溫度平衡用時(shí)較長，不能實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的變溫調(diào)節(jié)。糧食變溫干燥機(jī)普遍采用2臺(tái)或3臺(tái)風(fēng)機(jī)為各干燥段提供不同溫度的熱風(fēng)，該方法易于單獨(dú)溫度調(diào)控，但是供熱機(jī)構(gòu)龐大、成本高，且使用大功率正壓風(fēng)機(jī)，增加電能消耗，不利于節(jié)能[17-18]。

為此，本文結(jié)合水稻變溫干燥工藝，基于殼形管路混配氣流的變溫調(diào)節(jié)方法，設(shè)計(jì)同軸側(cè)入式殼形變溫混配裝置。該裝置利用相對(duì)穿透混合原理，以氣流旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)殼體內(nèi)葉片導(dǎo)向配風(fēng)為徑向混合方式，降低混合氣流在管道中的能量損失，縮小混合空間尺寸和混配時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)高效氣流均勻混合。依據(jù)水稻含水率的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)電聯(lián)動(dòng)式齒盤精量調(diào)節(jié)閥門開度，快速調(diào)整主風(fēng)道的熱風(fēng)溫度，以滿足變溫干燥的需求。

1 水稻變溫干燥工藝模型

水稻干燥是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，影響因素復(fù)雜且存在系統(tǒng)時(shí)滯問題。由于糧流的初始狀態(tài)各異，在干燥段內(nèi)不同糧層深度的水稻狀態(tài)存在差別，易形成水分和溫度梯度[19-21]。依據(jù)在線水分傳感器獲得的水稻含水率數(shù)據(jù)，對(duì)熱風(fēng)溫度進(jìn)行變溫調(diào)控以獲得高品質(zhì)水稻。水稻變溫干燥工藝模型如圖1(T0為水稻的初始溫度；M0為水稻的初始含水率；dF0為熱風(fēng)的初始濕含量；T1～T4為不同干燥段水稻的溫度；TF0為冷空氣的初始溫度；TF1、TF2為混配前后的熱風(fēng)溫度；TF3、TF4為排出廢氣的溫度；dF1、dF2為混配前后熱風(fēng)的濕含量；VF0為冷空氣的初始風(fēng)速；VF1、VF2為混配前后熱風(fēng)的風(fēng)速；VF3、VF4為排氣風(fēng)機(jī)的風(fēng)速；M1～M4為不同干燥段水稻的含水率；dF3、dF4為排出廢氣的濕含量)所示，熱氣流進(jìn)入干燥機(jī)后，在上、下出風(fēng)口風(fēng)機(jī)作用下使上糧層呈逆流干燥狀態(tài)，下糧層呈順流干燥狀態(tài)。在循環(huán)干燥過程中，結(jié)合不同含水率的水稻對(duì)干燥溫度的需求，自主調(diào)控混配裝置的工作參數(shù)，改變進(jìn)氣段的熱風(fēng)溫度，從而獲得干燥段內(nèi)水稻的質(zhì)熱調(diào)節(jié)效應(yīng)。

圖1 水稻變溫干燥工藝模型Fig.1 Rice variable temperature drying model

2 干燥機(jī)變溫混配裝置設(shè)計(jì)

2.1 干燥機(jī)基本結(jié)構(gòu)

水稻保質(zhì)干燥過程是對(duì)熱風(fēng)溫度與風(fēng)速精確控制的融合過程。因此在干燥機(jī)進(jìn)風(fēng)通道處設(shè)計(jì)變溫混配裝置，實(shí)現(xiàn)干燥溫度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。干燥機(jī)主體部分由預(yù)熱段、過渡段、干燥段、變溫混配裝置等構(gòu)成，如圖2所示。通過調(diào)節(jié)排風(fēng)口處安裝的變頻風(fēng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥段內(nèi)上部、下部風(fēng)速的控制，進(jìn)而改變干燥區(qū)域內(nèi)水稻的降水幅度。在整個(gè)干燥過程中，自主調(diào)節(jié)后的溫差變化范圍小，避免影響水稻的干燥品質(zhì)。

圖2 負(fù)壓循環(huán)式干燥試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Negative pressure circulation batch dryer1.提升機(jī) 2.變溫混配裝置 3.上層吸風(fēng)機(jī) 4.下層左吸風(fēng)機(jī) 5.下層右吸風(fēng)機(jī) 6.底座 7.排糧機(jī)構(gòu)

2.2 變溫干燥混配裝置設(shè)計(jì)

2.2.1冷熱氣流混合原理

在氣流混合過程中，采用多股氣流匯入主氣流的方式，能夠強(qiáng)化混合過程。當(dāng)氣流流入與主氣流呈一定角度時(shí)，流體混合邊界發(fā)生彎曲并且氣流不再呈軸對(duì)稱。流體橫截面由圓形變?yōu)轳R蹄形。主氣流與流體相交時(shí)被減速，形成滯止壓力區(qū)，繞過相交流體后形成低壓區(qū)，此時(shí)在該區(qū)域形成相反方向的漩渦。產(chǎn)生的側(cè)應(yīng)力使主氣流與流入氣流混合更快速，縮短混合均勻距離[22-23]。基于氣流混合理論，設(shè)計(jì)一種配合負(fù)壓干燥機(jī)變溫控制的同軸側(cè)入式殼形變溫干燥混配裝置。單股冷氣流與主氣流的混合流動(dòng)如圖3所示。

圖3 單股冷氣流與主熱氣流混合流動(dòng)示意圖Fig.3 Schematic of mixed flow of single cold air flow and main hot air flow

當(dāng)冷氣流軸線與熱氣流方向一致時(shí)，軸線與x軸的法向距離為絕對(duì)穿透深度h。絕對(duì)穿透深度h與入口直徑d的比值為相對(duì)穿透深度H。在冷熱氣流混合中相對(duì)穿透深度計(jì)算公式為

(1)

式中ρ1、ρ2——熱氣流和冷氣流的密度，kg/m3

v1、v2——熱氣流和冷氣流的速度，m/s

α——?dú)饬飨嘟唤牵?°)

由式(1)分析，冷熱氣流的密度、速度和氣流相交角將影響相對(duì)穿透深度，間接影響氣流混合效果。相對(duì)穿透深度越大，氣流混合速度更快且混合距離更短。當(dāng)冷熱氣流都無相變且流體交角一定時(shí)，逆流的平均溫差最大而順流溫差最小。根據(jù)變溫混配干燥裝置控制范圍，采用順流混合方式適合對(duì)熱風(fēng)溫度的調(diào)控。

2.2.2混配裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變溫干燥混配裝置是水稻變溫干燥系統(tǒng)的核心部件[24-25]，能夠?qū)⒗錈釟怏w按比例進(jìn)行混合，使熱交換后的氣流達(dá)到新穩(wěn)態(tài)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。氣流旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)殼體與進(jìn)氣調(diào)節(jié)齒輪盤聯(lián)接，嵌套于主管道外壁上且可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。氣流旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)殼體內(nèi)部安裝有導(dǎo)向葉片，主管道壁面設(shè)有周向?qū)ΨQ開口，與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)殼體套管壁面開口組成可調(diào)閥門。冷空氣在螺旋導(dǎo)向葉片導(dǎo)流作用下徑向?qū)ΨQ進(jìn)入主管道內(nèi)，在較短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷熱氣流的均勻混合。試驗(yàn)研究表明，氣流旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向角度為40°～50°時(shí)，主管道徑向進(jìn)氣流暢且流量大。因此設(shè)計(jì)導(dǎo)向葉片角度為45°。支架及限位組件與主體管道固定聯(lián)接，其作用是安裝步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)限位。通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)殼體相對(duì)于主管道的轉(zhuǎn)動(dòng)量，從而改變周向閥門開度，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)進(jìn)氣量和氣流溫度。進(jìn)氣調(diào)節(jié)齒輪盤的轉(zhuǎn)角與步進(jìn)電機(jī)的供電時(shí)間相關(guān)。當(dāng)管道中的溫度與目標(biāo)溫度不符時(shí)，根據(jù)溫度差值對(duì)變溫混配裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，快速達(dá)到目標(biāo)溫度。

圖4 變溫干燥混配裝置Fig.4 Variable temperature mixed flow drying device1.主管道 2.氣流旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)殼體 3.步進(jìn)電機(jī) 4.支架及限位組件 5.進(jìn)氣調(diào)節(jié)齒輪盤 6.閥門開口 7.螺旋導(dǎo)向葉片

2.2.3閥門開口設(shè)計(jì)

閥門開口的形狀與尺寸直接決定裝置的進(jìn)氣量和混合氣流的均勻度。考慮在主管道外壁開設(shè)長方形開口便于調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，開口對(duì)稱布置易于實(shí)現(xiàn)穿透深度的均勻性，在主管道上開設(shè)對(duì)稱式長方形開口，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)殼體套管壁面設(shè)計(jì)相同開口。由于采用側(cè)入式進(jìn)風(fēng)方式，在螺旋葉片導(dǎo)向作用下使冷氣流呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入主管道。假設(shè)混合過程為理想狀態(tài)，單位時(shí)間內(nèi)通過變溫干燥混配裝置冷空氣和熱氣流的截面風(fēng)量等于混合后的截面風(fēng)量，計(jì)算公式為

v2πr2+v1S=vmπr2

(2)

式中S——開口面積，m2

vm——混合后風(fēng)速，m/s

r——熱源管道內(nèi)徑，取0.2 m

為了滿足干燥風(fēng)量調(diào)節(jié)的要求，以獲取最小風(fēng)溫和可調(diào)風(fēng)速為約束條件，假設(shè)溫度波動(dòng)為±5℃，熱風(fēng)溫度為35～75℃，環(huán)境溫度為20℃。通過風(fēng)速試驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合式(2)計(jì)算，得到主管道開口面積不大于0.026 m2，結(jié)合主管道表面尺寸，確定長方形開口數(shù)量為4個(gè)，寬度為15 cm，長度18 cm。

2.2.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量并準(zhǔn)確控制熱介質(zhì)溫度，結(jié)合進(jìn)氣管道的尺寸特征，閥門開口調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用小減速比的齒輪傳動(dòng)方式，如圖5所示。設(shè)計(jì)進(jìn)氣調(diào)節(jié)齒輪盤與氣流旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)殼體聯(lián)成一體，步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接的齒輪與進(jìn)氣調(diào)節(jié)齒輪盤相嚙合。根據(jù)齒輪齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)和齒面疲勞接觸強(qiáng)度校核[26]，設(shè)計(jì)一級(jí)直齒傳動(dòng)齒輪。為了增強(qiáng)齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性和承載能力，確定重合度為1.63，傳動(dòng)比為5，進(jìn)氣調(diào)節(jié)齒輪盤齒數(shù)為110齒，步進(jìn)電機(jī)齒輪為22齒。為防止齒輪軸向轉(zhuǎn)動(dòng)影響傳動(dòng)效率，設(shè)計(jì)電機(jī)齒輪齒面寬度為進(jìn)氣調(diào)節(jié)齒輪盤寬度的2.5倍。

圖5 混配傳動(dòng)裝置Fig.5 Transmission of mixed flow1.齒盤聯(lián)接件 2.電機(jī)支架 3.電機(jī)齒輪 4.齒盤 5.固定套

2.3 變溫干燥混配控制模型

在實(shí)際干燥工作中，應(yīng)考慮在不同熱風(fēng)溫度條件下，變溫干燥混配裝置閥門開度的變化對(duì)熱風(fēng)溫度穩(wěn)定性的影響。為提高變溫控制過程的精度以及混配氣流溫度的穩(wěn)定性，進(jìn)行L25(35)全面試驗(yàn)，根據(jù)干燥過程的控制需求，確定熱風(fēng)溫度a1因素水平選取為35、45、55、65、75℃，風(fēng)機(jī)頻率a2因素水平選取為10、20、30、40、50 Hz，目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度差值a3為1、2、3、4、5℃?；谏窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)具有典型分布式計(jì)算的特點(diǎn)，采用以熱風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)頻率和系統(tǒng)溫度差值為輸入，閥門開度為輸出，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測訓(xùn)練與回歸分析獲得控制模型。

以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本，應(yīng)用Neuroshell進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，80%為訓(xùn)練樣本，20%為學(xué)習(xí)樣本。激活函數(shù)選擇logistic，學(xué)習(xí)速率為0.1，梯度選擇0.1，權(quán)重選擇0.3，以最小溫度偏差為目標(biāo)。訓(xùn)練結(jié)果：訓(xùn)練次數(shù)為3.9×104次，最大溫度偏差為0.029℃，最小溫度偏差為0.017℃。將試驗(yàn)值輸入訓(xùn)練模型中，得出閥門開度預(yù)測值，利用SPSS回歸分析建立變溫干燥混配裝置驅(qū)動(dòng)齒輪盤的閥門開度F控制模型

F=54.091-0.115a1-0.72a2+3.1a3-
0.011a1a2+0.086a1a3+0.241a2a3

(3)

通過閥門控制P-P圖對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行檢驗(yàn)。如圖6a所示，閥門控制值與直線近似重合，即實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相近，服從正態(tài)分布。如圖6b所示，剔除趨勢的閥門開度分布點(diǎn)與中線的差值波動(dòng)偏差變化范圍在±0.2之間，說明變化范圍小，服從近似正態(tài)分布且模型能夠滿足對(duì)閥門的控制要求?；貧w方程的預(yù)測與真實(shí)值的相關(guān)系數(shù)R=0.945，決定系數(shù)R2=0.892，擬合程度良好，顯著性P<0.001，各因素對(duì)閥門開度F影響極顯著，因此，該模型能夠間接表述各參數(shù)與電機(jī)供電時(shí)間的關(guān)系。為精確計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間，結(jié)合混配裝置的傳動(dòng)比，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為50 r/min，閥門開口面積為33.75 cm2，得到變溫干燥混配裝置電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間t的控制模型為

t=0.41-0.000 8a1-0.005a2+0.23a3-
0.000 08a1a2+0.000 6a1a3+0.002a2a3

(4)

圖6 閥門控制P-P圖Fig.6 P-P diagram of valve control

結(jié)合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)測建立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間控制模型，能夠根據(jù)實(shí)際熱風(fēng)溫度與目標(biāo)溫度差值來調(diào)節(jié)變溫干燥混配裝置的閥門開度，從而實(shí)現(xiàn)變溫干燥的精確控制。

3 氣流混配性能試驗(yàn)仿真與驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

試驗(yàn)設(shè)備采用本文設(shè)計(jì)的變溫干燥混配裝置，通過透明亞克力管道與干燥機(jī)主風(fēng)道相連，應(yīng)用美國FLIR型紅外相機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)觀測。采用法國KIMO公司生產(chǎn)AMI300型多功能測量儀進(jìn)行風(fēng)速檢測，使用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，范圍為0.1～10 m/s，使用電加熱系統(tǒng)提供熱源，電加熱功率50 kW。

3.2 試驗(yàn)方案

運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行L9(34)試驗(yàn)，對(duì)變溫混合過程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)溫度混合均勻后的邊界距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與評(píng)價(jià)。模擬試驗(yàn)中開口度分別設(shè)置為80%、60%、40%、20%，主管道溫度設(shè)置為45、50、55、65℃，入口處管道風(fēng)速分別設(shè)置為2.5、5、7.5、10 m/s。對(duì)導(dǎo)入模型的溫度場進(jìn)行分析，并查看混合效果。對(duì)混合邊緣進(jìn)行測量，混合距離作為冷熱混配評(píng)價(jià)指標(biāo)。驗(yàn)證試驗(yàn)采用近紅外熱像儀分析，使用分界痕跡標(biāo)記線對(duì)混合后距離進(jìn)行標(biāo)記。為方便觀測混合距離，在亞克力管道上打孔并用金屬點(diǎn)標(biāo)記，標(biāo)記點(diǎn)間距為200 mm。通過調(diào)節(jié)開口度、主管道溫度和入口處管道風(fēng)速，得到冷熱氣流的混合情況。

3.3 仿真控制方法

假設(shè)空氣混合過程為理想混合狀態(tài)，且入風(fēng)口壓力一致，冷熱氣體的混合看作是單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過變溫混配裝置的冷空氣與熱空氣的截面風(fēng)量之和。采用大渦模擬(LES)的方法，在Fluent進(jìn)行模擬仿真，獲得混合過程中流動(dòng)情況。大尺度渦對(duì)于平均流動(dòng)有較大影響，而小尺度的渦主要發(fā)揮耗散的作用。大渦湍流模型是對(duì)瞬時(shí)流體過濾，過濾出去則為小尺度的渦。大尺度渦流采用N-S方程進(jìn)行求解，小尺度渦通過亞格子尺度模型求解。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

運(yùn)用Fluent軟件對(duì)裝置內(nèi)冷熱氣流混合仿真模擬分析，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

開口度對(duì)混合均勻距離的影響最大，入口處管道風(fēng)速對(duì)混合均勻距離的影響次之。最優(yōu)參數(shù)組合為A1B4C2，混合均勻距離最長邊緣距離為85.46 cm，最短為26.85 cm，仿真極值如圖7所示。在氣流旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)外殼導(dǎo)向葉片的作用下，冷熱氣流混合流向與管道軸向出現(xiàn)夾角偏移，能夠在較短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻混合，且混合過程邊緣線明顯，但氣流旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象不顯著。

為驗(yàn)證混合實(shí)際情況與數(shù)值分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取表1各試驗(yàn)序號(hào)中的最優(yōu)與最差組合進(jìn)行近紅外熱成像驗(yàn)證。近紅外熱成像法能夠根據(jù)表面的輻射溫度體現(xiàn)氣流流向，并且可直接反映溫度混合情況，氣流混合距離效果如圖8所示。由近紅外熱像試驗(yàn)結(jié)果可知，在變溫干燥混配裝置的混合作用下，在裝置的后方出現(xiàn)氣流的旋轉(zhuǎn)痕跡邊界。同時(shí)為較為清晰體現(xiàn)氣體混配效果，如圖8b混合距離與Fluent仿真距離相比長1.15 cm，如圖8a混合距離與Fluent仿真距離相比短3.46 cm。近紅外熱像檢測的距離與仿真試驗(yàn)結(jié)果相比誤差小于4.2%。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results

圖7 混合氣流仿真圖Fig.7 Simulation diagrams of mixed air flow

圖8 氣流混合距離驗(yàn)證Fig.8 Mixed distance verification

試驗(yàn)驗(yàn)證表明：冷熱氣流能在較短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)混合完全，無分層流動(dòng)現(xiàn)象且混合效果好，滿足實(shí)際需求。

4 變溫混配性能試驗(yàn)

4.1 溫度控制穩(wěn)定性分析

通過干燥機(jī)控制系統(tǒng)MCGS觸摸屏設(shè)置干燥熱風(fēng)溫度和目標(biāo)溫度，進(jìn)行溫度模擬輸入動(dòng)態(tài)實(shí)測。設(shè)置溫度與目標(biāo)溫度差值小于0.5℃，溫度變化設(shè)置波動(dòng)區(qū)間為5℃，滿足電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方程。根據(jù)電機(jī)性能可知，在調(diào)節(jié)變溫干燥裝置過程中，電機(jī)滿程運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.75 s，本機(jī)采用電加熱裝置提供熱量，經(jīng)換熱器換熱后熱風(fēng)溫度較穩(wěn)定。試驗(yàn)用溫度傳感器反應(yīng)時(shí)間5 s，遠(yuǎn)大于電機(jī)滿程運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因此可以通過設(shè)置熱風(fēng)溫度、動(dòng)態(tài)輸入模擬溫度與風(fēng)速調(diào)節(jié)變頻器，觀測熱風(fēng)溫度的波動(dòng)。通過測量5 s后的溫度變化差值，進(jìn)行溫控穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

4.1.1熱風(fēng)溫度對(duì)溫度偏差的影響

如圖9所示，隨著熱風(fēng)溫度的增加，整體上溫度偏差呈上升趨勢，在較高溫度時(shí)出現(xiàn)偏差較大，偏差過大與風(fēng)機(jī)的控制頻率及目標(biāo)溫度的差值相關(guān)。溫度控制過程以溫度偏差評(píng)判控制系統(tǒng)穩(wěn)定性[27]。溫度控制過程以溫度偏差小于1℃為界判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過試驗(yàn)測試表明，溫度合格率為84.6%，其中溫度偏差最大值為1.56℃，溫度偏差最小值為0.4℃，平均值為0.96℃，標(biāo)準(zhǔn)誤差0.082℃。

圖9 熱風(fēng)溫度對(duì)溫度偏差影響Fig.9 Influence of heat wind temperature on temperature deviation

4.1.2風(fēng)機(jī)頻率對(duì)溫度偏差的影響

隨著風(fēng)機(jī)頻率的增加，整體上溫度偏差呈上升趨勢，在高頻率區(qū)間段溫度偏差較大，如圖10所示。由于風(fēng)機(jī)頻率過高，控制精度下降導(dǎo)致溫度偏差上升。溫度控制過程以溫度偏差小于1℃為界判斷控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以風(fēng)機(jī)頻率為變量因子進(jìn)行評(píng)判，其中溫度偏差最大值為1.8℃，溫度偏差最小值為0.2℃，平均值為0.829℃，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.035℃。

圖10 風(fēng)機(jī)頻率對(duì)溫度偏差的影響Fig.10 Influence of fan frequency on temperature deviation

綜上分析熱風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)頻率對(duì)溫度偏差的影響可知，溫度波動(dòng)范圍在0.20～1.56℃。試驗(yàn)可知變溫干燥混配裝置的控制滿程時(shí)間為0.75 s，最大變溫溫差的均值為0.96℃，控制合格率達(dá)84%以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 變溫干燥效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證變溫干燥混配裝置的干燥效果，采用綏粳12為試驗(yàn)材料，對(duì)干燥機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。工作環(huán)境溫度16℃，熱風(fēng)變溫幅度設(shè)定為40～60℃，變頻調(diào)節(jié)熱風(fēng)風(fēng)速為0.5～2 m/s，干燥機(jī)滿載水稻1 360 kg。重點(diǎn)測試變溫控制過程對(duì)出機(jī)水稻含水率和干燥后品質(zhì)的評(píng)價(jià)，采用的負(fù)壓循環(huán)式干燥機(jī)及變溫混配控制系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 負(fù)壓循環(huán)式干燥試驗(yàn)樣機(jī)Fig.11 Test prototype of negative pressure batch dryer

圖12 水稻入機(jī)和出機(jī)含水率變化曲線Fig.12 Entering and exiting rice moisture chart

設(shè)置水稻出機(jī)含水率小于14.5%，進(jìn)行連續(xù)干燥運(yùn)行試驗(yàn)，通過在線水分儀記錄可得水稻入機(jī)和出機(jī)含水率變化，如圖12所示。入機(jī)水稻含水率變化區(qū)間為17.1%～19.6%，水分不均勻性大。在變溫調(diào)控的作用下，水稻籽粒均勻受熱，出機(jī)水稻含水率的變化幅度較平緩，含水率標(biāo)準(zhǔn)誤差均值為0.035%，方差為0.113%2，總體在合理控制區(qū)間內(nèi)。應(yīng)用佐竹大米食味計(jì)和外觀品質(zhì)檢測儀測試，水稻食味值大于82，糙碎率小于3.4%，干燥不均勻性指數(shù)小于0.5%。整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合水稻變溫干燥工藝模型，基于冷熱氣流相對(duì)穿透混合原理，設(shè)計(jì)了一種同軸側(cè)入式殼形變溫干燥混配裝置，采用氣流旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)殼體內(nèi)布置的導(dǎo)向葉片為徑向配風(fēng)通道，機(jī)電聯(lián)動(dòng)式齒盤精量調(diào)節(jié)閥門開度，實(shí)現(xiàn)高效氣流均勻混合。

(2)基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)預(yù)測與回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析并建立了變溫控制驅(qū)動(dòng)齒輪盤的閥門控制模型和電機(jī)供電時(shí)間控制模型。應(yīng)用 Fluent 軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，確定了最優(yōu)參數(shù)組合。采用紅外熱像儀進(jìn)行驗(yàn)證，冷熱氣流能在較短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全混合，無分層流動(dòng)現(xiàn)象且混合效果好。獲得最佳混配效果的距離為26.85 cm。

(3)變溫混配裝置控制分析表明，變溫控制系統(tǒng)在干燥控制過程中時(shí)滯較小，控制滿程時(shí)間為0.75 s，最大變溫溫差的均值為0.96℃，控制合格率達(dá)84%以上。水稻出機(jī)含水率在合理范圍內(nèi)，干燥后水稻食味值大于82，糙碎率小于3.4%，綜合評(píng)價(jià)滿足生產(chǎn)要求。