◎ 王子嘯，王旺平，宋少云

（武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048）

稻米是目前我國(guó)食用量及適用范圍最大的農(nóng)作物?，F(xiàn)階段我國(guó)稻米年產(chǎn)量約1.8億t，約占世界谷物總產(chǎn)量的40%。我國(guó)約有60%的人將稻米當(dāng)作主食，平均每年消費(fèi)水稻在1.6億t左右[1]。只有提高了稻米的生產(chǎn)力，才能保證我國(guó)的糧食安全，進(jìn)而保障人們生活。

碾米機(jī)是加工稻米的主要機(jī)器，而大米的產(chǎn)能直接由碾米機(jī)的效率決定。如何提高產(chǎn)能，降低碎米率的同時(shí)，使碾白更為充分，是研究者們?cè)谘兄颇朊讬C(jī)時(shí)考慮的主要問(wèn)題。常見(jiàn)碾米機(jī)的碾白方式主要有擦離碾白和碾削碾白，這兩種方式都是利用機(jī)械壓力剝離糙米外皮進(jìn)行碾白。另外，同時(shí)使用擦離碾白與碾削碾白進(jìn)行的混合碾白可以減少碎米量，提高出米質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，減少電能消耗。而智能碾米機(jī)是在傳統(tǒng)碾米機(jī)的基礎(chǔ)上，引入了智能化系統(tǒng)，通過(guò)傳感器測(cè)溫，電磁繼電器控制米粒進(jìn)出料口流量差等方式，使碾米步入更加智能化的時(shí)代，在降低碎米率的同時(shí)，增加碾白效率以及出米率?；诖?，本文對(duì)智能碾米機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究。

1 碾米機(jī)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)60年代，世界上第一個(gè)新型的立式砂臼碾米機(jī)在歐洲誕生。我國(guó)也在20世紀(jì)90年代對(duì)立式砂臼碾米機(jī)進(jìn)行了早期的研制和試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上又提出了橫式的鐵輥碾米機(jī)。鐵輥碾米機(jī)的問(wèn)世，大大提高了傳統(tǒng)碾米機(jī)的研制與開(kāi)發(fā)效率，而且實(shí)現(xiàn)了糙米碾白技術(shù)的重大飛躍。

在對(duì)從英國(guó)引進(jìn)的橫式鐵輥碾米機(jī)進(jìn)行了研究和改造之后，我國(guó)的碾米機(jī)生產(chǎn)技術(shù)也邁出重要了一步。在20世紀(jì)50年代，我國(guó)農(nóng)村普遍都采用米糠不分離的鐵輥碾米機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)勞動(dòng)。20世紀(jì)80年代，由于技術(shù)水平的發(fā)展，分離式鐵輥碾米機(jī)的性能和工作效率明顯優(yōu)于米糠不分離的鐵輥碾米機(jī)，所以分離式鐵輥碾米機(jī)逐漸取代了后者而被廣泛使用。20世紀(jì)90年代，鐵輥噴風(fēng)碾米機(jī)憑借特有的噴風(fēng)裝置出現(xiàn)在人們的視野中，它加工過(guò)的米不僅成色好，并且出米率也高[2]。我國(guó)在一段時(shí)期內(nèi)主要采用橫式碾米機(jī)，近些年也加強(qiáng)了對(duì)立式碾米機(jī)的研發(fā)。成熟的機(jī)型有NF型旋篩噴風(fēng)碾米機(jī)、MNML系列立式雙輥碾米機(jī)、NS型螺旋槽砂輥碾米機(jī)、MNMS30A型砂輥碾米機(jī)和MNMP系列鐵輥碾米機(jī)等[3]。

日本最開(kāi)始以研究橫式碾米機(jī)聞名世界，近年也著力發(fā)展立式碾米機(jī)和組合型碾米機(jī)，如佐竹公司的VTA10AB-C立式砂輥碾米機(jī)、VBF10A-C/MC立式鐵輥碾米機(jī)及SAFF3G組合米機(jī)[4]。與日本相同，瑞士布勒公司也一直在對(duì)立式碾米機(jī)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在世界上被廣泛使用，如DSRD型、TopWhite?BSPB型立式砂輥碾米機(jī)。

2 碾米機(jī)工作原理

傳統(tǒng)碾米機(jī)工作時(shí)，糙米從進(jìn)料口流入，利用人工調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，控制進(jìn)入碾白室中糙米流量。在推進(jìn)器的作用下，糙米被送入碾白室中進(jìn)行碾白，米糠通過(guò)米篩排出碾白室[5]。通過(guò)人工調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)門(mén)控制碾白室壓力以降低碎米率，最后碾白完成的白米從出料口排出。傳統(tǒng)碾米機(jī)工作原理如圖1所示。根據(jù)碾米機(jī)的不同作用性質(zhì)主要分為擦離碾白和碾削碾白兩種。擦離碾白是一種利用合適的壓力對(duì)碾白室中的糙米不斷碰撞，使米粒與碾輥之間、米粒相互之間、米篩與米粒之間出現(xiàn)摩擦。在摩擦力作用下，糙米表面的種皮逐漸剝離，從而達(dá)到碾白效果。碾削碾白是在碾白室中，在一定壓力下，糙米與高速轉(zhuǎn)動(dòng)的金剛砂的鋒刃相碰，米粒與米粒間發(fā)生摩擦，米粒與米篩之間發(fā)生摩擦達(dá)到糙米碾白。碾削碾白主要依靠金剛砂的鋒刃造成的切削力來(lái)完成糙米的碾白。

圖1 傳統(tǒng)碾米機(jī)工作原理圖

3 智能碾米機(jī)與傳統(tǒng)碾米機(jī)的主要區(qū)別

智能碾米機(jī)在碾削原理上與傳統(tǒng)碾米機(jī)幾乎相似，智能碾米機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要在于流量的控制與碾白室溫度監(jiān)測(cè)，以此來(lái)降低碎米率，增加碾白程度。

3.1 智能碾米機(jī)組成及工作流程

智能碾米機(jī)主要由智能控制系統(tǒng)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、碾白室和出料機(jī)構(gòu)組成，其中智能控制系統(tǒng)是智能碾米機(jī)與傳統(tǒng)碾米機(jī)差異較大的部分。智能碾米機(jī)控制器系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器硬件以及控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為電流傳感器、溫度傳感器、重力傳感器、白度傳感器、露點(diǎn)感應(yīng)器、氣壓傳感器、后倉(cāng)料位器、噴風(fēng)裝置、氣動(dòng)閥門(mén)、流量閥門(mén)以及壓力門(mén)調(diào)壓機(jī)構(gòu)等[6]。智能碾米機(jī)工作流程如圖2所示。智能碾米機(jī)進(jìn)料機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)碾米機(jī)有一定差別，主要體現(xiàn)在智能流量調(diào)節(jié)裝置方面。智能碾米機(jī)的進(jìn)料機(jī)構(gòu)包括進(jìn)料斗、流量調(diào)節(jié)控制裝置和螺旋推進(jìn)器3個(gè)部分[7]。部分智能碾米機(jī)進(jìn)料機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)與電動(dòng)開(kāi)度控制方式。上部閘門(mén)為氣動(dòng)開(kāi)合閘門(mén)，兩位開(kāi)關(guān)控制斷料與通料，下部閘門(mén)為流量控制閘門(mén)，流量調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為永磁同步電機(jī)、渦輪減速器、閘門(mén)推拉連接桿和閘門(mén)。

圖2 智能碾米機(jī)工作流程圖

3.2 智能碾米機(jī)碾白控制

影響碾米效率和成米品質(zhì)的一個(gè)重要因素是碾白室壓力控制，如果碾白室氣壓過(guò)大，會(huì)造成糙米無(wú)法順暢通過(guò)碾白室，使碾白室氣壓上升，糙米的碾白程度、成米質(zhì)量以及碎米率提高；如果氣壓調(diào)節(jié)范圍過(guò)小，則成米更易于排出碾白室，碾白室的氣壓降低。雖然碾白室中氣壓過(guò)小會(huì)使碎米量降低，但易導(dǎo)致成米質(zhì)量下降，碾白不完整等問(wèn)題出現(xiàn)。碾白室的氣壓自動(dòng)控制也是智能碾米機(jī)和傳統(tǒng)碾米機(jī)存在較大差異的部分。傳統(tǒng)碾米機(jī)無(wú)法自動(dòng)控制碾白室壓力，只能通過(guò)人的主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，自行增減進(jìn)入碾白室糙米的流量，而智能碾米機(jī)的進(jìn)料機(jī)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入碾白室的流量的方式，來(lái)調(diào)整碾白室中米的密度，進(jìn)而控制碾白室中米的壓力大小，以此來(lái)控制碎米率。智能碾米機(jī)的碾白室中設(shè)置有壓力傳感器，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)來(lái)控制進(jìn)出料口流量差，從而達(dá)到碾白室中米壓力大小的智能控制。

相關(guān)資料表明，碾白過(guò)程中隨著米溫升高，米粒的硬度會(huì)不斷減弱，增加碎米率。同時(shí)，在進(jìn)行碾白時(shí)，排糠是否順利同樣影響著碾米的質(zhì)量。若排糠不通暢，極易使碾白室壓力變大，溫度上升，米粒無(wú)法完全脫糠等，進(jìn)而干擾碾白狀況，提高碎米率。所以，在碾白室中要保持一定的溫度，使碎米率達(dá)到最低。智能碾米機(jī)的碾白室中安裝有溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)碾白室溫度，并將信息反饋給自動(dòng)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)會(huì)控制噴風(fēng)機(jī)以調(diào)控風(fēng)速。當(dāng)噴風(fēng)氣流通過(guò)碾白室時(shí)，不僅可以降低溫度，還可以促進(jìn)米粒的充分翻滾，使碾白均勻，促進(jìn)排糠，有利于提高碾米效果。智能碾米機(jī)風(fēng)路循環(huán)流程如圖3所示。

圖3 風(fēng)路循環(huán)流程圖

4 國(guó)內(nèi)外智能碾米機(jī)現(xiàn)狀

4.1 光伏供電智能米機(jī)

光伏智能供電米機(jī)是由彭代湃設(shè)計(jì)的[8]。該設(shè)計(jì)通過(guò)安裝在智能碾米機(jī)頂部的光伏發(fā)電裝置提供部分電能，降低了智能碾米機(jī)在碾米過(guò)程中由外部提供的電能消耗。光伏供電智能米機(jī)示意圖如圖4所示。

圖4 光伏供電智能米機(jī)圖

該光伏供電智能米機(jī)包括機(jī)殼和安裝在機(jī)殼上的光伏發(fā)電裝置。機(jī)殼內(nèi)從上到下依次設(shè)有儲(chǔ)谷倉(cāng)、出料裝置和碾米裝置。光伏發(fā)電裝置為智能米機(jī)的工作提供電能。光伏發(fā)電裝置包括光伏電池板、中央控制器、DC-DC變換器、逆變器和蓄電元件，光伏電池板安裝在機(jī)殼的上部。光伏電池板共3塊，其中一塊安裝在該碾米機(jī)頂部，另外兩塊分別安裝在機(jī)殼頂部的兩側(cè)，并用鉸鏈與頂部的光伏電池板連接。機(jī)殼的兩側(cè)還設(shè)置有調(diào)節(jié)裝置，用來(lái)調(diào)節(jié)兩側(cè)的光伏電池板的位置，以便于更好地增加光伏電池板與陽(yáng)光的接觸面積，從而增加發(fā)電量。

該光伏供電智能米機(jī)在不工作時(shí)，谷倉(cāng)的出料口安裝的轉(zhuǎn)軸會(huì)被固定住，轉(zhuǎn)軸上的出料板會(huì)被堵住，讓米不能流入碾白室內(nèi)。而智能碾米機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)軸會(huì)被松開(kāi)，在出料板帶動(dòng)下不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，將米不斷送入碾白室中。在出料板和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，安裝在谷倉(cāng)出料板空腔內(nèi)的線圈會(huì)切割安裝的兩個(gè)磁鐵間的磁感線，產(chǎn)生電能，由此完成了米的中立勢(shì)能到電能的轉(zhuǎn)變。產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在蓄電機(jī)構(gòu)中，當(dāng)光伏發(fā)電裝置儲(chǔ)存的電能不足時(shí)，可利用蓄電機(jī)構(gòu)中的電能，保證智能米機(jī)的正常工作，進(jìn)一步達(dá)到節(jié)能的效果。該設(shè)計(jì)非常節(jié)能，能保證智能碾米機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，但由于機(jī)體容量較小以及出料板安裝時(shí)的配合問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致該米機(jī)的工作效率較低，產(chǎn)米量也相對(duì)較少。

4.2 CFN2525 F1智能碾米機(jī)

CFN2525 F1智能碾米機(jī)是由武漢中機(jī)星糧食機(jī)械股份有限公司的肖崇業(yè)[9]開(kāi)發(fā)。該產(chǎn)品以“中機(jī)星”牌低溫升電動(dòng)控制碾米機(jī)為機(jī)體，采用雙風(fēng)源進(jìn)風(fēng)技術(shù)進(jìn)風(fēng)，并引入西門(mén)子PLC可編程控制器模塊及觸摸屏控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)能對(duì)碾米機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。CFN2525 F1智能碾米機(jī)外觀如圖5所示。

圖5 CFN2525 F1智能碾米機(jī)圖

CFN2525 F1智能碾米機(jī)利用雙壓力門(mén)閉風(fēng)與強(qiáng)噴風(fēng)這兩種相關(guān)技術(shù)使碾白室中通過(guò)的風(fēng)量超過(guò)了常規(guī)碾米機(jī)的2.5倍，并且它能夠?qū)⒚诇乇３衷诤线m的范圍。由于CFN2525 F1智能碾米機(jī)設(shè)計(jì)有進(jìn)、出料及吸風(fēng)裝置，可以將涼米的過(guò)程動(dòng)態(tài)化，也可以降低成米溫度，且成米所含雜質(zhì)也較少。CFN2525 F1智能碾米機(jī)使用的是可帶磁選裝置的雙進(jìn)料閘門(mén)，使進(jìn)入碾白室的糙米流量能夠在變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)微調(diào)。此外，碾白室采用的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)可快速、準(zhǔn)確地更換米篩。CFN2525 F1智能碾米機(jī)碾白室的雙輥并排設(shè)計(jì)能夠更好地完成增產(chǎn)和同時(shí)進(jìn)料。

CFN2525 F1智能碾米機(jī)配有機(jī)頂智能控制盒，能夠?qū)嵭腥藱C(jī)對(duì)話，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示控制參數(shù)值（電機(jī)電流、流量閘門(mén)開(kāi)啟大小、壓力增加大小以及碾米溫升等）。同時(shí)，該機(jī)又運(yùn)用模糊邏輯控制、迭代學(xué)習(xí)控制、分層碾遞階控制等技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并對(duì)進(jìn)料流量、碾白壓力調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作、自動(dòng)控制、提示錯(cuò)誤操作、報(bào)警操作故障和提醒更換易損件等功能。此外，該機(jī)留有碾米機(jī)組控制系統(tǒng)的通信接口，能上傳或下載與上層系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整碾米機(jī)組中各臺(tái)米機(jī)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作自動(dòng)運(yùn)行。CFN2525 F1智能碾米機(jī)在CFN2525F低溫升碾米機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，產(chǎn)量較大，碎米率較低，在實(shí)際生產(chǎn)中也得到了很好的應(yīng)用。同時(shí)，其使用方便，擁有先進(jìn)的智能學(xué)習(xí)技術(shù)，使碾米過(guò)程更加智能化。但由于其搭載了大量智能系統(tǒng)以及大功率的進(jìn)給設(shè)備，導(dǎo)致制造成本以及耗能偏高，不適合在工業(yè)生產(chǎn)中使用。

4.3 TopWhiteTM智能米機(jī)

TopWhiteTM智能米機(jī)是布勒公司生產(chǎn)的一款立式智能碾米機(jī)，主要用于糙米碾白，同時(shí)還可對(duì)小麥、大麥和豌豆等進(jìn)行去殼加工。TopWhiteTM智能米機(jī)碾白室內(nèi)使用垂直磨料，可實(shí)現(xiàn)全谷物產(chǎn)量最高。糙米顆粒通過(guò)兩個(gè)入口進(jìn)入碾白室，并被引導(dǎo)進(jìn)入進(jìn)給螺桿。在碾白室中，糙米在6個(gè)磨環(huán)與篩網(wǎng)表面上的顆粒間互相摩擦，從而被碾白。碾白室主軸上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是動(dòng)態(tài)平衡的，因此能保證碾白室的平穩(wěn)運(yùn)行。糙米的碾白程度由兩個(gè)因素控制，即擋板的配重和轉(zhuǎn)子與制動(dòng)器間的間隙。對(duì)于糙米碾白程度大小的粗調(diào)，只需轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，即可通過(guò)調(diào)整垂直制動(dòng)器來(lái)調(diào)整制動(dòng)器與轉(zhuǎn)子間的間隙，從而調(diào)整碾白室內(nèi)的壓力。糙米碾白程度的精調(diào)，則是通過(guò)改變擋板的配重位置來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力控制。TopWhiteTM智能米機(jī)的重力流能保證產(chǎn)品在緊急停機(jī)時(shí)無(wú)故障重啟。TopWhiteTM智能米機(jī)外觀如圖6所示，碾白室如圖7所示。

圖6 TopWhiteTM智能米機(jī)圖

圖7 TopWhiteTM智能米機(jī)碾白室圖

TopWhiteTM碾白室外部使用寬門(mén)封閉，便于檢修碾白室，有助于快速更換篩板和機(jī)器檢查。使用者可在運(yùn)行期間調(diào)節(jié)TopWhiteTM設(shè)置，節(jié)省大米加工時(shí)間，也可通過(guò)中央控制面板同時(shí)調(diào)節(jié)三片篩框。該機(jī)在TopWhite? BSPB型立式砂輥碾米機(jī)上進(jìn)行了改進(jìn)，碾白效率高，碎米率較低，整體更為智能化，且易于檢修，符合人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛使用。但其耗能也較高，提高了工業(yè)生產(chǎn)成本。

5 智能碾米機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)新型的智能碾米機(jī)將會(huì)在以下4個(gè)方面得到進(jìn)一步發(fā)展。①未來(lái)新型的智能碾米會(huì)在碾白室壓力調(diào)節(jié)與溫度調(diào)節(jié)方面更加靈敏。②智能碾米機(jī)將會(huì)向更加節(jié)能、低價(jià)的方向發(fā)展，將進(jìn)一步降低維護(hù)與維修成本。③智能碾米機(jī)提供的大數(shù)據(jù)將會(huì)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，選擇碾白效率最高、碎米率最低的碾米溫度與碾米壓力進(jìn)行加工。智能碾米機(jī)在智能故障監(jiān)測(cè)、迭代學(xué)習(xí)控制等方面仍然有很大的進(jìn)步空間。④未來(lái)的新型智能碾米機(jī)與人機(jī)工程學(xué)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)[10]、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)的結(jié)合更為緊密。結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真，如EDEM仿真，可以讓計(jì)算機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)更緊密的結(jié)合，使智能碾米機(jī)得到更快速的發(fā)展。

在人工智能快速發(fā)展的當(dāng)下，智能碾米機(jī)有了更大的發(fā)展空間。在實(shí)現(xiàn)高效碾米的同時(shí)，通過(guò)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能故障診斷系統(tǒng)，讓智能碾米機(jī)向低碎米率、低能耗、低成本方向發(fā)展。智能碾米機(jī)研究目前已有初步結(jié)果，在智能降溫、智能維持壓力、節(jié)能等方面已經(jīng)有了一定進(jìn)展。智能碾米機(jī)的應(yīng)用提高了糧食工業(yè)生產(chǎn)能力，小型自助碾米機(jī)更是得到了大力發(fā)展，更好地滿足了現(xiàn)代城市居民的糧食需求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了碾米機(jī)的發(fā)展歷程與工作原理，闡述了智能碾米機(jī)與傳統(tǒng)碾米機(jī)的主要區(qū)別以及國(guó)內(nèi)外智能碾米機(jī)的研究現(xiàn)狀，列出了幾個(gè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案與具體實(shí)例，對(duì)這些智能碾米機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)未來(lái)的智能碾米機(jī)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。目前，人們?cè)谥悄苣朊讬C(jī)的智能降溫、智能維持壓力等方面已有初步成果。將新的模擬仿真技術(shù)及智能化現(xiàn)代技術(shù)與智能碾米機(jī)更緊密地結(jié)合，將成為未來(lái)智能碾米機(jī)發(fā)展的主流趨。未來(lái)，智能碾米機(jī)在提高生產(chǎn)量，降低碎米率的同時(shí)，會(huì)向節(jié)能、節(jié)省人力的智能化方向發(fā)展。