張 寧，曹憲周，張興振，王鑫宇，孫艷嶺

(河南工業(yè)大學(xué) ，河南 鄭州 450001)

降低碾米破碎，尤其是降低碾米機(jī)產(chǎn)生的非正常糙米破碎，一直是糧食加工行業(yè)的研究?jī)?nèi)容。房凱文[1]對(duì)MNSW18型低溫碾米機(jī)碾白室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；謝明貴等[2]探究了低溫升碾米工藝及效果，指出低溫升碾米工藝出米率和整精米率可相應(yīng)提高；龐曉霞[3]進(jìn)行了砂輥碾米機(jī)碾白室內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)仿真；張雙[4]進(jìn)行了碾米機(jī)中物料流流體動(dòng)力學(xué)分析。Zeng等[5]研究了顆粒摩擦特性對(duì)臥式碾米機(jī)碾米過(guò)程的影響；Cao等[6]研究了立式碾米機(jī)中轉(zhuǎn)速和米篩幾何形狀對(duì)顆粒湍流運(yùn)動(dòng)的影響。曹斌[7]利用離散元法研究了米粒在碾白室內(nèi)的碾磨過(guò)程；趙艷平等[8]分析了碾米室在負(fù)壓狀態(tài)下糙米降碎效果；曾勇[9]以臥式擦離型碾米機(jī)為研究對(duì)象，探究了輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)糙米碾白破碎的影響；李碧等[10]以臥式鐵輥噴風(fēng)碾米機(jī)為例，使用EDEM-Fluent耦合方法對(duì)噴風(fēng)碾米過(guò)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[11]利用EDEM離散元軟件對(duì)碾白室內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真，并進(jìn)行了主軸臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。歸納所述內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，目前的研究主要集中于碾米機(jī)動(dòng)力參數(shù)或結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，有關(guān)溫度、壓力等因素所導(dǎo)致的米粒破碎，尤其是運(yùn)動(dòng)、時(shí)間、溫度、壓力多場(chǎng)因素的耦合對(duì)糙米產(chǎn)生的破碎影響，目前尚未見(jiàn)到。故進(jìn)行糙米破碎多場(chǎng)因素耦合試驗(yàn)研究。

1 多因素糙米碾白試驗(yàn)

1.1 主要試驗(yàn)設(shè)備及原料

MNSW18型碾米機(jī)(圖1(a))、自制高速動(dòng)態(tài)力值采集裝置(圖1(b))、HT-828A電子秤、紅外測(cè)溫計(jì)、碎米分離器、分樣器。試驗(yàn)原料為含水率12.76%的豐兩優(yōu)系列糙米。

(a)MNSW18型碾米機(jī)

(b)高速動(dòng)態(tài)力值采集裝置圖1 主要試驗(yàn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方法

采用正交方法試驗(yàn)，以碾輥與篩網(wǎng)之間間隙、米輥轉(zhuǎn)速、碾白時(shí)間3個(gè)因素為自變量，糙米破碎率、糙米碾白前后溫升、出料口壓力為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

每次稱取1.5 kg糙米樣品，用紅外測(cè)溫儀獲取糙米碾白前溫度。從糙米進(jìn)入機(jī)筒開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)使用高速動(dòng)態(tài)力值采集裝置采集碾米機(jī)出口壓力。計(jì)時(shí)完成打開(kāi)碾米機(jī)出料口，測(cè)試糙米碾白后的溫度，并對(duì)碾白后的樣品進(jìn)行取樣編號(hào)。

使用分樣器以及碎米分離器對(duì)樣品進(jìn)行破碎率統(tǒng)計(jì)。首先使用分樣器對(duì)碾白后的樣品進(jìn)行3次分樣，獲得3份質(zhì)量范圍在30～50 g樣品，最終對(duì)3份樣品所獲得的破碎率取平均值。最后將分樣后獲取的樣品加入到碎米分離器中，分離碎米與整米。

破碎率計(jì)算公式：

式中：τ為破碎率，%；mb為碎米的質(zhì)量，g；ma為樣品的質(zhì)量，g。

1.3 試驗(yàn)與結(jié)論

1.3.1正交試驗(yàn)

以碾白間隙、碾輥轉(zhuǎn)速、碾白時(shí)間為試驗(yàn)因素，以溫升、破碎率、出口壓力峰值為指標(biāo)，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～表4。

表1 試驗(yàn)因素水平

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 溫升二次多項(xiàng)式模型方差分析

表4 破碎率二次多項(xiàng)式模型方差分析

使用Design-Expert軟件對(duì)正交試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分別得到溫升、破碎率、出口壓力峰值的二次多項(xiàng)式回歸模型。

T=23.06-2.04A+5.13B-

1.69C-1.28AB-0.6AC-

0.27BC-1.58A2+

1.29B2-1.03C2

τ=14.02-1.86A+3.35B-

1.85C+0.16AB+0.12AC-

0.99BC-0.48A2+

1.27B2-0.28C2

F=59.73-10.18A+8.25B+

1.76C-6.95AB-0.43AC+

0.1BC-6.04A2-

2.73B2-4.38C2

式中：T為溫升，℃；τ為破碎率，%；F為出口壓力峰值，N。

表5 出口壓力峰值二次多項(xiàng)式模型方差分析

根據(jù)回歸模型的方差分析結(jié)果可知，3個(gè)回歸模型的P值分別為0.012 1、0.005 0、0.018 4均小于0.05，證明回歸模型顯著；3個(gè)回歸模型的失擬項(xiàng)P值均大于0.05，證明模型的失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。根據(jù)3個(gè)回歸模型中碾白間隙、碾輥轉(zhuǎn)速、碾白時(shí)間的P值均小于0.05，證明3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)于溫升、破碎率以及出口壓力峰值都具有顯著影響。3個(gè)回歸模型中交互項(xiàng)AB、AC、BC的P值均大于0.05，交互項(xiàng)對(duì)結(jié)果影響不顯著。3個(gè)回歸模型的二次項(xiàng)A2、B2、C2的P值均大于0.05，二次項(xiàng)對(duì)結(jié)果影響不顯著。

根據(jù)方差分析，試驗(yàn)因素對(duì)于溫升的影響主次順序?yàn)椋耗胼佫D(zhuǎn)速>碾白間隙>碾白時(shí)間；試驗(yàn)因素對(duì)于破碎率的影響主次順序?yàn)椋耗胼佫D(zhuǎn)速>碾白間隙>碾白時(shí)間；試驗(yàn)因素對(duì)于出口壓力峰值的影響主次順序?yàn)椋耗氚组g隙>碾輥轉(zhuǎn)速>碾白時(shí)間。

基于糙米蛋白特性，糙米力學(xué)特性隨溫度的變化而變化。夏吉慶等[12]通過(guò)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℃，熱變性后稻谷內(nèi)部淀粉顆粒由原來(lái)的有序排列離散成無(wú)序的顆粒狀排列。據(jù)此可知，糙米在加工過(guò)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(wú)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)產(chǎn)生淀粉間的斷裂而使糙米破碎[13]。

1.3.2壓力場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

高速動(dòng)態(tài)力值采集系統(tǒng)采集的17組試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的碾米機(jī)出料口壓力場(chǎng)部分信息見(jiàn)圖2。

圖2 高速動(dòng)態(tài)力值測(cè)量系統(tǒng)采集信息

從圖2可見(jiàn)，糙米進(jìn)入碾白室后，受到機(jī)器運(yùn)動(dòng)部件的劇烈作用，碾白室內(nèi)壓力迅速達(dá)到峰值。隨著時(shí)間的推移，糠粉透過(guò)篩網(wǎng)上排糠孔不斷排出碾白室，碾白室中物料運(yùn)動(dòng)也逐漸趨于穩(wěn)定，米室內(nèi)壓力隨之降低，進(jìn)入到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

碾白時(shí)，米室內(nèi)糙米所受作用力比較復(fù)雜，碾白方式不同其原理與作用力也不一樣，但產(chǎn)生糙米破碎的原理相同，當(dāng)碾白壓力使糙米在循環(huán)變應(yīng)力作用下，疲勞損傷積累超出米粒抗壓、抗剪強(qiáng)度時(shí)，糙米則破碎；碾白壓力過(guò)小時(shí)，糙米皮層去除不凈，達(dá)不到碾白效果。碾白室內(nèi)壓力主要由米粒與米粒以及米粒與碾白室結(jié)構(gòu)件之間相互擠壓、碰撞形成，其大小與糙米密度及平均運(yùn)動(dòng)速度正相關(guān)，與糙米顆粒質(zhì)量、綜合彈性模量負(fù)相關(guān)，隨著碾白室腔內(nèi)米粒流體密度和米粒運(yùn)動(dòng)速度變化而變化。

1.3.3多場(chǎng)因素3D交互響應(yīng)

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，使用Design-Expert軟件得到試驗(yàn)因素交互效應(yīng)響應(yīng)曲面圖，見(jiàn)圖3。

圖3 各因素交互效應(yīng)響應(yīng)曲面

由圖3可知，當(dāng)碾白間隙一定時(shí)，隨著碾輥轉(zhuǎn)速的提高，溫升、破碎率、出口壓力峰值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；當(dāng)碾輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著碾白間隙的擴(kuò)大，溫升、破碎率、出口壓力峰值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。通過(guò)Design-Expert軟件，依據(jù)破碎率最小對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可得最優(yōu)參數(shù)為碾白間隙14 mm、碾輥轉(zhuǎn)速1 002.16 r/min、碾白時(shí)間30 s。該優(yōu)化參數(shù)下糙米破碎率預(yù)測(cè)值為8.427%，溫升為13.855 9℃，碾米機(jī)出口壓力峰值為36.401 3 N。

2 結(jié)論

(1)碾白間隙、碾輥轉(zhuǎn)速、碾白時(shí)間對(duì)于糙米碾白后溫升、碾白破碎率、碾米機(jī)出口壓力峰值均具有顯著的影響。

(2)試驗(yàn)因素對(duì)于溫升的影響主次順序?yàn)椋耗胼佫D(zhuǎn)速>碾白間隙>碾白時(shí)間；試驗(yàn)因素對(duì)于破碎率的影響主次順序?yàn)椋耗胼佫D(zhuǎn)速>碾白間隙>碾白時(shí)間；試驗(yàn)因素對(duì)于出口壓力峰值的影響主次順序?yàn)椋耗氚组g隙>碾輥轉(zhuǎn)速>碾白時(shí)間。

(3)物料進(jìn)入碾白室后壓力迅速達(dá)到峰值，隨著時(shí)間推移，碾白室中物料運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，壓力逐漸降低。

(4)當(dāng)碾白間隙一定時(shí)，隨著碾輥轉(zhuǎn)速的提高，溫升、破碎率、出口壓力峰值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；當(dāng)碾輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著碾白間隙的擴(kuò)大，溫升、破碎率、出口壓力峰值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。最優(yōu)參數(shù)為碾白間隙14 mm、碾輥轉(zhuǎn)速1 002.16 r/min、碾白時(shí)間30 s。