横式碾米机内米粒碾白机理及破碎特性

发布时间：2020-05-19 06:35

【摘要】：稻谷作为中国三大粮食作物之一,其产量已占到约全球总产量的五分之一,故稻谷产量的提升对促进粮食加工业的发展和保障国家粮食生产安全,具有重要的现实意义。稻谷加工是实现由稻谷变为商品米的重要途径,其中米粒碾白环节的破碎损失是显著降低碾米品质和严重制约碾米工业发展的主要原因。然而,降低碾白过程中米粒破碎损失是当前稻谷加工研究亟待解决的重要问题,其关键在于米粒碾白机理的揭示和破碎特性的明晰。对米粒碾白机理和破碎特性研究的深入,不仅可为以实现碾米降碎为目标的碾米机优化设计提供指导,还可丰富碾米加工降碎问题研究的基础理论与方法。为明晰米粒碾白机理以及揭示米粒破碎特性,本文以横式擦离型碾米机为研究对象,首先分析擦离碾米原理,描述碾米压力及碾米运动,进而推导米粒脆性和疲劳断裂的理论临界冲击速度;其次,以粒径符合正态分布的球颗粒替代米粒,模拟米粒碾白过程,定义米粒运动一致性和碾磨性能的表征方法,进而探究静摩擦系数和碾米辊结构参数对米粒碾白影响规律以明晰米粒碾白机理;再次,以平行键粘结模型获得表征米粒的椭球形聚合体,模拟米粒冲击破碎过程以阐明单粒米冲击破碎特性;在此基础上,建立一种米粒群碾白破碎的数值模拟方法以确定米粒疲劳断裂的仿真临界冲击速度、分析米粒碾白破碎特性,进而优化碾米辊结构参数;最后,明晰碾米机工作参数对碾米品质的影响,开展不同品种糙米适应性试验。具体研究结论如下:(1)阐明擦离碾米原理。连续介质理论和牛顿第二定律可用于描述米粒擦离碾白压力和擦离碾白运动(即轴向运动、圆周运动、停留时间、碰撞运动);正应力断裂准则和von Mises断裂准则可分别预测米粒脆性断裂和疲劳断裂的理论临界冲击速度。为米粒碾白运动机理的揭示和米粒破碎特性的明晰奠定理论基础。(2)揭示米粒碾白运动特性及碾磨性能变化规律。米粒和米筛间静摩擦系数对其轴向扩散系数有显著影响,而米粒间静摩擦系数对其均匀指数有显著影响。轴向运动一致性主要影响米粒停留时间,而圆周运动一致性显著影响米粒间碰撞强度。静摩擦系数与碰撞速率间数学模型符合多项式线性方程。为碾米机结构参数对米粒碾白运动及碾磨性能的影响研究提供参考。(3)明晰碾米辊结构参数对米粒碾白影响规律。凸筋数量、高度和倾角均对米粒轴向运动和圆周运动一致性、停留时间以及碰撞能有显著影响,且影响的重要性依次为高度、倾角、数量。凸筋高度与碰撞速率间数学模型符合指数方程,而凸筋数量、倾角与碰撞速率间数学模型符合多项式线性方程。为碾米机内碾米辊结构参数优化设计提供参考。(4)探明单粒米冲击破碎特性。米粒破碎形态可分为四种,即未破碎、局部瓦解、破裂和粉碎。当破碎形态由局部瓦解转变为破裂时,破碎率先以线性方式增加后以指数方式增加,而最大碎片尺寸率先以线性方式减小后以指数方式减小。含水率对米粒破碎特征的影响依赖于冲击速度,当破碎形态为局部瓦解时,破碎率线性增加而最大碎片尺寸率线性减小;而当破碎形态为破裂时,破碎率指数增加而最大碎片尺寸率指数减小。米粒含水率与其脆性断裂时的临界冲击速度间满足指数关系。为碾米机内米粒群破碎特性分析奠定基础。(5)解析米粒群碾白破碎特性。米粒碾磨前期,其断裂形式以脆性断裂为主,而米粒碾磨后期,其断裂形式以疲劳断裂为主。碾白室前半部,米粒断裂形式以疲劳断裂为主,而碾白室后半部,米粒断裂形式以脆性断裂为主。碾米辊较优结构参数组合:凸筋高度为5 mm、凸筋数量为4、凸筋倾角为3°;优化后的碾米辊结构参数在中试级横式擦离型碾米机中具有较好的适应性。为中试级碾米机的优化设计提供参考。(6)剖析中试级横式碾米机工作参数对碾米品质的影响规律。相较于碾米辊转速,糙米含水率对碎米率及米粒白度的影响最大,出料口阻力对单位质量碾米能耗的影响最大。碾米机最优工作参数组合:含水率为15.2%、出料口阻力为13 N、碾米辊转速为680 rpm;优化后的碾米机对中粒米有较高的适应性。论文研究成果可为碾米理论的深入研究以及工业级横式擦离型碾米机降碎的优化设计奠定基础。
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然而，米粒间搓擦作用本质上是米粒间剪切作用，而剪切作用又依赖于速度梯度，，因而，取决于沿径向米粒圆周运动速度差异。图2-2 碾白室内糙米籽粒运动轨迹Figure 2-2 Trajectory of rice grain in a millingchamber图2-3 糙米籽粒速度分布示意图Figure 2-3 Schematic illustration of velocitydistribution of rice grain众所周知，螺旋线运动可分解为沿轴向的直线运动和绕轴线旋转的圆周运动。加之，研究表明颗粒轴向速度的差异会显著影响其在碾磨系统内的密集程度[71,97]。因此，碾白室内米粒容积密度会因轴向速度的差异而有所不同，宏观上表现为米粒轴向密集程度的差异，且米BFɑ1v2v3vωMωωZYXYZX糙米籽粒凸筋碾米辊米筛

Figure 2-2 Trajectory of rice grain in a millingchamber图2-3 糙米籽粒速度分布示意图Figure 2-3 Schematic illustration of velocitydistribution of rice grain众所周知，螺旋线运动可分解为沿轴向的直线运动和绕轴线旋转的圆周运动。加之，研究表明颗粒轴向速度的差异会显著影响其在碾磨系统内的密集程度[71,97]。因此，碾白室内米粒容积密度会因轴向速度的差异而有所不同，宏观上表现为米粒轴向密集程度的差异，且米BFɑ1v2v3vωMωωZYXYZX糙米籽粒凸筋碾米辊米筛
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S226.2


本文编号：2670495