中車石家莊車輛有限公司 田響亮 王冠超 孫東旺 楊永春

引言

玉米是我國主要農(nóng)作物之一，玉米籽粒可作為糧食、飼料和工業(yè)原料，玉米收獲時水分含量大，通常在25%以上，干燥時易出現(xiàn)裂紋[1]，糧食烘干不僅要保證糧食安全儲存，更要提升糧食品質(zhì)。一些學(xué)者利用計算機(jī)模擬技術(shù)對高濕稻谷進(jìn)行變風(fēng)溫干燥試驗后認(rèn)為：在生產(chǎn)能力、干燥機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和總供熱量不變的前提下，變風(fēng)溫干燥可以明顯地降低單位能耗[2-5]。經(jīng)有關(guān)學(xué)者研究，混流干燥的玉米品質(zhì)雖不及太陽曬干和蒸汽干燥，但大大優(yōu)于橫流和順- 逆流干燥[6]。本文針對干燥高濕玉米能耗高、裂紋率增值高的缺點，研究開發(fā)了一種耗能低、干燥品質(zhì)佳的混流循環(huán)式干燥機(jī)，對環(huán)境保護(hù)和糧食安全具有重要意義。

1 主要構(gòu)成與工作原理

1.1 主要構(gòu)成

圖1 循環(huán)式谷物干燥機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

圖1 為循環(huán)式谷物干燥機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖，其主要由熱源、熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)道、引風(fēng)機(jī)及出風(fēng)道、底座、排糧部、干燥部、緩蘇部、提升機(jī)、上部輸糧結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

1.2 工作原理

其原理為提升機(jī)將濕谷提升至干燥機(jī)內(nèi)部，緩蘇部頂端設(shè)有料位傳感器，谷物裝至滿倉位置時料位器發(fā)出信號，裝糧結(jié)束。風(fēng)機(jī)將熱源提供的干熱空氣引入干燥部，干熱空氣穿過谷層時將谷物表面的水分帶走，含有雜質(zhì)的潮濕尾氣通過風(fēng)道排出。干燥機(jī)工作時谷物處于流動狀態(tài)，流經(jīng)干燥部受熱干燥，流經(jīng)緩蘇部谷物內(nèi)部水分向外擴(kuò)散，在線水分檢測儀實時檢測谷物水分，經(jīng)多次循環(huán)后達(dá)到目標(biāo)水分，最后進(jìn)行冷卻、放糧。

2 設(shè)計過程

2.1 明確設(shè)計目標(biāo)

該循環(huán)式干燥機(jī)主要用于玉米的干燥作業(yè)，通過調(diào)整干燥工藝參數(shù)兼顧小麥、稻谷等作物。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，環(huán)境溫度20℃，相對濕度70%時，將每批次40t含水率30%的玉米干燥至14%安全水分時，用時14 小時，各項性能指標(biāo)符合JB/T10268-2011 要求。

2.2 基本參數(shù)計算

2.2.1 凈容積

式中：V—總?cè)莘e，m3；P—批次處理量，kg；ρ—玉米堆積密度，kg/m3；

P 取設(shè)計值 40000kg；ρ 取國標(biāo)推薦值 720kg/m3；代入式（1）得：V=55.6m3。

2.2.2 干燥能力

式中：W0—小時平均失水質(zhì)量,kg/h；ω0—濕糧含水率，%；ω1—干糧含水率，%；T—干燥時間，h；

由設(shè)計輸入條件可知：ω0=3 0%，ω1=14%，T=14h；代入式 （2） 得 W0：=532kg/h。

2.2.3 熱風(fēng)需求量

式中：H—小時熱風(fēng)質(zhì)量，kg/h；d1—尾氣濕含量，d0—進(jìn)機(jī)空氣濕含量，g/kg干空氣；

令干燥時尾氣的平均溫度為35℃，濕度為80%，查表得d0=10.42，d1=29.54；代入式（3）得：H=27824.3kg/h。查表可知設(shè)計條件下空氣密度約1.20kg/m3，則空氣的體積需求量為23187m3/h。

2.3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 干燥部的設(shè)計

為降低谷物破碎率并適應(yīng)多種作物的干燥作業(yè)，干燥部設(shè)計為混流式，采用7～10min 熱風(fēng)干燥、60min 緩蘇干燥工藝，實現(xiàn)最大化節(jié)能的目的[7]。干燥部結(jié)構(gòu)為模塊層疊式，單層干燥單元由前后側(cè)板、左右側(cè)板、半角管、角管組成，見圖2。角管截面為五角形，每個干燥單元設(shè)角管4 排呈交替錯列排布，其中第1、3 排為進(jìn)氣通道，角管開口端面和前側(cè)板連接；第2、4 排為出氣通道，角管開口端面和后側(cè)板連接。角盒之間充滿谷物，空氣由進(jìn)氣角盒流至出氣角盒時，穿過谷層，谷物被干燥。

2.3.2 緩蘇部的設(shè)計

緩蘇部的主要功能是儲存谷物使其內(nèi)部水分向外移動，使谷粒內(nèi)外水分趨于平衡，待谷粒內(nèi)外水分平衡以后再進(jìn)行干燥，能夠有效降低玉米的裂紋率、水稻的爆腰率。緩蘇部設(shè)計為框式層疊結(jié)構(gòu)，共計 12 層，每層高度 600mm,容積 4.32m3，總?cè)莘e為51.84m3，滿倉傳感器設(shè)置于第11 層，保證滿倉報警時緩蘇部裝載量達(dá)到47.6m3。其單層結(jié)構(gòu)由前后側(cè)板、左右側(cè)板、長拉筋和短拉筋組成，見圖3。前后側(cè)板、左右側(cè)板均焊有模具壓型而成的π 型加強(qiáng)筋，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低板材的厚度，節(jié)約成本；前后側(cè)板上設(shè)有視窗框，方便觀察谷物的位置。

2.3.3 排糧部的設(shè)計

排糧部的主要功能為控制谷物在干燥機(jī)內(nèi)部的流動，依靠電機(jī)驅(qū)動鏈傳動組帶動排糧六葉輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)排糧。

排糧部主要由前后圍板、鏈傳動組、變頻電機(jī)、左右圍板、排糧六葉輪及外殼組成，見圖4。排糧部共設(shè)計了8 個排糧六葉輪，通過變頻電機(jī)調(diào)節(jié)六葉輪的轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)而準(zhǔn)確控制排糧速度，實現(xiàn)干燥時間在7～10min 之間可調(diào)。

圖3 緩蘇部單層結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 排糧部結(jié)構(gòu)簡圖

2.3.4 提升機(jī)的設(shè)計

提升機(jī)主要功能為將谷物提升至干燥機(jī)內(nèi)部或放出谷物。該提升機(jī)主要由機(jī)尾、機(jī)筒、檢修平臺、機(jī)頭、放糧管、檢修段組成，見圖5。機(jī)尾設(shè)兩個進(jìn)料口，分別負(fù)責(zé)首次提糧和循環(huán)提糧；機(jī)頭設(shè)有放糧三通閘門控制谷物的流向，檢修段裝有水分檢測儀對落下的谷粒進(jìn)行實時檢測；機(jī)筒內(nèi)裝有畚斗和輸送帶。綜合考慮該機(jī)型批處理量、非均勻性進(jìn)糧特點及堵糧的概率，設(shè)計提升機(jī)的產(chǎn)能為45t/h。提升機(jī)的計算輸送量參考文獻(xiàn)8 中公式進(jìn)行計算：

式中：G—輸送量，t/h；i0—畚斗容積，L；α—畚斗間距，m；v—畚斗運行速度，m/s；ф—物料的填充系數(shù)，取0.8；

畚斗帶速越大，谷物的破碎率越高，帶速為1.8～2.2m/s 時，玉米的破碎率可大幅降低[9]，因此選擇D2316 型畚斗，其容積為1.9L，設(shè)計畚斗間距0.175m、運行速度為 2m/s，代入式（4）得：G=45t/h。

圖5 提升機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2.4 主要部件選型

2.4.1 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)是干燥機(jī)的關(guān)鍵部件，為熱風(fēng)的流動提供動力，風(fēng)機(jī)選型主要涉及風(fēng)量、風(fēng)壓、結(jié)構(gòu)型式三個方面。風(fēng)機(jī)的壓力包括動壓力和靜壓力，其中靜壓力以谷層阻力為主，還包括沿程壓力阻力和管道壓力損失。干燥段谷層阻力參考文獻(xiàn)8 中公式計算：

式中:△h—谷層氣流阻力，Pa；lg—谷層厚度，mm；μ—通過谷層的平均風(fēng)速m/s；A 與n—與谷層充實度及谷粒大小有關(guān)的系數(shù)

干燥部的結(jié)構(gòu)參數(shù)：谷層厚度lg=250,μ=0.4，A=0.67，n=1.55，代入式（6） 得：△h=396.7Pa。

沿程阻力和管道壓力損失之和取0.3倍谷層阻力，則總靜壓為515.7Pa。為保證干燥部通風(fēng)的均勻性及變參數(shù)控制的可調(diào)節(jié)性，采用兩臺4-72No.6.3A 型離心風(fēng)機(jī)供風(fēng)，其參數(shù)為靜壓力650～960Pa，流量 8000～16500m3/h。

2.4.2 熱源的選型

根據(jù)能量守恒原理可知，干燥機(jī)消耗的熱量等于熱空氣帶入干燥機(jī)的熱量。消耗熱量由3 部分組成：谷物升溫的耗熱量，谷物水分蒸發(fā)的耗熱量和干燥機(jī)及管道散熱的熱量，參考文獻(xiàn)8 中公式：

式中:Q—干燥機(jī)小時耗熱量，Q1—熱源小時制熱量，kJ/h；G1—小時干燥段谷物流量，kg/h；C—空氣的比熱，C1—谷物的比熱，kJ/kg·℃；t1—尾氣平均溫度，t2—進(jìn)機(jī)熱風(fēng)平均溫度，T1—出干燥段平均糧溫，T0—進(jìn)干燥段平均糧溫，℃；管道散熱的損失按1%計算；

根據(jù)2.3.3 可知G1=34560kg/h；查表得 C=1kJ/kg·℃，C1=2.32kJ/ kg·℃；根據(jù)2.2.3 可 知 t0=20℃ ，t1=35℃ ，T0=25℃ ，T1=35℃；代入式（6）、（7）、（8）得：Q1=2.1×106kJ/h；t2=95℃。

為積極響應(yīng)國家環(huán)保政策，選用以天燃?xì)鉃槿剂系闹比际綗犸L(fēng)爐，儲備系數(shù)1.4，即最大制熱量3.0×106kJ/h，確保在變參數(shù)或外界環(huán)境溫度較低時仍能正常作業(yè)。

2.5 仿真分析

采用 SOLIDWORKS Simulation 仿真分析功能對底座、干燥部、緩蘇部等重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析、靜態(tài)應(yīng)力分析和變形安全系數(shù)分析，提前查找結(jié)構(gòu)缺陷同時避免過度設(shè)計，提高樣機(jī)試驗成功率和降低研發(fā)成本。

采用SOLIDWORKS Flow Simulation流體分析軟件對熱空氣在風(fēng)道及干燥部的流動情況進(jìn)行分析模擬，可以直觀顯示不同位置角管的風(fēng)速大小，對不同位置風(fēng)量的大小做趨勢判斷，避免出現(xiàn)通風(fēng)死角。

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由各傳感器、料位器、在線式水分檢測儀、觸摸屏、PLC 控制器、變頻器、安全報警器、熱風(fēng)調(diào)節(jié)器、熱源控制器、各驅(qū)動電機(jī)等組成，見圖6。其主要特點為根據(jù)谷物的種類和實時水分進(jìn)行干燥時間、風(fēng)溫、風(fēng)量的參數(shù)化調(diào)整。

圖6 控制系統(tǒng)的組成

3 型式試驗

樣機(jī)制作完畢后先進(jìn)行空載試驗，然后進(jìn)行干燥性能試驗，物料為含水率30%的普通玉米，每批次裝糧質(zhì)量為40t。采用2 種不同的干燥工藝參數(shù)進(jìn)行干燥試驗：試驗1 為恒溫恒風(fēng)量干燥，試驗2 的干燥過程分三個階段，糧食循環(huán)流動速度前快后慢，階段平均降水速率分別為：2%/h、1%/h、0.6%/h，結(jié)果見表1。

表1 普通玉米在不同干燥工藝參數(shù)下的試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過研制過程及型式試驗結(jié)果可獲得以下結(jié)論：

（1）研制的新型循環(huán)式谷物干燥機(jī)符合設(shè)計目標(biāo)，產(chǎn)品性能佳，采用的設(shè)計方法可行，對新產(chǎn)品的研制具有指導(dǎo)意義。

（2）采用恒溫恒風(fēng)量干燥工藝裂紋率增值為31.2%，不滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤30%的要求，而變參數(shù)干燥能使該指標(biāo)降低7%左右，有效控制其在合格范圍以內(nèi)。

（3）相對恒溫恒風(fēng)量干燥采用變參數(shù)干燥工藝能使單位能耗降低6%左右，相對標(biāo)準(zhǔn)值（≤5700）降低37%左右。

本文僅對高水分玉米進(jìn)行了干燥試驗，當(dāng)干燥對象發(fā)生改變時其最佳干燥工藝參數(shù)應(yīng)重新確定。