章德平

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

前言

糧食屬于一個(gè)國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，也是廣大人民正常生活的必需品，在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中處于不可代替的基礎(chǔ)性地位。而作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接產(chǎn)出的原糧，必須通過糧食加工這一處理過程轉(zhuǎn)化成為成品糧，才能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?。各類糧食加工設(shè)備作為加工成品糧的關(guān)鍵設(shè)備，在中國有著悠久的發(fā)展歷史。研究中國各個(gè)歷史時(shí)期的糧食加工設(shè)備，積極總結(jié)其原理特點(diǎn)和性能優(yōu)勢，對于弘揚(yáng)民族文化和增強(qiáng)民族自豪感具有重要意義。

本文著重介紹中國各個(gè)歷史時(shí)期的糧食脫殼和磨粉設(shè)備，分析各類設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢。

1 原始社會-奴隸社會時(shí)期中國糧食加工機(jī)械的發(fā)展

舊石器時(shí)代晚期到新石器時(shí)代早期，石磨盤與石磨棒是最主要的谷物加工工具[1]，使用時(shí)既可以實(shí)現(xiàn)谷物的脫殼，還可以實(shí)現(xiàn)糧食的磨粉加工。在進(jìn)行谷物加工時(shí)，將谷物置于石磨盤之上，人們手執(zhí)石磨棒進(jìn)行反復(fù)碾磨。石磨盤與石磨棒具有幾個(gè)不同粗度，可以控制磨粉時(shí)糧食粉料的粗細(xì)程度。采用這種原始工具進(jìn)行谷物加工時(shí)，脫殼的效果總體讓人可以接受，但要做到完全將谷殼去除干凈很難，整個(gè)加工過程中人的勞動強(qiáng)度很大，且加工效率低下。實(shí)物如圖1所示。

圖1 石磨盤和石磨棒實(shí)物圖

在農(nóng)業(yè)中期以后，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的提高逐漸出現(xiàn)了更高效能的谷物加工工具——杵臼。杵臼開始具備了糧食加工機(jī)械的雛形，進(jìn)行糧食加工時(shí)需要人用手持杵進(jìn)行搗臼，比較費(fèi)力且加工動作是間歇的，實(shí)物如圖2所示。單單就糧食的加工效率而言，由于這2類生產(chǎn)方式完全依靠人的臂力實(shí)現(xiàn)糧食加工，這就使得整個(gè)加工過程中人的勞動強(qiáng)度過大，因此已逐漸不能滿足人們的日常生活需求。

圖2 杵臼實(shí)物圖

2 封建社會時(shí)期中國糧食加工機(jī)械的發(fā)展

石磨盤與石磨棒、杵臼的各自發(fā)展，使得很長一段時(shí)間內(nèi)中國糧食加工機(jī)械朝2個(gè)方向演變。

2.1 腳踏碓、水碓和連機(jī)碓

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，杵臼不斷發(fā)生演變，一種更加省力和生產(chǎn)效率更高的糧食加工設(shè)備終于在西漢初期出現(xiàn)了，這就是腳踏碓。腳踏碓一般為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，其工作原理利用了杠桿原理，架設(shè)一根長木杠桿于支點(diǎn)上，碓頭一端在地面上設(shè)有碓臼，其中可放入待加工的谷物，通過人不斷踩踏碓尾一端，可實(shí)現(xiàn)碓頭反復(fù)起落以沖搗谷物，能夠去除碓臼中谷物的皮殼，進(jìn)而加工出大米。具體構(gòu)造如圖3所示。

圖3 腳踏碓示意圖

腳踏碓與杵臼相比，加工糧食時(shí)人們可借助自身體重通過腳踏動作驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作，大大減輕了人的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

隨后發(fā)明了用畜力驅(qū)動的畜力碓，相比腳踏碓而言，很大程度上解放了人們的體力勞動，并進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。

到了漢代中后期，為了進(jìn)一步減輕人的勞作強(qiáng)度，人們利用水排原理、杠桿原理和凸輪原理發(fā)明了一種叫水碓的糧食加工設(shè)備，主要用于舂米和舂面。水碓的原動力由水流提供，通過水流與立式水輪葉片的相互作用，驅(qū)動整套設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)糧食加工。由于設(shè)備使用時(shí)對水流的依賴，并且水碓工作時(shí)噪聲較大，因此為了避免影響人們的休息，水碓的安放位置大多選在遠(yuǎn)離村莊的河畔。

到了晉代，杜預(yù)通過總結(jié)我國勞動人民利用水碓加工糧食的經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一款叫連機(jī)碓的糧食加工設(shè)備[2]，具體構(gòu)造如圖4所示。該設(shè)備仍然基于水排原理進(jìn)行驅(qū)動，由于該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)的一路輸入多路輸出，使得糧食加工的效率明顯提高，以至于那時(shí)我國部分地區(qū)在連機(jī)碓獲得普遍應(yīng)用之后一般會出現(xiàn)米價(jià)下跌的現(xiàn)象。

圖4 連機(jī)碓示意圖

自東晉以后，連機(jī)碓在我國封建社會得到廣泛應(yīng)用，直至清末民初才逐漸為碾米機(jī)所替代。

2.2 石碾和石磨

石磨盤與石磨棒的發(fā)展，促進(jìn)了石碾和石磨的出現(xiàn)。石碾主要由碾盤、碾砣、碾框和碾棍等幾個(gè)部分組成，用于將谷物等破碎或去皮，實(shí)物見圖5。具有文獻(xiàn)記載的石碾最早出現(xiàn)于東漢年間[3]，最初利用人力和畜力進(jìn)行驅(qū)動，使得碾砣開始做圓周運(yùn)動，依靠其重力對糧食進(jìn)行破碎去殼。

圖5 畜力石碾

水力石碾是我國魏晉南北朝時(shí)出現(xiàn)的一類谷物加工機(jī)械，其主要功用在于實(shí)現(xiàn)谷物去麩或脫殼[4]。水力石碾采用水輪進(jìn)行驅(qū)動，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。在一面大磨盤的正中央設(shè)立一根可以自由回轉(zhuǎn)的中軸，橫軸一端裝有一個(gè)置于磨盤之上的石碾，另外一端直接與中軸進(jìn)行固聯(lián)，磨盤之下利用水力驅(qū)動水輪回轉(zhuǎn)，水輪回轉(zhuǎn)帶動中軸旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)使石碾在磨盤之上繞中軸進(jìn)行滾動，將谷物脫殼或去麩。與畜力石碾相比，水力石碾的工作效率更高，這對于社會生產(chǎn)來說具有十分重要意義。

圖6 水力石碾

石磨有用人力的、畜力的和水力的[5]。公元前4世紀(jì)由公輸班發(fā)明的畜力磨是最早的連續(xù)粉碎機(jī)械。動力采用水力進(jìn)行驅(qū)動的石磨，大約在晉代才出現(xiàn)。對于水磨而言，其動力部分采用的是一個(gè)臥式水輪，水輪通過立軸驅(qū)動磨的上扇進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此水力石磨適合于安裝在水的沖動力比較大的地方。其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 水磨

在普通水磨的基礎(chǔ)之上，元代的王禎創(chuàng)制了“水輪三事”，這種設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)具備磨面、礱稻和碾米3種功能，是中國古代農(nóng)業(yè)機(jī)械的最高成就?！八喨隆钡某霈F(xiàn)，極大地減輕了廣大農(nóng)民的勞作強(qiáng)度，將其從繁重的體力勞動中解放了出來。

3 近代中國的糧食加工機(jī)械

鴉片戰(zhàn)爭以后，西方的先進(jìn)機(jī)械科學(xué)技術(shù)逐漸傳入我國，使得中國傳統(tǒng)的糧食加工機(jī)械技術(shù)開始發(fā)生變化。清末民初，我國從西方引進(jìn)臥式鐵輥筒輾米機(jī)和立式砂臼碾米機(jī)，機(jī)器動力實(shí)現(xiàn)了從人力、畜力和水力向蒸汽機(jī)動力的過渡，繼而朝著內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)的方向進(jìn)一步發(fā)展。糧食加工機(jī)械動力技術(shù)的改變，使得糧食加工的生產(chǎn)效率得到極大改善，更為復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化糧食加工機(jī)械的應(yīng)用，使得糧食加工的質(zhì)量得到明顯提高，糧食加工機(jī)械的功能也更為強(qiáng)大。臥式鐵輥筒輾米機(jī)的輥筒呈圓柱形，其表面一般設(shè)置有螺旋形或斜形的碾槽，入口端采用螺旋推進(jìn)。立式砂臼碾米機(jī)的碾輥是一個(gè)上端直徑大且下端直徑小的截錐形砂臼，外圍錐筒米篩和砂臼之間的間隙可通過上下移動砂臼軸進(jìn)行調(diào)節(jié)。很多目前廣泛使用的糧食加工設(shè)備都是在這2類糧食加工機(jī)械的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。

4 現(xiàn)代中國的糧食加工機(jī)械發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，中國糧食加工機(jī)械也在不斷的向前發(fā)展，在提高加工效率、改善產(chǎn)品加工質(zhì)量以及降低設(shè)備使用能耗等方面取得了顯著進(jìn)步[6]。

對于中國而言，目前中國糧食加工仍然為勞動密集型產(chǎn)業(yè)，企業(yè)采用的糧食加工設(shè)備普遍為傳統(tǒng)設(shè)備，若要保證糧食產(chǎn)品具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量和出品率，這就需要對操作工人的技能提出非常高的要求。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸進(jìn)入新常態(tài)，用工成本高和企業(yè)效益低對糧食加工企業(yè)發(fā)展的制約開始突顯，糧食加工機(jī)械的智能化升級開始成為中國糧食加工機(jī)械發(fā)展的新趨勢，近年來我國智能化技術(shù)的高速發(fā)展正好為中國糧食加工機(jī)械的智能化升級提供了條件。