劉 程，王旺平，宋少云

（武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430024）

稻米是我國(guó)食用量最廣的農(nóng)產(chǎn)品，現(xiàn)階段我國(guó)稻谷年產(chǎn)量1.8億t,約占糧食總產(chǎn)量的40%;全國(guó)有60%的人口以大米為主食,年消費(fèi)大米1.26億t左右[1]。因此,維持稻米足夠產(chǎn)能是保證國(guó)家糧食安全的需要，也是保障人民幸福生活的需要。

碾米機(jī)是糧食加工的主要機(jī)器之一，碾米機(jī)的效率決定著大米產(chǎn)能和得率。因此，碾米機(jī)的發(fā)展對(duì)現(xiàn)代化糧食產(chǎn)業(yè)具有關(guān)鍵作用。常用的碾米機(jī)一般采用摩擦擦離碾白和碾削碾白兩種方法，利用機(jī)械力的作用去除糙米外皮和進(jìn)行碾白。此外，同時(shí)利用擦離和碾削作用進(jìn)行混合碾白可以有效降低碎米率、改善出米品質(zhì)、提高效率，降低電力損耗?；旌闲湍朊讬C(jī)占有著我國(guó)米機(jī)市場(chǎng)的主要份額，這類碾米機(jī)能夠充分發(fā)揮兩種碾白的優(yōu)點(diǎn)，獲得良好的碾白效果。

1 碾米機(jī)的發(fā)展歷程

我國(guó)碾米機(jī)行業(yè)的發(fā)展始于對(duì)英國(guó)引進(jìn)的橫式鐵輥碾米機(jī)的改進(jìn)。19世紀(jì)50年代，米糠不分離的稻出白鐵輥碾米機(jī)在農(nóng)村得到了廣泛應(yīng)用。改革開放80年代，米糠分離式鐵輥碾米機(jī)取代米糠不分離的鐵輥碾米機(jī)。20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了采用了噴風(fēng)裝置的噴風(fēng)鐵輥碾米機(jī)，成品大米亮且光滑、大米溫升低、出米率高，類似機(jī)型在近現(xiàn)代有較快發(fā)展[2]。

國(guó)外的碾米機(jī)最早出現(xiàn)在歐洲，18世紀(jì)60年代，歐洲人研制出來一種立式砂臼碾米機(jī)。18世紀(jì)90年代，美國(guó)人在立式沙臼碾米機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，發(fā)明了橫式鐵輥碾米機(jī)，隨著鐵輥碾米機(jī)的出現(xiàn)，碾米機(jī)的技術(shù)發(fā)展有了歷史性的重大突破。19世紀(jì)20年代，日本佐竹公司基于鐵輥式碾米機(jī)基礎(chǔ)上研制出性能優(yōu)越的立式碾米機(jī)，該公司生產(chǎn)的VBF7B-C/MC逆向立式鐵輥碾米機(jī)[3]，其進(jìn)料裝置在碾白室下部，排料裝置在碾白室上部。這種立式布置方式對(duì)精米的加工效果十分顯著，不僅減少了物料運(yùn)輸設(shè)備，還避免了中間運(yùn)輸過程對(duì)米粒的部分傷害，降低了碎米率。

2 國(guó)內(nèi)外主要碾米機(jī)類型

目前按碾米機(jī)原理主要分為擦離型碾米機(jī)、碾削型碾米機(jī)以及混合型碾米機(jī)。

2.1 擦離型碾米機(jī)

擦離型碾米機(jī)一般指鐵輥碾米機(jī)，鐵輥碾米機(jī)是一種利用米粒相互之間、米粒與碾輥之間、米粒和米篩之間產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行糙米的加工碾白，鐵輥表面光滑，因此所產(chǎn)出米粒具有表面光滑、產(chǎn)出的米糠中淀粉含量少等良好特點(diǎn)。但是鐵輥表面摩擦力較小，為提高碾白率而加大碾白室內(nèi)的壓力，易造成米粒破碎，產(chǎn)生碎米[4]。

國(guó)內(nèi)鐵輥碾米機(jī)包括橫式鐵輥噴風(fēng)碾米機(jī)、立式鐵輥碾米機(jī)等機(jī)型，具有代表性的是MNMP系列鐵輥碾米機(jī)（圖1）等。其組成結(jié)構(gòu)大多相同，也有一些碾米機(jī)加裝一些增加碾米機(jī)性能的輔助裝置，例如，A6立式鐵輥碾米機(jī)加裝了吸塵裝置，能夠有效解決碾米過程中產(chǎn)生的堵塞問題，提高了碾米效率。國(guó)外鐵輥碾米機(jī)結(jié)構(gòu)基本與國(guó)內(nèi)相同，具有代表性的是由日本佐竹公司生產(chǎn)的VBF7B-C/MC型立式鐵輥碾米機(jī)（圖2），與國(guó)內(nèi)碾米機(jī)布置的最大的區(qū)別是進(jìn)料裝置、出料裝置的布置位置，分別布置在碾白室底端和上端，物料不必經(jīng)過運(yùn)輸，可減少運(yùn)輸過程對(duì)米粒完整性的影響。該碾米機(jī)工作時(shí)的米粒運(yùn)動(dòng)方向和其受到的重力方向相反，米粒在碾白室內(nèi)分布均勻，具有良好的碾白效果。此外，VBF7B-C/MC拆卸方便，易于安裝。

圖1 MNMP系列碾米機(jī)

圖2 VBF7B-C/MC立式鐵輥碾米機(jī)

2.2 碾削型碾米機(jī)

碾削型碾米機(jī)在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛，與鐵輥碾米機(jī)的主要區(qū)別即是工作的主要部件為砂輥而非鐵輥。砂輥能夠更好地完成碾削作用，更好地將糙米碾白。碾削型碾米機(jī)相比于擦離型碾米機(jī)能夠較好地去除糙米皮層、大大降低碎米率，但是糙米皮層往往含有大量的營(yíng)養(yǎng)元素，所以碾削型碾米機(jī)碾白過程中營(yíng)養(yǎng)丟失非常嚴(yán)重。此外，碾削型碾米機(jī)產(chǎn)出的大米精度不均，成品米表面較為粗糙。

國(guó)內(nèi)砂輥碾米機(jī)發(fā)展迅速，在傳統(tǒng)碾米機(jī)的發(fā)展基礎(chǔ)上，研發(fā)改進(jìn)優(yōu)化了多種砂輥碾米機(jī)，如NF型旋篩噴風(fēng)碾米機(jī)、MNMD65高性能節(jié)能碾米機(jī)、MNMS25D強(qiáng)拉風(fēng)斜式碾米機(jī)。代表的有NF14型旋篩噴風(fēng)碾米機(jī)（圖3），采用噴風(fēng)新工藝，噴風(fēng)量大，噴風(fēng)效果顯著。獨(dú)特碾白室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能強(qiáng)化碾白、加速排糠、降低米溫，提高產(chǎn)量和碾米精度。國(guó)外代表性的碾削型碾米機(jī)是由日本佐竹公司生產(chǎn)的VTA7A-C立式砂輥碾米機(jī)（圖4），其基本的結(jié)構(gòu)與我國(guó)立式砂輥碾米機(jī)大體一致，主軸依靠懸臂支撐，碾白室下方放置傳動(dòng)裝置，砂輥可從碾米機(jī)上部取出。而最大的區(qū)別即是它的篩片可以從側(cè)邊取出，可以達(dá)到不拆除機(jī)架部件的基礎(chǔ)上更換篩片，降低了人工和維護(hù)成本。此外，VTA7A-C立式砂輥碾米機(jī)在設(shè)計(jì)的碾白室體積是傳統(tǒng)碾米機(jī)的兩倍，并且減小了整機(jī)體積，增加了產(chǎn)量，減小了占地面積。碾白室下部有回轉(zhuǎn)式排出器，可將米糠順利排出機(jī)外[3]。

圖3 NF型旋篩噴風(fēng)碾米機(jī)

圖4 VTA7C/10AB-C立式砂輥碾米機(jī)

2.3 混合型碾米機(jī)

混合型碾米機(jī)是利用砂輥和鐵輥混合碾米的多輥碾米機(jī)，它擁有兩種碾米機(jī)的不同優(yōu)點(diǎn)，具有工作效率高、工藝質(zhì)量好、成米精細(xì)等多種優(yōu)點(diǎn)，一定程度上彌補(bǔ)了鐵輥碾米機(jī)和砂輥碾米機(jī)的缺點(diǎn)。

我國(guó)國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的混合型碾米機(jī)是NS型螺旋槽砂輥碾米機(jī)，NS型混合碾米機(jī)將砂輥置于上部，下部放置鐵輥，糙米經(jīng)過進(jìn)料口首先進(jìn)入砂輥碾削，再經(jīng)過鐵輥摩擦，這樣加工出來的米粒，不僅產(chǎn)量更高、碎米更少，成米品質(zhì)也比單純砂輥碾米機(jī)高。國(guó)外由日本佐竹公司研制的SAFF3G型混合碾米機(jī)是如今比較先進(jìn)的混合式碾米機(jī)，在砂輥、鐵輥結(jié)構(gòu)下，加裝一個(gè)鐵輥，結(jié)構(gòu)緊湊，便于維修，降低了能耗，具有良好脫糠效果，可達(dá)到一機(jī)多用效果[5]。

圖5 NS型螺旋槽砂輥碾米機(jī)

圖6 SAFF4G混合型碾米機(jī)

3 現(xiàn)有碾米機(jī)存在的主要問題

當(dāng)下碾米機(jī)存在的問題之一便是碎米率高。摩擦式碾米機(jī)多為鐵輥碾米機(jī)，在現(xiàn)有碾米機(jī)中占有很大的比重，摩擦式碾米機(jī)通常碾白室內(nèi)壓力大（200～250 g·cm-2），碾輥線速低（＜2.5 m·s-1）[6]，且加工出來的米粒具有表面光滑、米糠淀粉含量低等優(yōu)點(diǎn)，但其碾白室內(nèi)壓力較大，不僅導(dǎo)致了碎米增多，提升了碎米率，也降低了碾米機(jī)碾米效率。雖然基于摩擦式碾米機(jī)而發(fā)明的碾削式碾米機(jī)能夠有效減少碎米率，但是它們的米糠之中淀粉含量過高，且很容易造成成品米精度不均。所以在當(dāng)下這種加工方式下，高碎米率的問題是難以避免的。

上述兩種缺點(diǎn)在摩擦式和碾削式碾米機(jī)中通常是難以避免的。因此，20世紀(jì)80年代后碾米機(jī)的發(fā)展逐步由“多機(jī)輕碾”的混合類碾米機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的摩擦和碾削工藝類的碾米機(jī)。將鐵輥與砂輥混合使用組成混合型碾米機(jī)，例如“兩砂一鐵”的三機(jī)串聯(lián)碾白，能夠有效減少加工過程中碎米的產(chǎn)生率?；旌闲湍朊讬C(jī)碾白均勻、碎米率低、出米率高，但存在著成本高、能耗大等碾米常見問題。因此發(fā)展低能耗、低成本、高效率的碾米機(jī)是糧食加工產(chǎn)業(yè)提升產(chǎn)業(yè)效率、降低成本的必由之路。

4 碾米機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn)

4.1 基于離散元EDEM的碾米機(jī)內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)離散元分析研究

EDEM是世界上誕生的首款基于離散元技術(shù)的應(yīng)用軟件，EDEM能夠解決大部分工程實(shí)例中關(guān)于顆粒系統(tǒng)的應(yīng)用與仿真，能夠有效地分析顆粒間力學(xué)關(guān)系。通過EDEM可以創(chuàng)建碾米機(jī)碾白室內(nèi)部米粒系統(tǒng)的數(shù)字模型，分析米粒間的力學(xué)性質(zhì)、碾白室材料性質(zhì)等物理特性，還可以手動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)米粒大小、密度、質(zhì)量及速度等參數(shù)。此外，EDEM具有優(yōu)秀的顆粒運(yùn)動(dòng)處理能力，不僅能夠模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的運(yùn)動(dòng)過程與特征，同時(shí)還可協(xié)助科研人員進(jìn)行理論研究和分析以及對(duì)各類離散料的處理設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化[7]。伴隨著EDEM軟件技術(shù)和理論研究的發(fā)展，利用EDEM處理顆粒數(shù)據(jù)的內(nèi)容也越來越廣泛，EDEM技術(shù)在碾米機(jī)械的研究中也越來越重要。

碾米機(jī)成米品質(zhì)主要是由米粒在碾白室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度和壓力狀況影響，控制進(jìn)料口和出料口大小從而控制碾白室壓力是碾米機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。利用EDEM控制好米粒在碾白室的運(yùn)動(dòng)狀況，分析米粒間的力學(xué)特性，達(dá)到最優(yōu)秀的碾白效果，使碾白室壓力處于較優(yōu)水平，基于此控制優(yōu)化碾輥的材料、角度、根數(shù)、高度等參數(shù)[8]。在今后碾米機(jī)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用并借助離散元仿真軟件EDEM對(duì)碾米機(jī)碾白室內(nèi)糙米的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，探尋糙米在碾白室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能夠?yàn)槟朊桌碚撗芯刻峁┲匾獏⒖家罁?jù)。因此，基于離散元EDEM的碾米機(jī)內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)離散元分析研究是碾米機(jī)未來設(shè)計(jì)和發(fā)展的重要技術(shù)支撐之一。

4.2 碾米機(jī)智能化改造

碾米機(jī)智能化改造主要是指對(duì)碾米機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。智能碾米機(jī)控制系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件、控制系統(tǒng)軟件三部分組成。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電流傳感器、溫度傳感器、重力傳感器、白度傳感器、露點(diǎn)傳感器、壓力傳感器、后倉(cāng)料位器、制熱裝置、制冷裝置、氣動(dòng)閘門、流量閘門及壓力門調(diào)壓等機(jī)構(gòu)[9]。

碾白室壓力控制是影響碾米效率和成米品質(zhì)的重要因素，現(xiàn)有的碾米機(jī)碾白室壓力主要是通過出料門的人為控制來實(shí)現(xiàn)，主要判斷依據(jù)是工人的經(jīng)驗(yàn)，并不能準(zhǔn)確的達(dá)到控制碾白室內(nèi)最優(yōu)壓力。若碾白室壓力控制過大，則物料無法順利通過碾白室，從而使碾白室壓力增加，雖然提高了成米品質(zhì)，但相應(yīng)的增加了碎米率；相反，若壓力控制過小，則物料容易排出碾白室，碾白室壓力減小，碎米率減少，但成米品質(zhì)降低。因此，控制碾白室碾白壓力在碾米機(jī)糙米加工中極為重要，所以碾米機(jī)的智能化改造，尤其是對(duì)碾米機(jī)碾白室壓力控制的智能化改造，達(dá)到最優(yōu)碾白室壓力是今后碾米機(jī)發(fā)展的重要方向。

隨著現(xiàn)代化科技的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備智能化是未來企業(yè)加工設(shè)備的發(fā)展方向。面對(duì)不斷增長(zhǎng)的企業(yè)用工成本，智能化機(jī)械設(shè)備不僅能夠減少人力成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，還能增加生產(chǎn)效率，豐富企業(yè)利潤(rùn)。然而，碾米機(jī)行業(yè)的智能化改造還處在初步發(fā)展的階段，通過對(duì)碾米機(jī)智能化改造研究，相信未來我國(guó)的稻米加工成本會(huì)不斷降低，大米質(zhì)量、生產(chǎn)效率也會(huì)不斷提高，糧機(jī)智能化也會(huì)為我國(guó)的糧食安全做出進(jìn)一步的重要貢獻(xiàn)。

4.3 機(jī)器視覺的應(yīng)用

機(jī)器視覺是一種從圖像中提取數(shù)據(jù)，并使用一系列方法和技術(shù)對(duì)檢索到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而控制加工過程和相關(guān)活動(dòng)的輔助技術(shù)。在碾米機(jī)工作時(shí)，無法不間斷在線測(cè)量出大米品質(zhì)、碾白室壓力大小，需要每隔1～2 h通過工人經(jīng)驗(yàn)判斷來進(jìn)行人工控制。因此，研發(fā)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的系統(tǒng)對(duì)于提升大米品質(zhì)具有重要影響。如今，機(jī)器視覺系統(tǒng)在食品工業(yè)的質(zhì)量驗(yàn)證應(yīng)用越來越廣泛。機(jī)器視覺系統(tǒng)在商業(yè)水平的許多應(yīng)用上已經(jīng)取代了傳統(tǒng)人工視覺質(zhì)量檢測(cè)。通過使用機(jī)器視覺技術(shù)和基于獲得的信息對(duì)碾米機(jī)器進(jìn)行瞬時(shí)控制來保證大米質(zhì)量參數(shù)，能夠使工人實(shí)時(shí)連續(xù)檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量特性，實(shí)現(xiàn)碾米機(jī)加工的連續(xù)監(jiān)控，從而使操作者對(duì)加工谷物的特性變化做出迅速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量變化的及時(shí)控制。隨著近些年硬件和軟件的發(fā)展，機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠提供低成本且有效的解決方案，此外，機(jī)器視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性、卓越的速度和準(zhǔn)確性都促進(jìn)了它在食品工業(yè)中的發(fā)展。

Zareiforoush等[10]采用機(jī)器視覺和模糊邏輯技術(shù)開發(fā)了米粒碾白過程的智能自動(dòng)化系統(tǒng)。其主體思想是通過實(shí)時(shí)捕捉米粒圖像，并采集碾磨度和破碎率參數(shù)來反饋調(diào)節(jié)碾米機(jī)出口壓力。相比人工操作，該系統(tǒng)效率提高31.3%。機(jī)器視覺技術(shù)作為一種新技術(shù)，可以提供一種自動(dòng)化、非破壞性和低成本的方式檢測(cè)碾米機(jī)加工中成米品質(zhì)，并調(diào)整碾白室壓力，從而達(dá)到最優(yōu)效果。未來將會(huì)出現(xiàn)越來越多基于機(jī)器視覺技術(shù)研究下的碾米機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展，糧食機(jī)械正在往智能化、現(xiàn)代化方向發(fā)展，研發(fā)創(chuàng)新型、智能型碾米機(jī)對(duì)我國(guó)糧食機(jī)械發(fā)展具有十分重要的意義，利用基于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)等先進(jìn)研究方法，優(yōu)化改善當(dāng)下碾米機(jī)結(jié)構(gòu)，研究高效率、低成本、低碎米率及低能耗的碾米設(shè)備、提升糧食加工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能是我們未來碾米機(jī)行業(yè)發(fā)展研究的主要方向。