一种基于行为相似准则的碾白室参数设计方法与流程

本发明涉及稻谷加工设备技术领域，尤其是涉及铁辊碾米机碾白室关键参数相似设计方法。

背景技术

碾米就是在保证米粒完整的前提下，应用一定外力破坏胚乳与皮层联接力，用物理方法将籽粒皮层从胚乳表面去除，其实质属于稻米去皮除糠问题。一般而言，米粒去皮过程借助碾米机完成。从1860年法国首先发明立式砂臼碾米机开始，各类碾机沿着单机结构优化向大型化、功能化和智能化方向发展。然而，碾白室作为碾米机关键结构单元，其主体仍保持着由碾米辊和碾米筛组成的腔体构造形式。碾白室(碾米辊和碾米筛间的空腔)内，稻米与碾米辊、碾米筛及米粒群间产生擦离作用，在碰撞、碾白压力、翻滚和轴向输送条件下实现去皮除糠。根据公开的文献、专利显示，上世纪70～80年代，得益于农业部召开全国碾米设备集中选优试验会，最终定型了一批碾米样机，同时形成了诸如“米粒流体”、“碾白运动理论”等指导碾米机参数获取的经验设计方法。目前，国内碾白室结构参数获取过程仍沿用上述传统经验设计方法，而关于其改进工作多体现在局部性能优化方面。如公开号为cn204220469u、cn206935782u、cn1695810a和cn102337495a等专利分别从替换便捷、工作稳定及耐磨性等方面公布了碾米筛的创新设计方法，cn105149032a专利公布了通过设置切刀的方式改善碾米辊性能。除上述专利外，实质而言，传统设计方法的主体思想是根据碾米辊单位产量运动面积确定辊轴径及长度尺寸，再基于碾米筛与碾米辊间应留有8-10mm(大于1粒米长度值)间隙的实践经验知识确立碾米筛直径尺寸。然而，据此设计的碾白室达不到统一的碾白效果，轻碾或重碾时有发生，因此调节转速、料门阻力等措施成为后续改善碾米机性能不可避免的环节。究其原因，传统碾白室设计方法未能将碾米筛与碾米辊作为相互联系的整体，进而统筹设计两者的结构参数。更为关键的是传统设计方法未能同时考虑碾白室操作参数与结构参数的协同关系。事实上，除原料属性外，决定碾米性能的关键因素应为碾米筛与碾米辊间的间隙。sangameswaran曾指出减小间隙利于米粒间擦离作用的产生，而增大间隙却利于米粒在碾白室内翻滚、易位，实现均匀一致碾磨(美国专利号：us9314798b2)。因而，碾白室工作时，间隙的合理变化形式决定稻米的优质碾白。更重要的是，以碾白室间隙变化为设计切入点，将从原理上改进传统经验设计方法的缺陷。本课题组长期从事谷物加工领域工作，近年来针对铁辊碾米机碾米工艺、理论及装备研发开展深入研究，期间以农业物料学和数值计算技术为基础，研究保持碾米效果、指导碾白室设计的工程方法，研究发现米粒群在以特定准则设计后的碾白室内碾磨时，可达到一致的剪切流动行为，且米粒群可达到运动和动力相似。通俗而言，碾白室内碾米轴及碾米筛参数可有不同组合形式，但这些参数在特定准则约束下，不同外形和尺寸的碾白室间可实现相似的碾白效果。基于以上发现，本课题组发明了以行为相似准则为核心的碾白室参数设计方法，对碾米机及相似腔内碾磨设备的创新发展具有重要指导意义。

技术实现要素：

针对传统碾白室参数设计存在的问题，本发明研究开发一种基于行为相似准则的碾白室参数设计方法，达到规范碾白室设计工艺、实现一致碾白效果，指导相似腔内碾磨设备参数设计的目的。

本发明的目的是这样实现的：

(1)构建碾白室腔体间隙的数学模型：结合碾白室结构特点及工作原理，协同碾白室的结构与操作参数，建立碾白室腔体间隙随碾磨时间的变化函数，将其定义为间隙变化曲线。

(2)获取最佳参照间隙变化曲线：以碾后米粒质量性指标、经济性指标及商品性指标为试验指标，综合优选间隙变化曲线，并作为最佳参照的间隙变化曲线。

(3)相似行为准则的构建：基于最佳参照的间隙变化曲线，采用保持间隙变化曲线一致的思想，得到任意碾白室碾米辊及碾米筛的参数获取方法。并将获取相同间隙变化曲线的过程定义为相似行为准则。

(4)相似碾米效果判定：基于相似行为准则，设计具有不同结构类型的碾白室，以碾米性能指标评价碾米效果，力图使设计的碾白室产生最佳碾米行为和效果。

本发明相比于传统碾白室参数设计方法，在非等比复制制造的前提下，可实现设计碾白室间达到相似碾米效果。而实现这一效果的重要保障为本发明需权利保护的“行为相似准则”，即相同的碾白室腔内间隙变化曲线。

附图说明

图1是逆流式碾米机及其碾白室结构图；

图2是参照和两设计碾白室产生的间隙曲线图；

图3碾米效果(白度)测试试验流程图；

图4是参照和两设计碾白室碾米效果试验值图。

具体实施方式

(1)构建碾白室腔体间隙的数学模型：以立式逆流式铁辊碾米机(sy95-pc+pae5,双龙机械制造,韩国)为例，其碾白室结构图见图1所示。图中碾白室高度以h表示；最大间隙和最小间隙分别以dmax和dmin表示；碾米辊半径和碾米筛的外接圆半径分别以r和rs表示；正多边形碾米筛边数以n表示；碾米辊转速以ω表示。碾白室工作时，腔内米粒在碾米轴的带动下产生擦离作用，源于碾米筛的正多边形结构，腔内间隙由dmax到dmin产生周期性变化，这将引起米粒间擦离强度的周期性变化，同时引起腔内米粒翻滚易位，利于皮层的均匀剥落，因此，腔内间隙d随碾磨时间t的变化本质上决定着米粒的碾白效果，合适的间隙变化与米粒的优质碾磨密切相关。为此，经数学推导，腔内间隙随碾磨时间的函数式如下：

式中，mod为余函数，其表达式为modexp1exp2，其结果为表达式exp2除以exp1后所得余数。

公式(1)腔内间隙与碾磨时间的关系被定义为间隙变化曲线。

(2)获取最佳参照间隙变化曲线：以碾后米粒整精米率、能耗及白度为试验指标，采用组合试验，通过组合立式逆流式碾米机碾白室结构及操作参数，获取具有最佳碾磨性能的碾白室，其碾白室相关关键参数见表1中的参照碾白室，并将该碾白室工作时产生的间系曲线作为最佳参照间隙变化曲线。图2中实线即为参照碾白室工作时产生的间隙变化曲线。由图2可见参照碾白室因其正六边形米筛结构的旋转对称性，其间隙曲线呈现出周期性变化趋势。从碾米实践而言，该间隙曲线产生较好的碾米性能。

(3)相似行为准则的构建：前期研究发现控制不同碾白室间产生相同间隙变化曲线，将产生较为一致的碾米效果。因此，本发明将产生相同间隙变化曲线定义为相似行为准则。而实现不同碾白室间产生一致的间隙曲线，需满足三个条件：①碾白室间最大或最小间隙(dmax或dmin)应相等；②最大和最小间隙的差值应相等；③腔内间隙由最大到最小的变化速率应一致。实质上，前两条件保证周期性间隙曲线的幅值相同，而最后一条件保证间隙曲线的周期一致。基于上述描述，本发明专利需确立待设计碾白室的结构与操作参数的获取方法，使待设计碾白室也产生如(2)中一样的最佳参照间隙曲线。因此，已表1中产生最佳参照间隙曲线的碾白室结构及操作参数为基准，待设计碾白室的结构及操作参数公式如下：

r'＝r′s-(rs-r)(3)

式中，r'、r′s和ω'为待设计碾白室的碾米辊半径、碾米筛的外接圆半径和碾米辊转速；r、rs和ω为参照碾白室的碾米辊半径、碾米筛的外接圆半径和碾米辊转速。

本发明意图额外设计两米筛边数分别为正五边形和正七边形的碾白室，目标是设计后的碾白室与参照碾白室间产生一样的间隙变化曲线，因而产生相似的碾米效果。因此，基于上述行为相似准则，这两待设计的碾白室的参数可由公式(2)～(4)确定，结果见表1所示。如图2所示，以此参数设计的两碾白室将与参照碾白室产生近乎重合的间隙曲线。

表1碾白室设计参数

相似碾米效果判定：为评价本发明提出的基于相似行为准则的碾白室参数设计方法的有效性，需试验测试设计碾白室与参照碾白室间的碾米效果。试验过程如图3所示，未碾糙米原料，分别加入以表1参数加工的碾白室内，经50s碾磨时间后，糙米将转化成白米和米糠两部分。其中碾后白米的白度值作为碾米效果评价指标。

借助色差计(dc-p3型，北京市兴光测色仪器公司)测量米粒白度，即以碾后白米亨特色度中明度值(l)、红绿色度值(a)和黄蓝色度值(b)的组合作为米粒白度指标，公式如下：

wi＝100-[(100-l)²+a²+b²]^0.5(5)

式中：wi为碾后米粒白度，值越大表征碾后米粒越白。

需指出，试验中每个碾白室的填充率设置三个水平，分别为20％、40％和60％，每组试验重复三次。

图4即为试验结果图，如预期，各填充率条件下，设计的碾白室均与参照碾白室产生了较为一致的碾米白度。实质而言，基于行为相似的碾白室设计方法的核心是提出了控制产生相同腔内间隙变化曲线的方法。此方法中，碾白室内碾米辊和碾米筛被作为互相联系的部件进行协同参数设计，此方法适用于解决特定类型碾米机碾白室参数设计，本方法具有的突出特点是待设计碾白室间可产生相似碾米效果，尤如“非等比复制”制造。正如背景技术及发明内容所述，相似的腔内碾磨设备在工程领域普遍存在，如造粒机、混合机及粉碎机等，因此本发明对其它腔内碾磨设备的参数相似设计也起借鉴意义。