【摘要】：稻谷作為中國(guó)三大糧食作物之一,其產(chǎn)量已占到約全球總產(chǎn)量的五分之一,故稻谷產(chǎn)量的提升對(duì)促進(jìn)糧食加工業(yè)的發(fā)展和保障國(guó)家糧食生產(chǎn)安全,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。稻谷加工是實(shí)現(xiàn)由稻谷變?yōu)樯唐访椎闹匾緩?其中米粒碾白環(huán)節(jié)的破碎損失是顯著降低碾米品質(zhì)和嚴(yán)重制約碾米工業(yè)發(fā)展的主要原因。然而,降低碾白過(guò)程中米粒破碎損失是當(dāng)前稻谷加工研究亟待解決的重要問(wèn)題,其關(guān)鍵在于米粒碾白機(jī)理的揭示和破碎特性的明晰。對(duì)米粒碾白機(jī)理和破碎特性研究的深入,不僅可為以實(shí)現(xiàn)碾米降碎為目標(biāo)的碾米機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),還可豐富碾米加工降碎問(wèn)題研究的基礎(chǔ)理論與方法。為明晰米粒碾白機(jī)理以及揭示米粒破碎特性,本文以橫式擦離型碾米機(jī)為研究對(duì)象,首先分析擦離碾米原理,描述碾米壓力及碾米運(yùn)動(dòng),進(jìn)而推導(dǎo)米粒脆性和疲勞斷裂的理論臨界沖擊速度;其次,以粒徑符合正態(tài)分布的球顆粒替代米粒,模擬米粒碾白過(guò)程,定義米粒運(yùn)動(dòng)一致性和碾磨性能的表征方法,進(jìn)而探究靜摩擦系數(shù)和碾米輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)米粒碾白影響規(guī)律以明晰米粒碾白機(jī)理;再次,以平行鍵粘結(jié)模型獲得表征米粒的橢球形聚合體,模擬米粒沖擊破碎過(guò)程以闡明單粒米沖擊破碎特性;在此基礎(chǔ)上,建立一種米粒群碾白破碎的數(shù)值模擬方法以確定米粒疲勞斷裂的仿真臨界沖擊速度、分析米粒碾白破碎特性,進(jìn)而優(yōu)化碾米輥結(jié)構(gòu)參數(shù);最后,明晰碾米機(jī)工作參數(shù)對(duì)碾米品質(zhì)的影響,開展不同品種糙米適應(yīng)性試驗(yàn)。具體研究結(jié)論如下:(1)闡明擦離碾米原理。連續(xù)介質(zhì)理論和牛頓第二定律可用于描述米粒擦離碾白壓力和擦離碾白運(yùn)動(dòng)(即軸向運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、停留時(shí)間、碰撞運(yùn)動(dòng));正應(yīng)力斷裂準(zhǔn)則和von Mises斷裂準(zhǔn)則可分別預(yù)測(cè)米粒脆性斷裂和疲勞斷裂的理論臨界沖擊速度。為米粒碾白運(yùn)動(dòng)機(jī)理的揭示和米粒破碎特性的明晰奠定理論基礎(chǔ)。(2)揭示米粒碾白運(yùn)動(dòng)特性及碾磨性能變化規(guī)律。米粒和米篩間靜摩擦系數(shù)對(duì)其軸向擴(kuò)散系數(shù)有顯著影響,而米粒間靜摩擦系數(shù)對(duì)其均勻指數(shù)有顯著影響。軸向運(yùn)動(dòng)一致性主要影響米粒停留時(shí)間,而圓周運(yùn)動(dòng)一致性顯著影響米粒間碰撞強(qiáng)度。靜摩擦系數(shù)與碰撞速率間數(shù)學(xué)模型符合多項(xiàng)式線性方程。為碾米機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)米粒碾白運(yùn)動(dòng)及碾磨性能的影響研究提供參考。(3)明晰碾米輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)米粒碾白影響規(guī)律。凸筋數(shù)量、高度和傾角均對(duì)米粒軸向運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)一致性、停留時(shí)間以及碰撞能有顯著影響,且影響的重要性依次為高度、傾角、數(shù)量。凸筋高度與碰撞速率間數(shù)學(xué)模型符合指數(shù)方程,而凸筋數(shù)量、傾角與碰撞速率間數(shù)學(xué)模型符合多項(xiàng)式線性方程。為碾米機(jī)內(nèi)碾米輥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。(4)探明單粒米沖擊破碎特性。米粒破碎形態(tài)可分為四種,即未破碎、局部瓦解、破裂和粉碎。當(dāng)破碎形態(tài)由局部瓦解轉(zhuǎn)變?yōu)槠屏褧r(shí),破碎率先以線性方式增加后以指數(shù)方式增加,而最大碎片尺寸率先以線性方式減小后以指數(shù)方式減小。含水率對(duì)米粒破碎特征的影響依賴于沖擊速度,當(dāng)破碎形態(tài)為局部瓦解時(shí),破碎率線性增加而最大碎片尺寸率線性減小;而當(dāng)破碎形態(tài)為破裂時(shí),破碎率指數(shù)增加而最大碎片尺寸率指數(shù)減小。米粒含水率與其脆性斷裂時(shí)的臨界沖擊速度間滿足指數(shù)關(guān)系。為碾米機(jī)內(nèi)米粒群破碎特性分析奠定基礎(chǔ)。(5)解析米粒群碾白破碎特性。米粒碾磨前期,其斷裂形式以脆性斷裂為主,而米粒碾磨后期,其斷裂形式以疲勞斷裂為主。碾白室前半部,米粒斷裂形式以疲勞斷裂為主,而碾白室后半部,米粒斷裂形式以脆性斷裂為主。碾米輥較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合:凸筋高度為5 mm、凸筋數(shù)量為4、凸筋傾角為3°;優(yōu)化后的碾米輥結(jié)構(gòu)參數(shù)在中試級(jí)橫式擦離型碾米機(jī)中具有較好的適應(yīng)性。為中試級(jí)碾米機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。(6)剖析中試級(jí)橫式碾米機(jī)工作參數(shù)對(duì)碾米品質(zhì)的影響規(guī)律。相較于碾米輥轉(zhuǎn)速,糙米含水率對(duì)碎米率及米粒白度的影響最大,出料口阻力對(duì)單位質(zhì)量碾米能耗的影響最大。碾米機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)組合:含水率為15.2%、出料口阻力為13 N、碾米輥轉(zhuǎn)速為680 rpm;優(yōu)化后的碾米機(jī)對(duì)中粒米有較高的適應(yīng)性。論文研究成果可為碾米理論的深入研究以及工業(yè)級(jí)橫式擦離型碾米機(jī)降碎的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
【圖文】：

然而，米粒間搓擦作用本質(zhì)上是米粒間剪切作用，而剪切作用又依賴于速度梯度，，因而，取決于沿徑向米粒圓周運(yùn)動(dòng)速度差異。圖2-2 碾白室內(nèi)糙米籽粒運(yùn)動(dòng)軌跡Figure 2-2 Trajectory of rice grain in a millingchamber圖2-3 糙米籽粒速度分布示意圖Figure 2-3 Schematic illustration of velocitydistribution of rice grain眾所周知，螺旋線運(yùn)動(dòng)可分解為沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)和繞軸線旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)。加之，研究表明顆粒軸向速度的差異會(huì)顯著影響其在碾磨系統(tǒng)內(nèi)的密集程度[71,97]。因此，碾白室內(nèi)米粒容積密度會(huì)因軸向速度的差異而有所不同，宏觀上表現(xiàn)為米粒軸向密集程度的差異，且米BFɑ1v2v3vωMωωZYXYZX糙米籽粒凸筋碾米輥米篩

Figure 2-2 Trajectory of rice grain in a millingchamber圖2-3 糙米籽粒速度分布示意圖Figure 2-3 Schematic illustration of velocitydistribution of rice grain眾所周知，螺旋線運(yùn)動(dòng)可分解為沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)和繞軸線旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)。加之，研究表明顆粒軸向速度的差異會(huì)顯著影響其在碾磨系統(tǒng)內(nèi)的密集程度[71,97]。因此，碾白室內(nèi)米粒容積密度會(huì)因軸向速度的差異而有所不同，宏觀上表現(xiàn)為米粒軸向密集程度的差異，且米BFɑ1v2v3vωMωωZYXYZX糙米籽粒凸筋碾米輥米篩
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S226.2


本文編號(hào)：2670495