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2016年06月
橫流槳葉式加濕調(diào)質(zhì)機(jī)的設(shè)計
栗 文 蘭海鵬
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘要：在稻谷加工過程中，為了減少大米的精裂紋、降低碎米率、提高出米率、降低能耗和增強(qiáng)企業(yè)的競爭實力，采用加濕調(diào)質(zhì)設(shè)備。根據(jù)加濕調(diào)質(zhì)碾米工藝研制出橫流式糙米加濕調(diào)質(zhì)機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)式落料盤使糙米雨狀散落，實現(xiàn)了糙米下落的均勻；采用 BSPT－1 /4 LNN3 型微細(xì)霧化噴頭與下落米流呈橫向噴霧，實現(xiàn)了霧滴與糙米的均勻接觸; 采用攪拌倉即時將著水糙米進(jìn)行攪拌，實現(xiàn)了著水糙米混合的均勻; 在進(jìn)料口處和攪拌倉頂部設(shè)有物流傳感器，可以實現(xiàn)來料自動加濕，停料自動停機(jī)及卸料不暢時自動停機(jī)。該設(shè)備可以達(dá)到均勻、可控和高效的加濕調(diào)質(zhì)目標(biāo)，從而降低碾米電耗、降低碎米率、增加出米率、提高成品米質(zhì)量。
關(guān)鍵詞： 糙米；加濕調(diào)質(zhì)；橫流式
收稿日期：2016-06-02
作者簡介：栗文（1992-），男，漢族，本科，研究方向為橫流槳葉式加濕調(diào)質(zhì)機(jī)。
E-mail:1073120824@qq.com Tel：18399575287
0 引言
1.1傳統(tǒng)碾米工藝的缺點
稻谷是我國最主要的糧食作物，對其進(jìn)行加工增值技術(shù)的研究十分重 要。稻谷的安全儲藏水分是14%以下，經(jīng)過儲藏后的稻谷水分含量更低，一般12%～13%左右，而糙米的最佳碾磨含水率卻在15.5%～16.5%之間［1－3］。傳統(tǒng)的碾米工藝是將凈糙米直接干磨，但低水分的糙米硬度和脆性都較大，所以在碾米加工過程中容易出現(xiàn)裂紋米及碎米，大米表面光潔度較差，導(dǎo)致碾米的能耗增高，嚴(yán)重制約著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展［4－6］。
1.2研制加濕調(diào)質(zhì)機(jī)意義和價值
加濕調(diào)質(zhì)碾米工藝是在凈糙米進(jìn)入頭道碾米機(jī)前，增加糙米加濕調(diào)質(zhì)機(jī)，對糙米進(jìn)行均勻加濕調(diào)質(zhì)，使得糙米的糠層和胚吸水后膨脹軟化，形成外大內(nèi)小的水分梯度和外小內(nèi)大的強(qiáng)度梯度，糙米外表面的摩擦系數(shù)增大，不必用很大的擠壓力和剪切力既可實現(xiàn)碾白，大大減少了碾米過程中的破碎和裂紋，提高整精米率，大幅度降低碾米能耗。應(yīng)用加濕調(diào)質(zhì)碾米工藝可提高大米加工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，因此研制加濕調(diào)質(zhì)設(shè)備具有重要的理論意義和實際價值。
1.3國內(nèi)外雙軸槳葉式加濕調(diào)質(zhì)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r
國外的槳葉式加濕調(diào)質(zhì)機(jī)在20世紀(jì)80年代末已經(jīng)開始研制, 國際上糙米流通加工以日本的技術(shù)最先進(jìn)，糙米的調(diào)質(zhì)研究起步較早。日本是主要生產(chǎn)稻谷的國家之一，由于有發(fā)達(dá)的工業(yè)和科學(xué)技術(shù)作后盾，加上國家對發(fā)展農(nóng)業(yè)有一系列的扶植政策，包括對農(nóng)田基本建設(shè)及農(nóng)戶購置大型農(nóng)業(yè)機(jī)械政府給予補(bǔ)貼（高達(dá)50%）及優(yōu)惠貸款等，使日本的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展十分迅速且具有較高的水平。日本稻谷處理加工技術(shù)與設(shè)備具有世界領(lǐng)先水平，其加工工藝有很多值得借鑒之處。挪威 Forberg 公司在上 20 世紀(jì) 90年代初推出了雙軸槳葉式系列加濕調(diào)質(zhì)機(jī),其有效容積 25-5000 L,結(jié)構(gòu)特點、加濕調(diào)質(zhì)機(jī)理、傳動方式與國內(nèi)雙軸槳葉式加濕調(diào)質(zhì)機(jī)基本相同。
我國糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝和設(shè)備的研究起步較晚,政府一直將包括稻米在內(nèi)的糧食作物生產(chǎn)放在高產(chǎn)的研究上。近年國內(nèi)企業(yè)和業(yè)界人士開始研究糙米加濕調(diào)質(zhì)工藝和設(shè)備，蘇州楚天自控設(shè)備研究有限公司設(shè)計的MCT-6型糙米調(diào)質(zhì)器，其水霧發(fā)生器能產(chǎn)生散開角大于60度的超微水霧粒子，該調(diào)質(zhì)器已在江蘇、浙江、黑龍江、甘肅等省的十多家米廠得到應(yīng)用。哈爾濱雙碩盛糧機(jī)技術(shù)工程有限公司開發(fā)生產(chǎn)了SCS系列糙米調(diào)質(zhì)自動加濕機(jī)。
國內(nèi)各企業(yè)、科研部門所研制的臥式橫流槳葉調(diào)質(zhì)機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)基本相同, 例如 SLHSJ 系列臥式橫流槳葉高效調(diào)質(zhì)機(jī), 其每批產(chǎn)量為 25-4000 kg, 功率為 0.75-55 kW, 產(chǎn)品已形成系列化。加濕調(diào)質(zhì)機(jī)內(nèi)并排裝有一個轉(zhuǎn)子, 轉(zhuǎn)子由軸和多組槳葉組成, 每組槳葉有兩片葉片, 葉片長短不同，槳葉呈30℃角安裝在軸上, 目的在于讓物料在攪拌時獲得更大的拋幅而較快地進(jìn)入另一個轉(zhuǎn)子作用區(qū)。由于軸上的槳葉組對應(yīng)錯開, 在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時, 消除了攪拌死區(qū)，獲得更好的攪拌效果。
2設(shè)計的目的
2.1均勻性
糙米加濕調(diào)質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)在于均勻加濕。本設(shè)計采用 BSPT-1/4 LNN3 型微細(xì)霧化噴頭與下落米流呈橫向噴霧，實現(xiàn)了霧滴與糙米的均勻接觸; 采用攪拌倉即時將著水糙米進(jìn)行攪拌，實現(xiàn)了著水糙米混合的均勻。
2.2可控性
運輸機(jī)定量運送糙米，可以通過增減噴頭數(shù)量控制加濕量，微調(diào)供水流量。應(yīng)用糧食水分在線檢測儀跟蹤加濕后糙米水分，反饋給供水系統(tǒng)。
2.3高效性
該機(jī)通過匹配輔機(jī)自動運行，可以滿足碾米生產(chǎn)連續(xù)作業(yè)，加濕調(diào)質(zhì)效率高。
3橫流式加濕調(diào)質(zhì)機(jī)的設(shè)計
3.1設(shè)計的主要內(nèi)容
本設(shè)計的內(nèi)容為: 設(shè)計出能夠保證均勻加濕、可控、適宜于任何低水分糙米加濕調(diào)質(zhì)到最優(yōu)值的逆流自循環(huán)式加濕調(diào)質(zhì)機(jī)。
未經(jīng)著水的糙米水分：12.0%；著水后的糙米水分：16.0 % ；每次加濕量可調(diào)（最大1.50%）；處理糙米量可調(diào)（最大處理量0.5t/次）。
3.2糙米加濕調(diào)質(zhì)機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
糙米加濕調(diào)質(zhì)機(jī)體結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。采用豎直仿u形的機(jī)殼，沿機(jī)殼豎直軸線方向從上至下分為進(jìn)料倉、料水混合倉。料水混合倉安裝的轉(zhuǎn)動軸上裝有長短比為2：1的葉片組和，通過帶輪轉(zhuǎn)動軸與電機(jī)相連。霧化噴頭等角度均布安裝在料水混合倉壁上，并與供水系統(tǒng)連接。在攪拌倉上裝有壓力出料門。
3.3糙米加濕調(diào)質(zhì)倉的設(shè)計
糙米加濕倉采用仿u倉體結(jié)構(gòu)，加濕倉可容納0.5噸糙米（容重0.67t/m3），上方需留一定空間，總?cè)莘e0.71 m3。倉體采用鋼板制造。
加濕倉采用2mm厚鋼板制成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-3所示。加濕倉上端圓柱部分長度為1010mm，內(nèi)徑為450mm；圓臺上端長方體長為1010mm，寬為637mm，高度為200mm；下端圓柱部分高度為768mm；
圖3-3 加濕倉結(jié)構(gòu)示意圖
3.3.2米倉容積
圓柱部分倉體高=0.768m；長方體高為H =0.20m；糙米加濕倉高
1. 0.5t糙米的體積計算
(r―糙米容重0.67t/m3)
2.加濕倉容米體積計算
加濕倉上端圓柱部分長度為=1.01m，內(nèi)徑為=0.45m；圓臺上端長方體長為=1.01m，寬為=0.64m，高度為=200mm；下端圓柱部分高度為=0.77m；
3.4 葉片設(shè)計
根據(jù)物料特性及工藝要求定，對于有液體添加的混合物料，槳葉應(yīng)選用結(jié)構(gòu)簡單的形狀，以減少卸料及清理困難。為了更好的使物料和水混合均勻，消除料水混合時攪拌死區(qū)，應(yīng)盡量加大槳葉與物料攪拌時的接觸面積。因此，我采用了兩邊長度不同的矩形槳葉形狀，每組槳葉都是有一個長槳葉[如圖4-1（a）]與一個短槳葉[如圖4-1（b）]組合而成，長度比為2:1。槳葉的設(shè)計表面不是平面結(jié)構(gòu)，是有一定曲面旋轉(zhuǎn)角度。如圖4-1所示。當(dāng)料與水混合后，攪拌槳葉在傳動裝置的帶動下，做單向的圓周運動。
（a）長槳葉結(jié)構(gòu)
（b）短槳葉結(jié)構(gòu)
圖4-1 槳葉結(jié)構(gòu)示意圖
葉片的安裝方式是保證調(diào)質(zhì)機(jī)性能的關(guān)鍵，安裝不恰當(dāng)，就不能達(dá)到期望的憂越性能；同時，也不能達(dá)到消除攪拌死區(qū)的效果。又根據(jù)物料流態(tài)化區(qū)的形成機(jī)理及軸的受力均衡情況，安裝了五組葉片，葉片組長、短槳葉相間安裝，安裝角如圖4-1所示。
4加濕裝置的設(shè)計
4.1工作原理
加濕作業(yè)時，先測量擬加濕的糙米含水率，確定最佳工藝方案后，按方案設(shè)定打開噴頭的數(shù)量、下料的速度以及轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)速范圍。糙米進(jìn)入進(jìn)料倉時，觸發(fā)物流傳感器；物流傳感器將信號傳遞給控制柜，啟動電機(jī)和供水系統(tǒng)；電機(jī)帶動轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)，撒下糙米；同時，霧化噴頭噴出水霧與下落的糙米混合，落入攪拌倉；在攪拌爪的攪動下，糙米間相互碰撞摩擦，游離的霧滴被涂抹到糙米表面，使糙米個體著水均勻；經(jīng)攪拌后的加濕糙米在攪拌爪的攪動下先后甩出料門，達(dá)到加濕調(diào)質(zhì)的目的。
4.2加濕噴頭的設(shè)計
根據(jù)微細(xì)霧化噴頭霧化特點，在米水混合倉殼體圓周方向均布安裝12個微細(xì)霧化噴頭，其噴頭座中心線距米水混合倉中興418mm，噴頭由螺栓固定在噴頭座內(nèi)，噴頭設(shè)置為間歇式噴水，每次有6個噴頭噴水。
根據(jù)最大加濕量= 88.5kg/ h 的要求，所安裝的12個噴頭每個噴頭的流量應(yīng)不低于 = 14.75kg / h。因為是在一次最大加濕量條件下的數(shù)值，故作為供水壓力中等水平( 0．5MPa) 時噴頭的流量。根據(jù)這一流量，選取 BSPT－1/4 LNN3型微細(xì)霧化噴頭，噴頭的流量為15．3L / h( 0.5MPa) ，噴流角度φ = 65°～70°。
4.3供水系統(tǒng)的設(shè)計
供水系統(tǒng)設(shè)計如圖 5-1所示。其中，12017 型號隔膜泵（3）的進(jìn)水口與出水口壓力差可調(diào)，通過調(diào)整壓力可控制噴頭（5）的噴霧量及霧滴的大小。隔膜泵的出水口由四通管連接 3 個球閥（4），分別控制著3個由水管連接的噴頭。隔膜泵（3）的動力由型號為JZT—2.2～4的電磁調(diào)速異步電動機(jī)（2）輸入，調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速由型號JD1A—11的電磁調(diào)速電動機(jī)控制裝置（1）控制。所以，加濕裝置的隔膜泵壓力可調(diào)，噴頭的個數(shù)可控，通過這兩種方式可以根據(jù)不同的需要調(diào)整加濕量的大小。
圖5-1供水系統(tǒng)示意圖
4.4噴霧量自動調(diào)節(jié)
通過進(jìn)料倉的物流傳感器感應(yīng)所下落的物料量，產(chǎn)生感應(yīng)信號，并將感應(yīng)信號傳輸?shù)娇刂乒瘢豢刂乒窀鶕?jù)事先錄入的程序，自動調(diào)節(jié)供水裝置中電磁調(diào)速異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)加濕裝置的隔膜泵壓力，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)加濕量。
5動力及傳動設(shè)計
5.1電機(jī)的選用
電機(jī)的選擇是通過電機(jī)的載荷來選取的，為此應(yīng)當(dāng)計算出橫流式加濕調(diào)質(zhì)機(jī)在工作過程中受到的所有外力和功率的大小。
在不校驗電動機(jī)發(fā)熱和起動力矩的情況下，電動機(jī)所需的工作功率為
式中： Pw —工作機(jī)所需工作功率；
η1 - 一條V帶的傳動效率；
η2 - 深溝球軸承的傳動效率；
T - 工作機(jī)的阻力矩；
n - 工作機(jī)的轉(zhuǎn)速。
假設(shè)：
阻力矩T 為161.6 N*m；轉(zhuǎn)速為30r/min
根據(jù)電動機(jī)的工作效率和工作范圍得：
=0.566kW
=(2～7)=327.1～1144.85
查機(jī)械工程設(shè)計手冊，選用電磁調(diào)速電機(jī)YCT132-4A-1.1kW。
5.2傳動部分設(shè)計
5.2.1 V帶傳動的設(shè)計
（1）計算功率
P=×=1.1×0.96=1.06kW
Pca=KP=1.44×11.06=1.53 kW （查表得工作情況系數(shù)K=1.44）。
（2）帶型的選取
根據(jù)Pca和n=1000 rpm確定選用A型V帶。
帶輪基準(zhǔn)直徑：取主動輪基準(zhǔn)直徑=120 mm。
從動輪直徑： =i =3×120=360 mm (傳動比i=500/163.5=3)。
（3）驗算帶的速度
υ= m/s合適。
根據(jù)0.7（+ ）
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