蕎麥物料特性及剝殼過程試驗研究*

馬宗雨，張志強(qiáng)，陳文星，杜文亮

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特市，010018)

0 引言

蕎麥又叫烏麥、三角麥、甜蕎麥。蕎麥在我國分布甚廣，多種植于地廣人稀，土壤貧瘠之地，蕎麥的營養(yǎng)價值頗高，是很好的食用作物，還含有蘆丁和煙酸等有益物對高血壓和糖尿病有顯著效果[1]。正是由于蕎麥的諸多優(yōu)點(diǎn)，其在國內(nèi)的需求量越來越大，蕎麥深加工企業(yè)發(fā)展迅速。然而，蕎麥米加工過程中所暴露的問題也越來越明顯，生產(chǎn)效率低、能耗高、剝殼率低等因素制約著蕎麥米加工行業(yè)的發(fā)展[2]。蕎麥在進(jìn)入剝殼機(jī)組加工時，會在輸送、剝殼、篩分等工序循環(huán)往復(fù)，直至加工結(jié)束，生產(chǎn)率受原料品種、含水率以及飽滿度等影響會發(fā)生變化，經(jīng)常導(dǎo)致原料供應(yīng)不足或過剩，經(jīng)前期理論分析與試驗探索得知，蕎麥復(fù)雜的物料特性是影響這一變化的因素之一，因此研究蕎麥在剝殼加工中的相關(guān)物料特性及其影響十分必要。蕎麥屬于散粒物料，散粒物料的物料特性包括摩擦特性、流動特性以及對容器的壓力等。其中，摩擦特性可用滑動摩擦角、滾動穩(wěn)定角、休止角和內(nèi)摩擦角來表述，流動特性可用內(nèi)摩擦角、粘聚力及流動函數(shù)值表述[3]。國內(nèi)外學(xué)者對散粒物料的物理特性的試驗研究大多集中于小麥[4]、水稻、玉米[5]等生產(chǎn)機(jī)械化程度比較高的作物上，也有對油菜[6]、花生[7]、蔬菜種子[8]等的研究，也有一些針對蕎麥[9]的物理特性測定，但并沒有針對這些物理特性做進(jìn)一步的實際加工的研究，而這些特性在蕎麥剝殼加工過程中的影響不明確，因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以初清除雜且含水相近的不同品種、不同飽滿度蕎麥為研究對象，分別測定其物料特性并進(jìn)行方差分析，最后在蕎麥剝殼機(jī)的輸送裝置上安裝微波固體流量計進(jìn)行流量測定，以及在剝殼機(jī)出口取樣，對一次剝殼率進(jìn)行測定。分析不同品種、不同飽滿度蕎麥籽粒的物料特性，以及在剝殼加工中對流量變化和一次剝殼率的影響，旨在為蕎麥剝殼機(jī)輸送裝置的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗物料是選用試驗室現(xiàn)有的3個品種的甜蕎麥，分別是內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市武川縣蕎麥、清水河縣蕎麥以及蒙0208蕎麥，并且經(jīng)過初清除雜以及分級處理，3個品種的蕎麥在試驗室放置一段時間的含水率分別為：武川縣蕎麥9.7%、清水河縣蕎麥10.0%、蒙0208蕎麥9.9%。

1.2 試驗儀器與設(shè)備

主要設(shè)備儀器有CNY-1型斜面儀、FT-104B型休止角測定儀、直剪儀、1 L量筒、電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺(量程150 mm，精度0.01 mm)、SFI微波固體流量計(型號：17-8511-11，測量范圍：1 m3/h)，蕎麥剝殼機(jī)組，主要由提升機(jī)進(jìn)料斗、提升機(jī)、輸料管、剝殼機(jī)進(jìn)料斗、剝殼機(jī)、振動篩等組成，提升機(jī)型號為TDTG18/100，提升量為3 t/h。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 蕎麥剝殼機(jī)組Fig.1 Buckwheat peeling unit1.振動篩 2.剝殼機(jī) 3.微波固體流量計 4.剝殼機(jī)進(jìn)料斗 5.輸料管 6.提升機(jī) 7.提升機(jī)進(jìn)料斗

1.3 試驗原理

1.3.1 受力模型分析

蕎麥所受摩擦力與實際接觸面積成正比，并與蕎麥自身的物理特性有關(guān)。它由兩部分組成，一部分是剪切接觸表面凸凹不平所需的剪切力，另一部分是克服接觸表面之間的粘附和粘聚所需的力。根據(jù)蕎麥籽粒的相對運(yùn)動建立Voigt模型[10]，圖2為兩顆粒接觸時的力學(xué)模型示意圖，用彈簧表示彈性元件，阻尼器表示粘性元件，當(dāng)剪切力超過其抗剪強(qiáng)度定義的表面摩擦?xí)r，剪切彈簧會發(fā)生屈服產(chǎn)生相對運(yùn)動，因此測定蕎麥的摩擦特性參數(shù)是十分必要的。

圖2 蕎麥籽粒接觸模型Fig.2 Buckwheat grain contact model1.受剪彈簧 2.正常彈簧 3.正常阻尼器 4.受剪阻尼器

1.3.2 不同飽滿度蕎麥的制備

飽滿度可以用球度來描述，球度可表示物體實際形狀和球體之間的差異程度，球度的數(shù)值越大，說明物體的形狀就越接近球體[11]，通過式(1)計算球度。

(1)

式中：SP——蕎麥籽粒的球度，%；

Dg——蕎麥籽粒的幾何平均徑，mm；

l、w、h——蕎麥籽粒的長度、寬度、高度尺寸，mm。

由式(1)可知球度與蕎麥籽粒的三軸尺寸有關(guān)，因此在蕎麥籽粒的飽滿度制備上可以選取同一品種(蒙0208)四個粒級(<φ4.0 mm、φ4.2～4.4 mm、φ4.6～4.8 mm、>φ5.0 mm)的蕎麥，用電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺對蕎麥籽粒的長、寬、高進(jìn)行測量，測量3次取平均值，測量結(jié)果如表1所示，求得4個粒級的蕎麥籽粒的飽滿度分別為：70.8%、74.0%、75.7%、77.0%。

表1 蕎麥籽粒三軸尺寸Tab.1 Triaxial grain size of buckwheat

1.4 試驗方案

1.4.1 蕎麥容重的測定

容重是反映糧食籽粒形狀及大小、胚乳質(zhì)地、整齊度、成熟度與飽滿度的綜合質(zhì)量指標(biāo)，是國內(nèi)外糧食評定等級及評價糧食工藝品質(zhì)的主要指標(biāo)[12]。此外，容重也是蕎麥剝殼過程中出米率的重要依據(jù)之一，因此有必要對不同品種、不同飽滿度的蕎麥的容重進(jìn)行測定，用1 L的量筒對容重進(jìn)行測量[13]。

1.4.2 蕎麥休止角的測定

休止角指散粒物料從一定高度自然連續(xù)地下落到平面上時，所堆積成的圓錐體母線與底平面的夾角，用φ表示，它反映了散粒物料的內(nèi)摩擦持性和散落性能[14]。使用FT-104B型休止角測定儀參考GB/T 11986—1989《表面活性劑 粉體和顆粒休止角的測量》對不同品種、不同飽滿度的蕎麥的休止角進(jìn)行測量。

1.4.3 蕎麥內(nèi)摩擦系數(shù)的測定

內(nèi)摩擦系數(shù)是散粒體內(nèi)部沿某一斷面切斷時，單位面積物料所受摩擦阻力與垂直壓力之比，反映物料層間的摩擦特性和抗剪強(qiáng)度[15]。其本質(zhì)是由于籽粒之間的相對滑動及凹凸面間的咬合鑲嵌作用產(chǎn)生的摩擦阻力[16]。利用直剪儀測定蕎麥的內(nèi)摩擦角，用式(2)計算其內(nèi)摩擦系數(shù)。

τ=c+σf

(2)

式中：τ——蕎麥籽粒的剪切應(yīng)力，kPa；

c——蕎麥的粘聚力，kPa；

σ——正應(yīng)力，kPa；

f——蕎麥的內(nèi)摩擦系數(shù)。

1.4.4 蕎麥滑動摩擦系數(shù)的測定

蕎麥在實際剝殼加工過程中，主要發(fā)生的是蕎麥與機(jī)器側(cè)壁、蕎麥與蕎麥之間的摩擦，因此，使用CNY-1型斜面儀分別測定不同品種、不同飽滿度的蕎麥與不銹鋼之間的滑動摩擦系數(shù)、蕎麥與蕎麥之間的滑動摩擦系數(shù)，利用式(3)計算其滑動摩擦系數(shù)。

μ=tanα

(3)

式中：μ——蕎麥的滑動摩擦系數(shù)；

α——蕎麥的滑動摩擦角。

1.4.5 在蕎麥剝殼機(jī)組中的流量測定

提升機(jī)進(jìn)料斗以及剝殼機(jī)進(jìn)料斗都有插板控制進(jìn)料量，在剝殼機(jī)進(jìn)料斗出口的直管段安裝微波固體流量計，在相同的提升機(jī)轉(zhuǎn)速與料門開度下，把不同品種、不同飽滿度的蕎麥喂入到蕎麥剝殼機(jī)組，分別完成3次輸送，每次進(jìn)行10 min，并保持料斗中的物料充足，保證一定的進(jìn)料壓力。通過微波固體流量計的顯示儀表讀取流量值，每30 s記錄一次瞬時流量，最后再記錄10 min的總流量，固體流量計的安裝如圖3所示。

圖3 微波固體流量計Fig.3 Microwave solid flowmeter1.SFI微波固體流量計 2.剝殼機(jī)進(jìn)料斗 3.顯示儀表

1.4.6 一次剝殼率的測定

將不同品種、不同飽滿度的蕎麥分別喂入蕎麥剝殼機(jī)組進(jìn)行剝殼(樣品只過一次剝殼機(jī)，即進(jìn)行不經(jīng)循環(huán)的一次剝殼)，在剝殼機(jī)出口取樣，測得該樣品的一次剝殼率。測量3次，求取平均值。按式(4)計算蕎麥的一次剝殼率。

(4)

式中：φ——一次剝殼率，%；

n1——合格米的質(zhì)量，g；

n——喂入總質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種的蕎麥物料特性分析

蒙0208(品種1)、清水河縣(品種2)、武川縣(品種3)的蕎麥在相同含水率、飽滿度下的容重、休止角、內(nèi)摩擦系數(shù)以及蕎麥與不銹鋼間的滑動摩擦系數(shù)、蕎麥與蕎麥間的滑動摩擦系數(shù)，以及流量變化情況和方差分析結(jié)果，如表2所示。

表2 不同品種蕎麥測定參數(shù)及方差分析Tab.2 Determination parameters and variance analysis of buckwheat of different cultivars

由表2可知，品種2蕎麥籽粒的容重大于品種1與品種3蕎麥籽粒的容重，而其休止角與內(nèi)摩擦系數(shù)均小于其余兩個品種。根據(jù)方差分析可知品種不同對蕎麥內(nèi)摩擦系數(shù)影響顯著(P<0.05)，對休止角影響極顯著(P<0.01)，不同品種的蕎麥休止角不同，是由表面粗糙度差異造成的，而品種對蕎麥籽粒的容重、滑動摩擦系數(shù)、流量影響不顯著的原因是已經(jīng)對蕎麥進(jìn)行過篩分分級，加上含水率接近，最大程度上減少了品種不同帶來的差異。

利用微波固體流量計測得10 min的瞬時流量如圖4所示，從圖4中可以看出3個品種的蕎麥瞬時流量變化較小基本維持在175～190 kg/h，從表2可以看出3個品種的總流量相差也不大。

圖4 不同品種蕎麥輸送瞬時流量Fig.4 Different varieties of buckwheat transport instantaneous flow

不同品種蕎麥的一次剝殼率如圖5所示，從圖5中可以看出3個品種蕎麥的一次剝殼率變化不大，曲線變化較平穩(wěn)。

圖5 不同品種蕎麥的一次剝殼率Fig.5 One-time peeling rate of different varieties of buckwheat

2.2 不同飽滿度的蕎麥物料特性分析

表3是相同品種(蒙0208)的蕎麥在相同含水率、不同飽滿度下的容重、休止角、內(nèi)摩擦系數(shù)以及蕎麥與不銹鋼、蕎麥與蕎麥間的滑動摩擦系數(shù)，以及流量變化情況和方差分析結(jié)果。容重在一定程度上能反映出蕎麥籽粒的飽滿程度，籽粒越飽滿其凹凸面間的咬合鑲嵌作用越小，孔隙率越小，由表3可知，隨著飽滿度的增大容重隨之減小，而休止角、內(nèi)摩擦系數(shù)則與飽滿度成正比關(guān)系。一般認(rèn)為同一種物料，粒徑愈小休止角愈大，而蕎麥籽粒卻與之相反，分析其原因為蕎麥籽粒形狀呈三菱形所致，導(dǎo)致蕎麥越飽滿其孔隙率相應(yīng)會變小，抵抗剪切變形力變大使物料不易散落，在蕎麥剝殼機(jī)組的輸送裝置中更容易被提升因而其流量也會更大。蕎麥與不銹鋼、蕎麥與蕎麥之間的滑動摩擦系數(shù)與飽滿度成反比，因為蕎麥越飽滿其相互接觸表面弧度會變大，越容易發(fā)生相對滑動。

表3 不同飽滿度蕎麥測定參數(shù)及方差分析Tab.3 Determination parameters and variance analysis of buckwheat with different fullness

根據(jù)方差分析可知飽滿度對容重、休止角、內(nèi)摩擦系數(shù)、蕎麥與不銹鋼之間的滑動摩擦系數(shù)、蕎麥與蕎麥間的滑動摩擦系數(shù)皆影響極顯著(P<0.01)，對流量變化影響也極顯著(P<0.01)。從圖6可以看出，瞬時流量隨著飽滿度的增大而增大，總流量也隨之增大，反映出在蕎麥剝殼機(jī)的提升與輸送過程中，籽粒越大越飽滿其流動性能越好，越有利于生產(chǎn)加工。

圖6 不同飽滿度蕎麥輸送瞬時流量Fig.6 Different satiety of buckwheat transport instantaneous flow

不同飽滿度蕎麥的一次剝殼率如圖7所示，從圖7中可以看出，隨著飽滿度的增大一次剝殼率隨之增大，因而可以反映出飽滿度增大剝殼效率會相應(yīng)增加。

圖7 不同飽滿度蕎麥的一次剝殼率Fig.7 One-time peeling rate of buckwheat with different fullness

3 結(jié)論

1)蕎麥的物料特性隨著品種不同、飽滿度的不同而不同，不同品種的蕎麥由于經(jīng)過篩分分級加上含水率相近，只對休止角與內(nèi)摩擦系數(shù)影響顯著(P<0.05)，對其他所測物料特性與流量的變化影響不顯著，且對一次剝殼率的影響變化不大。

2)飽滿度不同對蕎麥的各物料特性影響皆極顯著(P<0.01)，其中休止角、內(nèi)摩擦系數(shù)與飽滿度成正比關(guān)系，蕎麥籽粒與不銹鋼之間的滑動摩擦系數(shù)、蕎麥與蕎麥之間的滑動摩擦系數(shù)與飽滿度成反比關(guān)系。不同飽滿度對流量變化影響也極顯著(P<0.01)，隨著飽滿度的增大瞬時流量與總流量皆成增大趨勢，一次剝殼率也隨著飽滿度的增大而增大，因而剝殼效率也會隨之增大。因此，在實際生產(chǎn)加工過程中，有必要針對不同飽滿度的蕎麥選擇合適的喂入量與輸送轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)流量變化來適應(yīng)蕎麥剝殼機(jī)的剝殼效率，可以有效提高生產(chǎn)率。另外，可以對不同粒徑的蕎麥籽粒做進(jìn)一步的細(xì)分分級，以此來減少飽滿度不同帶來的差異。