基于智能控制的碾米機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

王思佳,王振宏

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,長春 130022)

0 引言

碾米機(jī)工作過程中,主要依靠米粒之間以及米粒與碾米機(jī)作用構(gòu)件之間的相互作用力使糙米層脫離。碾米機(jī)中的碾輥和米篩之間的空腔是碾白空間區(qū)域,糙米粒在碾白空間區(qū)域內(nèi)受到不同的作用力,米層被剝落[1-2]。碾米機(jī)工作性能與碾米輥、碾白壓力以及碾白率具有直接關(guān)系,主要受到碾米輥上的碾筋數(shù)量、碾筋高度以及碾筋的傾角大小影響[3-4]。

為此,根據(jù)碾米機(jī)的工作原理,利用數(shù)值仿真分析的方式對(duì)碾筋進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),為碾筋結(jié)構(gòu)的合理化設(shè)計(jì)提供參考,同時(shí)為碾米機(jī)的穩(wěn)定工作提供理論支持。

1 碾米機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

碾米機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包含落料裝置、輸送器、碾輥、米篩筒以及出米阻力調(diào)節(jié)裝置[5],如圖1所示。為簡化分析研究對(duì)象,在此僅對(duì)碾米機(jī)連續(xù)作業(yè)過程中的相關(guān)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 碾米機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Overall structure diagram of rice mill

碾米機(jī)當(dāng)中碾輥的設(shè)計(jì)參數(shù)表達(dá)式為

其中,Aq為碾輥單位產(chǎn)量運(yùn)動(dòng)面積,取Aq=5m2/kg;n為碾輥轉(zhuǎn)速,取n=800r/min;D為碾輥直徑(mm);Q為碾米機(jī)產(chǎn)量,取Q=48kg/h;l為碾輥長度,取l=4D。

計(jì)算得出,所設(shè)計(jì)碾輥直徑為20mm,碾輥長度為80mm。碾米輸送器采用單頭螺旋式傳輸器,螺距為12mm,落料裝置口部寬度為24mm,輸送器長度為60mm,螺旋輸送裝置外徑與筒壁之間的間隙為6mm。

2 碾米機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

碾米機(jī)工作過程中,螺旋輸送機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)米粒在碾輥和米篩筒之間碰撞摩擦,完成糙米皮的剝落過程[6-7]。碾輥上的碾筋與米篩筒之間間隙值、碾筋數(shù)量以及碾筋傾角均會(huì)影響碾米機(jī)的工作性能[8]。碾筋高度直接決定碾筋與米篩筒之間的間隙值,碾輥上碾筋數(shù)量一般設(shè)計(jì)為2～6根,傾角不大于6°,碾筋與米篩筒之間間隙值設(shè)計(jì)為6～10mm。為保證碾米機(jī)的工作性能,碾米機(jī)設(shè)計(jì)過程中主要進(jìn)行碾筋高度、碾筋數(shù)量以及碾筋傾角設(shè)計(jì)[9]。碾米機(jī)工作過程中米粒運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2所示。

圖2 米粒運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.2 Diagram of rice grain movement

碾米品質(zhì)不僅與米粒自身的力學(xué)特性有關(guān),而且與碾米機(jī)的力學(xué)性能有直接關(guān)系。碾白空間區(qū)域壓力指標(biāo)直接決定碾米過程中的碎米程度和含谷程度,碾米過程中單粒米的受力可表示為

F=ma=2mnv2

其中,F為單粒米所受外力;m為單粒米質(zhì)量;v2為米粒的徑向速度。

碾米過程中,米粒在碾白空間區(qū)域內(nèi)緊密接觸時(shí)形成的碾米密實(shí)壓力為

其中,V為碾白空間區(qū)域體積;nu為區(qū)域內(nèi)米粒數(shù)。

當(dāng)米粒平均容量為γ時(shí),則

由此可以得出碾白壓力為

Pm=2γnv2

在實(shí)際碾米過程中,碾白空間區(qū)域內(nèi)的米粒不是緊密接觸的,而是存在間隔空隙,需要對(duì)米粒的容重進(jìn)行修正。假設(shè)修正系數(shù)為λ,碾白空間區(qū)域內(nèi)的壓力與修正系數(shù)之間具有直接影響關(guān)系[10-11]。由于碾白區(qū)域?yàn)槿S空間,因此引入碾白空間區(qū)域內(nèi)的壓力修正系數(shù)λ3,此時(shí)碾白壓力可表示為

P=2γλ3nv2

碾白壓力直接影響碾米機(jī)的工作效率,碾米機(jī)工作過程中的穩(wěn)定性可用碾白壓力波動(dòng)性來進(jìn)行評(píng)定。當(dāng)碾白壓力具有較大的波動(dòng)時(shí),所獲取到的米粒品質(zhì)相對(duì)較低[12]。因此,在標(biāo)定碾白壓力波動(dòng)值時(shí),采用碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)定的方式,即

在實(shí)際使用過程中,采用碾白壓力波動(dòng)值和碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差來對(duì)不同的碾輥和碾米機(jī)工作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 碾米機(jī)數(shù)值仿真分析

粳稻籽粒外形近似于橢球形,碾米過程中米粒與米粒之間的粘附力可以忽略不計(jì),米粒在三維空間中的受力可以分解為切線方向和法線方向的兩個(gè)作用力,每個(gè)方向的受力可以簡化為彈簧阻尼受力模型,籽粒在切線方向的受力同時(shí)要考慮庫侖摩擦力影響[13-14]。將籽粒所受的切向作用力和法向作用力進(jìn)行耦合求解,得出碾米過程中籽粒所受的空間作用力。在進(jìn)行碾米機(jī)工作性能仿真分析過程中,相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真過程物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of simulation process

仿真分析過程中,假設(shè)籽粒供料充足,螺旋輸送器與碾輥的旋轉(zhuǎn)速度相同,均為800r/min,設(shè)定數(shù)據(jù)提取時(shí)間段為穩(wěn)定段內(nèi)的2s時(shí)間,監(jiān)測(cè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)狀態(tài)下碾白壓力分布狀態(tài)。圖3為4個(gè)碾筋、高度為4mm、傾角為6°時(shí),碾白壓力分布狀態(tài)曲線;圖4為6個(gè)碾筋、高度為3mm、傾角為6°時(shí)碾白壓力分布狀態(tài)曲線;圖5為8個(gè)碾筋、高度為2mm、傾角為6°時(shí)碾白壓力分布狀態(tài)曲線;圖6為8個(gè)碾筋、高度為4mm、傾角為3°時(shí)碾白壓力分布狀態(tài)曲線。

圖3 碾白壓力分布狀態(tài)曲線(4、4、6)Fig.3 Whitening pressure distribution state curve (4,4, 6)

圖4 碾白壓力分布狀態(tài)曲線(6、3、6)Fig.4 Whitening pressure distribution state curve (6,3,6)

圖5 碾白壓力分布狀態(tài)曲線(8、2、6)Fig.5 Whitening pressure distribution state curve (8,2,6)

圖6 碾白壓力分布狀態(tài)曲線(8、4、3)Fig.6 Whitening pressure distribution state curve (8,4,3)

由圖3～圖6可以看出,碾白壓力分布狀態(tài)與碾筋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)關(guān)系緊密。當(dāng)碾筋數(shù)量為4、高度為4mm、傾角為6°時(shí),碾白壓力主要分布在2.2～2.4kPa范圍內(nèi);當(dāng)碾筋數(shù)量為8、高度為2mm、傾角為6°時(shí),碾白壓力主要分布在0.75～0.8kPa范圍內(nèi)。這表明,兩種碾輥之間的碾白壓力差較大。

碾米機(jī)工作過程中,要求碾白壓力足夠高,工作過程中不產(chǎn)生較大的碾白壓力波動(dòng)。碾白壓力波動(dòng)可通過壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行衡量,當(dāng)碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差較低時(shí),碾白壓力波動(dòng)較小。表2為4種仿真結(jié)果中碾白壓力平均值與碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表2 碾白壓力仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Simulation and statistical results of whitening pressure

由表2可以看出:碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值為111.4Pa,碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差最小值為29.5Pa。本文重點(diǎn)對(duì)這兩種狀態(tài)進(jìn)行分析,研究碾白空間區(qū)域內(nèi)籽粒數(shù)量變化過程。圖7為最大碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)碾白空間區(qū)域內(nèi)籽粒數(shù)量分布狀態(tài),圖8為最小碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)碾白空間區(qū)域內(nèi)籽粒數(shù)量分布狀態(tài)。

圖7 籽粒數(shù)量分布狀態(tài)(4、4、6)Fig.7 Grain quantity distribution status (4, 4, 6)

圖8 籽粒數(shù)量分布狀態(tài)(8、4、3)Fig.8 Grain quantity distribution status (8, 4, 3)

由圖7、圖8可以看出:沿著螺旋輸送擠壓至出料口方向,籽粒數(shù)量均勻下降,在碾白空間區(qū)域內(nèi)籽粒的流動(dòng)密度分布狀態(tài)沒有明顯的規(guī)律可循。通過對(duì)碾白空間區(qū)域內(nèi)的同一位置進(jìn)行分析可以看出:碾白壓力越高、碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差越大時(shí),籽粒數(shù)量的變化幅度越大;碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差較小時(shí),籽粒數(shù)量變化相對(duì)平緩。

4 結(jié)論

數(shù)值仿真分析結(jié)果表明:碾米機(jī)中碾筋根數(shù)、高度以及傾角直接影響碾米機(jī)的工作性能,碾筋高度直接決定碾米過程中碾白壓力大小,碾筋數(shù)量影響碾白壓力的波動(dòng)程度,碾白壓力概率密度隨著碾白壓力標(biāo)準(zhǔn)差的變化而變化。綜合分析仿真數(shù)據(jù)曲線,確定設(shè)計(jì)碾筋數(shù)量為6、高度為3mm、傾角為6°,此時(shí)平均碾白壓力為1.6kPa,具有較高的穩(wěn)定性。