大型气压全自动胶辊砻谷机关键技术研究与研制

阮竞兰，伍维维，武照云，安红周

（1.河南工业大学，郑州 450001；2.广东省科技合作研究促进中心，广州 510033）

0 引言

我国粮食作物中稻谷种植面积最大、总产量最多，世界上有半数以上人口以大米为主食。稻谷加工是粮食产业链中的重要组成部分，也是食品加工的基础工业，在国民经济和国家粮食安全中具有重要的地位和作用。稻谷加工主要包括：清理去石、砻谷脱壳、谷糙分离、抛光及色选等工序，由于稻谷加工长期存在着单机产量低、加工能耗高、自动化程度低等问题，不能满足粮食加工行业规模化生产需要，严重制约了稻谷加工行业的发展。加快发展大型、高效、绿色、节能的稻谷加工装备已成为解决上述问题最有效的途径[1]。

针对我国稻谷加工装备存在单机产量小、生产效率低、加工能耗高、工作稳定性差、自动化水平低等问题，我们以提高稻谷加工装备技术水平为目标，以稻谷加工装备的大型化、高效化、自动化、绿色化、节能化为重点，采取“理论研究→优化工艺与参数→结构创新→开发研制→推广应用”的技术路线，对稻谷加工主机装备胶辊砻谷机见图1，开展深入系统的研究。

1 基于复杂数据关联分析胶辊砻谷机参数优化

稻谷加工过程中稻谷脱壳是重要的加工环节和关键工序，稻谷脱壳工艺效果的好坏，将直接影响后续加工成品米的质量、出率、破碎率和产量。脱壳常用设备为胶辊砻谷机，其主要工作构件是一对做相向不等速旋转运动的橡胶辊筒。当谷粒送入工作区后受到两胶辊施加的挤压力，以及由两胶辊速度差所产生的摩擦力，挤压力与摩擦力的综合作用产生撕搓效应，从而使稻壳破裂与糙米分离完成脱壳。胶辊砻谷机工作参数与工艺指标之间的内在关系以及最优工作参数的选择始终是困扰行业的难题，缺乏深入系统的理论研究。为此，我们以胶辊砻谷机最佳工艺效果为目标，创建基于复杂数据关联分析的工作参数优化配置方法。根据工作参数与工艺效果之间相互制约的关系，综合采用回归方程法、正交试验分析法、响应面分析法与矩阵分析法等方法，对工作参数与工艺指标之间的变化规律和影响关系进行关联分析，建立了胶辊砻谷机不同辊压、快辊线速、流量、线速差与所对应工艺评定参数脱壳率、破碎率、产量、胶耗、电耗之间的数学模型，研究和设计出最优参数组合，其最佳工作参数为：辊间压力6.5～7.0 kg/cm，快辊线速 16～18.5 m/s，快慢辊线速差 2.7～3.2 m/s。

胶辊砻谷机工作参数多因素、多指标正交试验分析得到的极差分析与方差分析结果见表1。

表1 正交试验结果的统计分析

由表1中极差与方差分析可知，胶辊砻谷机工作参数中，辊间压力和线速差对脱壳工艺性能指标脱壳率、产量、破碎率和胶耗等影响最为显著；进机流量主要影响到产量和破碎率，而对脱壳率和胶辊胶耗影响均较小；另外，快辊线速对脱壳率、产量、破碎率等有极为显著的影响，但对胶耗的影响较小。

达到高产量是设备研究设计者所追求的目标，我们以砻谷产量Y为目标进行响应面分析，获得二次回归方程为：

式中 X1——辊间压力，kg·cm-1；

X2——进机流量 kg·（cm·h）-1；

X3——快辊线速，m·s-1；

X4——线速差，m·s-1。

相应的响应面分析见图2、图3、图4。

由上述响应曲面图可知，所有响应面均为开口向下的凸曲面，反映出无论各因素怎样变化，必有最佳砻谷产量值存在。当辊间压力为6.0～6.5 kg/cm、线速差为 2.9～3.3 m/s、快辊线速为17～18 m/s之间时，所得响应值砻谷产量最大。经计算优化得最佳工作参数分别为：辊间压力6.18 kg/cm、进机流量 173.9 kg/（cm·h）、快辊线速17.0 m/s、线速差 3.06 m/s。

2 胶辊砻谷机能量循环调控机制的研究

目前，国内外胶辊砻谷机普遍采用单台电机+齿轮变速箱+皮带传动组合的多级变速传动机构，如图5所示。电机经联轴器至齿轮变速箱完成动力输入，齿轮变速箱则通过两根输出轴分别由皮带传动快慢胶辊，并实现快、慢胶辊的相向旋转运动。该齿轮变速箱所起作用：（1）速度转换，通过换挡变速控制胶辊转速，同时也可实现快慢辊互换；（2）运动方向转换，将电机输入的单向旋转运动转换成快、慢胶辊的相向旋转运动；（3）能量反馈与循环。它不仅起到速度转换作用，还担负着负载时摩擦传动所独有的定速和能量反馈作用，由胶辊砻谷机脱壳原理可知，负载时快慢胶辊以一定的辊间压力和线速差作用于谷粒，快辊通过谷粒摩擦强制慢辊加速，此时，齿轮变速箱则起定速作用，限制慢辊加速并使其以一定速比转动，实现工作机构件之间封闭的循环功率系统。齿轮变速箱不仅为原动机与工作机之间的独立闭式传动装置，还是工作机构件之间封闭的循环功率系统，这也正是传统胶辊砻谷机必需设置齿轮变速箱（传动—定速机构）的主要原因。这种多级变速传动机构不仅结构较为复杂，而且存在噪声大、故障率高、传动效率低、齿轮箱漏油、污染等问题。

为此，根据动力学原理和差速传动的特性，对胶辊砻谷机的动力传递规律开展了深入系统研究，建立传动系统模型见图6。

探明胶辊砻谷机双电机驱动装置的能量流循环调控机制，解决胶辊砻谷机负载时能量流循环传递问题，为节能降耗提供理论依据[2-5]。突破原有传动方式，创新设计了胶辊砻谷机双电机驱动装置，采用双变频电机直接对胶辊砻谷机快、慢辊进行分别驱动，去掉齿轮变速箱及快、慢辊间的传动-定速机构，通过机电系统实现负载状态下的能量封闭，其封闭路线为“快辊电机—快辊—慢辊—慢辊电机—快辊电机”，完成“电能→机械能→电能”的能量双向转换与回收循环利用，极大降低了胶辊砻谷机能耗，简化了整体结构，提高了传动效率，降低了设备故障率，提高了工作运行的可靠性。省去原传动系统中齿轮变速箱后，也解决了机械换挡不能无级调速和精确控制快慢辊线速度与线速差，以及振动、噪声、漏油等一系列问题。该双电机驱动装置设有控制和检测单元，利用可编程控制器及变频器对变频电机进行无级调速，以满足快慢辊转速较为精确的控制需求，能够根据胶辊磨损情况方便的交替变换快慢辊，按照工艺需要调节快慢胶辊线速差，并消除传统胶辊砻谷机快、慢辊运动的耦合性，实现工作参数的任意调节。该技术已获国家发明专利，它不仅提高了设备的自动化程度，并解决了能量回收再利用问题，实现了稻谷脱壳的绿色加工。

3 大型气压全自动胶辊砻谷机研制

在新型胶辊砻谷机双电机驱动装置的基础上，采用经现代试验设计理论和方法所获得的优化工作参数，运用现代控制技术与自动检测技术，对设备运行状态与参数进行自动控制[6-8]，研制了双变频电机驱动的大型气压全自动胶辊砻谷机如图7所示。

整机工作状态通过触摸屏人机界面对话，智能操作，功能界面灵活、美观，且具有可扩展性，实现了胶辊砻谷机的数字化调节与控制。从进机流量、喂料层厚、辊压调节及工作参数等均实现了自动控制，整机工作状态实时显示。进料箱内设置料位器通过可编程控制器监控进料情况，实现自动喂料、有料自动合辊，无料自动分辊，自动流量控制，自动启闭料门；喂料淌板上装置料层厚度传感器，以采集物料层厚度数据，并根据振动喂料器预设值控制和调节振幅大小，从而达到控制送料速度、稳定喂料淌板上料层厚度的目的，为确保脱壳效率提供条件；双电机变频驱动快慢辊实现了胶辊线速、线速差的自动控制，以及快慢辊的自动定时切换；系统配备了气压传感器和电流传感器，通过读取电流表数据实时监控胶辊间辊压及电机电流，辊间压力自动调节，并设有超负荷报警功能，以防辊压过大或产量过大而导致过流等问题。研制的大型气压全自动胶辊砻谷机推广应用后取得了显著的社会效益与经济效益，其技术指标为：处理量10吨/小时，脱壳率达92%，糙碎率降低2%，胶耗降低15%，同等产量下能耗降低30%。

4 结语

本项目综合运用现代分析方法，研究了基于复杂数据关联的胶辊砻谷机工作参数优化配置方案。在探明胶辊砻谷机能量流循环调控机制的基础上，创新设计胶辊砻谷机双电机驱动装置，彻底解决胶辊砻谷机负载时能量流循环传递问题[9-12]。研制开发的大型气压全自动胶辊砻谷机，具有整体结构简单、性能优良、工作稳定、能耗低、产量大、脱壳率高、自动化水平高等特点。