荞麦物料特性及剥壳过程试验研究*

马宗雨，张志强，陈文星，杜文亮

(内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特市，010018)

0 引言

荞麦又叫乌麦、三角麦、甜荞麦。荞麦在我国分布甚广，多种植于地广人稀，土壤贫瘠之地，荞麦的营养价值颇高，是很好的食用作物，还含有芦丁和烟酸等有益物对高血压和糖尿病有显著效果[1]。正是由于荞麦的诸多优点，其在国内的需求量越来越大，荞麦深加工企业发展迅速。然而，荞麦米加工过程中所暴露的问题也越来越明显，生产效率低、能耗高、剥壳率低等因素制约着荞麦米加工行业的发展[2]。荞麦在进入剥壳机组加工时，会在输送、剥壳、筛分等工序循环往复，直至加工结束，生产率受原料品种、含水率以及饱满度等影响会发生变化，经常导致原料供应不足或过剩，经前期理论分析与试验探索得知，荞麦复杂的物料特性是影响这一变化的因素之一，因此研究荞麦在剥壳加工中的相关物料特性及其影响十分必要。荞麦属于散粒物料，散粒物料的物料特性包括摩擦特性、流动特性以及对容器的压力等。其中，摩擦特性可用滑动摩擦角、滚动稳定角、休止角和内摩擦角来表述，流动特性可用内摩擦角、粘聚力及流动函数值表述[3]。国内外学者对散粒物料的物理特性的试验研究大多集中于小麦[4]、水稻、玉米[5]等生产机械化程度比较高的作物上，也有对油菜[6]、花生[7]、蔬菜种子[8]等的研究，也有一些针对荞麦[9]的物理特性测定，但并没有针对这些物理特性做进一步的实际加工的研究，而这些特性在荞麦剥壳加工过程中的影响不明确，因此有必要进行进一步的研究。

本文在前人研究的基础上，以初清除杂且含水相近的不同品种、不同饱满度荞麦为研究对象，分别测定其物料特性并进行方差分析，最后在荞麦剥壳机的输送装置上安装微波固体流量计进行流量测定，以及在剥壳机出口取样，对一次剥壳率进行测定。分析不同品种、不同饱满度荞麦籽粒的物料特性，以及在剥壳加工中对流量变化和一次剥壳率的影响，旨在为荞麦剥壳机输送装置的优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验物料是选用试验室现有的3个品种的甜荞麦，分别是内蒙古自治区呼和浩特市武川县荞麦、清水河县荞麦以及蒙0208荞麦，并且经过初清除杂以及分级处理，3个品种的荞麦在试验室放置一段时间的含水率分别为：武川县荞麦9.7%、清水河县荞麦10.0%、蒙0208荞麦9.9%。

1.2 试验仪器与设备

主要设备仪器有CNY-1型斜面仪、FT-104B型休止角测定仪、直剪仪、1 L量筒、电子数显游标卡尺(量程150 mm，精度0.01 mm)、SFI微波固体流量计(型号：17-8511-11，测量范围：1 m3/h)，荞麦剥壳机组，主要由提升机进料斗、提升机、输料管、剥壳机进料斗、剥壳机、振动筛等组成，提升机型号为TDTG18/100，提升量为3 t/h。其结构示意图如图1所示。

图1 荞麦剥壳机组Fig.1 Buckwheat peeling unit1.振动筛 2.剥壳机 3.微波固体流量计 4.剥壳机进料斗 5.输料管 6.提升机 7.提升机进料斗

1.3 试验原理

1.3.1 受力模型分析

荞麦所受摩擦力与实际接触面积成正比，并与荞麦自身的物理特性有关。它由两部分组成，一部分是剪切接触表面凸凹不平所需的剪切力，另一部分是克服接触表面之间的粘附和粘聚所需的力。根据荞麦籽粒的相对运动建立Voigt模型[10]，图2为两颗粒接触时的力学模型示意图，用弹簧表示弹性元件，阻尼器表示粘性元件，当剪切力超过其抗剪强度定义的表面摩擦时，剪切弹簧会发生屈服产生相对运动，因此测定荞麦的摩擦特性参数是十分必要的。

图2 荞麦籽粒接触模型Fig.2 Buckwheat grain contact model1.受剪弹簧 2.正常弹簧 3.正常阻尼器 4.受剪阻尼器

1.3.2 不同饱满度荞麦的制备

饱满度可以用球度来描述，球度可表示物体实际形状和球体之间的差异程度，球度的数值越大，说明物体的形状就越接近球体[11]，通过式(1)计算球度。

(1)

式中：SP——荞麦籽粒的球度，%；

Dg——荞麦籽粒的几何平均径，mm；

l、w、h——荞麦籽粒的长度、宽度、高度尺寸，mm。

由式(1)可知球度与荞麦籽粒的三轴尺寸有关，因此在荞麦籽粒的饱满度制备上可以选取同一品种(蒙0208)四个粒级(<φ4.0 mm、φ4.2～4.4 mm、φ4.6～4.8 mm、>φ5.0 mm)的荞麦，用电子数显游标卡尺对荞麦籽粒的长、宽、高进行测量，测量3次取平均值，测量结果如表1所示，求得4个粒级的荞麦籽粒的饱满度分别为：70.8%、74.0%、75.7%、77.0%。

表1 荞麦籽粒三轴尺寸Tab.1 Triaxial grain size of buckwheat

1.4 试验方案

1.4.1 荞麦容重的测定

容重是反映粮食籽粒形状及大小、胚乳质地、整齐度、成熟度与饱满度的综合质量指标，是国内外粮食评定等级及评价粮食工艺品质的主要指标[12]。此外，容重也是荞麦剥壳过程中出米率的重要依据之一，因此有必要对不同品种、不同饱满度的荞麦的容重进行测定，用1 L的量筒对容重进行测量[13]。

1.4.2 荞麦休止角的测定

休止角指散粒物料从一定高度自然连续地下落到平面上时，所堆积成的圆锥体母线与底平面的夹角，用φ表示，它反映了散粒物料的内摩擦持性和散落性能[14]。使用FT-104B型休止角测定仪参考GB/T 11986—1989《表面活性剂 粉体和颗粒休止角的测量》对不同品种、不同饱满度的荞麦的休止角进行测量。

1.4.3 荞麦内摩擦系数的测定

内摩擦系数是散粒体内部沿某一断面切断时，单位面积物料所受摩擦阻力与垂直压力之比，反映物料层间的摩擦特性和抗剪强度[15]。其本质是由于籽粒之间的相对滑动及凹凸面间的咬合镶嵌作用产生的摩擦阻力[16]。利用直剪仪测定荞麦的内摩擦角，用式(2)计算其内摩擦系数。

τ=c+σf

(2)

式中：τ——荞麦籽粒的剪切应力，kPa；

c——荞麦的粘聚力，kPa；

σ——正应力，kPa；

f——荞麦的内摩擦系数。

1.4.4 荞麦滑动摩擦系数的测定

荞麦在实际剥壳加工过程中，主要发生的是荞麦与机器侧壁、荞麦与荞麦之间的摩擦，因此，使用CNY-1型斜面仪分别测定不同品种、不同饱满度的荞麦与不锈钢之间的滑动摩擦系数、荞麦与荞麦之间的滑动摩擦系数，利用式(3)计算其滑动摩擦系数。

μ=tanα

(3)

式中：μ——荞麦的滑动摩擦系数；

α——荞麦的滑动摩擦角。

1.4.5 在荞麦剥壳机组中的流量测定

提升机进料斗以及剥壳机进料斗都有插板控制进料量，在剥壳机进料斗出口的直管段安装微波固体流量计，在相同的提升机转速与料门开度下，把不同品种、不同饱满度的荞麦喂入到荞麦剥壳机组，分别完成3次输送，每次进行10 min，并保持料斗中的物料充足，保证一定的进料压力。通过微波固体流量计的显示仪表读取流量值，每30 s记录一次瞬时流量，最后再记录10 min的总流量，固体流量计的安装如图3所示。

图3 微波固体流量计Fig.3 Microwave solid flowmeter1.SFI微波固体流量计 2.剥壳机进料斗 3.显示仪表

1.4.6 一次剥壳率的测定

将不同品种、不同饱满度的荞麦分别喂入荞麦剥壳机组进行剥壳(样品只过一次剥壳机，即进行不经循环的一次剥壳)，在剥壳机出口取样，测得该样品的一次剥壳率。测量3次，求取平均值。按式(4)计算荞麦的一次剥壳率。

(4)

式中：φ——一次剥壳率，%；

n1——合格米的质量，g；

n——喂入总质量，g。

2 结果与分析

2.1 不同品种的荞麦物料特性分析

蒙0208(品种1)、清水河县(品种2)、武川县(品种3)的荞麦在相同含水率、饱满度下的容重、休止角、内摩擦系数以及荞麦与不锈钢间的滑动摩擦系数、荞麦与荞麦间的滑动摩擦系数，以及流量变化情况和方差分析结果，如表2所示。

表2 不同品种荞麦测定参数及方差分析Tab.2 Determination parameters and variance analysis of buckwheat of different cultivars

由表2可知，品种2荞麦籽粒的容重大于品种1与品种3荞麦籽粒的容重，而其休止角与内摩擦系数均小于其余两个品种。根据方差分析可知品种不同对荞麦内摩擦系数影响显著(P<0.05)，对休止角影响极显著(P<0.01)，不同品种的荞麦休止角不同，是由表面粗糙度差异造成的，而品种对荞麦籽粒的容重、滑动摩擦系数、流量影响不显著的原因是已经对荞麦进行过筛分分级，加上含水率接近，最大程度上减少了品种不同带来的差异。

利用微波固体流量计测得10 min的瞬时流量如图4所示，从图4中可以看出3个品种的荞麦瞬时流量变化较小基本维持在175～190 kg/h，从表2可以看出3个品种的总流量相差也不大。

图4 不同品种荞麦输送瞬时流量Fig.4 Different varieties of buckwheat transport instantaneous flow

不同品种荞麦的一次剥壳率如图5所示，从图5中可以看出3个品种荞麦的一次剥壳率变化不大，曲线变化较平稳。

图5 不同品种荞麦的一次剥壳率Fig.5 One-time peeling rate of different varieties of buckwheat

2.2 不同饱满度的荞麦物料特性分析

表3是相同品种(蒙0208)的荞麦在相同含水率、不同饱满度下的容重、休止角、内摩擦系数以及荞麦与不锈钢、荞麦与荞麦间的滑动摩擦系数，以及流量变化情况和方差分析结果。容重在一定程度上能反映出荞麦籽粒的饱满程度，籽粒越饱满其凹凸面间的咬合镶嵌作用越小，孔隙率越小，由表3可知，随着饱满度的增大容重随之减小，而休止角、内摩擦系数则与饱满度成正比关系。一般认为同一种物料，粒径愈小休止角愈大，而荞麦籽粒却与之相反，分析其原因为荞麦籽粒形状呈三菱形所致，导致荞麦越饱满其孔隙率相应会变小，抵抗剪切变形力变大使物料不易散落，在荞麦剥壳机组的输送装置中更容易被提升因而其流量也会更大。荞麦与不锈钢、荞麦与荞麦之间的滑动摩擦系数与饱满度成反比，因为荞麦越饱满其相互接触表面弧度会变大，越容易发生相对滑动。

表3 不同饱满度荞麦测定参数及方差分析Tab.3 Determination parameters and variance analysis of buckwheat with different fullness

根据方差分析可知饱满度对容重、休止角、内摩擦系数、荞麦与不锈钢之间的滑动摩擦系数、荞麦与荞麦间的滑动摩擦系数皆影响极显著(P<0.01)，对流量变化影响也极显著(P<0.01)。从图6可以看出，瞬时流量随着饱满度的增大而增大，总流量也随之增大，反映出在荞麦剥壳机的提升与输送过程中，籽粒越大越饱满其流动性能越好，越有利于生产加工。

图6 不同饱满度荞麦输送瞬时流量Fig.6 Different satiety of buckwheat transport instantaneous flow

不同饱满度荞麦的一次剥壳率如图7所示，从图7中可以看出，随着饱满度的增大一次剥壳率随之增大，因而可以反映出饱满度增大剥壳效率会相应增加。

图7 不同饱满度荞麦的一次剥壳率Fig.7 One-time peeling rate of buckwheat with different fullness

3 结论

1)荞麦的物料特性随着品种不同、饱满度的不同而不同，不同品种的荞麦由于经过筛分分级加上含水率相近，只对休止角与内摩擦系数影响显著(P<0.05)，对其他所测物料特性与流量的变化影响不显著，且对一次剥壳率的影响变化不大。

2)饱满度不同对荞麦的各物料特性影响皆极显著(P<0.01)，其中休止角、内摩擦系数与饱满度成正比关系，荞麦籽粒与不锈钢之间的滑动摩擦系数、荞麦与荞麦之间的滑动摩擦系数与饱满度成反比关系。不同饱满度对流量变化影响也极显著(P<0.01)，随着饱满度的增大瞬时流量与总流量皆成增大趋势，一次剥壳率也随着饱满度的增大而增大，因而剥壳效率也会随之增大。因此，在实际生产加工过程中，有必要针对不同饱满度的荞麦选择合适的喂入量与输送转速，以调节流量变化来适应荞麦剥壳机的剥壳效率，可以有效提高生产率。另外，可以对不同粒径的荞麦籽粒做进一步的细分分级，以此来减少饱满度不同带来的差异。