稻谷加工设备结构优化设计浅析
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摘要：针对常规稻谷砻谷机和碾米机无法满足多倍体稻谷加工工艺要求的现状，首先对多倍体稻谷物理特性进行研究，开展多倍体稻谷加工优化试验；并在此基础上优化现有砻谷机的胶辊支撑、辊间压力、胶辊材质以及现有碾米机的砂辊材质、砂辊粒度、“存气”结构、米刀材质等结构参数。结果表明，对砻谷机和碾米机结构改进和参数优化后，碎米率有明显降低，但仍高出早籼稻的碎米率，有待于更加深入的结构优化和研究开发。
中国稻谷年加工量约1.3亿t，约占全球稻谷年加工总量的1/4。稻谷加工是粮食工业的一个重要组成部分，优质高效的加工设备是稻谷质量与品质的重要保障。研究表明，多倍体水稻茎秆粗壮，叶片果实种子都比较大，稻米中糖类和蛋白质含量较高，但子粒强度较低，如采用常规砻谷机和碾米机设备进行加工，则加工后多倍体稻谷整米率低、碎米率高，高于现有早籼稻的碎米率，降低了多倍体水稻种植的经济效益，阻碍了多倍体水稻产业链的快速形成，对多倍体水稻的大面积推广极为不利。因此，如何在现有设备上进行结构优化，或是专门针对多倍体水稻稻谷加工设备进行优化设计开发是目前亟待解决的问题。
1多倍体稻谷的物理几何特性研究
选用多倍体稻谷（T7）和早籼稻进行对比，测量其基本物理特性，测量结果如表1所示。相比早籼稻而言，多倍体稻谷重量较大，千粒重是早籼稻的1.50倍，而其长宽比和长厚比分别比早籼稻小23.5%和4.3%，说明多倍体稻谷的重量和体积大，与早籼稻有较大差异。
2多倍体稻谷砻谷机优化设计
2.1砻谷设备选型
砻谷基本原理为依托物理方式，使稻谷谷壳与子粒分开。根据稻谷脱壳受力情况及脱壳方式，将稻谷脱壳方法划分为3种：①挤压搓撕脱壳；②端压撕脱壳；③撞击脱壳。中国主要采用的脱壳设备是双辊脱壳机，其主要工作部件是一对平行的弹性滚子，以相同的速度反向旋转。当谷物进入双滚筒工作区时，谷物两侧都会受到滚筒的挤压力和摩擦力的作用而脱壳。双辊脱壳机以其产量高、脱壳率高、粗糙度低等优点而得到广泛应用。根据辊间压力调节机构的不同，对辊式破碎机可分为重力式、液压式、气动式紧辊。本研究选用LT36型气动砻谷机进行试验。
2.2砻谷试验及设备结构优化
使用LT36型气动砻谷机，对1000g多倍体稻谷和早籼稻进行对比加工，其特性如表2所示。在保证脱壳率达到100%的前提下进行试验，多倍体砻谷时糙出的整米率比早籼稻低21.7%，而糙出的碎米率比早籼稻高14.1%，其出糙率比早籼稻低7.6%。在砻谷阶段，多倍体稻谷具备较高的糙出碎米率，表明该稻谷具有较低的子粒强度。采用LT36型气动砻谷机，通过调整紧辊压力，胶辊采用白胶辊等方法进行结构优化和参数优化。在多次试验中，T7样品糙碎率可以达到3.51%，相比糙碎率30.39%，已经大为改善，但相对应的脱壳率也从100.0%下降到92.5%（表3）。基于多倍体稻谷加工的砻谷试验，提升了多倍体稻谷的砻谷加工工艺性能，对砻谷机结构采取改进优化措施：①对砻谷机的胶辊采用简支支撑，提高胶辊在运行期间的平稳性；②胶辊采用压铊式紧辊，辊间压力可调；③组配3组传动带轮，胶辊材质采用丁腈橡胶（邵氏硬度为90A）。
3多倍体稻谷碾米机优化设计
3.1碾米设备选型
碾米的基本原理是利用物理方法，通过砂辊的旋转，糙米沿着砂辊表面螺旋运动，受到很大的挤压压力和摩擦力，以一定的线速度旋转的砂辊表面不断摩擦糙米表面，使稻谷与稻谷、稻谷与米刀、稻谷与米筛相互摩擦，使糙米表面反复“切”和“磨”使其最终张开，通过砂辊上的螺旋槽，将米粒推到出口，从出料口流出。碾米机一般有横式碾米机和立式碾米机两大类。基于多倍体稻谷的几何特性，选用横式碾米机、型号为CFN1818B低温升碾米机组进行试验（4机碾白）。
3.2碾米设备参数优化
为研究多倍体稻谷的碾米工艺特性，对1500g多倍体稻谷和类似的早籼稻进行了对比加工，试验结果见表4。结果表明，在30、60、90s的加工时间下，多倍体稻谷具有较高的增碎率，早籼稻的增碎率在3%左右，而多倍体稻谷的增碎率则是14%~20%。多倍体稻谷子粒强度较低，碾白加工碎米率较高。基于多倍体稻谷碾米加工试验，提升了多倍体稻谷的碾米加工工艺性能对碾米机采取改进优化措施：①碾米机采用树脂砂辊；②合理配备砂辊力度，由粗到细，碾米机砂辊粒度第一道为24#~30#、第二道为30#~36#、第三道为36#~46#、第四道为46#~60#；③碾白室采用“存气”可调结构；④碾米机存气可调的米刀采用高硬度合金钢。
4多倍体稻谷试验结果与分析
4.1多倍体稻谷试验方法
对砻谷机及碾米机的结构进行优化设计后，为考察多倍体稻谷加工成精米的特性，对多倍体稻谷采用了1砻4碾的加工试验，此次加工的成品米精度均为特级。
4.2多倍体稻谷试验结果
多倍体稻谷四道碾米的结果如表5所示。从感观上，多倍体稻谷样品子粒大、胶质较高，到第四道碾白精度未达到特级米精度。为保证精度，在第四道碾白加压过重，造成第四道增碎严重，总增碎率均值达29.78%，再加糙碎率3.51%，多倍体稻谷加工总体含碎率均值达到33.29%，远高于一般水稻的含碎率。
5小结
针对多倍体稻谷子粒重量和体积大、结构强度较低的特性，采用类似早籼稻进行砻谷和碾米对比试验，研究多倍体稻谷加工工艺，对现有砻谷机与碾米机进行结构改进优化，调整相应参数降低碎米率，但相比一般水稻的含碎率仍有不小的差距，需要进一步进行结构和工艺优化，或对多倍体水稻稻谷加工设备进行更加深入的研究。推测若通过进一步的大规模生产测试，并对碾米机参数进行修正，制定合理的碾米工艺，分配好各道碾白压力（碾减率），采用新型低温升智能碾米机，自动优化各道的碾减率，多倍体稻谷加工到全整米一级精度大米的成品总碎或能低于22%。
作者:王锐 李建红 肖崇业 王成 谢敬波 庞雄斌 舒虹杰 彭紫恒 单位:武汉市农业科学院 武汉多倍体生物科技有限公司 武汉中机星粮食机械股份有限公司
