欧文妍，黎㊀斌，曾治亨，李成杰，黄隽盈，李长友
(华南农业大学工程学院，广州㊀510642)
摘㊀要：针对热风干燥时粮食架桥阻碍流动㊁提高干燥均匀性的问题，根据粮食流动特性，基于SolidWorks建模软件设计了一种往复排粮机构，能有效破除架桥，不易产生破碎，传动简单，使用可靠，制造成本低，并在山西忻州进行了大型烘干机试验㊂结果表明：排粮机构多天连续运作皆正常，能连续稳定排粮并及时破除架桥，排粮过程破碎增率平均为0.088%，除杂率平均达到80%，排粮损伤很小且具有良好的清杂效果，可以推广应用于工业化粮食烘干机㊂
关键词：粮食干燥；排粮机构；破架桥；机构设计
中图分类号:S226.6㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1003-188X(2021)12-0198-05
0㊀引言
我国是重要的粮食生产大国，据报道2019年我
国粮食产量为66384万t，比2018年增长0.9%，创历
史最高水平㊂但是，粮食产后加工技术仍是制约我国
粮食产量的关键因素之一㊂大型工业化粮食烘干机
被广泛应用于玉米㊁水稻㊁小麦等主要农产品的产后
粗加工㊂近年来，研究人员为了提高粮食烘干品质㊁
降低损耗，针对不同机型的烘干机排粮机构进行研
究，以期获得效率高㊁损耗低的排量装置㊂排粮机构
的结构设计和布置会影响着粮食的烘干均匀度㊁破碎
率等主要指标㊂有文献指出，排除热风分配不均㊁进
机粮食水分差过大等因素，造成干燥不均匀度指标不
合格70%~80%的因素是排粮机构的问题[1]㊂张俭明等人分析指出，改进排粮方式能有效改善烘干机烘
粮水分不均的问题[2]㊂王继焕报道称可以从排粮装置方面进行改进，使塔内粮层均匀㊁整体下落[3]㊂目前，干燥机常用的排粮机构有旋转刮板式㊁往复排粮式㊁振动排粮式㊁叶轮与螺旋角龙组合式㊁叶轮与带式输送机组合式㊂师建芳等人设计了一种脉冲气动排粮机构，实现干燥机内粮食均匀整体下落[4]㊂李佳慧等人设计了双级蜗轮蜗杆行星式排粮机构，能够均匀混合不同含水率粮食㊂由此可以看出，研究人员做了收稿日期:2020-03-27
基金项目：国家自然科学基金项目(31671783,1371871)；广东省科技计划项目(2014B020207001)
作者简介：欧文妍(1996-)，女，湖南衡阳人，硕士研究生,(E-mail) 1124382893@qq㊂
通讯作者：李长友(1958-)，男，陕西蒲城人，教授，博士生导师,(E-mail)lichyx@scau.edu㊂针对排粮问题做了大量有价值的研究，但通过排粮装置实现粮食均匀烘干依旧是亟待解决的核心技术问题之一㊂
要通过优化排粮机构提高烘干均匀性，针对的一个重点就是破架桥㊂物料结拱原理的相关研究表明[5-7]：流动过程中仓内颗粒间相互碰撞挤压是导致结拱现象的原因，粮食颗粒的物理特性如密度小㊁形状不规则㊁流动性差，以及含水率㊁含杂率㊁休止角等的增加都能导致内摩擦角增大而增大结拱几率，装粮高度增大会导致成拱密实度增大㊂对于大型烘干机，其烘干塔装粮高度大及排粮斗的斜面支撑都是导致烘干机内粮食架桥结拱的原因，目前能有效破除架桥的排粮机构有振动式㊁叶轮式和喷气
式，但其结构相对复杂㊂笔者旨在设计一种新的往复式排粮机构，通过改变尺寸和间隙等设计参数，利用粮食自身特性，有效提高粮食流动性，实现破除架桥功能；排粮损伤小，并能对杂物进行清选，降低烘干产物含杂率㊂最后，在工厂进行现场试验验证，利用含杂率㊁破碎率两个指标对排粮效果进行评估，以期为工业化粮食烘干技术提供参考㊂
1㊀往复排粮机构设计
1.1㊀工作原理
所设计的往复式排粮机构主要由辅助杆㊁排粮斗㊁曲柄连杆机构㊁驱动电机㊁牵引框架㊁滚轮㊁导轨及排粮板组成，如图1所示㊂
排粮机构在干燥塔下端界面上均布多个排粮斗，每个排粮斗都正对应一块排粮板和辅助杆，所有排粮板固定在下方的牵引框架上，由曲柄连杆机构带动框
2021年12月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第12期
架和排粮板进行小幅水平往复运动㊂排粮板宽大于排粮斗口宽度，排粮时排粮斗口在水平方向上始终在排粮板两边内往复运动，紧压在排粮板表面的粮食颗粒被带着滚动，使颗粒间始终相对运动㊂排粮结束时，排粮板静止，粮食在其自重压力和与板间摩擦力的作用下形成静止角不再排出，排粮停止㊂
排粮机构往复运动带动粮食翻滚，而杂物由于密度小㊁质量轻，在粮食运动过程中上浮并被往粮流外侧推挤，部分从两侧排粮板缝隙中清除，经多次循环后粮食中细小杂质含量减少，可实现除杂功能㊂
1.辅助杆㊀
2.排粮斗㊀
3.曲柄连杆机构㊀
4.驱动电机
5.牵引框架㊀
6.滚轮㊀
7.导轨㊀
8.排粮板
图1㊀往复式排粮机构结构示意图
Fig.1㊀Structure diagram of reciprocating grain discharging device 1.2㊀结构设计
1.2.1㊀料斗口
料斗材料应选用摩擦因数较小，具有不粘黏性且耐腐耐磨耐低温抗冲击性能较好的材料作为粮仓内壁，从而使内壁尽可能地光滑，减小粮食颗粒和斜板间的摩擦力，提高物料流动性，有效降低拱形成的概率[8]㊂排粮斗口宽度和个数可结合烘干机的下段横截面尺寸布置而定，也可以参考角盒分布情况，与最下层角盒分布交错开，使排粮斗口与粮食下落位置对应，均布安装在干燥塔底部，可以将粮食流动分成多区域，改变粮食颗粒的流动㊂料斗的斜面角度应大于粮食自流角，应考虑到粮食的种类，斜面性质会影响自流角大小[9]，具体如表1所示㊂同时，应考虑到粮食堆积高度会使粮食与斜面间产生较大摩擦力，斜板角度可选大一些㊂
表1㊀物料自流角与斜面性质关系
Table1㊀Relationship between artesian angle and slope property
作物
不同斜面自流角/(ʎ)
谷粒刨光的木板铁板水泥面小麦24~2721~232221~23
燕麦26~2725~302225
大麦26~2821~252124㊀㊀设计粮仓出料口时要避免结拱，物料为干颗粒时料仓开口度尺寸至少为颗粒直径的3倍，湿颗粒则至少为颗粒直径的4倍[10]，故料斗口宽度设计应不小于粮食颗粒的4倍粒径；同时，料口宽度不能过大，否则会使得排粮斗两侧斜板相应变短而降低对粮食压力的分担作用和导流效果，增大排粮板承受压力㊂1.2.2㊀排粮板
排粮板与料斗口垂直间隙和板宽要考虑到物料的特性㊂为使停止排粮时排粮板与料斗口之间粮食能迅速止流，经验设计通常取很小的垂直间隙高度㊂参照出料口的设计思路，间隙高度可取粮食4倍粒径左右㊂自然堆积状态下粮堆会形成自然坡角即静止角，但排粮段粮食承受上方堆积粮食的压力，粮食颗粒间㊁粮食与板间压力和摩擦力都会增大阻碍粮食流动与下落[11]㊂当垂直间隙和往复运动行程确定时，排粮板宽度太大会导致粮食无法下落，故排粮板宽配合需垂直间隙㊁往复运动行程和物料静止角设计，则
2H
L-S-D>tanθ(1)式中㊀H 排粮板与料斗口垂直间隙(mm);
㊀L 排粮板的宽度(mm);
㊀S 往复运动行程(mm);
㊀D 料斗口的宽度(mm);
㊀θ 烘干物料的静止角(mm)㊂
考虑到静止时排粮板的受力，为避免排粮板受力过于偏离中心位置，往复行程应小于粮斗口宽度㊂1.2.3㊀辅助杆
辅助杆安装的位置在排粮斗偏下端的中间位置，水平安装，两头都在排粮段侧壁的垂直导槽中，并连接有手柄，可以向上抬动；当排粮斗内出现架桥时，通过摆动辅助杆，迫使周围粮食改变流动状态，能有效破除架桥㊂用SolidWorks建模软件建立三维模型，如图2所示㊂
图2㊀SolidWorks得到的排粮机构模型
Fig.2㊀Grain discharging device model structured by SolidWorks
2㊀设计应用实例
2.1㊀参数设计
以5HP-50双塔循环干燥机为例，选用玉米作为烘干物料，进行往复式排粮机构的主要结构参数设
2021年12月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第12期
计㊂5HP -50双塔循环干燥机的部分结构参数如表2所示㊂玉米籽粒尺寸设为长10mm㊁宽8mm㊁厚
4mm [10]，容重为0.7t /m 3，在钢材上的自流角为21ʎ~
24ʎ，休止角为30ʎ~40ʎ㊂
参考干燥机最底层角盒数，设计单塔排粮斗为6
个，长度为2.34m，计算得排料斗上端宽度为0.39m,
两侧斜板与水平夹角为60ʎ；下端出口宽度需大于粮食颗粒的最大尺寸的4倍，可取50mm，排粮板与料斗口垂直间隙高度取16mm，排粮机构往复行程取
40mm，则排粮板按照式(1)设计取120mm㊂
表2㊀5HP -50循环干燥机主要结构参数
Table2㊀Main structural parameter of 5HP -50recirculating dryer
参数名称单位数值参数名称单位
数值干燥塔高m
8.3单塔截面长度
m
2.34
单塔截面宽度m
2.34下层角盒个数
6
2.2㊀试验设计
为了考察往复式排粮装置的工作性能，选取排粮后的粮食除杂率x ㊁破碎增率y 作为评价指标考察其排粮性能，选取连续5天的试验数据作为样本分析，采取3次测算取平均值方法，分别测得粮食在烘干前后的含杂率α和破碎率β㊂α和β计算公式分别为
α=
z
m
ˑ100%(2)β=(1-
n
m
)ˑ100%(3)
循环烘干机其中,z 为样品中杂质的质量;n 为样品中完整颗粒的质量;m 为样品的总质量；每次采样为200g㊂
采用105ħ标准烘箱法分别测得粮食烘干前后的含水率㊁除杂率x 和破碎增率y ，计算公式为
w =
1-M 0
1-M 1
ˑ100%
(4)x =1-
α1w
α0
(
)
ˑ100%
(5)y =β1-β0
(6)
其中，下标0㊁1分别表示粮食烘干前和烘干后状态;M 为测得粮食含水率;w 为粮食烘干后得率㊂
对于一些杂质含水率较大的烘干物料，应考虑到所含杂质在烘干过程中对实际除杂的影响，计算实际除杂率，公式为
x =1-
α1w
α0w z
(
)
ˑ100%(7)
其中,w z 为杂质的得率，根据杂质的成分和含水
特性进行估算，计算参照式(4)㊂
不确定性分析是评估试验结果准确性的常用有效方法㊂本研究中，试验误差和不确定性主要来自于人工测量误差㊁仪器精度㊁环境条件和测试方法㊂通过以下式(8)和(9)确定了这项工作中试验的不确定性[12]，并对不确定性因素水平进行了测算，结果列于表3中㊂
N =ðr i =1N i /r
(8)u =
1r -1
()ð
r i =1
(N i -N )
(9)
式中㊀
N 平均数值;㊀i 测量序号;
㊀r 每轮测量次数;㊀
u 不确定性㊂
表3㊀循环式干燥机实验的不确定度
Table 3㊀The uncertainty of the experiment of circulating dryer %
参数不确定性参数不确定性
粮食相对湿度0.01环境温度0.10环境相对湿度
0.01
含杂率测量0破碎率测量0.09含水率测量
0.05
2.3㊀试验结果及分析
2019年11月12-17日，在山西忻州用5HP -50
循环干燥机进行了玉米烘干试验
㊂粮食烘干前含水率在24%~26%范围内，烘干结束后含水率在13%~
14%范围，输入排粮频率固定为20Hz 低速排粮，完成每批次中单次循环的时间约为2h㊂每隔0.5h 测1次出机粮食含水率㊁含杂率和破碎率，测量3次取平均值，直到本批次烘干完成㊂计算得到不同批次粮食破碎增率变化数据，如表4所示㊂
不同批次除杂率㊁实际除杂率和破碎增率变化如图3所示㊂
图3㊀烘干过程的除杂率与破碎增率
Fig.3㊀Change of impurity removal rate and crushing growth
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀rate in different batches
在每批次的数据记录中，以粮食烘干进行0.5h
处为起点，为表征每个循环的整体情况，每隔2h选取对应时间所测的粮食数据，取得连续5个循环的含水率和含杂率变化情况，计算出各循环粮食烘干的除杂率㊂
2.3.1㊀烘干过程的破碎增率变化
不同批次烘干试验的破碎增率变化如图3所示，对应的数据如表4所示㊂由表4可得平均破碎增率在0.1%左右，烘干过程降水幅度对破碎增率的影响不明显㊂整体破碎增率显著低于国家标准规定的
1%，说明排粮过程对粮食颗粒损伤很小㊂
表4㊀不同批次的破碎增率变化
Table4㊀Change of crushing growth rate of different batches%烘干批次进机破碎率出机破碎率破碎增率降水幅度
1 3.11 3.150.0410.04
2 2.18 2.250.0710.00
3 2.90 2.950.058.75
4 3.19 3.350.169.79
5 3.40 3.520.1211.19 2.3.2㊀不同含水率对除杂率的影响
考虑玉米杂质主要为玉米须㊁玉米叶和少量玉米芯碎片等，且玉米芯碎片在烘干过程中去水现象明显，玉米芯含水率一般在20%以下，其余杂质含水率小，脱水对杂质整体含水率影响很小㊂在此，假设杂质烘干前整体含水率为20%，烘干后含水率为5%㊂由图3可知:5次烘干试验的除杂率平均为81.2%；当考虑杂质脱水影响时，算得实际除杂率平均为77. 6%，与前者相比下降了2%~4%㊂由此可见，杂质脱水对整体除杂率影响很小，整体除杂效果良好，且能保持较稳定水平㊂
不同批次各个循环的粮食含水率变化情况如图4所示，各个循环除杂率变化情况如图5所示㊂结合图4和图5可看出：粮食在不同含水率阶段时，除杂率发生变化，且呈现出一定规律性：前期除杂率较低甚至为负，到中期都出现了除杂率最高点，对应的粮食降水阶段如表5所示；之后，除杂率下降至负数㊂由表5可以看出：当粮食含水率降至17%㊁18%附近时，对应烘干循环的除杂率高于其他阶段，之后除杂
率明显下降㊂分析其原因可知：前期粮食含水率高，粮食颗粒间杂质与粮食间相对运动较小，粘附性较大，除杂效果较差，且粮食由于含水率高去水速率快，杂质相对质量比增大，导致除杂率出现负数；当粮食含水率降至一定值后，根据粮食降速干燥特性，其降水速率下降，同时粮食颗粒间的粘附力减小，除杂效果较好；随着粮食含水率继续下降和杂质排出总量减少，除杂率降低㊂
图4㊀各干燥循环的含水率变化
Fig.4㊀Moisture content change of each drying cycle
图5㊀各干燥循环的除杂率变化
Fig.5㊀Change of impurity removal rate of each drying cycle
表5㊀除杂率最大点对应的烘干循环
Table5㊀Drying cycle corresponding to the maximum point of
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀impurity removal rate㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀%批次最大除杂率
对应循环含水率变化
起点含水率终点含水率172.146022420.818.76
255.069760318.5917.64
363.170873719.8518.39
451.691706420.918.13
559.01356419.2617.92 2.3.3㊀排粮机构工作情况
在多天烘干试验中，排粮机构各部件未出现变形和失效，排粮过程整体正常稳定，在最外侧排粮斗位置出现过1次排粮不畅，通过摆动辅助杆顺利破架桥，使排粮恢复㊂试验结果表明：往复排粮设计能有效降低排粮段架桥几率，当出现架桥时能实现迅速破
架桥，恢复排粮㊂分析出现架桥的原因可知：由于玉米在场地堆放超过两周，期间有数日阴雨连绵，导致玉米含水率增大，且出现霉变㊁腐坏，破坏了玉米籽粒的表皮结构，导致粮食颗粒间粘附力和内摩擦增大，更容易架桥；在试验过程中，排粮机构两侧的排粮板与干燥机侧壁形成的间隙中有玉米穗㊁碎叶等杂物掉落到烘干机外，验证了排粮机构的确实现了清除杂质的功能㊂结合试验数据可知：往复排粮机构减少了排粮过程架桥现象，具有快速破除架桥的功能，实现了低损伤排粮，且有稳定的除杂能力㊂
3㊀结论
1)针对粮食烘干机作业过程中的粮食架桥起拱问题，结合粮食架桥的相关理论，设计了一种电机驱动往复式排粮机构，试验数据表明：该设计能够有效破除架桥，对粮食损伤小，能起到清选杂物的作用㊂2)试验结果表明：运用该排粮机构，烘干破碎增率平均值为0.08%,5次烘干试验的除杂率平均为81.2%㊂考虑杂质脱水影响算得的实际除杂率平均为77.6%，除杂效果好，在粮食含水率降至17%㊁18%附近时除杂效果明显㊂
3)该设计相比振动排粮式㊁叶轮复合式排粮机构结构较简单，易于加工和操作，为排粮机构优化设计提供了结构和参数设计思路，对粮食烘干装备设计有一定的参考价值㊂
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Design and Test of Grain Discharging Device of Industrial Grain Dryer Ou Wenyan,Li Bin,Zeng Zhiheng,Li Chengjie,Huang Junying,Li Changyou
(College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou510642,China) Abstract:In order to solve the problem of grain bridge blocking the flow and improve the uniformity of drying,a rec
ipro-cating grain discharging mechanism is designed based on SolidWorks modeling software,which can effectively break the bridge,avoid grain particle breakage,and has the advantages of simple transmission,reliable operation and low manufac-turing cost.A large-scale drying experiment is carried out in Xinzhou,Shanxi Province.The experimental results show that the grain discharging mechanism can After continuous operation for many days,it can continuously and stably dis-charge grain and effectively break the bridge in time.The average increase rate of crushing is0.088%,and the average removal rate is80%.It shows that the mechanism has little damage to grain and good cleaning effect,and can be popu-larized and applied to the design of industrial grain dryer.
Key words:grain drying;grain discharging device;breaking grain arch;mechanism design
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