刘扬;胡芸莎;郑文轩;兰海鹏;贾富国;唐玉荣
【摘 要】为解决在加湿调质技术中加湿均匀程度没有确定的评价指标问题,采用颗粒混合程度的评价指标方法评定加湿均匀程度.通过对标准差、变异系数、接触数、lacey指数四种混合度评价方法的详细介绍,阐述了其在加湿调质技术上的应用可行性,可实现加湿均匀程度的定量分析,从而推进糙米加湿调质技术的应用. 【期刊名称】《塔里木大学学报》
【年(卷),期】低硅铁2017(029)002
【总页数】5页(P107-111)
【关键词】支撑架糙米;加湿调质;加湿均匀程度
【作 者】刘扬;胡芸莎;郑文轩;兰海鹏;贾富国;唐玉荣东方魔液
【作者单位】塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学现代农业工程重点实验室,新疆阿拉尔843300;塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300;东北农业大学工程学院,黑龙江哈尔滨150030;塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300
【正文语种】中 文
【中图分类】TS212
稻谷适宜贮藏的含水率较低，一般为12%～13%，而糙米最佳碾米含水率在15%～16%左右[1-3]。低含水率的糙米硬度和脆性较大，直接进行碾米加工易产生碎米，大米表面光洁度低，品质较差[4]。因此，糙米加湿调质是稻谷加工过程的必要工序。如果糙米加湿量过多，糙米含水率高，糙米内外水分梯度大，糙米外表面吸水过多会产生应力裂纹，裂纹米在碾米时易破碎，导致整精米率降低，碎米率增加。如果糙米加湿量过少，糙米含水率低，其硬度和脆性下降不大，碾米过程中碎米也较高。由此可见糙米的加湿均匀性直接影响加湿效果。所以，提高糙米加湿均匀程度，推进糙米加湿调质技术的广泛应用，提高整
精米率，为企业增效、农民增收，提高我国大米的国际竞争力，解决我国粮食安全问题，具有十分重要的理论和实践意义。
然而，糙米的加湿均匀程度没有一个确定的评价指标方法，虽然各学者均采用与自己研究相适合的均匀程度评价方式，但并无具体分析。没有定量的糙米加湿均匀程度评价方法，加湿效果不能确定，也就无法描述加湿调质设备的工作性能，从而影响加湿调质技术的推广应用。基于此，以叶片搅拌式加湿调质机内糙米混合实验为研究背景，提出几种可以评价糙米加湿均匀程度的定量分析方法，并以Lacey指数评价法对叶片搅拌式加湿调质机内糙米加湿均匀程度进行定量分析。
糙米加湿调质是通过向糙米喷雾加湿的形式适当提高糙米的含水率，进而提高糙米的韧性、降低糙米的硬度，改善糙米的碾米品质。喷雾的同时，通过搅拌器的搅拌作用使糙米加湿均匀。在搅拌过程中糙米表面之间充分接触，来实现糙米籽粒外表面间的水分传递，从而使糙米达到理想的含水率。最后将糙米放入润糙仓，完成糙米水分内部传递。如果糙米籽粒间能够充分的运动接触，就可认为糙米加湿均匀性良好。糙米之间的运动接触，可定义为颗粒与颗粒之间的混合。混合是指两种或者两种以上不同性质的颗粒，在外力作用
下进行搅混，使之逐步达到空间分布均匀的操作，是不均匀度不断减少的一种随机过程[5-7]。所以将糙米假设为两种性质不同的分层糙米颗粒，分层颗粒能够混合均匀，意味着糙米颗粒间进行了充分接触。混合效果良好，则代表加湿均匀性良好。搅拌过程实际上就是混合过程，以混合为研究对象，有利于观察糙米的运动规律以及混合现象，对加湿调质机的结构设计以及参数优化提供参考。根据以上所述，为了能够定量分析糙米颗粒加湿均匀程度，以便更直观了解加湿调质机工作性能，可以采用颗粒混合度的评价方法作为糙米加湿均匀程度的评价方法。
工业生产中表征颗粒混合均匀程度最有效的方法是对随机抽取的混合物样品中某特定成分的含量进行统计分析,分析测定结果的分散变化[8]。在加湿调质设备中随机抽取样品较易实现，而且颗粒混合度的测量和分析技术已经非常成熟，可为加湿均匀度的测量以及分析提供有利的理论依据。将颗粒混合度的评价方法应用到加湿调质技术上，具有可行性。工程上通常采用标准差、变异系数、接触数、lacey指数等方法来评价混合程度。
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2.1 标准差评价法
标准偏差S是一种比较简单的颗粒混合程度评价方法，但S的大小与测定次数和测定值相对
于平均值的残差有关，而与各测定值本身的大小无关。当混合颗粒中的组分含量相差较大时，使用标准偏差很难反应混合效果。因此标准偏差具有局限性。标准偏差公式如下：
其中n为抽取样本数目，xi为任一样本中某特定成分的含量，x0为所有抽取样本中某种特定成分含量的算术平均值。标准偏差越小表明混合效果越好。如果混合颗粒中某种成分含量符合正态分布,而且样品中该种成分的含量与样品的大小无关,那么就可以用该种成分含量的标准差来表示混合均匀程度,而该种成分含量的均值则是其控制值[9]。
2.2 变异系数评价法
为了弥补标准偏差法的不足，客观反映出混合程度，在标准偏差评价方法的基础上提出变异系数(Cv)法。变异系数法可以将平均值这一参数突显出来。变异系数表达公式如下：
其中，S为标准偏差， x0为所有抽取样本中某种特定成分含量的算术平均值。
当标准差评价法不能准确反应颗粒体系混合程度时，采用变异系数法可以衡量混合程度。变异系数法优于标准差法。
2.3 Lacey 指数评价法
Lacey指数评价法又叫混合指数法。1954 年Lacey根据颗粒实际混合情况，分析颗粒混合标准差评价法，利用统计学方法提出了一种颗粒混合度的计算方法[10]。Lacey指数表达公式如下：
式中S2为两种颗粒的实际混合方差，为完全分离状态下的方差，为完全混合状态下的方差。
p和q分别为两种颗粒在混合器内的体积分数，N为一个样本内的平均颗粒数。
为了得到Lacey指数，首先将计算区域划分为有限数量的网格，一个网格代表一个随机抽取样本，然后进行统计分析。但是,由于每个样本内的颗粒数量相差很大,有些样本网格里可能不含颗粒,有些样本里可能存在大量颗粒,因此采用加权方案来解决这一问题,即含有较多颗粒样本具有较大权重,含有较少颗粒样本具有较小权重,如果样本内没有颗粒,那么其权重为0，在此原则上,可求得两类颗粒的实际混合方差为:
其中Ns为样本的总数，ai为两类颗粒中任意一类颗粒在样本i内的体积分数，为相应颗粒在U型体内的体积分数，k可表示为
Ki为样本i的权重，可表示为
其中Ni为样本i内的颗粒数，Nt为样本内所有颗粒总数。
M值主要与S的大小有关，而So与SR的大小对M值影响甚微[11]。M值越大，说明混合程度越好，M最大值无限接近于1。大量研究学者采用Lacey指数评价法分析颗粒的混合程度，与变异系数法一样应用较为广泛。变异系数法适合评价轴向混合，而Lacey指数适合评价径向混合。
2.4 接触数评价法
Van Puyvelde 等[12]提出了通过计算颗粒接触数来衡量颗粒混合程度的方法，这种方法能计算出不同区域内的混合程度。颗粒间接触数越多，混合效果越好，利用接触数评价可以准确反应混合程度。李少华等[13]采用大小颗粒间接触数与总接触数的比值来衡量混合程度q，其计算方法如下：
式中，Csl为大颗粒与小颗粒的接触数；Ctotal为总的接触数。q 值越小表明混合效果越差，越大表明混合效果越好。
医院合同管理系统混合程度q越大表明混合效果越好，q值越小表明混合效果越差。由于接触数评价方法需要统计颗粒的接触数，统计要求极高，实验分析中难以实现，因此主要应用于数值模拟中的颗粒混合评价。
上述混合度评价方法都能作为加湿均匀度的评价方法。本文以Lacey指数评价法为例对糙米加湿均匀性进行评价。
以叶片搅拌式加湿调质机内糙米混合模拟实验为研究对象，采用Lacey指数评价法对混合程度进行定量分析。糙米外观形态接近椭球体，多次测量后得颗粒的长轴为7 mm，短轴为2. 8 mm。模拟实验的第一步就是生成分为上下两层的糙米，上下两层糙米数量相同。为便于观察混合过程，将上层糙米颗粒标记为蓝，下层糙米颗粒标记为灰，如图1所示。随着混合的进行，颗粒最终实现混合均匀。对lacey指数值影响的因素有取样，提取数据和计算。其中提取数据和计算如果保持其准确性，对混合度M几乎没有影响。但取样上对lacey指数M值影响较大。所以每个样本的尺寸选择至关重要。根据文献[11]所述，最佳取样尺寸应该略大于颗粒最佳混合时横向尺寸。本文糙米最佳横向混合为两个长轴均为7mm的糙米分布模式。为了定量分析两颗粒的混合程度，根据几何体尺寸和糙米尺寸，在混
合终了时对机体径向划分为5×8个样本网格，如图2所示。每个样本宽为14. 3 mm，高为14. 5 mm，厚为14 mm，样本的宽、高、厚都略大于颗粒最佳混合时横向尺寸。
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