碾米機的發展現狀與發展前景

劉 程，王旺平，宋少云

（武漢輕工大學機械工程學院，武漢 430024）

稻米是我國食用量最廣的農產品，現階段我國稻谷年產量1.8億t,約占糧食總產量的40%;全國有60%的人口以大米為主食,年消費大米1.26億t左右[1]。因此,維持稻米足夠產能是保證國家糧食安全的需要，也是保障人民幸福生活的需要。

碾米機是糧食加工的主要機器之一，碾米機的效率決定著大米產能和得率。因此，碾米機的發展對現代化糧食產業具有關鍵作用。常用的碾米機一般采用摩擦擦離碾白和碾削碾白兩種方法，利用機械力的作用去除糙米外皮和進行碾白。此外，同時利用擦離和碾削作用進行混合碾白可以有效降低碎米率、改善出米品質、提高效率，降低電力損耗?；旌闲湍朊讬C占有著我國米機市場的主要份額，這類碾米機能夠充分發揮兩種碾白的優點，獲得良好的碾白效果。

1 碾米機的發展歷程

我國碾米機行業的發展始于對英國引進的橫式鐵輥碾米機的改進。19世紀50年代，米糠不分離的稻出白鐵輥碾米機在農村得到了廣泛應用。改革開放80年代，米糠分離式鐵輥碾米機取代米糠不分離的鐵輥碾米機。20世紀90年代，出現了采用了噴風裝置的噴風鐵輥碾米機，成品大米亮且光滑、大米溫升低、出米率高，類似機型在近現代有較快發展[2]。

國外的碾米機最早出現在歐洲，18世紀60年代，歐洲人研制出來一種立式砂臼碾米機。18世紀90年代，美國人在立式沙臼碾米機的基礎上進行了改良，發明了橫式鐵輥碾米機，隨著鐵輥碾米機的出現，碾米機的技術發展有了歷史性的重大突破。19世紀20年代，日本佐竹公司基于鐵輥式碾米機基礎上研制出性能優越的立式碾米機，該公司生產的VBF7B-C/MC逆向立式鐵輥碾米機[3]，其進料裝置在碾白室下部，排料裝置在碾白室上部。這種立式布置方式對精米的加工效果十分顯著，不僅減少了物料運輸設備，還避免了中間運輸過程對米粒的部分傷害，降低了碎米率。

2 國內外主要碾米機類型

目前按碾米機原理主要分為擦離型碾米機、碾削型碾米機以及混合型碾米機。

2.1 擦離型碾米機

擦離型碾米機一般指鐵輥碾米機，鐵輥碾米機是一種利用米粒相互之間、米粒與碾輥之間、米粒和米篩之間產生的摩擦力進行糙米的加工碾白，鐵輥表面光滑，因此所產出米粒具有表面光滑、產出的米糠中淀粉含量少等良好特點。但是鐵輥表面摩擦力較小，為提高碾白率而加大碾白室內的壓力，易造成米粒破碎，產生碎米[4]。

國內鐵輥碾米機包括橫式鐵輥噴風碾米機、立式鐵輥碾米機等機型，具有代表性的是MNMP系列鐵輥碾米機（圖1）等。其組成結構大多相同，也有一些碾米機加裝一些增加碾米機性能的輔助裝置，例如，A6立式鐵輥碾米機加裝了吸塵裝置，能夠有效解決碾米過程中產生的堵塞問題，提高了碾米效率。國外鐵輥碾米機結構基本與國內相同，具有代表性的是由日本佐竹公司生產的VBF7B-C/MC型立式鐵輥碾米機（圖2），與國內碾米機布置的最大的區別是進料裝置、出料裝置的布置位置，分別布置在碾白室底端和上端，物料不必經過運輸，可減少運輸過程對米粒完整性的影響。該碾米機工作時的米粒運動方向和其受到的重力方向相反，米粒在碾白室內分布均勻，具有良好的碾白效果。此外，VBF7B-C/MC拆卸方便，易于安裝。

圖1 MNMP系列碾米機

圖2 VBF7B-C/MC立式鐵輥碾米機

2.2 碾削型碾米機

碾削型碾米機在我國應用十分廣泛，與鐵輥碾米機的主要區別即是工作的主要部件為砂輥而非鐵輥。砂輥能夠更好地完成碾削作用，更好地將糙米碾白。碾削型碾米機相比于擦離型碾米機能夠較好地去除糙米皮層、大大降低碎米率，但是糙米皮層往往含有大量的營養元素，所以碾削型碾米機碾白過程中營養丟失非常嚴重。此外，碾削型碾米機產出的大米精度不均，成品米表面較為粗糙。

國內砂輥碾米機發展迅速，在傳統碾米機的發展基礎上，研發改進優化了多種砂輥碾米機，如NF型旋篩噴風碾米機、MNMD65高性能節能碾米機、MNMS25D強拉風斜式碾米機。代表的有NF14型旋篩噴風碾米機（圖3），采用噴風新工藝，噴風量大，噴風效果顯著。獨特碾白室結構設計能強化碾白、加速排糠、降低米溫，提高產量和碾米精度。國外代表性的碾削型碾米機是由日本佐竹公司生產的VTA7A-C立式砂輥碾米機（圖4），其基本的結構與我國立式砂輥碾米機大體一致，主軸依靠懸臂支撐，碾白室下方放置傳動裝置，砂輥可從碾米機上部取出。而最大的區別即是它的篩片可以從側邊取出，可以達到不拆除機架部件的基礎上更換篩片，降低了人工和維護成本。此外，VTA7A-C立式砂輥碾米機在設計的碾白室體積是傳統碾米機的兩倍，并且減小了整機體積，增加了產量，減小了占地面積。碾白室下部有回轉式排出器，可將米糠順利排出機外[3]。

圖3 NF型旋篩噴風碾米機

圖4 VTA7C/10AB-C立式砂輥碾米機

2.3 混合型碾米機

混合型碾米機是利用砂輥和鐵輥混合碾米的多輥碾米機，它擁有兩種碾米機的不同優點，具有工作效率高、工藝質量好、成米精細等多種優點，一定程度上彌補了鐵輥碾米機和砂輥碾米機的缺點。

我國國內應用最廣泛的混合型碾米機是NS型螺旋槽砂輥碾米機，NS型混合碾米機將砂輥置于上部，下部放置鐵輥，糙米經過進料口首先進入砂輥碾削，再經過鐵輥摩擦，這樣加工出來的米粒，不僅產量更高、碎米更少，成米品質也比單純砂輥碾米機高。國外由日本佐竹公司研制的SAFF3G型混合碾米機是如今比較先進的混合式碾米機，在砂輥、鐵輥結構下，加裝一個鐵輥，結構緊湊，便于維修，降低了能耗，具有良好脫糠效果，可達到一機多用效果[5]。

圖5 NS型螺旋槽砂輥碾米機

圖6 SAFF4G混合型碾米機

3 現有碾米機存在的主要問題

當下碾米機存在的問題之一便是碎米率高。摩擦式碾米機多為鐵輥碾米機，在現有碾米機中占有很大的比重，摩擦式碾米機通常碾白室內壓力大（200～250 g·cm-2），碾輥線速低（＜2.5 m·s-1）[6]，且加工出來的米粒具有表面光滑、米糠淀粉含量低等優點，但其碾白室內壓力較大，不僅導致了碎米增多，提升了碎米率，也降低了碾米機碾米效率。雖然基于摩擦式碾米機而發明的碾削式碾米機能夠有效減少碎米率，但是它們的米糠之中淀粉含量過高，且很容易造成成品米精度不均。所以在當下這種加工方式下，高碎米率的問題是難以避免的。

上述兩種缺點在摩擦式和碾削式碾米機中通常是難以避免的。因此，20世紀80年代后碾米機的發展逐步由“多機輕碾”的混合類碾米機代替傳統的摩擦和碾削工藝類的碾米機。將鐵輥與砂輥混合使用組成混合型碾米機，例如“兩砂一鐵”的三機串聯碾白，能夠有效減少加工過程中碎米的產生率?；旌闲湍朊讬C碾白均勻、碎米率低、出米率高，但存在著成本高、能耗大等碾米常見問題。因此發展低能耗、低成本、高效率的碾米機是糧食加工產業提升產業效率、降低成本的必由之路。

4 碾米機的發展趨勢和研究重點

4.1 基于離散元EDEM的碾米機內物料運動離散元分析研究

EDEM是世界上誕生的首款基于離散元技術的應用軟件，EDEM能夠解決大部分工程實例中關于顆粒系統的應用與仿真，能夠有效地分析顆粒間力學關系。通過EDEM可以創建碾米機碾白室內部米粒系統的數字模型，分析米粒間的力學性質、碾白室材料性質等物理特性，還可以手動調節各個米粒大小、密度、質量及速度等參數。此外，EDEM具有優秀的顆粒運動處理能力，不僅能夠模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的運動過程與特征，同時還可協助科研人員進行理論研究和分析以及對各類離散料的處理設備進行設計、測試和優化[7]。伴隨著EDEM軟件技術和理論研究的發展，利用EDEM處理顆粒數據的內容也越來越廣泛，EDEM技術在碾米機械的研究中也越來越重要。

碾米機成米品質主要是由米粒在碾白室內的運動速度和壓力狀況影響，控制進料口和出料口大小從而控制碾白室壓力是碾米機設計的關鍵。利用EDEM控制好米粒在碾白室的運動狀況，分析米粒間的力學特性，達到最優秀的碾白效果，使碾白室壓力處于較優水平，基于此控制優化碾輥的材料、角度、根數、高度等參數[8]。在今后碾米機設計中，運用并借助離散元仿真軟件EDEM對碾米機碾白室內糙米的運動進行計算機模擬分析，探尋糙米在碾白室內的運動狀態，能夠為碾米理論研究提供重要參考依據。因此，基于離散元EDEM的碾米機內物料運動離散元分析研究是碾米機未來設計和發展的重要技術支撐之一。

4.2 碾米機智能化改造

碾米機智能化改造主要是指對碾米機的控制系統進行改造。智能碾米機控制系統主要由執行機構、控制系統硬件、控制系統軟件三部分組成。其中執行機構主要包括電流傳感器、溫度傳感器、重力傳感器、白度傳感器、露點傳感器、壓力傳感器、后倉料位器、制熱裝置、制冷裝置、氣動閘門、流量閘門及壓力門調壓等機構[9]。

碾白室壓力控制是影響碾米效率和成米品質的重要因素，現有的碾米機碾白室壓力主要是通過出料門的人為控制來實現，主要判斷依據是工人的經驗，并不能準確的達到控制碾白室內最優壓力。若碾白室壓力控制過大，則物料無法順利通過碾白室，從而使碾白室壓力增加，雖然提高了成米品質，但相應的增加了碎米率；相反，若壓力控制過小，則物料容易排出碾白室，碾白室壓力減小，碎米率減少，但成米品質降低。因此，控制碾白室碾白壓力在碾米機糙米加工中極為重要，所以碾米機的智能化改造，尤其是對碾米機碾白室壓力控制的智能化改造，達到最優碾白室壓力是今后碾米機發展的重要方向。

隨著現代化科技的發展，機械設備智能化是未來企業加工設備的發展方向。面對不斷增長的企業用工成本，智能化機械設備不僅能夠減少人力成本，提高產品質量，還能增加生產效率，豐富企業利潤。然而，碾米機行業的智能化改造還處在初步發展的階段，通過對碾米機智能化改造研究，相信未來我國的稻米加工成本會不斷降低，大米質量、生產效率也會不斷提高，糧機智能化也會為我國的糧食安全做出進一步的重要貢獻。

4.3 機器視覺的應用

機器視覺是一種從圖像中提取數據，并使用一系列方法和技術對檢索到的數據進行分析，從而控制加工過程和相關活動的輔助技術。在碾米機工作時，無法不間斷在線測量出大米品質、碾白室壓力大小，需要每隔1～2 h通過工人經驗判斷來進行人工控制。因此，研發一種能夠實時監測產品質量檢測的系統對于提升大米品質具有重要影響。如今，機器視覺系統在食品工業的質量驗證應用越來越廣泛。機器視覺系統在商業水平的許多應用上已經取代了傳統人工視覺質量檢測。通過使用機器視覺技術和基于獲得的信息對碾米機器進行瞬時控制來保證大米質量參數，能夠使工人實時連續檢驗產品質量特性，實現碾米機加工的連續監控，從而使操作者對加工谷物的特性變化做出迅速反應，實現對產品質量變化的及時控制。隨著近些年硬件和軟件的發展，機器視覺系統能夠提供低成本且有效的解決方案，此外，機器視覺系統的穩定性、卓越的速度和準確性都促進了它在食品工業中的發展。

Zareiforoush等[10]采用機器視覺和模糊邏輯技術開發了米粒碾白過程的智能自動化系統。其主體思想是通過實時捕捉米粒圖像，并采集碾磨度和破碎率參數來反饋調節碾米機出口壓力。相比人工操作，該系統效率提高31.3%。機器視覺技術作為一種新技術，可以提供一種自動化、非破壞性和低成本的方式檢測碾米機加工中成米品質，并調整碾白室壓力，從而達到最優效果。未來將會出現越來越多基于機器視覺技術研究下的碾米機的優化設計。

5 結語

隨著計算機網絡、互聯網科技的發展，糧食機械正在往智能化、現代化方向發展，研發創新型、智能型碾米機對我國糧食機械發展具有十分重要的意義，利用基于計算機輔助技術、機器視覺技術等先進研究方法，優化改善當下碾米機結構，研究高效率、低成本、低碎米率及低能耗的碾米設備、提升糧食加工產業產能是我們未來碾米機行業發展研究的主要方向。