0 引言

稻谷作为我国南方地区重要的经济作物，在国民经济中占极其重要的地位。在稻谷加工过程中，能否加工出优质的大米主要取决于碾米环节，碾米过程中碎米率过高一直困扰着我国稻谷加工业。碾米机是大米加工的关键设备，对碾米机进行创新设计，不但可提高大米加工的品质，且可以减少碾米加工过程中产生的碎米。因此，提升碾米机的设计水平、改善碾米机性能、对我国产稻大国来说，经济效益及社会效益巨大。

目前，国内外学者一直在尝试采用连续介质力学方法研究碾米机的工作过程，把稻米群体简化为整体来考虑，用连续介质方法进行研究，无法分析稻米群体中单颗籽粒的运动过程和稻米之间的相互接触作用，也不能很好地分析碾米机的工作过程。因此，本文采用三维离散元分析方法，深入分析碾米机工作过程，建立一种基于离散元法的碾米机产生碎米的数字化设计模型; 通过研究米粒在腔室内的运动规律，为后续建立影响降碎的关键要素及其边界条件的约束模型提供理论依据。

1 总体结构及主要性能参数

1． 1 总体方案设计

外碾削立式碾米机的碾白室横截面上米粒流体密度均匀，因而碾白压力均匀，且米粒自上而下，多数米粒长轴方向与碾轴轴线基本平行，在运动过程中，改善糙米的受力状况，受弯曲与剪切的几率较少，碎米率较低，深受碾米用户喜爱。外碾削立式碾米机主要由进料口、螺旋输送器、传动轴、碾白室、出料口、排糠室，以及传动系统等组成，如图1 所示。

1． 2 主要技术参数

外碾削立式碾米机的主要技术参数如表1 所示。

2 工作原理

碾米就是运用物理机械的方法将糙米的糠层部分剥除，加工成为的成品米的工艺过程。糙米由进料口进入碾米室，碾白过程中通过螺旋输送器将克服糙米自身重力，使其自下而上输送; 米粒的运动从螺旋输送器上获得，经过碾白室接受碾辊的碾磨后随着砂辊的滚动，糙米沿砂辊表面螺旋前进，旋转的砂辊表面不断地擦离糙米表面层，借助米粒与米粒自身、米刀、米筛间相互间的摩擦力和挤压力，使糙皮脱落而成为白米; 米粒由拨米轮送到出料口，筛糠在风机的作用下由筛孔漏出，最后通过排糠室收集。

3 碾米机的离散元法分析

3． 1 碾米机的离散元模型

基于碾米机复杂的碾白室结构，无法用传统的特定函数和命令流方法来完成边界的建模。因此，通过 SolidWorks 软件建立碾米机的三维结构模型，如图2 所示。为减少运算步骤，将碾米机运动过程中与米粒接触无关的部件简化，对各项参数进行设定，进行仿真分析。建立糙米籽粒的离散元分析模型，导入简化后添加米粒颗粒模型的效果如图3 所示。

3． 2 碾米机的离散元仿真设置

离散元法基本思想就是把不连续体分离成刚性元素的集合，使各个刚性元素满足运动方程，用实步迭代的方法求解各刚性元素的运动方程和整体运动形态。随着离散元软件的开发应用，离散元法等到了广泛应用，包括颗粒材料的运输、固体粒子在流体中的运动状态、颗粒系统中的化学反应，以及干湿固体的压缩过程等。

离散元仿真设置的具体步骤如下:

1) 设置颗粒材料。糙米表面光滑、流动性较好，故可近似定义为椭球型散粒体，在离散元分析过程中将糙米颗粒简化为硬球模型，设其由 5 个小球组成，依据千粒质量为 25g，糙具体颗粒材料属性如表 2所示。

2) 定义颗粒物理属性。材料的物理属性是保证仿真结果的主要因素，各部分材料微观参数的准确性对于仿真尤为关键，具体接触属性如表3 所示。

3) 接触模型。由于米粒近似为椭球形，颗粒表面粘附力较小，故选择 Hertz －Mindlin 无滑动接触模型作为籽粒之间及籽粒与碾米机结构间的接触模型。

4) 基于 Cundall传统离散元模型。除考虑糙米颗粒间的接触力、摩擦力，还加入了平行粘结来表示颗粒间的液桥作用。图 4 所示为建立的 i、j 两个糙米颗粒的接触模型。颗粒间接触力用法向与切向弹簧表示，摩擦力用滑块表示，法向与切向阻尼器表示粘滞阻尼的影响，平行粘结弹簧表示平行粘结作用。

5) 仿真分析。设定电动机带动下碾辊传动转速为1 104． 48r /min，建立颗粒工厂产生的米粒总量为不限制，设定每秒可产生5 000 粒米粒，运行时间为 3s，( 前1． 5s 为米粒充种时间，后 1． 5s 为主轴带动砂辊及米刀开始转动) ，自动根据米粒产生顺序进行编号，选取其中的若干米粒标记，进行仿真分析

3． 3 结果分析

进行仿真计算后处理，可对所有米粒的任何步长运动以流线型显示，用不同的颜色表示运动速度的大小，从速度流分布图像可看到每个米粒的运动轨迹。图 5 为碾米机输送过程中速度流的分布图，图6 为标记343 号米粒的运动轨迹，图 7 为 343 号米粒的速度时间图。米粒在碾米机内被螺旋输送器带到一定高度后，部分由于自身重力滑落下来，运动呈泻落式，速度下滑; 该米粒在生成阶段到运行至观察口位置速度呈下降趋势，是由于米粒之间的相互拥堵所致。此外，米粒的泻落轨迹分层循环呈现，分为内外两层，外层接触静止筒体速度较慢，内层运动速度接近螺旋输送器，运动情况与实际情况相符。

4 结论

本文用离散元分析的方法来模拟碾米机在静态、动态荷载作用下离散介质的力学反应，通过建立碾米机模型并模拟米粒在碾米螺旋输送器上的流动行为，真实反映出颗粒物料输送过程中的复杂力学及运动学规律，找出碾米输送过程中遇到的问题，可为解决碾米过程中碎米产生机理的提供理论依据。该技术为其他农业物料精确定量分配提供了一种新的方法，在粮食机械设计系统的研究中具有重要的推广意义，可为碾米机优化设计提供理论参考。

参考文献（略）