微振扰动式农用干燥机的研究与关键部件设计

刘 珏，刘啟觉

(武汉轻工大学，武汉 430048)

0 引言

农产品收获后的水分含量较高，不及时干燥将发生霉烂、变质，造成较大损失。干燥技术的优劣与农产品的干燥品质[1-2]以及干燥效率、干燥费用等密切相关[3-4]。为了改善农产品的烘后品质、提高设备的使用效率，广大农机科技人员进行了大量的研究和实践，如以函数拟合、近红外检测及发芽率测定，研究稻谷热风、微波干燥的去水性能及其蛋白质、直链淀粉含量与出芽品质；进行干燥过程动态跟踪和调控，在线解析稻谷逆流干燥水分变化，以获得高湿稻谷逆流干燥层内的水分分布，并对干燥过程进行在线控制[5-6]；通过优化干燥工艺[7-8]以及干燥过程工作参数[9-10]，保质干燥并提高干燥效率以及干燥机的利用率。与此同时，将干燥工艺研究与干燥设备研制相结合，取得保质节能的功效[11-12]。除稻谷等大宗农产品外，干燥技术的研究已经普及到如双孢菇、红枣及枸杞等特色农产品[13-15]。

研究表明：稻谷烘后的裂纹增加率及干燥物料烘后的水分不均度等与干燥机的结构和工作参数是紧密相关的：如物料在干燥网带上分布的均匀性，横流循环式烘干机气流分布均匀性等，都将直接影响物料的干燥品质[16-17]。但到目前为止，有关干燥作业中物料在进料口易产生自动分级和布料不均匀及干燥室出料口断面处质量流量和水分不均匀等问题的研究，少有报道。针对干燥机进料口进料分布不均匀及出料口物料速度不均匀而产生的物料水分不均匀的现象，基于对流干燥机理，应用微振扰动干燥技术，以提高干燥过程中干燥室出料口物料质量流量的均匀度；并设计振动控料排料机构，旨在提高干燥物料的水分均匀度和干燥品质，探索适应不同粒径物料的“一机多用”的途径。

1 微振扰动技术

1.1 农产品对流干燥机理

农产品的种类繁多，性能、特征各异，为适应不同物料特性和产量需求，所开发的农产品干燥机种类也很多，如流化床、振动床、塔式、仓式、隧道式和网带式等。对于颗粒大小、形状较均匀的农产品，如玉米、小麦、稻谷、大豆、油菜籽、杂粮、油茶籽、花生(带壳)、板栗及莲子等，因收获时间较集中，且产量、规模较大，需要干燥机有较大的处理量，多采用对流干燥的方式。

对流干燥的机理如图1所示。干燥仓内装有需要干燥的物料层，热风经进风角状盒进入料层，在物料颗粒间渗流流动，然后进入排风角状盒排出；热风穿过料层时，加热物料，使物料温度升高，同时带走物料表面的水分，使物料颗粒表层的水分降低，并使物料颗粒中部水分向水分较低的表层转移，然后表层水分又被热风带走。所以，热风带走物料表面水分和物料中部水分向表层转移的过程为对流干燥过程。设干燥过程中的某一时刻t，物料的平均水分为w1，物料的平均温度为C1，热风的风温为C2，物料表面水蒸气的分压力为P1，热风气流中水蒸气的分压力P2，物料表层水分蒸发的速度为dw2，物料中部的水分向表层转移的速度为dw1，则在干燥过程中，需满足下列关系，即

C2≥C1

(1)

P1≥P2

(2)

dw1≥dw2

(3)

式(1)说明在对流干燥作业中，热风的风温应大于等于物料温度。当C1>C2时，物料将热量传给对流空气，使物料温度降低，为对流冷却过程。式(2)说明物料表面水蒸气的分压力应大于等于热风气流中水蒸汽的分压力，使物料表面水分向热风气流中扩散，当P2>P1时，物料将从对流空气中吸收水分，或称为吸潮。式(3)说明物料颗粒内部的水分应能及时补充物料颗粒表面已蒸发的水分，当dw2>dw1时，物料表面水分蒸发较快，而颗粒内部水分尚不能及时补充到位，将使颗粒表层过干，产生焦结、裂纹及热损伤，使干燥品质下降。所以，干燥作业需同时满足上述3个条件。

1.干燥仓 2.进风角状盒 3.排风角状盒 4.物料 5.干燥气流

1.2 微振扰动技术特点

微振扰动式农用干燥机如图2所示。依据对流干燥机理，要求干燥室内气流与物料的相对速度基本相同，同时要求物料向下移动的速度亦基本相同，即在某一时刻，处于干燥室内某一水平面上的物料在另一时刻亦基本保持水平状态，说明该水平面内的任一颗粒物料，在干燥作业过程中的下落速度基本相同，物料的受热时间基本相同、物料颗粒表面水分的蒸发量亦基本相同。但在干燥过程中，实际情况与对流干燥的理想状态存在较大的差异，其原因有以下3点：① 在干燥作业中，物料颗粒的大小、形状不同，且物料的形状与球形物料有较大差别。所以，物料颗粒之间的间隙大小、形状存在很大差异，物料的流动性差异则更大。② 由于不同物料颗粒之间的间隙大小、形状存在差异，则热风气流在料层中做渗流流动时的速度大小、速度分布等参数亦存在较大差异。③ 由于不同物料之间的流动性存在较大差别，而当物料中杂质含量、杂质成分、水分大小等情况不同时，物料之间的流动性差别亦较大，特别是物料与变化的刚性边壁之间，如干燥室的角状盒、集料斗及出料口等。

1.振动排料机构 2.出料口 3.集料斗 4.导料杆 5.前后置角状盒 6.左右置角状盒 7.提升机 8.弹性吊座 9.进料口 10.平料栅 11.干燥室 12.振动电机 13.弹性支座 14.机架

当干燥带壳花生、油茶籽、板栗和稻谷等粒径大小不规则、物料形状不规则、物料之间流动性较差的农产品时，由于干燥室横断面上各处物料向下移动的速度大小差别较大，导致下移速度较大的局部物料因与热空气接触时间较短，获得的热量较少，失水较少；下移速度较慢的局部物料，因与热空气接触时间较长，获得的热量较多，失水较多；另外，由于刚性边壁的影响，热风在这些局部的流速较慢，亦影响刚性边壁附近物料的降水。特别是存在死角的地方，物料移动的速度很小，热风在死角处的风速亦很小，所以在死角处的物料降水很少。

为了提高干燥效率和品质，需改善物料在干燥室内的流动性，并使热风气流沿干燥室横断面分布均匀，在农用干燥机中设计了微振扰动机构。该微振扰动机构主要由平料栅、导料杆、振动排料机构及弹性吊座等组成。当振动排料机构在振动电机的带动下振动排料时，计量块带动导料杆振动，导料杆将振动力传递给干燥室内的物料。同时，振动电机的振动力亦经导料杆传递给平料栅和弹性吊座。由于振动电机的振动频率较高，振幅较小，导料杆的振动使干燥室内的物料产生扰动，有利于改善干燥室内物料的流动性。平料栅的振动，亦对平料栅上部和下部的物料产生扰动，有利于改善进料口物料向四周的流动性，防止进料口物料的自动分级，亦有利于干燥室内物料的流动性。

2 微振扰动式农用干燥机关键部件设计

微振扰动式农用干燥机主要由干燥室、微振扰动系统、风网系统、物料循环系统和控制系统等组成，如图2和图3所示。

1.排料口 2.振动排料机构 3.振动电机 4.计量块

其中，振动排料机构安装在弹性支座上，弹性支座安装在机架上，且弹性支座可上下调节，从而调节计量块与干燥室出料口之间的间隙大小。当干燥物料为油菜籽、稻谷时，将振动排料机构向上调节，减小计量块与干燥室出料口之间的间隙；当干燥带壳花生、油茶籽、核桃等物料时，将振动排料机构向下调节，增加计量块与干燥室出料口之间的间隙。通过振动排料机构安装位置的变化，适应不同粒径大小农产品的干燥。

微振扰动系统主要由振动排料机构、平料栅、导料杆、弹性吊座及弹性支座等组成。平料栅的上方连接弹性吊座，弹性吊座固定在干燥室顶部，导料杆上端铰链连接平料栅，导料杆下端安装在振动排料机构的计量块上，亦采用铰链连接。风网系统由左右置角状盒、前后置角状盒、热风进风管道、尾气排风管道及风机等组成。将热风进风角状盒与尾气排风角状盒采用左右布置与前后布置，减少了布置在干燥室边壁上的半角状盒，使干燥室四周边壁平直，减少了干燥室内物料下移运动过程中半角状盒的阻力与物料在半角状盒处速度重新分布产生的质量流量不均匀的问题。其它部件与一般农用干燥机相似：由提升机抛料端连接干燥室进料口，由振动排料机构的排料口连接提升机的进料口，形成物料经提升机进入干燥室，再从干燥室经振动排料机构，再进入提升机的物料循环系统；控制系统及热源系统均为外协配置。

当干燥室内的物料受自身重力作用向下移动时，干燥室四周的刚性边壁与物料之间存在摩擦力，且刚性边壁对物料的摩擦力大于干燥室中物料之间的摩擦力，影响干燥室四周边壁物料的移动速度。特别是在出料口附近，因干燥室横断面积比出料口有效断面积大得多，故出料口附近边壁将收缩，使边壁阻力增加较快，并使物料移动速度重新分布，产生附加阻力，影响出料口排料量和排料量的均匀度。振动排料机构上部的开口断面积较大，约为干燥室断面积的85%～95%，有利于减少干燥室仓壁的收缩角度，有利于物料从上到下的均匀流动及干燥室内物料均匀受热。在干燥室下部设计多个集料斗，使干燥室内的物料在均匀向下移动的同时，顺利落入各自的集料斗中。而一般粮食干燥机的排料通道较少，且出料口的横断面积更小，出料口断面物料流量实际有效断面积一般只占干燥室断面积的2%～5%。振动排料机构采用振动排料控料技术，整个计量块的有效面积都是振动排料的有效摩擦面，也是干燥机出料口的有效横断面。在振动排料机构中，各计量块有效面积之和，亦为干燥机出料口物料料流的有效断面积之和。在设计中，各计量块有效面积之和约为干燥室断面积的15%～20%，比一般粮食干燥机出料口物料流量实际有效断面积大得多。所以，采用振动排料机构，增大了出料口物料流动实际流动通道，有利于减小运动物料之间因碰撞、挤压、变道等产生的附加阻力。

3 微振扰动式农用干燥机性能试验测试

3.1 试验基本条件

2017年10月29日至11月3日,在湖北鄂州华苑粮油有限公司干燥车间,进行了晚稻黄花粘的干燥试验。当地大气温度在10～21℃之间，相对湿度在60%～85%之间。使用湖北天和机械有限公司制造的HX-30型微振扰动农用干燥机, 按照国标GB/T6970-2007粮食干燥机试验方法及GB/T21015-2007稻谷干燥技术规范，测定试样的含水率、水分不均匀度及爆腰增加率等。稻谷原始水分26.8%，初始裂纹率1.8%,取样时间为5s。

试验先测量进料口稻谷水分值，待稻谷自然下落满仓后，再测量干燥机顶层稻谷锥顶角。试验过程中，在振动排料机构排粮口测量稻谷质量流量；在图3所示的测点，测量稻谷质量流量；计算质量流量平均值、不均匀度等参数。

3.2 试验结果与分析

利用湖北当地晚稻黄花粘进行微振扰动式农用干燥机性能测试及对比试验，结果如表1和表2所示。

表1 不同水分状态下干燥机顶层稻谷锥顶角测试

表2 测点质量流量、水分、裂纹增率统计

表1主要测试微振扰动系统对物料装满干燥室的功效，锥顶角增加，物料在干燥室内的充满度增加;锥顶角越接近180°时，即越接近理想状态。表2主要测试干燥室内物料向下移动的运动情况。XH-30型农用干燥机干燥室的横断面是3m×3m的正方形，每个测点是100mm×100mm的正方形,每次取样时间为5s。由质量守恒理论知：振动排料机构排出的物料质量流量，即为干燥室横断面的质量流量。所以，存在式(4)所述的关系,即

(4)

式中m1—干燥室任一横断面上物料的质量流量(kg/s)；

m2—振动排料机构排料口物料的质量流量(kg/s)；

m3—振动排料机构检测取样口物料的质量流量(kg/s)；

A1—干燥室任一横断面面积(m2)；

A2—振动排料机构排料口横断面面积(m2)；

A3—振动排料机构检测取样口横断面面积(m2)；

v1—干燥室任一横断面上物料的流速(m/s)；

v2—振动排料机构排料口物料的流速(m/s)；

v3—振动排料机构检测取样口物料的流 速(m/s)；

ρ—物料的密度(kg/m3)。

由图2和图3知：当振动排料机构停止工作时，平料栅处于静止状体，稻谷在进料口以自由下落状态进入干燥室内，顶层稻谷的锥顶角为82°～99°；随着水分降低，稻谷的流动性增强，锥顶角逐渐增大。当振动排料机构工作时，平料栅和导料杆产生振动，并对干燥室内稻谷产生扰动。干燥室顶层稻谷的锥顶角为154°～173°，随着含水率的降低，稻谷的流动性增强，锥顶角亦逐渐增大。由表1知：在含水率相同时，干燥室顶层稻谷的锥顶角有明显差异；当有振动和扰动时，锥顶角比无振动扰动状态时大得多，表明振动扰动系统改善了干燥室内稻谷的流动性。

表2测试数据说明：当振动排料机构工作时，各测点稻谷的质量流量变化的不均匀度小于20%，完全满足工程要求，且质量流量变化的不均匀度随着稻谷水分降低而减小，说明稻谷水分降低，稻谷的流动性改善，有利于稻谷布满整个振动排料机构的计量块。由试验条件知：每个测点的断面积均为1dm2，是干燥室断面积的1/900。将各测点的平均质量流量乘以900，与振动排料机构排料口实际质量流量相比较，均小于5%，说明振动排料机构和振动扰动系统改善了干燥室内稻谷的流动性。且表2的数据显示:微振扰动式农用干燥机干燥稻谷时，可以保证稻谷干燥品质。

4 结论

1)设计了振动排料机构和多个集料斗，减小了干燥室与集料斗之间刚性边壁变化对物料流动的影响。采用计量块振动控料排料，使出料口物料流动有效断面积达到干燥室断面积的15%～20%，有利于干燥室内物料整体流动。试验测试表明：振动排料机构各取样点质量流量的不均匀度小于20%，满足工程要求，且平均质量流量与排料口实际质量流量的误差小于5%，优于传统干燥机的排料机构，用于干燥稻谷时，其干燥品质优于国家标准。

2)振动排料机构与干燥室集料斗出料口的间隙可以调节，可用于干燥带壳花生、油茶籽、板栗等不同粒径的农产品，有利于“一机多用”，提高干燥机使用效率。

3)设计微振扰动系统，有利于改善干燥室内物料的流动性。干燥室顶层物料锥顶角在微振扰动状态下明显增大，有利于落料横向移动及防止物料下落时产生的自动分级，可提高物料的烘后品质，并降低水分的不均匀度。