【摘 要】
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稻谷是我国三大粮食作物之一,其产量关乎我国粮食安全主动权。然则缺乏稻谷破碎机理的理论研究,造成了稻谷加工环节的大量浪费,砻谷工序作为稻谷破碎的第一道工序,胶辊砻谷机是使用最为广泛的砻谷设备,针对稻谷在胶辊砻谷机中一次性脱壳率低和碎米率高等问题,明确砻谷时稻谷的破碎机制及脱壳机理,对稻谷的后续加工有着重要的意义。本研究在得到稻谷物理特性的基础上,深度分析了稻谷在不同受力机制下的力学特性,明确了砻谷受
【基金项目】
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湖北省自然科学基金项目“米粒分级碾白加工中的微切削行为与摩擦学作用机理研究”,项目编号:2022CFB944；
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稻谷是我国三大粮食作物之一,其产量关乎我国粮食安全主动权。然则缺乏稻谷破碎机理的理论研究,造成了稻谷加工环节的大量浪费,砻谷工序作为稻谷破碎的第一道工序,胶辊砻谷机是使用最为广泛的砻谷设备,针对稻谷在胶辊砻谷机中一次性脱壳率低和碎米率高等问题,明确砻谷时稻谷的破碎机制及脱壳机理,对稻谷的后续加工有着重要的意义。本研究在得到稻谷物理特性的基础上,深度分析了稻谷在不同受力机制下的力学特性,明确了砻谷受力机制下稻谷破碎的主要因素,并通过自制的胶辊砻谷试验装置,得到了砻谷过程中稻谷微观脱壳机制,为降低砻谷过程的稻谷破碎率和提高一次性脱壳率提供理论依据。主要研究结果如下:（1）稻谷物理特性分析。选取了三种典型的稻谷样品（籼稻X1、粳稻J1、糯稻N1）,使用质构仪对稻谷进行谷壳拉伸试验和压缩试验,得到力-时间曲线图、断裂强度、断裂能等关键力学数据,并对得到的断裂能数据进行回归分析。试验结果表明谷壳长轴拉伸断裂力为5.5N,由于谷壳纤维的连接导致断裂过程较长;谷壳两侧的短轴拉伸断裂力为1.5N,说明谷壳两侧是受力薄弱处。稻谷的受力破碎过程分为三个阶段:谷壳受力阶段;糙米脆性断裂阶段;稻谷破坏阶段。糙米脆性断裂力为159.7N,稻谷破裂力为214.2N。三种稻谷的断裂能与速率、含水率呈负相关,由回归分析模型得出X1受速率影响最显著,J1受含水率影响最显著。（2）砻谷受力机制下稻谷力学特性分析。基于胶辊砻谷机的工作原理,确定了砻谷过程中稻谷的受力机制,胶辊在转动过程中对稻谷施加挤压和剪切作用。因此在稻谷底部放置聚氨酯胶片,通过质构仪进行了砻谷受力机制下的力学试验。试验结果表明聚氨酯胶片吸收了大部分挤压产生的能量,稻谷的断裂过程分为两个阶段:谷壳受力和稻谷断裂,断裂力为120.6N。不同速率、含水率、温度条件下,砻谷受力试验与压缩试验中稻谷断裂能变化趋势相同。稻谷的玻璃化转变会降低其抗破坏能力,稻谷在60℃时断裂能最小,表明玻璃化转变温度为60℃。（3）稻谷断裂特征与裂纹扩展规律。在压缩试验中,以稻谷的变形为主,糙米中心应力集中处发生塑性变形,X1裂纹形式为长轴裂纹,J1和N1的裂纹形式都为短轴裂纹。砻谷受力机制下三种稻谷的断裂形式都为剪切断裂,稻谷形状类似于椭球,断裂都出现在稻谷中心处。试验结果表明砻谷过程中,剪切力是导致稻谷破碎的主要因素。三种稻谷的断裂程度与速率呈正相关,与含水率呈负相关,水分吸收接近饱和时,稻谷弹性增大,抗剪切能力增大,稻谷断裂形式为压缩断裂。高温干燥条件下,谷壳和糙米剪切断裂程度增大。（4）模拟砻谷试验分析。稻谷剖面图显示内外稃勾合并包裹着稻谷,砻谷条件下稻谷被胶辊的运动带动旋转,谷壳的断裂过程为内外稃两侧率先断裂,其次内外稃的结合处断裂,最终谷壳从稻谷表面剥落,完成脱壳。稻谷的断裂力和谷壳的断裂程度与聚氨酯硬度、速率呈正相关。
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