智能碾米机现状及发展趋势

◎ 王子啸，王旺平，宋少云

（武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048）

稻米是目前我国食用量及适用范围最大的农作物。现阶段我国稻米年产量约1.8亿t，约占世界谷物总产量的40%。我国约有60%的人将稻米当作主食，平均每年消费水稻在1.6亿t左右[1]。只有提高了稻米的生产力，才能保证我国的粮食安全，进而保障人们生活。

碾米机是加工稻米的主要机器，而大米的产能直接由碾米机的效率决定。如何提高产能，降低碎米率的同时，使碾白更为充分，是研究者们在研制碾米机时考虑的主要问题。常见碾米机的碾白方式主要有擦离碾白和碾削碾白，这两种方式都是利用机械压力剥离糙米外皮进行碾白。另外，同时使用擦离碾白与碾削碾白进行的混合碾白可以减少碎米量，提高出米质量以及生产效率，减少电能消耗。而智能碾米机是在传统碾米机的基础上，引入了智能化系统，通过传感器测温，电磁继电器控制米粒进出料口流量差等方式，使碾米步入更加智能化的时代，在降低碎米率的同时，增加碾白效率以及出米率。基于此，本文对智能碾米机现状及发展趋势进行了研究。

1 碾米机的发展历程

20世纪60年代，世界上第一个新型的立式砂臼碾米机在欧洲诞生。我国也在20世纪90年代对立式砂臼碾米机进行了早期的研制和试验，并在此基础上又提出了横式的铁辊碾米机。铁辊碾米机的问世，大大提高了传统碾米机的研制与开发效率，而且实现了糙米碾白技术的重大飞跃。

在对从英国引进的横式铁辊碾米机进行了研究和改造之后，我国的碾米机生产技术也迈出重要了一步。在20世纪50年代，我国农村普遍都采用米糠不分离的铁辊碾米机进行生产劳动。20世纪80年代，由于技术水平的发展，分离式铁辊碾米机的性能和工作效率明显优于米糠不分离的铁辊碾米机，所以分离式铁辊碾米机逐渐取代了后者而被广泛使用。20世纪90年代，铁辊喷风碾米机凭借特有的喷风装置出现在人们的视野中，它加工过的米不仅成色好，并且出米率也高[2]。我国在一段时期内主要采用横式碾米机，近些年也加强了对立式碾米机的研发。成熟的机型有NF型旋筛喷风碾米机、MNML系列立式双辊碾米机、NS型螺旋槽砂辊碾米机、MNMS30A型砂辊碾米机和MNMP系列铁辊碾米机等[3]。

日本最开始以研究横式碾米机闻名世界，近年也着力发展立式碾米机和组合型碾米机，如佐竹公司的VTA10AB-C立式砂辊碾米机、VBF10A-C/MC立式铁辊碾米机及SAFF3G组合米机[4]。与日本相同，瑞士布勒公司也一直在对立式碾米机进行研究，开发的产品在世界上被广泛使用，如DSRD型、TopWhite™BSPB型立式砂辊碾米机。

2 碾米机工作原理

传统碾米机工作时，糙米从进料口流入，利用人工调节流量调节开关，控制进入碾白室中糙米流量。在推进器的作用下，糙米被送入碾白室中进行碾白，米糠通过米筛排出碾白室[5]。通过人工调节压力调节门控制碾白室压力以降低碎米率，最后碾白完成的白米从出料口排出。传统碾米机工作原理如图1所示。根据碾米机的不同作用性质主要分为擦离碾白和碾削碾白两种。擦离碾白是一种利用合适的压力对碾白室中的糙米不断碰撞，使米粒与碾辊之间、米粒相互之间、米筛与米粒之间出现摩擦。在摩擦力作用下，糙米表面的种皮逐渐剥离，从而达到碾白效果。碾削碾白是在碾白室中，在一定压力下，糙米与高速转动的金刚砂的锋刃相碰，米粒与米粒间发生摩擦，米粒与米筛之间发生摩擦达到糙米碾白。碾削碾白主要依靠金刚砂的锋刃造成的切削力来完成糙米的碾白。

图1 传统碾米机工作原理图

3 智能碾米机与传统碾米机的主要区别

智能碾米机在碾削原理上与传统碾米机几乎相似，智能碾米机的优势主要在于流量的控制与碾白室温度监测，以此来降低碎米率，增加碾白程度。

3.1 智能碾米机组成及工作流程

智能碾米机主要由智能控制系统、进料机构、碾白室和出料机构组成，其中智能控制系统是智能碾米机与传统碾米机差异较大的部分。智能碾米机控制器系统主要由执行机构、控制器硬件以及控制系统软件构成。其执行机构主要分为电流传感器、温度传感器、重力传感器、白度传感器、露点感应器、气压传感器、后仓料位器、喷风装置、气动阀门、流量阀门以及压力门调压机构等[6]。智能碾米机工作流程如图2所示。智能碾米机进料机构在结构上与传统碾米机有一定差别，主要体现在智能流量调节装置方面。智能碾米机的进料机构包括进料斗、流量调节控制装置和螺旋推进器3个部分[7]。部分智能碾米机进料机构采用气动与电动开度控制方式。上部闸门为气动开合闸门，两位开关控制断料与通料，下部闸门为流量控制闸门，流量调节执行机构为永磁同步电机、涡轮减速器、闸门推拉连接杆和闸门。

图2 智能碾米机工作流程图

3.2 智能碾米机碾白控制

影响碾米效率和成米品质的一个重要因素是碾白室压力控制，如果碾白室气压过大，会造成糙米无法顺畅通过碾白室，使碾白室气压上升，糙米的碾白程度、成米质量以及碎米率提高；如果气压调节范围过小，则成米更易于排出碾白室，碾白室的气压降低。虽然碾白室中气压过小会使碎米量降低，但易导致成米质量下降，碾白不完整等问题出现。碾白室的气压自动控制也是智能碾米机和传统碾米机存在较大差异的部分。传统碾米机无法自动控制碾白室压力，只能通过人的主观经验进行判断，自行增减进入碾白室糙米的流量，而智能碾米机的进料机构通过调节进入碾白室的流量的方式，来调整碾白室中米的密度，进而控制碾白室中米的压力大小，以此来控制碎米率。智能碾米机的碾白室中设置有压力传感器，通过反馈调节来控制进出料口流量差，从而达到碾白室中米压力大小的智能控制。

相关资料表明，碾白过程中随着米温升高，米粒的硬度会不断减弱，增加碎米率。同时，在进行碾白时，排糠是否顺利同样影响着碾米的质量。若排糠不通畅，极易使碾白室压力变大，温度上升，米粒无法完全脱糠等，进而干扰碾白状况，提高碎米率。所以，在碾白室中要保持一定的温度，使碎米率达到最低。智能碾米机的碾白室中安装有温度传感器，用于监测碾白室温度，并将信息反馈给自动控制系统。控制系统会控制喷风机以调控风速。当喷风气流通过碾白室时，不仅可以降低温度，还可以促进米粒的充分翻滚，使碾白均匀，促进排糠，有利于提高碾米效果。智能碾米机风路循环流程如图3所示。

图3 风路循环流程图

4 国内外智能碾米机现状

4.1 光伏供电智能米机

光伏智能供电米机是由彭代湃设计的[8]。该设计通过安装在智能碾米机顶部的光伏发电装置提供部分电能，降低了智能碾米机在碾米过程中由外部提供的电能消耗。光伏供电智能米机示意图如图4所示。

图4 光伏供电智能米机图

该光伏供电智能米机包括机壳和安装在机壳上的光伏发电装置。机壳内从上到下依次设有储谷仓、出料装置和碾米装置。光伏发电装置为智能米机的工作提供电能。光伏发电装置包括光伏电池板、中央控制器、DC-DC变换器、逆变器和蓄电元件，光伏电池板安装在机壳的上部。光伏电池板共3块，其中一块安装在该碾米机顶部，另外两块分别安装在机壳顶部的两侧，并用铰链与顶部的光伏电池板连接。机壳的两侧还设置有调节装置，用来调节两侧的光伏电池板的位置，以便于更好地增加光伏电池板与阳光的接触面积，从而增加发电量。

该光伏供电智能米机在不工作时，谷仓的出料口安装的转轴会被固定住，转轴上的出料板会被堵住，让米不能流入碾白室内。而智能碾米机工作时，转轴会被松开，在出料板带动下不断转动，将米不断送入碾白室中。在出料板和转轴转动的过程中，安装在谷仓出料板空腔内的线圈会切割安装的两个磁铁间的磁感线，产生电能，由此完成了米的中立势能到电能的转变。产生的电能储存在蓄电机构中，当光伏发电装置储存的电能不足时，可利用蓄电机构中的电能，保证智能米机的正常工作，进一步达到节能的效果。该设计非常节能，能保证智能碾米机的持续运行，但由于机体容量较小以及出料板安装时的配合问题，会导致该米机的工作效率较低，产米量也相对较少。

4.2 CFN2525 F1智能碾米机

CFN2525 F1智能碾米机是由武汉中机星粮食机械股份有限公司的肖崇业[9]开发。该产品以“中机星”牌低温升电动控制碾米机为机体，采用双风源进风技术进风，并引入西门子PLC可编程控制器模块及触摸屏控制系统，这种控制系统能对碾米机实现自动化控制。CFN2525 F1智能碾米机外观如图5所示。

图5 CFN2525 F1智能碾米机图

CFN2525 F1智能碾米机利用双压力门闭风与强喷风这两种相关技术使碾白室中通过的风量超过了常规碾米机的2.5倍，并且它能够将米温保持在合适的范围。由于CFN2525 F1智能碾米机设计有进、出料及吸风装置，可以将凉米的过程动态化，也可以降低成米温度，且成米所含杂质也较少。CFN2525 F1智能碾米机使用的是可带磁选装置的双进料闸门，使进入碾白室的糙米流量能够在变化范围内实现微调。此外，碾白室采用的旋转设计可快速、准确地更换米筛。CFN2525 F1智能碾米机碾白室的双辊并排设计能够更好地完成增产和同时进料。

CFN2525 F1智能碾米机配有机顶智能控制盒，能够实行人机对话，实时动态显示控制参数值（电机电流、流量闸门开启大小、压力增加大小以及碾米温升等）。同时，该机又运用模糊逻辑控制、迭代学习控制、分层碾递阶控制等技术，对数据进行分析处理，并对进料流量、碾白压力调节执行机构进行实时调控。该机可实现手动操作、自动控制、提示错误操作、报警操作故障和提醒更换易损件等功能。此外，该机留有碾米机组控制系统的通信接口，能上传或下载与上层系统交换数据，实时调整碾米机组中各台米机的参数，实现无人操作自动运行。CFN2525 F1智能碾米机在CFN2525F低温升碾米机基础上进行了改良，产量较大，碎米率较低，在实际生产中也得到了很好的应用。同时，其使用方便，拥有先进的智能学习技术，使碾米过程更加智能化。但由于其搭载了大量智能系统以及大功率的进给设备，导致制造成本以及耗能偏高，不适合在工业生产中使用。

4.3 TopWhiteTM智能米机

TopWhiteTM智能米机是布勒公司生产的一款立式智能碾米机，主要用于糙米碾白，同时还可对小麦、大麦和豌豆等进行去壳加工。TopWhiteTM智能米机碾白室内使用垂直磨料，可实现全谷物产量最高。糙米颗粒通过两个入口进入碾白室，并被引导进入进给螺杆。在碾白室中，糙米在6个磨环与筛网表面上的颗粒间互相摩擦，从而被碾白。碾白室主轴上的转子转动时是动态平衡的，因此能保证碾白室的平稳运行。糙米的碾白程度由两个因素控制，即挡板的配重和转子与制动器间的间隙。对于糙米碾白程度大小的粗调，只需转动手轮，即可通过调整垂直制动器来调整制动器与转子间的间隙，从而调整碾白室内的压力。糙米碾白程度的精调，则是通过改变挡板的配重位置来实现压力控制。TopWhiteTM智能米机的重力流能保证产品在紧急停机时无故障重启。TopWhiteTM智能米机外观如图6所示，碾白室如图7所示。

图6 TopWhiteTM智能米机图

图7 TopWhiteTM智能米机碾白室图

TopWhiteTM碾白室外部使用宽门封闭，便于检修碾白室，有助于快速更换筛板和机器检查。使用者可在运行期间调节TopWhiteTM设置，节省大米加工时间，也可通过中央控制面板同时调节三片筛框。该机在TopWhite™ BSPB型立式砂辊碾米机上进行了改进，碾白效率高，碎米率较低，整体更为智能化，且易于检修，符合人机工学设计，在实际生产中得到了广泛使用。但其耗能也较高，提高了工业生产成本。

5 智能碾米机发展趋势

未来新型的智能碾米机将会在以下4个方面得到进一步发展。①未来新型的智能碾米会在碾白室压力调节与温度调节方面更加灵敏。②智能碾米机将会向更加节能、低价的方向发展，将进一步降低维护与维修成本。③智能碾米机提供的大数据将会通过计算机网络进行连接，选择碾白效率最高、碎米率最低的碾米温度与碾米压力进行加工。智能碾米机在智能故障监测、迭代学习控制等方面仍然有很大的进步空间。④未来的新型智能碾米机与人机工程学、机器视觉技术[10]、计算机辅助技术等现代化技术的结合更为紧密。结合现代计算机仿真，如EDEM仿真，可以让计算机与物联网更紧密的结合，使智能碾米机得到更快速的发展。

在人工智能快速发展的当下，智能碾米机有了更大的发展空间。在实现高效碾米的同时，通过智能监测系统、智能故障诊断系统，让智能碾米机向低碎米率、低能耗、低成本方向发展。智能碾米机研究目前已有初步结果，在智能降温、智能维持压力、节能等方面已经有了一定进展。智能碾米机的应用提高了粮食工业生产能力，小型自助碾米机更是得到了大力发展，更好地满足了现代城市居民的粮食需求。

6 结语

本文介绍了碾米机的发展历程与工作原理，阐述了智能碾米机与传统碾米机的主要区别以及国内外智能碾米机的研究现状，列出了几个现有的设计方案与具体实例，对这些智能碾米机的优缺点进行了分析，并对未来的智能碾米机发展趋势进行了展望。目前，人们在智能碾米机的智能降温、智能维持压力等方面已有初步成果。将新的模拟仿真技术及智能化现代技术与智能碾米机更紧密地结合，将成为未来智能碾米机发展的主流趋。未来，智能碾米机在提高生产量，降低碎米率的同时，会向节能、节省人力的智能化方向发展。