红外玉米穗干燥试验台设计

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材料对农产品造成污染。另外，由于气候理由，还往往会导致来不及晒干或未达成安好储存水分的农产品发生霉变甚至发芽，晾晒过程中还会造成抛洒损失等，其损失可达粮食总产量的5%之多[1，2]。玉米是中国三大粮食作物之一，仅次于小麦和水稻[3]。随着养殖业的进展、饲料需求量的增加以及玉米在工业原料中地位的不断提高，玉米的种植面积逐步扩大，产量逐年提高[4]。因此，如何对湿玉米穗实施枯燥是保证玉米增产增收和产后品质的关键。

在玉米枯燥中，目前常用的方法是太阳能枯燥、热风枯燥和真空冷冻枯燥等。太阳能枯燥的主要优点是俭约能源，但易受自然条件的限制；人工热风枯燥虽然可以制止自然条件的限制，但枯燥时物料受热先外后内，易产生“爆腰”现象，影响枯燥产品的感官品质[5]，枯燥耗时长且能耗大、效率低；真空冷冻枯燥工艺繁杂，本金较高，用户难以采纳。另外，还有火力枯燥，但设备浩瀚，烟气泄露会造成产品污染，且耗能大、本金高[6]。因此，农人急需一种不受自然条件限制、枯燥平匀性好、工艺简朴、能耗较低的玉米枯燥设备，为此国内外大量学者在玉米枯燥方面做了大量试验研究与探索。任丽辉等[7]设计了一种玉米热风薄层枯燥试验装置，枯燥试验说明影响玉米枯燥速率的因素主要是热风温度，较低温度枯燥时热风流速对玉米发芽率有确定影响；热风温度与玉米发芽率呈负相关关系，热风温度超过80℃那么玉米不会发芽。朱德泉等[8]对玉米举行了微波枯燥试验，研究了微波功率、枯燥时间对玉米枯燥特性以及能耗的影响，并确定了微波枯燥条件下玉米的工艺参数和工艺流程。张锋伟等[9]从玉米自身水分分布特点启程，利用太阳能与热风组合技术设计了一种玉米穗分级枯燥工艺试验装置，试验说明分级枯燥工艺枯燥时间较一次枯燥工艺大大缩短，平均降水速率提高60.8%。在玉米应力裂纹研究方面，Jyoti等[10]研究认为玻璃化转变温度的概念可以扶助理解和深层次探讨玉米枯燥过程中应力裂纹的产生，并提出其后续试验研究务必在计算机模拟条件下举行，才能将试验数据扩展到更广泛的枯燥条件下使用。曹崇文[11]研究玉米热风枯燥条件下裂纹产生的机理，分析玉米自身因素及玉米热风枯燥工艺中各参数对玉米产生应力裂纹的影响，提出了裂纹检测手段和裁减裂纹的概括措施。在玉米最正确脱粒状态研究方面，王长春等[12]研究察觉玉米子粒的最正确脱粒含水率应为18.0%左右，当子粒含水率高于或低于此值脱粒时，子粒破碎率都会有所升高，脱粒不净的现象较易发生。

目前，关于玉米枯燥技术方面的研究及应用主要集中于利用传统加热方式举行脱水枯燥方面，且仅局限于对脱粒后的玉米子粒举行枯燥，而关于利用红外辐射加热技术对玉米穗枯燥方面的研究鲜有报道。假设能将红外辐射加热技术应用到玉米穗的枯燥过程中，由于物料内部由温度梯度引起的水分转移与湿度梯度引起的水分转移的方向是一致的，因此可以加速水分的分散过程，即加速了枯燥进程[13，14]。本研究根据玉米穗自身特点以及最正确脱粒含水率等要求，将红外辐射加热技术应用到玉米穗的脱水枯燥中，设计了一种传热效率高、能耗低、枯燥平匀性好的玉米穗枯燥试验台。

1试验台布局、原理及特点

1.1根本布局

试验台采用保温箱式布局，主要由箱体、输送装置、辐射装置、传动装置、张紧装置、托料装置、出料口及料斗等组成（图1）。长方形试验台顶部一端设有料斗，同端底部设有出料口，顶部和底部均有通气孔，箱壁内设有保温层。箱体内沿长度方向设有带拨料杆的双面输送装置，并通过传动装置驱动运转。拨料杆两端固定在两条链条向内侧伸出的弯板上，托料装置设置在链条的上、下两段水平段的下方，辐射装置设置在输送装置的上方，且上下可调，单方向朝着托料装置向下辐射红外线。

1.2工作原理

试验前，首先将试验台辐射装置通电，当箱体内温度达成设定温度时，传动装置的减速电动机通电开头工作，减速电动机经一级链传动驱动输送装置的主动轴在设定的转速范围内运转，进而驱动固定在链条上的拨料杆向前运行。试验时，将采摘后的湿玉米穗整齐地放入料斗内，箱体内的玉米穗将依次落在托料装置上，并且位于位置最近的两拨料杆之间。玉米穗在拨料杆的拨动下完成边滚边滑的输送过程，同时承托在托料装置上吸收红外辐射热。在边滚边滑过程中，玉米穗平匀地吸收红外辐射热，使得玉米穗中子粒和玉米芯部水分向外观溢出散失。在玉米穗的输送过程中，玉米穗到达托料装置的边缘时，由于玉米穗没有任何支撑力，将通过导料槽落到下方离输送装置最近的两拨料杆之间，承托在下方的托料装置上，并在换向后的拨料杆的拨动下反方向运行。托料装置两端上方未设置辐射元件，玉米穗由于中断吸收辐射热而短暂地实施缓苏。玉米穗经一次枯燥，从出料口流出后，可再次放入料斗中重复枯燥，直至玉米穗轴上子粒的含水率降至17%～19%为止。

1.3布局特点

1）由于红外辐射加热具有确定的穿透才能，因此玉米穗在枯燥过程中采用红外辐射加热技术，使得玉米穗内外同时加热[15]，不仅有利于裁减温度梯度对水分外移的阻碍作用，而且可以制止在物料外观发生猛烈的吸收，因此能够提高玉米穗枯燥效率；

2）对新采摘的玉米穗采用的是“先枯燥处理后脱粒贮藏”的工艺方案，有效地制止了由于“脱粒后再枯燥处理”导致子粒破碎率高、脱粒不净等问题；

3）试验台采用箱式双面输送布局，玉米穗在拨料杆拨动下，在托料装置上平匀地吸收红外辐射热，保证了玉米穗各片面枯燥平匀，使设备的空间利用率提高2倍；

4）在设置辐射装置时，托料装置两端上方未设置辐射元件，以便玉米穗短暂中断吸收红外辐射热实施缓苏。因此本试验台采用加热与缓苏交替举行的枯燥方式，有效地提高了枯燥效率和玉米穗的枯燥品质。

2试验台总体设计

影响玉米穗枯燥品质的因素好多，如玉米穗自身因素，包括品种、直径、含水率等；试验台参数，包括枯燥时间、输送速度、功率密度、辐射距离等。因此，本研究以降低能耗、保证玉米穗最正确脱粒含水率为目标，对试验台各参数举行细致设计、计算与校核，以期提高玉米穗的枯燥品质。

2.1转速计算

为了简化设计，该试验台采用单层布局方案，即试验过程中的玉米穗经一层枯燥，从出料口流出后，根据需要可再次参与料斗中，直至玉米穗达成最正确脱粒含水率为止。该试验台速度可调，以便探索各种玉米穗的最正确输送速度、枯燥时间以及枯燥温度等参数组合。由初步试验得知，对新采摘的湿玉米穗在红外辐射加热条件下枯燥至最正确脱粒含水率大约需要4～6h，按试验台输送装置上下两段的总枯燥时间为td=60～90min举行设计计算。

输送链条的运行速度vs=L/td，式中，L为试验台单层物料输送距离（mm）；td为试验台单层枯燥时间（min）。

由此得试验台主动轴的转速n=vs/πd，式中，d为输送链轮分度圆直径（mm）。

计算得试验台主动轴转速范围为n=0.046～0.068r/min。

2.2功率计算

由于玉米穗在枯燥过程中质量变化不大，可近似认为输送装置的拨料杆对玉米穗向前的拨动力也根本不变，因此驱动输送链条所需的功率也根本恒定。

链条牵引力Fq=（m1+m2+m3）？滋g+fb+ft+fzc，式中，m1为托料装置上的玉米穗质量（kg）；m2为链条质量（kg）；m3为拨料杆的总质量（kg）；？滋为摩擦因数，取？滋=0.1；fb为拨料杆与玉米穗之间的摩擦力（N）；ft为托料装置与玉米穗之间的摩擦力（N）；fzc为试验台轴承的摩擦力，取fzc=500N。

设计确定链条型号，测定玉米穗质量后计算驱动链条所需的功率为：Pd=Fq·vs=[（m1+m2+m3）？滋g+fb+ft+fzc]vs≈0.3kW。

考虑到电动机与试验台主动轴之间传动的效率以及确定量的功率储蓄，取P=0.55kW。由于本试验台的运行速度分外低，因此选用型号为BWED型二级摆线针轮减速机。

3主要零部件设计

3.1输送装置的设计

输送装置是整个红外玉米穗枯燥试验台的关键部件，由链轮、从动轴、链条及拨料杆等组成（图2）。根据不同地区、不同收获期采摘的不同含水率玉米穗的枯燥时间要求，输送装置的运行速度可在确定范围内调整。各拨料杆两端固定在输送装置两链条向内侧伸出的弯板上，且相邻两拨料杆内侧外观之间的距离大于玉米穗的直径。在链条的带动下，拨料杆向前拨动玉米穗完成边滚边滑的输送过程。

3.2辐射装置的设计

辐射装置由U形槽、定向辐射器和托架等组成（图3）。辐射器功率由玉米穗在红外辐射加热条件下的功率密度确定，通过计算得到各辐射器之间的水平距离。玉米穗在枯燥过程中可最大限度地吸收红外定向辐射器的辐射热量，制止“爆腰”现象的发生，在降低能耗的同时保证玉米穗的枯燥品质。由于玉米穗含水率及其直径、长度等存在差异，枯燥过程中对定向辐射器的辐射距离要求不一，因此本研究中辐射装置的辐射距离上下可调。

4结论

1）本研究设计的红外玉米穗枯燥试验台，对新采摘的湿玉米穗采用“先枯燥处理后脱粒贮藏”的工艺方案，以解决由于“先脱粒后枯燥处理”而导致子粒破碎率高、脱粒不净等问题，为研制红外辐射玉米穗枯燥机奠定了根基。

2）试验台采用箱式双面输送布局，玉米穗在拨料杆的拨动下，在托料装置上向前边滚边