仓储环境下抑制稻谷产生裂纹相关工艺的探讨

　　谷物化学与品质分析仓储环境下抑制稻谷产生裂纹相关工艺的探讨陈江王正杨国峰（南京财经大学食品科学与工程学院江苏南京210003）稻谷产生裂纹相关仓储工艺设备的破坏应力和能耗，并给出了若干未来研究的建议。

　　稻谷作为我国*主要的粮食作物之一，储运过程中稻谷产生裂纹的现象己为人们所熟知。近年来，随着国家资金的投入，粮食行业大量使用干燥及输运机械设备，并进行了仓房的换代升级，促进了仓储技术的发展和粮库机械化水平的提高，但谷物的破碎问题却日益突出111.本文从谷粒裂纹量化程度的角度对国内外关于稻谷裂纹的研究进行了分类，在此基础上，探讨了与稻谷产生裂纹相关的并由仓储工艺设备产生的破坏应力和能耗，并给出了若干未来研究的建议。

　　1稻谷裂纹的量化谷物的仓储经过输运、干燥、通风等多道作业，会受到来自外界的冲击、摩擦、挤压等作用和源于内部的湿热膨胀作用，这些均能使谷粒的微细结构发生变化导致裂纹的产生，为从理论上对稻谷裂纹生成与扩展获得完整的认识，首要解决的问题是如何量化谷粒裂纹，国内外的相关研究按谷粒裂纹的量化程度大致可分为以下三大类：**类，以爆腰率（或HRY）与破碎率（或破碎敏感性）为检测指标设计试验，目的是分析谷粒产生裂纹的力学因素。对干燥和通风作业，Kondo和Okamura通过对稻谷收获前后的气候变化及稻谷的实际晾晒方式对裂纹形成的影响进行多因素定量分析，认为因干燥引起的产生裂纹现象主要原因是谷粒的重新吸湿，KunzeO.R.等在实验室的可控环境中证实了吸湿性裂纹是稻谷裂纹的主要形式，提出应力学说，同时认为干燥速率过快同样能产生裂纹，CnossenAG等13利用玻璃化理论解释了干燥和缓苏过程中出现裂纹的现象；对输运和装卸作业，通常的方法是将谷物放入特定的试验设备中，使谷物承受一定形式的载荷，产生破碎后测定破碎率或破碎敏感性，试验主要有四类，即谷物对不同材质表面的冲击试验（代表设备为气流冲击试验台14）、谷物与谷物冲击试验（代表设备为USGMRL谷物加速试验台151）、谷物冲击和搓擦试验（代表设备为Stein破碎试验仪161）和谷物离心试验（代表设备为Wisconsin破碎试验仪171第二类，以爆腰指数或应力裂纹类型（单裂、双裂和龟裂）为检测指标设计试验，目的是准确评价干燥工艺对稻谷破损程度的影响。在爆腰率相同的情况下，爆腰指数越高，谷物所处的干燥环境越恶劣，即干燥工艺不合理，需要调整工艺参数或更换设备181.董铁有等191试验研究了稻谷顺流干燥中热风温度、热风流速、谷物流速及谷物初始水分等因素对爆腰指数的影响，提出的水稻顺流烘干工艺参数与现行推荐工艺参数基本一致。李栋等1101试验分析了稻谷在干燥、冷却及储藏条件下应力裂纹类型的变化趋势，先单裂，再双裂，*后形成龟裂。

　　第三类，以谷物损伤指数为检测指标设计试验，目的是为从能量转化角度分析谷物产生裂纹过程奠定实验基础。王显仁等1111试验研究了受弯曲①基金项目：①国家“H五”科技支撑计划项目：“现代粮仓建设配套新技术材料研宄开发”（编号：2006RAD08R05）；②江苏省高技术研宄计划农产品加工领域项目：“稻米绿色储运保鲜新技术研宄”（编号：BE2008396）。

　　载荷作用时谷粒损伤断裂的能量平衡关系，得到谷粒的裂纹扩展程度与其吸收能量成正比。值得注意的是，稻谷的内部组织的不均匀性及其力学性质与含水率有关，含水率在25%以上时，可近似看作塑性材料，含水率在16%以下时，可近似看作脆性材料，含水率介于两者之间，力学性能比较复杂，故无论是外载荷作用还是内部湿热应力作用在谷粒内生成的断裂面均难以用欧式几何精确度量，李栋等121根据扫描电镜的观测结果提出应力裂纹分形扩展模型，并比较了不同类型的分形模型的断裂能。

　　现阶段仓储过程中的谷物裂纹抑制主要是以削减爆腰率和破碎率为目的，检测爆腰率和破碎率的方法是以肉眼、放大镜或灯箱法为主，易识别的是贯穿性裂纹，但对应力裂纹的位置、形态和大小均无法精确了解一般认为谷粒裂纹小于其宽度的一半时，碾米不易产生碎米，而大于其宽度一半时会产生碎米1131，此外，X射线、扫描电镜和体倍显微镜的观测结果显示，裂纹主要沿短轴方向扩展114~171，利用粘弹性模型进行有限元分析发现，无论是外载荷还是内部湿热应力作用，主要破坏应力为轴向拉应力11718，故以稻谷宽度方向上的半条裂纹为裂纹的基本单位。

　　能量法认为谷物出现裂纹是由于稻谷吸收的能量超过了其临界破碎能所致，定义临界破碎能为稻谷半条裂纹所吸收的能量，则产生爆腰或破碎的稻谷吸收的能量为临界破碎能的整数倍，对于湿热应力，在检测时间和原粮初始水分及品种一定时，环状裂纹生成的条数取决于环境湿度的变化幅度，爆腰率取决于谷堆中水分梯度的分布1191；对于外部载荷，破碎率取决于加载大小和加载循环次数1111. 2仓储环境下谷堆内的破坏应力当前对粮食破碎问题研究的理论基础是建立在谷粒应力分析上，提出的解决措施都是从减小储运过程中对单个谷粒的破坏力入手1m，但谷物仓储的对象是粮食聚集体，如将稻谷堆视为连续体，一定的仓储作业下，谷堆内的应力分布随所用设备或仓房结构不同而改变，单纯从削减谷粒破坏力来解决谷物破碎问题，则忽视了设备及仓房结构对仓2.1仓储作业与破坏应力仓储作业包括干燥、通风、出入仓、冷却及熏蒸等多道工序，其中前三道作业的谷物产生裂纹问题尤为严重。

　　对于干燥和通风作业，稻谷堆中总会存在一定的水分梯度，高水分的稻谷籽粒周围对应较高的微环境湿度，低水分稻谷籽粒周围对应着较低的微环境湿度，这种湿度的差异将导致粮堆内水分的扩散，使低水分稻谷吸湿，高水分稻谷干燥，分别产生不同程度的湿热膨胀或收缩，故将粮堆内的水分梯度视为一种广义破坏力的分布，且温度越高，这种广义的破坏力的强度越大，该区域内的爆腰率越高1191.对于出入仓作业，稻谷承受载荷的主要形式有挤压、弯曲和剪切，以连续介质力学观点看输送线上的稻谷流，其内部受压应力和剪应力作用，外部主要受输运设备的摩擦作用，作用分布和强弱受输运速度和输送倾角的影响。

　　2.2干燥作业目前稻谷干燥主要采用对流传热法，干燥介质的平衡水分一般远高于需要干燥的稻谷水分，无论干燥是经历的稳态过程还是非稳态过程，在排粮前稻谷始终处于干燥阶段，故稻谷堆的水分梯度取决于出口水分不均匀度。即便是低温慢速干燥机，只要粮层够薄，同样可认为稻谷在排粮前是处于干燥状态的。

　　国内常用的稻谷干燥设备有塔式烘干机、转筒式烘干机、流化床烘干机及固定床烘干机。塔式烘干机按干燥室的结构分圆筒式、筛网柱式和通气角状管式，圆筒式用于顺逆流组合干燥或多级顺流干燥，属一维干燥（谷物水分只在料流方向上变化）谷物在圆筒中靠重力向下流动，取谷物流在出粮口的截面，则处于稳态干燥的该截面粮食水分是均匀的；筛网柱式用于横流干燥，其工作原理见，谷物料流方向与干燥气流方向垂直，谷物水分在X方向和y方向均不断改变，在出粮口取截面，则进风侧谷物较干，排气侧较湿；通气角状管式用于混流干燥，由于干燥机内布置有多层通气盒，谷物和气流均为二维流动123，在谷物和气流处于流动状态下的二维干燥区内e*e！个分别/由两条毙谷物流线和气流流线交叉构成的曲边四边形单元，根据谷物流线和气流流线网将干燥区划分为有限个这样的单元（见），发现相邻通气盒间的干燥过程可近似为逆流、横流和顺流三个一维干燥段的组合，故从不同位置流过干燥机的谷物出机时的水分有显著差异，但较之仅使用横流干燥的水分不均匀度又小一些，爆腰率也低，与试验结果一致。

　　转筒式烘干机和流化床烘干机的干燥方式也分顺流、逆流或混流，但谷物流具体流动形式不同，转筒式烘干机是依靠旋转和抄板的抛洒带动谷物，流化床烘干机依靠干燥介质对谷物进行流态化处理动的，且粮层*厚，从谷物流疏松程度和谷层厚度看，谷粒间越疏松，谷层越薄，出机水分不均匀度越低，另外，转筒式烘干机和流化式烘干机一次降水率很低，从而形成的水分梯度较其它烘干机要小得多，故同等条件下出机谷堆的破坏应力从高到低高依次为固定床烘干机、塔式烘干机（筛网式、角状管式、圆筒式）、转筒式烘干机、流化床烘干机。

　　2.3通风作业我国储藏稻谷的主要仓型是高大平房仓，其平面为矩形，堆粮高度达6m~7m，是严格的三维储粮空间，故高大平房仓内的稻谷堆水分梯度应分别从长宽高三个方向考虑。实仓试验和模拟，但风道形式越复杂，分风均匀性越差，一机三道或一机四道的送风均匀性差异可达20%.其次是高度方向上的送风均匀性，在风道的安装与布置上通常使用地上笼、地槽或立体式插管，地上笼和地槽的通风特点相似，相邻两风道之间的粮层上部空间流场分布均匀，地上笼风道较之地槽风道通风阻力小而出风面积大，故流场分布更均匀。流场分布均匀意味沿高度方向等距离分层时各层的风速是一致的，然而，在给定通风时间内各层*终获得的干燥或冷却介质的数量却不一定相同，故极易产生水分垂直分层的现象。立体式插管采用分层通风的原理保证高度方向上的送风均匀，但插管密度却直接影响长宽方向上的送风均匀性，一般地，插管密度越大，送风均匀性越值得注意的是，春夏时节粮仓内易形成“冷心”和“热皮”区域，利用传统的压入式或吸出式通风直接处理粮堆会出现局部湿结露现象，加了局部的水分梯度，导致该区域大量出现稻谷吸湿产生裂纹，利用近年来发展出的膜下上层及沿墙四周区域内循环低温储粮机械通风模式和适应实际温度场的环形回流通风地槽风道处理可得到一定程度的缓解36371. 2.4出入仓作业稻谷的出入仓作业一般选用带式输送机，其稳定运行是通过谷物与胶带间的外摩擦和谷物与谷物间的内摩擦来保证，但这种稳定运行是理想状态下的，在谷物流内部发生滑料和滚料是可能的，故谷物流内部的剪应力是显著的。物料堆积在输送带上并随输送带运动，虽然输送带的类型不同，有平胶带、槽形胶带、U形胶带，但稻谷籽粒的静态载荷研究1111表明，在剪状态下的谷粒较压状态下更易被破坏，同时输送线的长度远大于输送带上谷物的堆积高度，故出入仓作业的有效破坏应力是沿输送带分布的剪应力。当其它参数一定时，带速越高，倾角越大，剪应力越大。

　　常用的粮食输送设备还有刮板输送机、斗式提升机和螺旋输送机，以往有较多讨论，本文不再赘述。

　　3仓储能耗与稻谷裂纹不同的作业工序向谷堆输入的能量形式不同，同时作用力的不同导致转化为稻谷破坏能的方式也不同。一般地，破坏应力分布越广、强度越大，稻谷吸收的破坏能越多，破坏应力的分布决定了谷物损伤率，破坏应力的强度决定了单粒谷物的损伤程度。

　　对于干燥和通风作业，输入给谷物的能量主要为热能，外界环境条件一定时，稻谷堆内热能的输入形式主要是风机迫使一定数量的干燥或冷却介质进入粮堆，换言之，即风机全压效率和粮层厚度确定时，热能的输入量与风机的能耗间存在一定对应关系，输入的热能越多，风机能耗越大。由于干燥的目的是去除谷物的水分，通风的目的是降温和调术上难以确保粮堆内的谷物湿热交换均匀，即一部分热能通过粮堆内形成的水分梯度转化为稻谷的破坏能，故干燥和通风作业要求的降水或降温指标一定时，水分不均匀度越小，输入的热能越少（即风机所需的风量越小）如此时粮堆送风对风机的风压要求相同，则风机的能耗也越小。

　　对于输运作业，输入给谷物的能量主要为机械能，能量主要用于谷物的输运，具体的说，输送机的动能通过摩擦作用转化为谷物的机械能，虽然在输送参数的计算中谷物流被视为刚体的运动，但实际谷物输送过程中，以散粒体形式堆积的稻谷籽粒在整体运动的内部仍可能出现相对滑动，一部分动能转化为稻谷破坏能，故输送量、带速和总传动效率一定时，倾角越小，内摩擦越小，谷层间相对滑动的可能越小，则转化为稻谷破坏能的动能越少，输送机能耗越小；类似地，输送量、倾角和总传动效率一定时，带速越小，输送机能耗越小，但带速的减小将大物料在输送带上堆积的横截面积，易形成过载，导致能耗不减反。需要强调的是，各级输送设备功率、输送量的匹配也很重要，否则也会产生粮食的堆积和过载1381. 4未来研究的若干建议稻谷损伤过程复杂，一方面谷物本身结构复杂，另一方面损伤的形成也不确定，有时是多种力一次复合作用的结果，有时是反复作用所致。目前的做法是以试验为主进行定性分析，获得抽象的谷粒损伤过程模型，而后利用计算机模拟技术对模型进行计算以探明损伤形成及加剧的机理，然而，试验定性分析需要相关学科的交叉渗透，考虑到我国交叉学科的发展仍不成熟，故仓储环境下的稻谷裂纹抑制主要还是应用性的研究，具体建议如下：4.1谷物损伤的定量研究谷物损伤程度有两层含义，其一为统计意义上的谷物损伤率，即损伤的谷物数量占样本谷物总数量的百分比；其二定量描述单个谷物的损伤程度。

　　爆腰率和破碎率适合谷物裂纹的生成外因研究，但要深入研究谷物损伤的内因，定量描述单个谷物的损伤程度是必要的，应加强此方面的研究。

　　4.2粮层深度、储藏时间及裂纹率的关系节谷物水％能量主要用于勿湿热交换ct但从技Ublishing储藏于大型平房仓中的稻谷会承受压应力i产生弹性和塑性形变，随着粮层深度的加，应力、应变均加。利用球形颗粒堆放模型在计算机上进行数值计算结果表明：粮层越深，颗粒间正压力越大，深度为6m时，压应力约为50kPa，而我国大米的破坏应力通常在16稻谷受压后会出现裂纹。随着储藏时间的延长，在压应力作用下，粮层的应变持续大，体积持续缩小，堆密度持续大，各层压应力随之大，因压应力产生的稻谷裂纹也会逐层加。我国仓房正向高大化发展，研究粮层深度、储藏时间及裂纹率关系的重要性不言而喻，有必要系统研究。

　　杂质在粮堆中的分布状况影响通风效果，杂质分布不均匀将加通风时间和电耗1391，通常的做法是用皮带输送机将散稻谷运至仓内，输送机高度逐步升高，同时保管员在现场及时清理自动分级产生的杂质，在补仓时，在补仓机上装摇摆机。值得注意的是，即便杂质分布均匀，在就仓干燥中仍会出现“湿团”现象140，形成局部水分梯度，如何高效去除这种水分梯度有待研究。