碾米砂辊的选用

碾米砂辊的选用

碾米就是借助于旋转的碾辊迫使米粒与碾白室构件及米粒与米粒之间产生互相碰撞、摩擦及翻滚等运动,利用碾削及摩擦擦离等作用将米粒表皮部分或全部去除,使之成为符合预定质量要求的大米的加工过程。按碾辊材质的不同,常用的碾米机可大致区分为砂辊碾米机和铁辊碾米机2种结构形式。与铁辊碾米机相比,砂辊碾米机碰撞、翻滚及碾削等作用柔和、碎米率低、电耗低、出米率高及生产效率高,因此砂辊碾米机是目前大米加工生产企业应用最广泛的碾米机械设备。碾米砂辊是砂辊碾米机中更换较频繁的关键工作零部件,并且在一定范围内,碾米砂辊的质量还严重影响碾米机的产量、出米率、电耗及碎米率等技术经济性能指标及企业的经济效益。如何提高大米加工生产企业的经济效益,是大米加工生产企业和粮食加工科技工作者共同关注的课题。

1 砂辊的构造目前,适合大米加工生产企业使用的磨料主要是黑碳化硅和绿碳化硅。由于黑碳化硅价格便宜,货源充足,因此,黑碳化硅是目前制造碾米砂辊的主要磨料。磨料属于瘠性物料,没有结合能力,欲使之成为具有碾削能力的碾米砂辊,须采用结合剂,目前可供碾米砂辊使用的结合剂主要是陶瓷结合剂和树脂结合剂。由陶瓷结合剂和磨料构成的碾米砂辊称为陶瓷碾米砂辊,由树脂结合剂和磨料构成的碾米砂辊称为树脂碾米砂辊。陶瓷碾米砂辊是由磨料和陶瓷结合剂(其主要成分为无机盐)在1200℃以上的高温烧结而成的组织结构致密的混合物,具有耐高温、耐磨耗及耐酸碱以及使用寿命长等优点；但脆性大,易损坏,自锐性能差,而且价格昂贵。因价格及制造工艺复杂等原因,目前陶瓷碾米砂辊仍没有得到普遍应用,因此目前大米加工实践生产中仍普遍使用树脂碾米砂辊。树脂碾米砂辊是由树脂结合剂(主要是酚醛树脂或环氧树脂)和磨料(主要成分是黑碳化硅)在180℃高温下烧结而成的多孔混合物。因其烧结温度低、组织结构疏松、磨粒易于脱落、自锐性能好、工作过程中又能连续不断地产生锋刃的多棱角磨粒,结果增强了砂辊对米粒的碾削作用,提高了碾米效率,所以说树脂碾米砂辊(为便于描述,以下简称砂辊)具有不损伤米粒、碎米率低、出米率高、碾米效率高及电耗低等优点,特别适宜于原粮品质差及粉质粒原粮的加工。由此可见,目前大米加工生产企业广泛应用的砂辊是由磨料、结合剂及空隙所组成的混合物。

2 砂辊的制造工艺流程目前,大米加工生产企业广泛应用的砂辊的制造工艺流程大致是:配料→混匀→模压成形→低温强化(约90℃)→磨削外形面(外圆表面及两端面)→成组磨削槽形面(螺旋槽、螺旋槽和直槽、螺旋槽和斜直槽等)→手工打磨槽形过度面(如:螺旋槽和直槽及螺旋槽和斜直槽的圆弧光滑连接处等)斗钻通风孔→高温烧结(约180℃)→校正静平衡→校正动平衡→喷涂黑碳化硅磨料(砂辊的外圆表面及槽形面)→包装入库。砂辊的制造工艺流程具体说来就是:按预定的配方称取一定量的磨料(黑碳化硅及少量的棕刚玉等)与适量的树脂结合剂,将其投入到混粉机(涡轮混粉机、卧式螺旋带混粉机或双轴搅拌机等)内混合搅拌均匀后,称取一定量的磨料混合物,并将其填充到装有铁芯(铁芯的圆柱内孔面、键槽面、外圆柱面及两端面已经经过机械切削加工至规定的尺寸要求,同时为了进一步提高铁芯与磨料混合物的结合能力,铁芯的外圆表面还加工有许多三角形的小沟槽等)的模腔内,压力机动作后便获得物理机械强度适宜的砂辊坯体,砂辊坯体经加热炉低温(通常采用电阻加热炉,炉温约90℃)加热并保温一定时间后强化成为具有一定物理机械强度的砂辊毛坯,砂辊毛坯经磨削加工外圆柱表面、两端面及槽形工作面(螺旋槽、螺旋槽和直槽、螺旋槽和斜直槽等),再经手工打磨槽形工作面(如:螺旋槽和直槽或螺旋槽和斜直槽的圆弧光滑连接处等)以及钻削通风孔后,再进入电阻加热炉高温(炉温约180℃,因为温度超过200℃时,树脂结合剂就会熔化,温度超过250℃时,树脂结合剂就会碳化)。加热并保温一定时间后成为具有适宜物理机械强度的砂辊半成品,最后经校正静平衡、校正动平衡、喷涂黑碳化硅磨料(砂辊的外圆柱表面及槽形面)及包装后即得砂辊制品。

3 砂辊的碾米工艺性能目前大米加工生产企业广泛应用的砂辊符合国家标准GB 5339-1985(碾米砂轮》的规定[1],制作砂辊的磨料符合国家标准GB 2476-1983《磨料代号》的规定[2],制作砂辊的结合剂也符合国家标准GB 2484-1984《磨具代号》的规定[3]。3.1 磨料磨料是构成砂辊的主要原料,工业生产中广泛应用的磨料通常可大致区分为:天然磨料(如:石英、石榴石、天然刚玉和天然金刚石等)和人造磨料。人造磨料包括:刚玉系和碳化物系等普通磨料,人造刚玉及立方氮化硼等超硬磨料以及硬度较低的磨料(如:氧化铬、氧化铁和玻璃粉等)。目前碾米实践生产中广泛应用的砂辊通常是由人造磨料制成的,按磨料的种类的差异,适合大米加工生产企业应用的磨料主要是黑碳化硅(代号为C,原代号为TH)及绿碳化硅(代号为GC,原代号为TL)。

由于黑碳化硅比绿碳化硅价格便宜,货源充足,因此,黑碳化硅是目前制造砂辊的主要磨料。3.2 粒度砂辊的粒度是指构成砂辊的磨料的粒度。事实上,粒度是表示磨料颗粒尺寸的大小。目前,适合大米加工生产企业应用的磨料粒度主要有:24#、30#、36#、40#、46#及60#共6个粒度号,其中粒度号数字大,表示磨料细；反之,粒度号数字小,表示磨料粗。3.3 硬度砂辊的硬度是表示磨料颗粒粘接结合的牢固程度,它是指砂辊在外力的作用下,磨粒脱落的难易程度。若磨粒易于脱落,表明砂辊的硬度低；反之,若磨粒难于脱落,表明砂辊的硬度高。目前,适合大米加工生产企业应用的磨料制作的砂辊硬度大致有5个硬度等级。 3.4 结合剂砂辊所采用的结合剂几乎都是树脂结合剂(代号为B,主要成分是酚醛树脂或环氧树脂)。树脂结合剂的结合强度大,并具有较好的弹性和耐冲击性,因此,砂辊在高速下能长期工作,并具有自锐性能好、碾米效率高、出米率高、电耗低及大米质量好等优点；但不耐高温、酸、碱及油类。所以说,砂辊储藏保管时,应做好防潮、防霉、防冻及防过热等工作,绝不允许与酸、碱及石油类物质混放在一起。 3.5 组织号砂辊的组织号是表示磨粒在砂辊中的体积占有量,即磨粒率。磨粒在砂辊表面、径向厚度及轴向高度等方向应分布均匀,组织结构均匀一致。砂辊的组织号反映了砂辊的疏松程度及单位面积上参与碾削作用的磨粒数目的多少。组织号数字小,表明砂辊的磨粒含量高,碾米效率高,那么砂辊磨耗低而使用寿命长；反之,组织号数字大,表明砂辊的磨粒含量低,碾米效率低,砂辊磨耗快而使用寿命短。砂辊常用的组织号及其磨粒含量如表3所示。3.6 强度砂辊的强度是指砂辊在高速旋转的工作状态中,由于离心力的作用,抵抗其自身破碎的能力。为确保砂辊正常工作时不致破碎,砂辊的工作转速不应超过一定数值,实践生产经验表明,大米加工过程中砂辊的安全工作线速度通常不应超过20m/s。显然影响砂辊强度的因素很多,除在运输、储藏、保管、安装、拆卸及使用砂辊时,应严格遵守操作规程外,砂辊的质量因素对砂辊的强度也有很大的影响。但在其它条件不变的情况下,通常结合剂的物理机械强度越大,砂辊的壁厚(径向尺寸)越厚,几何形状位置尺寸精度越高,静不平衡及动不平衡量越小时,砂辊的强度就越高；反之,结合剂的物理机械强度越小,砂辊的壁厚(径向尺寸)越薄,几何形状位置尺寸精度越差,静不平衡及动不平衡量越大时,砂辊的强度就越低。3.7 辊形砂辊按几何形状可大致区分为:异形砂辊(如原广泛应用的MNNF14旋筛喷风碾米机之双偏心砂辊等)和圆柱砂辊,圆柱砂辊按工作表面有无凹槽又可区分为:光面圆柱砂辊(也称盘状砂辊)和槽形圆柱砂辊,槽形圆柱砂辊按凹槽的形状还可区分为:直槽圆柱砂辊、斜槽圆柱砂辊和螺旋槽圆柱砂辊。严格地说直槽圆柱砂辊、斜槽圆柱砂辊也是螺旋槽圆柱砂辊,因为当螺旋升角等于90°时,螺旋槽圆柱砂辊就变成直槽圆柱砂辊；当螺旋升角接近90°时,螺旋槽圆柱砂辊就变成斜槽圆柱砂辊。根据运动学和动力学的相关知识可知:①异形砂辊因其辊形的特殊性(非圆柱形),其转动惯量比同规格等质量的圆柱砂辊大,即工作时异形砂辊碾米机电耗高；②在同一横截面内异形砂辊表面与筛片及压筛条之间的间隙(存气)的不均匀,导致碾白压力分布的不均匀,结果易损伤米粒,造成碎米,因此实践生产中异形砂辊的假想直径(最大旋转直径)通常较小,以不超过140mm为宜,并且目前已逐渐被螺旋槽圆柱砂辊所取代。同时,由于光面圆柱砂辊对米粒的碾削作用非常剧烈,通常仅适用于粳米的加工。由此可见,目前大米加工生产企业广泛应用的砂辊几乎都是螺旋槽圆柱砂辊(为了描述方便,以下简称螺旋槽砂辊)。螺旋槽砂辊的螺旋槽是由正反两螺旋面构成的,通常将顺着砂辊旋转方向的螺旋面称为前向面(也称推进面),逆着砂辊旋转方向的螺旋面称为后向面(也称副面)。在砂辊的轴向剖面内,前向面与砂辊半径方向的夹角β称为推进角,后向面与碾米砂辊半径方向的夹角为γ,前向面与后向面之间的夹角(β+γ)称为槽形角,槽形角的大小便于加工砂辊时选择刀具(磨具)的规格尺寸,同时也表示槽宽的大小。槽深为b,螺旋槽砂辊的直径为D,导程为H,根据螺旋面的性质,可以得出螺旋槽砂辊的螺旋升角

π—圆周率,取π=3.1416。3.8 使用寿命砂辊在工作过程中,因磨粒的逐渐脱落,导致砂辊直径的逐渐减小,具体表现为砂辊表面形成凹坑,螺旋槽逐渐变窄变浅,甚至磨平消失等。严重影响碾米机的碾米效率和产量,造成大米精度的变差、碎米及电耗的增多等,为了碾米机的正常工作,磨损了的砂辊应及时更换。通常砂辊从投入生产应用到更换时所加工的大米数量称为砂辊的使用寿命,虽然它与碾米砂辊的配方、辊形、制造工艺流程、碾白室构造、原粮的品质、大米加工工艺流程及操作管理等许多因素有关,但通常要求砂辊的使用寿命不小于6000t大米的加工。

4 砂辊对大米质量的影响4.1 粒度由于稻谷种植区域的广阔性及气候条件的复杂多变,造成稻谷品质的差异性,因此,加工不同品质的原粮,砂辊的粒度也应不同。若选用粒度过粗的砂辊,不仅砂辊对米粒表面的划痕