魏忠彩　孙传祝　王健羽　徐海乐

摘要：基于玉米穗对特定波长红外光的选择性吸收理论，研究了红外辐射条件下玉米穗的红外吸收特性，针对玉米穗收获后含水率较高、直接脱粒易导致子粒破碎等特点，设计了一种传热效率高、能耗低、干燥均匀性好，且结构简单、工作可靠的玉米穗干燥试验台，为研制红外辐射玉米穗干燥机奠定了坚实基础。该试验台可以将收获后含水率较高的玉米穗降低到18%左右的最佳脱粒含水率，这对于降低玉米穗脱粒过程中的子粒破损率、减少玉米的产后损失、满足生产实际需要、确保玉米的丰产丰收具有重要意义。

关键词：红外辐射；玉米穗；干燥；试验台；安全储藏

中图分类号：S513 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）22-5740-03

Abstract：Infrared absorption characteristic of corn was studied based on infrared selective absorption theory of corn. Infrared drying experimental equipment was designed according to corns high moisture content and grain crushing easily by direct threshing， and it is characterized with high efficiency， low energy consumption， uniform drying， simple structure and reliable operation and it is a solid foundation for the development of infrared radiation corn dryer. Corncob with high water content could be reduced to about 18%. It plays a significant role in decreasing grain breakage rate of corn， reducing production losses， satisfying the production need and ensuring the good harvest.

Key words： Infrared radiation； corn； drying； test-bed； safe storage

农产品干燥是农作物收获后加工处理的第一步，也是确保粮食颗粒归仓极其重要的一个环节。目前国内大多数地区粮食收获后晾晒在公路上，既影响交通秩序带来安全隐患，又导致路面材料对农产品造成污染。另外，由于气候原因，还常常会导致来不及晒干或未达到安全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]。随着养殖业的发展、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干燥是保证玉米增产增收和产后品质的关键。

在玉米干燥中，目前常用的方法是太阳能干燥、热风干燥和真空冷冻干燥等。太阳能干燥的主要优点是节约能源，但易受自然条件的限制；人工热风干燥虽然可以避免自然条件的限制，但干燥时物料受热先外后内，易产生“爆腰”现象，影响干燥产品的感官品质[5]，干燥耗时长且能耗大、效率低；真空冷冻干燥工艺复杂，成本较高，用户难以接受。另外，还有火力干燥，但设备庞大，烟气泄露会造成产品污染，且耗能大、成本高[6]。因此，农民急需一种不受自然条件限制、干燥均匀性好、工艺简单、能耗较低的玉米干燥设备，为此国内外许多学者在玉米干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干燥试验装置，干燥试验表明影响玉米干燥速率的因素主要是热风温度，较低温度干燥时热风流速对玉米发芽率有一定影响；热风温度与玉米发芽率呈负相关关系，热风温度超过80 ℃则玉米不会发芽。朱德泉等[8]对玉米进行了微波干燥试验，研究了微波功率、干燥时间對玉米干燥特性以及能耗的影响，并确定了微波干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出发，利用太阳能与热风组合技术设计了一种玉米穗分级干燥工艺试验装置，试验表明分级干燥工艺干燥时间较一次干燥工艺大大缩短，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帮助理解和深层次探讨玉米干燥过程中应力裂纹的产生，并提出其后续试验研究必须在计算机模拟条件下进行，才能将试验数据扩展到更广泛的干燥条件下使用。曹崇文[11]研究玉米热风干燥条件下裂纹产生的机理，分析玉米自身因素及玉米热风干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减少裂纹的具体措施。在玉米最佳脱粒状态研究方面，王长春等[12]研究发现玉米子粒的最佳脱粒含水率应为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，关于玉米干燥技术方面的研究及应用主要集中于利用传统加热方式进行脱水干燥方面，且仅局限于对脱粒后的玉米子粒进行干燥，而关于利用红外辐射加热技术对玉米穗干燥方面的研究鲜有报道。如果能将红外辐射加热技术应用到玉米穗的干燥过程中，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扩散过程，即加速了干燥进程[13，14]。本研究根据玉米穗自身特点以及最佳脱粒含水率等要求，将红外辐射加热技术应用到玉米穗的脱水干燥中，设计了一种传热效率高、能耗低、干燥均匀性好的玉米穗干燥试验台。

1 试验台结构、原理及特点

1.1 基本结构

试验台采用保温箱式结构，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，且高低可调，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，当箱体内温度达到设定温度时，传动装置的减速电动机通电开始工作，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，玉米穗均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表面溢出散失。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，玉米穗由于停止吸收辐射热而短暂地实施缓苏。玉米穗经一次干燥，从出料口流出后，可再次放入料斗中重复干燥，直至玉米穗轴上子粒的含水率降至17%～19%为止。

1.3 结构特点

1）由于红外辐射加热具有一定的穿透能力，因此玉米穗在干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]，不仅有利于减少温度梯度对水分外移的阻碍作用，而且可以避免在物料表面发生强烈的吸收，因此能够提高玉米穗干燥效率；

2）对新采摘的玉米穗采用的是“先干燥处理后脱粒贮藏”的工艺方案，有效地避免了由于“脱粒后再干燥处理”导致子粒破碎率高、脱粒不净等问题；

3）試验台采用箱式双面输送结构，玉米穗在拨料杆拨动下，在托料装置上均匀地吸收红外辐射热，保证了玉米穗各部分干燥均匀，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，以便玉米穗短暂停止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进行的干燥方式，有效地提高了干燥效率和玉米穗的干燥品质。

2 试验台总体设计

影响玉米穗干燥品质的因素很多，如玉米穗自身因素，包括品种、直径、含水率等；试验台参数，包括干燥时间、输送速度、功率密度、辐射距离等。因此，本研究以降低能耗、保证玉米穗最佳脱粒含水率为目标，对试验台各参数进行详细设计、计算与校核，以期提高玉米穗的干燥品质。

2.1 转速计算

为了简化设计，该试验台采用单层结构方案，即试验过程中的玉米穗经一层干燥，从出料口流出后，根据需要可再次加入料斗中，直至玉米穗达到最佳脱粒含水率为止。该试验台速度可调，以便探索各种玉米穗的最佳输送速度、干燥时间以及干燥温度等参数组合。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干燥至最佳脱粒含水率大约需要4～6 h，按试验台输送装置上下两段的总干燥时间为td=60～90 min进行设计计算。

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为试验台单层干燥时间（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=0.046～0.068 r/min。

2.2 功率计算

由于玉米穗在干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基本不变，因此驱动输送链条所需的功率也基本恒定。

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=500 N。

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≈0.3 kW。

考虑到电动机与试验台主动轴之间传动的效率以及一定量的功率储备，取P=0.55 kW。由于本试验台的运行速度非常低，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干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干燥时间要求，输送装置的运行速度可在一定范围内调整。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表面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。玉米穗在干燥过程中可最大限度地吸收红外定向辐射器的辐射热量，避免“爆腰”现象的发生，在降低能耗的同时保证玉米穗的干燥品质。由于玉米穗含水率及其直径、长度等存在差异，干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高低可调。

4 結论

1）本研究设计的红外玉米穗干燥试验台，对新采摘的湿玉米穗采用“先干燥处理后脱粒贮藏”的工艺方案，以解决由于“先脱粒后干燥处理”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干燥机奠定了基础。

2）试验台采用箱式双面输送结构，玉米穗在拨料杆的拨动下，在托料装置上向前边滚边滑，经两段输送过程，不仅有利于玉米穗均匀地吸收红外辐射热进行干燥，而且使设备的空间利用率提高2倍。

3）托料装置两端上方未设置辐射元件，而采用加热与缓苏交替进行的干燥方式，便于玉米穗短暂停止吸收红外辐射热实施缓苏，有效地提高了干燥效率和玉米穗的干燥品质。

4）红外辐射装置高低可调，以适用采摘后不同含水率、不同直径的湿玉米穗对干燥参数的不同要求，符合玉米穗干燥的生产实际，有较高的实用价值。

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（责任编辑 屠 晶）