章德平

(武汉轻工大学机械工程学院，湖北 武汉 430048)

前言

粮食属于一个国家的战略物质，也是广大人民正常生活的必需品，在整个国民经济中处于不可代替的基础性地位。而作为农业生产直接产出的原粮，必须通过粮食加工这一处理过程转化成为成品粮，才能满足人们日常生活的需要。各类粮食加工设备作为加工成品粮的关键设备，在中国有着悠久的发展历史。研究中国各个历史时期的粮食加工设备，积极总结其原理特点和性能优势，对于弘扬民族文化和增强民族自豪感具有重要意义。

本文着重介绍中国各个历史时期的粮食脱壳和磨粉设备，分析各类设备的技术特点和优势。

1 原始社会-奴隶社会时期中国粮食加工机械的发展

旧石器时代晚期到新石器时代早期，石磨盘与石磨棒是最主要的谷物加工工具[1]，使用时既可以实现谷物的脱壳，还可以实现粮食的磨粉加工。在进行谷物加工时，将谷物置于石磨盘之上，人们手执石磨棒进行反复碾磨。石磨盘与石磨棒具有几个不同粗度，可以控制磨粉时粮食粉料的粗细程度。采用这种原始工具进行谷物加工时，脱壳的效果总体让人可以接受，但要做到完全将谷壳去除干净很难，整个加工过程中人的劳动强度很大，且加工效率低下。实物如图1所示。

图1 石磨盘和石磨棒实物图

在农业中期以后，随着农业产量的提高逐渐出现了更高效能的谷物加工工具——杵臼。杵臼开始具备了粮食加工机械的雏形，进行粮食加工时需要人用手持杵进行捣臼，比较费力且加工动作是间歇的，实物如图2所示。单单就粮食的加工效率而言，由于这2类生产方式完全依靠人的臂力实现粮食加工，这就使得整个加工过程中人的劳动强度过大，因此已逐渐不能满足人们的日常生活需求。

图2 杵臼实物图

2 封建社会时期中国粮食加工机械的发展

石磨盘与石磨棒、杵臼的各自发展，使得很长一段时间内中国粮食加工机械朝2个方向演变。

2.1 脚踏碓、水碓和连机碓

随着生产力的发展，杵臼不断发生演变，一种更加省力和生产效率更高的粮食加工设备终于在西汉初期出现了，这就是脚踏碓。脚踏碓一般为木质结构，其工作原理利用了杠杆原理，架设一根长木杠杆于支点上，碓头一端在地面上设有碓臼，其中可放入待加工的谷物，通过人不断踩踏碓尾一端，可实现碓头反复起落以冲捣谷物，能够去除碓臼中谷物的皮壳，进而加工出大米。具体构造如图3所示。

图3 脚踏碓示意图

脚踏碓与杵臼相比，加工粮食时人们可借助自身体重通过脚踏动作驱动机构动作，大大减轻了人的劳动强度，提高了生产效率。

随后发明了用畜力驱动的畜力碓，相比脚踏碓而言，很大程度上解放了人们的体力劳动，并进一步提高了生产效率。

到了汉代中后期，为了进一步减轻人的劳作强度，人们利用水排原理、杠杆原理和凸轮原理发明了一种叫水碓的粮食加工设备，主要用于舂米和舂面。水碓的原动力由水流提供，通过水流与立式水轮叶片的相互作用，驱动整套设备运转以实现粮食加工。由于设备使用时对水流的依赖，并且水碓工作时噪声较大，因此为了避免影响人们的休息，水碓的安放位置大多选在远离村庄的河畔。

到了晋代，杜预通过总结我国劳动人民利用水碓加工粮食的经验，在此基础上开发了一款叫连机碓的粮食加工设备[2]，具体构造如图4所示。该设备仍然基于水排原理进行驱动，由于该设备实现了机械系统的一路输入多路输出，使得粮食加工的效率明显提高，以至于那时我国部分地区在连机碓获得普遍应用之后一般会出现米价下跌的现象。

图4 连机碓示意图

自东晋以后，连机碓在我国封建社会得到广泛应用，直至清末民初才逐渐为碾米机所替代。

2.2 石碾和石磨

石磨盘与石磨棒的发展，促进了石碾和石磨的出现。石碾主要由碾盘、碾砣、碾框和碾棍等几个部分组成，用于将谷物等破碎或去皮，实物见图5。具有文献记载的石碾最早出现于东汉年间[3]，最初利用人力和畜力进行驱动，使得碾砣开始做圆周运动，依靠其重力对粮食进行破碎去壳。

图5 畜力石碾

水力石碾是我国魏晋南北朝时出现的一类谷物加工机械，其主要功用在于实现谷物去麸或脱壳[4]。水力石碾采用水轮进行驱动，其基本结构如图6所示。在一面大磨盘的正中央设立一根可以自由回转的中轴，横轴一端装有一个置于磨盘之上的石碾，另外一端直接与中轴进行固联，磨盘之下利用水力驱动水轮回转，水轮回转带动中轴旋转，从而驱使石碾在磨盘之上绕中轴进行滚动，将谷物脱壳或去麸。与畜力石碾相比，水力石碾的工作效率更高，这对于社会生产来说具有十分重要意义。

图6 水力石碾

石磨有用人力的、畜力的和水力的[5]。公元前4世纪由公输班发明的畜力磨是最早的连续粉碎机械。动力采用水力进行驱动的石磨，大约在晋代才出现。对于水磨而言，其动力部分采用的是一个卧式水轮，水轮通过立轴驱动磨的上扇进行旋转，因此水力石磨适合于安装在水的冲动力比较大的地方。其基本结构如图7所示。

图7 水磨

在普通水磨的基础之上，元代的王祯创制了“水轮三事”，这种设备结构复杂，同时具备磨面、砻稻和碾米3种功能，是中国古代农业机械的最高成就。“水轮三事”的出现，极大地减轻了广大农民的劳作强度，将其从繁重的体力劳动中解放了出来。

3 近代中国的粮食加工机械

鸦片战争以后，西方的先进机械科学技术逐渐传入我国，使得中国传统的粮食加工机械技术开始发生变化。清末民初，我国从西方引进卧式铁辊筒辗米机和立式砂臼碾米机，机器动力实现了从人力、畜力和水力向蒸汽机动力的过渡，继而朝着内燃机和电动机的方向进一步发展。粮食加工机械动力技术的改变，使得粮食加工的生产效率得到极大改善，更为复杂机械结构的现代化粮食加工机械的应用，使得粮食加工的质量得到明显提高，粮食加工机械的功能也更为强大。卧式铁辊筒辗米机的辊筒呈圆柱形，其表面一般设置有螺旋形或斜形的碾槽，入口端采用螺旋推进。立式砂臼碾米机的碾辊是一个上端直径大且下端直径小的截锥形砂臼，外围锥筒米筛和砂臼之间的间隙可通过上下移动砂臼轴进行调节。很多目前广泛使用的粮食加工设备都是在这2类粮食加工机械的基础上发展而来的。

4 现代中国的粮食加工机械发展趋势

随着科学技术的不断进步，中国粮食加工机械也在不断的向前发展，在提高加工效率、改善产品加工质量以及降低设备使用能耗等方面取得了显著进步[6]。

对于中国而言，目前中国粮食加工仍然为劳动密集型产业，企业采用的粮食加工设备普遍为传统设备，若要保证粮食产品具有稳定的加工质量和出品率，这就需要对操作工人的技能提出非常高的要求。随着我国经济发展逐渐进入新常态，用工成本高和企业效益低对粮食加工企业发展的制约开始突显，粮食加工机械的智能化升级开始成为中国粮食加工机械发展的新趋势，近年来我国智能化技术的高速发展正好为中国粮食加工机械的智能化升级提供了条件。