稻谷流动层孔隙率检测装置设计与试验

童金杰　李长友　刘木华　肖志锋　唐鑫　李涛

摘要：孔隙率直接关系到稻谷干燥介质迂曲度、能质传递、通风阻力的变化，是解析稻谷干燥过程和能耗的重要参数之一。为准确获取流动状态下稻谷层的孔隙率，设计稻谷流动层孔隙率检测装置；结合正交试验方法和参数的物理意义，分析检测装置的测量性能，并研究不同工况下稻谷流动层孔隙率的演变规律。结果显示，流动层孔隙率检测装置具有较好的可靠性，且多组试验结果的方差范围为0.010 1-0.022 9；在含水率为12.73%-32.01%区间，流动层孔隙率随稻谷含水率增大而逐渐减小；流动层孔隙率在稻谷流动层厚度为400-850mm范围内呈现先减小后增大的规律变化，且其最小值为63.1%；在开度为0-80mm区间内，流动层孔隙率随开度增大而升高。

关键词：稻谷；干燥；流动层；孔隙率；检测装置

中图分类号：S511文献标识码：A文章编号：20955553 （2023） 11002606

收稿日期：2023年2月3日修回日期：2023年8月11日

Design and experiment of detection device of porosity in rice flowing layer

Tong Jinjie Li Changyou Liu Muhua Xiao Zhifeng Tang Xin Li Tao

（1. Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment in Jiangxi Province， Jiangxi Agricultural University，

Nanchang， 330045， China； 2. Jiangxi Institute of Science & Technical Information， Nanchang， 330000， China；

3. South China Agricultural University， Guangzhou， 510642， China）

Abstract：Porosity is directly related to the change of the tortuosity of drying medium， mass-energy conversion and airflow resistance， which is one of important parameters to analyze the drying process and drying energy consumption of rice. In order to accurately obtain the porosity parameters of rice layer in flowing state， this paper created the detection device of porosity in rice flowing layer， analyzed the measurement performance of the detection device and investigated the evolution law of the porosity of rice flowing layer under different working conditions combined with the orthogonal experimental method and the physical significance of parameters. The results showed that the porosity detection device of flowing layer had excellent reliability， and the variance range of multiple test results was 0.010 1-0.022 9. In the range of moisture content of 12.73%-32.01%， the porosity of rice flowing layer decreased with the increase of moisture content， the porosity in flowing layer showed a regular change of decreasing and then increasing in the range of 400-850 mm of rice flowing layer thickness， and its minimum value was 63.1%， within the range of 0-80 mm opening， the porosity of flowing layer increased with the increase of the opening.

Keywords：rice; drying; flowing layer; porosity; detection device

0引言

孔隙率是孔隙體积与物料所占容器总体积的百分比。在稻谷干燥中，孔隙率直接关系到干燥介质迂曲度、通风阻力、热湿传递系数、干燥相际间有效蒸发面积系数、干燥工艺参数的改变［13］，进而影响稻谷的干燥行为、干燥能耗、干燥效率、干燥品质和干燥成本［47］，是指导干燥机械结构设计、优化干燥系统能量结构、解析稻谷干燥过程、实现干燥自适应控制的重要特征参数。

为精准获取孔隙率参数，人们展开了部分研究工作［810］。张淑珍等［11］基于理想气体状态方程，研制了一种能直接、准确、快速地测定各种散体物料和易吸湿物料孔隙率的检测装置。田晓红等［12］认为采用仪器测量孔隙率具有操作简单、数据可靠且重复性好等优势。为提高孔隙率装置的检测精度和可靠性，李长友等［13］研制了一种定容积散体物料孔隙率测量装置，开发了孔隙率自动检测控制系统，并给出了测量误差补偿系数。孔隙率检测装置除了利用气体置换原理，还有采用液体置换原理［1415］。但是，针对一些具有吸湿特性的散体物料，液体易被物料颗粒吸收。因此，液体置换方法无法使用，其应用范围具有一定的局限性。同时，该方法测量结果偏差大［16］，往往导致孔隙率检测结果与实际值不一致。

为进一步掌握孔隙率的特性，Martynenko等［17］通过研究确定物料含水率会影响孔隙率的变化，并构建了物料含水率与孔隙率间的数学表达式。许倩等［18］认为含水率对油茶籽的孔隙率具有显著影响，且它们的函数关系与物料品种有关。李倩倩等［19］建立了小麦堆孔隙率与压力的幂函数模型以及与含水率的二次函数表达式，且孔隙率随压力增大而减小，随含水率增加而增大。Gustafson等［20］研究发现玉米层孔隙率先随其含水率降低而减小，当达到最小值后又逐渐呈增大的趋势变化。陈雪［21］和杨英强等［22］采用理论与试验分析相结合的方法，证实了物料层高度会导致孔隙率改变。同时，Khalili等［23］结合试验数据，建立了孔隙率与物料堆积厚度间的数学方程。在探索散体物料流动特性时，鲍德松等［24］研究发现出口开度尺寸会影响孔隙率，因为增大开口尺寸，物料的流动速率将提高，从而改变物料的流动状态和颗粒的分布规律，进而引起孔隙率变化。综上所述，现有的孔隙率检测装置主要用于静态物料的孔隙率检测，且水分、机械结构和厚度是影响孔隙率的重要因素。

在实际干燥中，稻谷是连续流动的，其流动状态、惯性特征、颗粒间以及颗粒与容腔内壁的相互碰撞、挤压等因素均会引起孔隙率的改变［2526］，且动态下的孔隙率变化特征与静态下的孔隙率存在本质区别。而现有的孔隙率检测装置是基于物料静止状态下创制的，无法适用于动态下孔隙率的检测。在解析动态干燥过程时，人们采用静态条件下获取的孔隙率进行计算分析，往往导致计算结果与实际情况存在较大偏差。为此，本文研制一种稻谷流动层孔隙率检测装置；结合试验和数据统计方法，分析检测装置的工作性能，并探索稻谷流动层孔隙率与稻谷含水率、流动层厚度、开度等因素间的相互作用关系和内在联系。

1装置整体结构与工作原理

1.1整体结构

根据机械设计原理和孔隙率弹性理论，本研究设计的稻谷流动层孔隙率检测装置由测试室机架、动力机架、测试室、上移动板、下移动板、上轨道、下轨道、缓存室、气缸、气管、气动控制阀组及电子秤组成，整体结构如图1所示。在装置中，共设计了4个气缸，分别安装在上轨道和下轨道上，并为上移动板和下移动板提供运动动力。在气缸的作用下，上移动板和下移动板可沿着轨道实现往复移动。为改变测试室中稻谷的流动状态，在下轨道上设计了挡块，并固定在气缸的伸缩杆正前方；挡块的安装位置可以调节，其目的是用于改变气缸的伸缩行程，进而调节测试室中稻谷流出口开度。安装在上轨道上的气缸无挡块，可以达到最大伸缩行程。电子秤位于测试室的正下方，并固定在测试室机架上，用于测量测试室中稻谷的质量。气动控制阀组、气缸和气管构成了整个装置的气动控制系统，气源通过市场上购买的空气压缩机提供。

1.2工作原理

首先，关闭测试室底部出口，并连通其入口和缓存室的出口；其次，将测试室和缓存室装满稻谷；然后，打开测压室的底部出口，测试室和缓存室中的稻谷开始从上往下流动。当稻谷流动状态稳定后，同时关闭上、下移动板。此时，将电子秤读数清零，再将测试室中的稻谷全部排出来，并称取稻谷的质量。最后，根据试验参数和式（1）计算得出稻谷流动层孔隙率。当每次孔隙率检测试验结束后，将测试室和缓存室中稻谷清空，再次填满稻谷，并重复上述操作。孔隙率计算方程式如式（1）所示。

ε=（1-ζ/ V_c×ρ_t）×100%（1）

式中：ε——流动层孔隙率，%；

ζ——测试室中稻谷的质量，kg；

V_c——测试室的容积，m³；

ρ_t——稻谷的真密度，kg/m³。

2关键零部件設计

2.1机架结构

由于气动控制系统中的气缸气压大、速度快，会产生振动现象。为了避免气动控制系统的振动对流动层孔隙率检测效果的影响，并降低测量误差，本文所设计的机架由测试室机架和动力机架两部分组成，且测试室机架和动力机架互不接触，无干涉现象。测试室机架采用铝合金型材制造，用于安装测试室，其结构如图2所示；动力机架由铝合金型材、上轨道、下轨道和挡块组成，其作用是用于安装气动控制元件、缓存室、上移动板和下移动板，详细机械结构如图3所示。由于测试室的长度与稻谷流动层厚度有关，在测试过程中需要更换多种不同长度尺寸的测试室。为此，将上轨道设计成活动可调，并可沿着竖直方向进行上下往复移动，以满足不同长度测试室的安装使用要求。

2.2测试系统结构

测试系统由上移动板、下移动板、缓存室、测试室等机械零件组成，其中，测试室和缓存室为亚克力材料制造而成，且两者内径相同，均为200mm，具体结构如图4所示。缓存室位于测试室的正上方，且与测试室之间留有一定间隙，用于安装上移动板。结合图1，缓存室固定在动力机架上，测试室安装于测试室机架上，且上移动板和下移动板分别与气缸的伸缩杆连接。

为了提高上移动板和下移动板往复运动的稳定性，将其分别安装在上轨道和下轨道中。同时，上移动板、下移动板与测试室的端面间隔1～1.5mm间隙，避免上移动板和下移动板在往复运动时碰到测试室而引起振动。在气动控制系统的作用下，气缸伸缩杆向外伸，上移动板和下移动板分别从测试室进口和出口的中心位置沿着轨道同时向两边移动，测试室的进口和出口打开。此时，测试室和缓存室连通，缓存室中的稻谷可以连续不断地流入测试室；反之，气缸的伸缩杆收缩，上移动板和下移动板分别从两边沿着原路径向测试室进口和出口的中心位置靠拢，从而将测试室的进口和出口关闭，并且快速阻止缓存室中稻谷流入测试室中。为了使测试室出口处稻谷的流量实现可调，本文将下移动板的移动距离设计成可通过控制气缸的伸缩行程来调节。

2.3气动控制系统

气动控制系统是稻谷流动层孔隙率检测装置的重要组成部分，主要包括气缸、气管、电磁阀、调压阀、气动三联件和空气压缩机组，其中，每2个气缸组成一组，其控制原理如图5所示。

为了使上移动板和下移动板能够实现单独控制，每组气缸单独采用一个电磁阀控制。同时，同组气缸的伸缩动作保持一致，且其伸缩杆同进同出。在每个电磁阀进气管上均安装调压阀，用于调节气缸的工作压力和伸缩速度，保证控制系统的灵敏性，并使检测装置处于最佳工作状态。为了提高气动元件的运行精度和使用寿命，在管路中设计了气动三联件，用于去除空气中的杂质和水雾。气动元件的型号和参数如表1所示。

3试验分析

3.1试验方法

为了验证流动层孔隙率检测装置的可靠性，本文利用正交试验分析方法，设计了Bok-Behnken试验方案，试验因素水平如表2所示。同时，每组试验在相同试验条件下重复做10次，通过式（1）计算出每组试验的流动层孔隙率值，再分析每组试验条件下孔隙率方差，确定装置的检测性能。

3.2孔隙率的重复性

基于数据统计学方法，对相同试验条件下的孔隙率数据进行方差分析，研究该组数据的离散程度，验证流动层孔隙率检测装置的重复性。当方差值越小，重复性越好，方差计算如式（2）所示。

S²=∑ⁿ_i=1（x_i-E）²/n-1（2）

式中：S²——方差；

n——样本总数；

x_i——

第i次孔隙率测量值，%；

E——孔隙率平均值，%。

3.3真密度測定

随机从样品中称取一定质量的稻谷，采用实验室研发的孔隙率测定仪［13］，在静态下测定稻谷的孔隙率。根据孔隙率测定仪的容器体积参数和稻谷的质量，利用式（3）求出稻谷的容积密度；最后，根据式（4）求出不同含水率稻谷的真密度，每组数据测量3次，最后取平均值。

ρ_b=m/V₀（3）

ρ_t=100×ρ_b/100-ε₀（4）

式中：ε₀——孔隙率测定仪测定的孔隙率，%；

ρ_b——稻谷的容积密度，kg/m³；

ρ_t——稻谷的真密度，kg/m³;

V₀——容器体积，m³；

m——稻谷质量，kg。

3.4试验结果分析

3.4.1稻谷流动层孔隙率检测装置可靠性分析

根据正交试验要求，结合式（1）～式（4），计算出每组试验中孔隙率的重复性指标，分析结果如表3所示。由表3可知，17组孔隙率检测试验的方差范围为0.010 1～0.022 9，证实了稻谷流动层孔隙率检测装置的可靠性，且工作性能稳。

3.4.2稻谷流动层孔隙率变化特征分析

为揭示稻谷流动层孔隙率的演变规律，利用单因素试验方法，结合本文创制的孔隙率检测装置及检测方法，研究稻谷含水率、测试室出口开度和流动层厚度与稻谷流动层孔隙率间的内在联系和相互作用关系。

1） 测试室出口开度对稻谷流动层孔隙率的影响。

在单因素试验中，测试室高度为300mm，内径为200mm，稻谷含水率为12.92%。在以上试验因素不变的条件下，随机调节测试室出口开度的大小，分析开度变化对稻谷流动层孔隙率的影响，结果如图6所示。

由图6可知，在单因素试验条件下，稻谷流动层孔隙率随测试室出口开度的增大而逐渐增加，且流动状态下的孔隙率均大于静止状态下的孔隙率。测试室出口开度直接关系到稻谷在测试室中的流动状态，当开度越大，稻谷的流动速度越快。同时，在流动过程中，稻谷颗粒因受颗粒间以及颗粒与容器内壁的相互作用力而产生扰动，从而导致流动层孔隙率发生改变。在1997年，Peng等［27］在探索散体颗粒物料流动特性时已证实了此现象，他们发现快速流动区域的颗粒孔隙率比低速区域的孔隙率要大。因此，开度越大，稻谷流动层孔隙率也越大。

2） 流动层厚度对稻谷流动层孔隙率的影响。

在稻谷流动层孔隙率检测装置中，测试室高度即为流动层厚度。本试验中以流动层厚度为变量，将测试室开度设定为26mm，稻谷含水率为23.01%，测试室内径为200mm。按照试验要求，分析稻谷在测试室高度分别为400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm等条件下的流动层孔隙率变化特性，试验结果如图7所示。

由图7可知，稻谷流动层孔隙率随流动层厚度增加先减小，到达最低点后又逐步呈升高的趋势变化。在重力和摩擦力的作用下，流动状态下的稻谷颗粒不断发生挤压、碰撞、剪切，使得稻谷颗粒在流动层中的分布特性发生改变［2829］。由于流动层厚度越大，测试室内的稻谷总质量越大，所以，稻谷颗粒受到的作用力增大。同时，根据粮仓效应理论［30］可知，初始时，随着流动层厚度增加，测试室底部的压力先随着稻谷质量的增加而逐渐增大，此时，稻谷流动层被逐渐压实，孔隙率降低。当流动层厚度达到一定数值时，底部压力不在随着流动层厚度增加而增大，因此，孔隙率经过极小值后沿着增大的趋势变化。

3） 稻谷含水率对稻谷流动层孔隙率的影响。

选取高度设为500mm、内径为200mm的测试室，并设定测试室出口开度为26mm。根据试验要求，随机获取相同品种不同含水率的稻谷样品，探索稻谷含水率（12.73%～32.01%）对稻谷流动层孔隙率的影响，试验结果如图8所示。

由图8可知，当测试室出口开度和流动层厚度保持恒定值时，流动层孔隙率随稻谷含水率的升高而逐步降低。稻谷属于细小散体颗粒物料，既具有固体的特性，又具有液体的流动特性，且其颗粒外表存在大量细芒刺，表面粗糙。随着水分的增加，稻谷表面的摩擦特性增强，导致颗粒粘附性和团聚性加剧，从而使稻谷颗粒在测试室中的流动受阻，流速减小且动能耗散大，进而引起流动层孔隙率改变。因此，稻谷含水率与流动层孔隙率成负相关性。

4结论

1） 搭建了稻谷流动层孔隙率检测装置，通过正交试验和方差分析，测量得出稻谷流动层孔隙率的重复性指标为0.010 1～0.022 9，该装置具有较好的可靠性。

2） 揭示了稻谷流动层孔隙率与含水率、开度、流动层厚度等因素间的相互作用关系。稻谷流动层孔隙率随着测试室出口开度的增大而增大，且流动状态下孔隙率均明显大于静止状态时的孔隙率；随含水率的降低，稻谷流动层孔隙率随含水率降低而增大。

3） 随着流动层厚度的增加，稻谷流动层孔隙率先逐渐减小，到达极小值后，再逐步增大。在流动层厚度约为750mm时，流动层孔隙率最小，其值约为63.1%。

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