核桃分級破殼機(jī)的試驗分析與參數(shù)優(yōu)化

申海霞，張淑娟，劉德華，薛建新

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西　太谷030801）

核桃分級破殼機(jī)的試驗分析與參數(shù)優(yōu)化

申海霞，*張淑娟，劉德華，薛建新

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

針對自行設(shè)計的核桃分級破殼機(jī)樣機(jī)采用響應(yīng)面設(shè)計的試驗分析方法，對核桃破殼影響較大的因素，即分級絞龍轉(zhuǎn)速（X1）、破殼動刀轉(zhuǎn)速（X2），以及分級裝置與破殼裝置的上下間距差（X3）進(jìn)行單因素破殼試驗；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面破殼試驗，建立了各試驗指標(biāo)與試驗因素間的回歸數(shù)學(xué)模型，并采用非線性回歸優(yōu)化方法，確定出該分級破殼機(jī)的最佳工作參數(shù)。試驗結(jié)果表明，影響破殼效果的主要因素是分級裝置與破殼裝置的上下間距差，其次是分級絞龍轉(zhuǎn)速和破殼動刀轉(zhuǎn)速；預(yù)測出一次破殼率最大響應(yīng)面的最佳值為91.074 344，此時X1為50.418 416 r/min，X2為29.959 498 r/min，X3為4.999 116 mm；預(yù)測出高露仁率最大響應(yīng)面的最佳值為77.872 038，此時X1為42.797 068 r/min，X2為34.784 395 r/min，X3為4.502 268 mm。

分級破殼機(jī)；核桃；響應(yīng)面的試驗分析方法；工作參數(shù)

0　引言

核桃，屬于胡桃科植物，又叫胡桃或姜桃，與扁桃、腰果、榛子并稱為世界“四大干果”[1-2]。核桃內(nèi)含有豐富的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、碳水化合物、礦物質(zhì)及維生素，其營養(yǎng)價值極高，有著“養(yǎng)生之寶”和“長壽果”的美稱，深受人們的喜愛[3-8]。

我國是繼美國之后的又一核桃生產(chǎn)大國，但是國內(nèi)對于核桃破殼技術(shù)及設(shè)備的研究還處于起步階段，核桃生產(chǎn)加工的機(jī)械化程度不如歐美等發(fā)達(dá)國家[9-11]。核桃破殼作為核桃精深加工的一項重要前處理工作，對于核桃的產(chǎn)品品質(zhì)有著非常大的影響。因此，對自行設(shè)計的核桃分級破殼機(jī)進(jìn)行了單因素試驗和響應(yīng)面試驗研究，以一次破殼率和高露仁率為試驗指標(biāo)，對影響核桃破殼的因素進(jìn)行試驗分析得到其優(yōu)化參數(shù)，旨在為核桃破殼提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與設(shè)備

試驗材料：選取山西省具有代表性的三類核桃（產(chǎn)量多、品種純正）進(jìn)行試驗，分別是太谷縣的紙皮核桃（Z）、綿核桃（M）和汾陽市的綿核桃（m）。

試驗所用的設(shè)備包括核桃分級破殼機(jī)（團(tuán)隊自行設(shè)計）；SZG441C型手持電子轉(zhuǎn)速表；萬能實驗拉伸儀，新三四材料測試有限公司產(chǎn)品；游標(biāo)卡尺（精度為0.02 mm）。

核桃分級破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理見圖1。

圖1　核桃分級破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

由圖1可知，將核桃分級破殼機(jī)插上電源，待機(jī)器運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后再將核桃樣本放入上料裝置中，在絞龍的轉(zhuǎn)動過程中樣本運送至分級裝置，在分級裝置中樣本會隨著分級絞龍向前運動，核桃會在自身重力作用下落入破殼裝置中，最后在動刀和定刀的擠壓下實現(xiàn)破殼目標(biāo)，完成分級破殼作業(yè)的核桃樣本會隨著出料口滑出掉入收集裝置中，整個分級與破殼的作業(yè)過程結(jié)束。

1.2試驗指標(biāo)

將一次破殼率和高露仁率2個指標(biāo)作為試驗指標(biāo)。一次破殼率指核桃完全被擠壓破殼總數(shù)所占總核桃個數(shù)比例，高露仁率指1/4仁及以上的核桃仁質(zhì)量所占總質(zhì)量的比例。試驗的目標(biāo)是一次破殼率和高露仁率的數(shù)值越高越好。

1.3試驗方法

該設(shè)備設(shè)計出了全新的分級裝置和破殼裝置，破殼前不需要人工預(yù)先對樣本進(jìn)行分級，2個裝置配合可以實現(xiàn)外徑為20～60 mm的破殼目的，所以選擇了外徑為20～60 mm的山西省太谷縣和汾陽市3個品種的核桃。

首先對3個品種的核桃進(jìn)行物理特性的試驗研究，記錄相關(guān)參數(shù)，為該機(jī)的試驗和優(yōu)化提供必要的基礎(chǔ)參數(shù)。

以一次破殼率和高露仁率作為試驗指標(biāo)，分別研究分級絞龍轉(zhuǎn)速（X1）、破殼動刀轉(zhuǎn)速（X2），以及分級裝置與破殼裝置的上下間距差（X3）3個因素對破殼效果的影響。

在單因素試驗基礎(chǔ)上根據(jù)得到的試驗結(jié)果，選分級絞龍轉(zhuǎn)速（X1）、破殼動刀轉(zhuǎn)速（X2），以及分級裝置與破殼裝置的上下間距差（X3）做試驗因素，并就3個因素試驗做中心組合正交旋轉(zhuǎn)的響應(yīng)面設(shè)計，選一次破殼率（Y1）和高露仁率（Y2）做響應(yīng)變量，并測定每個處理上的響應(yīng)變量值。

因素數(shù)為m=3，取零水平試驗次數(shù)m0=4，查表得星號臂長γ=1.414，其中分級絞龍轉(zhuǎn)速（X1）范圍為40～60 r/min，破殼動刀轉(zhuǎn)速（X2）范圍為20～40 r/min，以及分級裝置與破殼裝置的上下間距差（X3）范圍為3～5 mm。對因素水平進(jìn)行編碼：規(guī)范變量Zj（j=1,2,3），因素的上下星號臂和零水平Zjγ，Z-jγ和Zj0。

零水平計算公式為：

因素的變化間距計算公式為：

上下水平計算公式為：

試驗設(shè)計的因素與水平設(shè)計見表1。

表1　試驗設(shè)計的因素與水平設(shè)計

2　結(jié)果和分析

2.1單因素試驗

2.1.1分級絞龍轉(zhuǎn)速對核桃破殼率的影響

當(dāng)破殼動刀轉(zhuǎn)速為29.959 498 r/min、分級裝置與破殼裝置的上下間距差為4.999 116 mm，和破殼動刀轉(zhuǎn)速為34.784 395 r/min、分級裝置與破殼裝置的上下間距差為4.502 268 mm時，研究不同的分級絞龍轉(zhuǎn)速對核桃一次破殼率和高露仁率的影響。

分級絞龍轉(zhuǎn)速對核桃一次破殼率和高露仁率的影響見圖2。

由圖2可知，當(dāng)分級絞龍轉(zhuǎn)速為50.418 416 r/min時，一次破殼率達(dá)到最高，為91.074 344%；當(dāng)分級絞龍轉(zhuǎn)速為42.977 068 r/min時，高露仁率達(dá)到最高，為77.872 038%。

2.1.2破殼動刀轉(zhuǎn)速對核桃破殼率的影響

圖3　破殼動刀轉(zhuǎn)速對核桃一次破殼率和高露仁率的影響

當(dāng)分級絞龍轉(zhuǎn)速為50.418 416 r/min、分級裝置與破殼裝置的上下間距差為4.999 116 mm，和分級絞龍轉(zhuǎn)速分別為42.797 068 r/min、分級裝置與破殼裝置的上下間距差為4.502 268 mm時，研究不同的破殼動刀轉(zhuǎn)速對核桃一次破殼率和高露仁率的影響。

破殼動刀轉(zhuǎn)速對核桃一次破殼率和高露仁率的影響見圖3。

圖2　分級絞龍轉(zhuǎn)速對核桃一次破殼率和高露仁率的影響

由圖3可知，當(dāng)破殼動刀轉(zhuǎn)速為29.959 498 r/min時，一次破殼率達(dá)到最高，為91.074 344%；當(dāng)破殼動刀轉(zhuǎn)速為34.784 395 r/min時，高露仁率達(dá)到最高，為77.872 038%。

2.1.3分級裝置與破殼裝置的上下間距差對核桃破殼率的影響

當(dāng)破殼動刀轉(zhuǎn)速為29.959 498 r/min、分級絞龍的轉(zhuǎn)速為50.418 416 r/min，和破殼動刀轉(zhuǎn)速為34.784 395 r/min、分級絞龍的轉(zhuǎn)速為42.797 068 r/min時，研究不同的分級裝置與破殼裝置的上下間距差對核桃一次破殼率和高露仁率的影響。

分級裝置與破殼裝置的上下間距差對核桃一次破殼率和高露仁率的影響見圖4。

圖4　分級裝置與破殼裝置的上下間距差對核桃一次破殼率和高露仁率的影響

由圖4可知，當(dāng)分級裝置與破殼裝置的上下間距差為4.999 116 mm時，一次破殼率達(dá)到最高，為91.074 344%；當(dāng)分級裝置與破殼裝置的上下間距差為4.502 268時，高露仁率達(dá)到最高，為77.872 038%。

2.2響應(yīng)面試驗分析

2.2.1響應(yīng)面回歸分析

單因素試驗表明，破殼動刀轉(zhuǎn)速、分級絞龍轉(zhuǎn)速以及分級裝置與破殼裝置的上下間距差對核桃破殼率有不同程度的影響，故本試驗采用一次破殼率和高露仁率為試驗指標(biāo)，運用響應(yīng)曲面法對提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

Y1響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計和檢驗見表2，Y1響應(yīng)面模型回歸分項檢驗見表3，Y1響應(yīng)面模型的失擬檢驗見表4，Y1響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗見表5。

利用rsreg過程對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合。由Y1響應(yīng)面的回歸估計及檢驗可知，在0.05水平上X3和X3X3的系數(shù)顯著，其余不顯著。由表3可知，線性項的p值和決定系數(shù)分別小于0.000 1和0.940 1，說明模型極顯著且有解釋變異94.01%的能力；其次是交叉項和二次項，說明回歸主要是線性關(guān)系和互作；總模型的p值和決定系數(shù)分別小于0.000 1和0.980 4，說明模型極顯著且有很高的擬合精度，回歸有效。由表4可知，失擬的p值為0.185 1，說明失擬不顯著或中心點擬合較好。

表2　Y1響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計和檢驗

表3　Y1響應(yīng)面模型回歸分項檢驗

表4　Y1響應(yīng)面模型的失擬檢驗

表5　Y1響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗

獲得一次破殼率（Y1）對自變量分級絞龍轉(zhuǎn)速破殼動刀轉(zhuǎn)速及分級裝置與破殼裝置上下間距差的響應(yīng)面模型方程為：

由表5可知，按p值排序分別是X3，X2和X1，且只有X3的值小于0.000 1，說明第3個因子對一次破殼率有極顯著影響；X2的值為0.031 9，對一次破殼率有顯著影響；X3對一次破殼率的影響不大。

Y2響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計和檢驗見表6，Y2響應(yīng)面模型回歸分項檢驗見表7，Y2響應(yīng)面模型失擬檢驗見表8，Y2響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗見表9。

獲得高露仁率（Y2）對自變量分級絞龍轉(zhuǎn)速破殼動刀轉(zhuǎn)速及分級裝置與破殼裝置上下間距差的響應(yīng)面模型方程為：

表6　Y2響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計和檢驗

表7　Y2響應(yīng)面模型回歸分項檢驗

表8　Y2響應(yīng)面模型失擬檢驗

表9　Y2響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗

2.2.2響應(yīng)面嶺脊分析

要確定最佳處理，首先要考察駐點。若駐點是極限點則找到了最佳處理，若是鞍點則需要利用其他方法找到試驗范圍內(nèi)的最佳處理。通過對Y1，Y2的響應(yīng)面回歸分析，得知駐點是鞍點，所以采用嶺脊分析確定試驗的最佳處理。

Y1響應(yīng)面的最大嶺脊分析結(jié)果見表10，Y2響應(yīng)面的最大嶺脊分析結(jié)果見表11。

由Y1響應(yīng)面嶺脊分析結(jié)果可知，搜索半徑為1.0時得到一次破殼率最大值的響應(yīng)值為91.074 344，其嶺脊點的坐標(biāo)為X1=29.959 498，X2=50.418 416，X3=4.999 116。預(yù)測一次破殼率最大響應(yīng)的最佳處理為破殼動刀轉(zhuǎn)速29.959 498 r/min，分級絞龍轉(zhuǎn)速50.418 416 r/min，以及分級裝置與破殼裝置的上下間距差4.999 116 mm。

表10　Y1響應(yīng)面的最大嶺脊分析結(jié)果

表11　Y2響應(yīng)面的最大嶺脊分析結(jié)果

由Y2響應(yīng)面嶺脊分析結(jié)果可知，搜索半徑為1.0時得到一次破殼率最大值的響應(yīng)值為77.872 038，其嶺脊點的坐標(biāo)為X1=34.784 395，X2=42.797 068，X3=4.502 268。預(yù)測高露仁率最大響應(yīng)的最佳處理為破殼動刀轉(zhuǎn)速34.784 395 r/min，分級絞龍轉(zhuǎn)速42.797 068 r/min，以及分級裝置與破殼裝置的上下間距差4.502 268 mm。

3　結(jié)論

對自行設(shè)計出的核桃分級破殼機(jī)進(jìn)行破殼試驗并得到優(yōu)化的參數(shù)，試驗以分級絞龍轉(zhuǎn)速、破殼動刀轉(zhuǎn)速，以及分級裝置與破殼裝置的上下間距差為試驗變量（因素），一次破殼率和高露仁率為試驗的主要指標(biāo)，運用響應(yīng)面設(shè)計的試驗分析方法進(jìn)行試驗分析，得到了3個試驗因素對一次破殼率和高露仁率的影響顯著性，其中X3為試驗結(jié)果的主要影響因素，X1，X2對試驗的結(jié)果影響都很小，屬于次要因素；預(yù)測出一次破殼率最大響應(yīng)的最佳值為91.074 344，此時的X1為50.418 416 r/min，X2為29.959 498 r/min，X3為4.999 116 mm；預(yù)測出高露仁率最大響應(yīng)面的最佳值為77.872 038，此時的X1為42.797 068 r/min，X2為34.784 395 r/min，X3為4.502 268 mm。

[1]徐國寧，陳嬋娟，賀功民.核桃破殼設(shè)備研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)，2015，36（5）：229-232.

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The Experimental Study on Walnut Grading and Shell Breaking Machine

SHEN Haixia，*ZHANG Shujuan，LIU Dehua，XUE Jianxin
（College of Engineering，Shanxi Agriculture University，Taigu，Shanxi 030801，China）

In order to get the best working parameters of grading and shell breaking machine，this paper has studied on the machine based on experiments.The test key factors include the rotate speed of classification auger（X1），the speed of moving knife（X2），the up and down of the pitch difference with the broken shell device and classification device（X3）.A broken shell rate and high kernel rate are test indicators.Through the single factor experiment，the proper working ranges of three factors are set up.And on this basis，had a response surface experiment with three factors and five levels.Analyzes the interaction between every factors and established the regression equation.Had validation test as well.The results show that for a broke rate and high dew kernel rate of the main influence factors is the up and down of the pitch difference with the broken shell device and the classification device，the second is the rotate speed of classification auger and the speed of moving knife. Predicting a broken rate maximum response of the optimal value of 91.074 344，at the point（X1）is 50.418 416 r/min，X2is 29.959 498 r/min，X3is 4.999 116 mm.Predicting high dew kernel maximum response rate of the optimal value of 77.872 038，at the point X1is 42.797 068 r/min，X2is 34.784 395 r/min，X3is 4.502 268 mm.

grading and shell-breaking machine；walnut；response surface method；working parameters

S226.9

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.10.038

2016-10-10

國家自然科學(xué)基金項目（31271973）；山西省自然科學(xué)基金項目（2012011030-3）。

申海霞（1992—），女，碩士，研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。

張淑娟（1963—），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。

1671-9646（2016）10b-0034-04