高性能滾搓式蓖麻脫殼設(shè)備設(shè)計與操作參數(shù)優(yōu)化研究

李昌珠，劉汝寬,2，程鑫鑫，肖志紅，黃志輝

（1. 湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙410004；2. 中南大學 化學與化工學院，湖南 長沙 410083；3. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙410083）

高性能滾搓式蓖麻脫殼設(shè)備設(shè)計與操作參數(shù)優(yōu)化研究

李昌珠1，劉汝寬1,2，程鑫鑫3，肖志紅1，黃志輝3

（1. 湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙410004；2. 中南大學 化學與化工學院，湖南 長沙 410083；3. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙410083）

以蓖麻果實為原料，通過對現(xiàn)有蓖麻脫殼設(shè)備的性能分析，對其局部結(jié)構(gòu)進行改進，實現(xiàn)了蓖麻剝殼效能的優(yōu)化，為蓖麻果實脫殼機械的研制提供理論依據(jù)。通過正交試驗進行了滾搓式蓖麻脫殼設(shè)備的參數(shù)優(yōu)選，求得滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒傾角、出料口滾筒間距及含水率與脫殼指標的關(guān)系，得到了影響蓖麻脫殼指標的主次因素和各因素的顯著性水平，各參數(shù)的最優(yōu)組合為滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、蓖麻果實含水率為6%、滾筒間隙為10 mm、滾筒傾角為17.6°。在此條件下，蓖麻脫殼設(shè)備的生產(chǎn)率可達404.12 kg/h，脫凈率可達90.8%，破損率可以降低到2.9%，優(yōu)選后的脫殼設(shè)備綜合指標優(yōu)于其他參數(shù)組合下的機械性能。

蓖麻果實，滾搓式脫殼，正交試驗，參數(shù)優(yōu)選

蓖麻是一種具有極高經(jīng)濟價值、生態(tài)效益并擁有巨大市場需求的油料作物[1-3]。隨著我國蓖麻種植量的不斷增加，蓖麻脫殼機械發(fā)揮的作用越來越大，對其性能要求也逐漸增高。目前，國內(nèi)蓖麻果實脫殼機械普遍存在脫凈率低、生產(chǎn)率低、破損率高的缺陷[4]，難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)中“保質(zhì)保量”的要求[5]。在此背景條件下，以開發(fā)優(yōu)質(zhì)、高效的滾搓式蓖麻脫殼設(shè)備為目標，通過對滾搓式蓖麻脫殼設(shè)備的缺陷進行分析研究，自主設(shè)計了一臺新型蓖麻剝殼設(shè)備，并以生產(chǎn)率（kg/h）、脫凈率（%）、破損率（%）為脫殼指標，進行參數(shù)優(yōu)選試驗[6-7]，研究各因素對脫殼指標的影響規(guī)律，優(yōu)選得到最優(yōu)參數(shù)組合。

1 試驗設(shè)備與材料

1.1 主要設(shè)備與材料

滾搓式蓖麻蒴果脫殼設(shè)備（圖1，自制LKY-Ⅰ），主要由機架、進料斗、錐形脫殼滾筒（內(nèi)外）、電機（4 kw）、變頻器等組成。采用湖南省林業(yè)科學院選育的“湘蓖一號”蓖麻蒴果作為試驗對象[9]，其含水率約為6%（深褐色，自然干燥）與11%（褐色，新采樣品）。

圖1 滾搓式蓖麻蒴果脫殼設(shè)備總體結(jié)構(gòu)(左)及進料口處楔角處理(右)Fig.1 Overall structure of the roll-rub shelling equipment for castor capsule (left) and inlet wedge angle treatment (right)

1.2 因素水平表

根據(jù)因素水平數(shù)選用L16(45)正交表進行實驗[6-8]，見表1。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3 參數(shù)優(yōu)化與確定

采用綜合評分法對本正交實驗進行評價分析[9-12]。根據(jù)各個指標的重要程度，以100分為總“權(quán)”，給定生產(chǎn)率（kg/h）為40分，脫凈率（%）為35分，破損率（%）為-25分，綜合得分可用下式計算得出。

式中：yi為第i號試驗所得的綜合評分；Wj為第j個指標的權(quán)值；yij為第i號試驗中第j指標的試驗結(jié)果；Rj為第j個指標的最大極差。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交實驗結(jié)果

由表2可以得到影響綜合指標的因素順序為A＞D＞B＞C，在既定的水平范圍內(nèi)最優(yōu)組合為A4D1B2C1，即在滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、蓖麻蒴果含水率為6%（自然干燥時）、滾筒間隙為10 mm、滾筒傾角為17.6度時脫殼綜合指標最高。最優(yōu)組合在試驗優(yōu)選方案中沒有出現(xiàn)，進行驗證試驗。結(jié)果表明，在最優(yōu)條件下，蓖麻蒴果脫殼設(shè)備的生產(chǎn)率可達404.12 kg/h，脫凈率可達90.8%，破損率可以降低到2.9%，優(yōu)選后的脫殼設(shè)備綜合指標優(yōu)于其他參數(shù)組合下的機械性能。

2.2 方差分析

滾筒轉(zhuǎn)速（RPM）、滾筒傾角（度）、出料口滾筒間距（mm）3個因素對脫殼設(shè)備脫殼指標的影響是不同的。

由表3的方差分析可知：

(1) 在95%的置信度下，滾筒的轉(zhuǎn)速與蓖麻果實的含水率兩因素對脫殼設(shè)備生產(chǎn)率的影響極其顯著，出料口滾筒間距與滾筒傾角表現(xiàn)為不顯著；

(2) 在95%的置信度下，出料口滾筒間距對脫殼設(shè)備脫凈率的影響極其顯著，滾筒傾角影響顯著，含水率與滾筒轉(zhuǎn)速表現(xiàn)為不顯著。

(3) 在95%的置信度下，出料口滾筒間距對脫殼設(shè)備破損率的影響極其顯著，滾筒轉(zhuǎn)速影響顯著，滾筒傾角與蓖麻蒴果含水率影響為不顯著。

表2 正交試驗及其結(jié)果Table 2 Results of the orthogonal experiment

2.3 性能參數(shù)與脫殼指標的關(guān)系

脫殼設(shè)備的滾筒轉(zhuǎn)速（RPM）、滾筒傾角（度）、出料口間距（mm）對脫殼性能指標的影響如圖2所示。

由圖2可看出脫殼機的生產(chǎn)率（kg/h）受滾筒轉(zhuǎn)速（RPM）與含水率（%）的影響明顯大于其他因素的影響；脫凈率（%）受出料口滾筒間距（mm）的影響明顯大于其他因素的影響；破損率（%）受出料口滾筒間距（mm）的影響明顯大于其他因素的影響。

3 結(jié) 論

(1) 采用正交實驗方法，對自主設(shè)計的新型高效蓖麻脫殼設(shè)備（LKY-Ⅰ，速度可調(diào)）的剝殼效果進行評價，得到滾搓式蓖麻脫殼設(shè)備的影響關(guān)系，在95%的置信度下，對生產(chǎn)率的影響程度，滾筒的轉(zhuǎn)速與果實的含水率兩因素具有高度顯著性；對脫凈率的影響程度，出料口滾筒間距具有高度顯著性，滾筒傾角表現(xiàn)顯著；對破損率的影響程度，出料口滾筒間距具有高度顯著性，滾筒轉(zhuǎn)速表現(xiàn)顯著。

(2) 通過綜合評分法，得到了蓖麻剝殼工藝的最優(yōu)參數(shù)組合。自然干燥時的蓖麻（含水率為6%），在滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min、蓖麻果實含水率為6 %、滾筒間隙為10 mm、滾筒傾角為17.6°時，其剝殼生產(chǎn)能力（生產(chǎn)率）可達404.12 kg/h，脫凈率可達90.8%，破損率可以降低到2.9%。

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance

圖2 各因素水平對脫殼性能指標的影響Fig.2 Effect of different factors on the hulling performance

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Structure design and parameters optimization of the roll-rub shelling machine for castor capsule

LI Chang-zhu1, LIU Ru-kuan1,2, CHENG Xin-xin3, XIAO Zhi-hong1, HUANG Zhi-hui3
(1. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan, China; 2. College of Chemistry & Chemical Engineering, Central South University, Changsha, 410083, Hunan, China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University, Changsha 410083, Hunan, China)

To meet the industry demand of castor process, a new type equipment is made to realize a better effect for shelling the castor.Through orthogonal experiment, the relationship between the quality of roller speed, inclination, space of outlet port and the shelling indicators of process effect taking castor with different water content. The primary and secondary factors affecting the targets of castorshelling and the signi fi cance level of each factor are acquired. The optimal combination of the parameters are the roller’s rotate speed of 300 r/min, fruit’s water content of 6%, roller space of 10 mm, and roller inclination of 17.6%. Under the optimum, the indexes of castor shelling equipment are productivity of 404.12 kg/h, the net rate of 90.8%, breakage rate of 2.9%, which is superior to other combinations of parameters the mechanical properties.

castor bean; roll-rub shelling method; orthogonal experiment; parameter optimization

S759.3

A

1673-923X(2016)02-0110-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.02.021

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-07-17

國家科技支撐（2015BAD15B02）；國家林業(yè)局公益項目（201304608）

李昌珠，研究員；E-mail：lichangzhu2013@aliyun.com

李昌珠，劉汝寬，程鑫鑫，等. 高性能滾搓式蓖麻脫殼設(shè)備設(shè)計與操作參數(shù)優(yōu)化研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016,36(2): 110-113, 134.

[本文編校：吳 彬]