滾筒凹板篩式花生脫殼機(jī)關(guān)鍵部件試驗(yàn)研究及參數(shù)優(yōu)化

王建楠，謝煥雄，胡志超，劉敏基，魏 海，顏建春，吳 峰

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

脫殼是花生種植以及油用、食用加工前的必經(jīng)工序，也是影響花生仁果及其制品品質(zhì)和商品性的關(guān)鍵[1-3]。我國種用花生大多依靠人工進(jìn)行脫殼[4-5]，而食用及油用花生多采用臥式滾筒凹板篩式花生脫殼設(shè)備進(jìn)行脫殼?，F(xiàn)有的臥式滾筒凹板篩式脫殼設(shè)備存在脫殼破碎率高、品種適應(yīng)性差等問題，致使花生脫殼損失較大，因而脫殼設(shè)備難以針對國內(nèi)紛繁復(fù)雜的品種進(jìn)行全面推廣。脫殼滾筒凹板篩組合為此類脫殼設(shè)備的關(guān)鍵核心部件之一，其作業(yè)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是脫殼設(shè)備作業(yè)質(zhì)量及適應(yīng)性的重要影響因素。目前，由于對現(xiàn)有脫殼設(shè)備的脫殼滾筒凹板篩組合作業(yè)參數(shù)及相關(guān)參數(shù)與花生脫殼作業(yè)喂料量的優(yōu)化匹配鮮有研究，使得脫殼滾筒運(yùn)動參數(shù)、滾筒凹板篩間隙與花生脫殼進(jìn)料量的匹配不合理，脫殼損失較大。本試驗(yàn)對花生脫殼設(shè)備關(guān)鍵部件及喂料量進(jìn)行優(yōu)化研究，并利用Box-behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在為花生脫殼機(jī)脫殼質(zhì)量的提升提供理論依據(jù)。

1 滾筒凹板篩式花生脫殼機(jī)工作原理

1.1 花生脫殼機(jī)工作過程

臥式滾筒凹板篩式花生脫殼機(jī)(圖1-a)在工作時(shí)，花生莢果由進(jìn)料斗進(jìn)入脫殼倉，在旋轉(zhuǎn)的脫殼滾筒帶動下與凹板篩產(chǎn)生擠壓、揉搓，從而實(shí)現(xiàn)脫殼，脫出的花生仁果與花生殼的混合物經(jīng)凹板篩落料至振動篩上，凹板篩與振動篩之間安裝有風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)的作用下，花生殼與花生仁果、未脫凈的花生莢果產(chǎn)生分離，花生莢果與仁果的混合物經(jīng)過振動篩完成篩分，實(shí)現(xiàn)花生仁果及未脫凈花生莢果的分離，花生仁果從出料口出料，完成整個(gè)脫殼過程。脫殼滾筒結(jié)構(gòu)如圖1-b所示，它由兩端圓盤與支撐連接桿組成，其中支撐連接桿末端焊接有圓鋼，該圓鋼可對花生莢果產(chǎn)生揉搓作用；同時(shí)可通過調(diào)節(jié)支撐連接桿的安裝尺寸改變滾筒凹板篩的間隙。

1.2 脫殼質(zhì)量影響因素分析

脫殼滾筒凹板篩組合為花生脫殼機(jī)的關(guān)鍵核心部件之一，在莢果脫殼程中脫殼滾筒轉(zhuǎn)速、脫殼滾筒凹板篩間隙、物料進(jìn)料量均為關(guān)鍵參數(shù)，這些關(guān)鍵參數(shù)的選擇與優(yōu)化直接影響花生脫殼的破碎率、脫凈率。因此，在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)須對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低脫殼過程中的破碎率，提高脫凈率。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)在自主研發(fā)的花生脫殼試驗(yàn)臺上開展，以便調(diào)節(jié)脫殼滾筒凹板篩間隙，并采用變頻器(型號H3000)調(diào)節(jié)脫殼滾筒轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)需尺子(精度1 mm)、電子天平(精度1 g)及若干設(shè)備參數(shù)調(diào)整所需輔助工具。

2.2 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用花生原料為2015年泰州產(chǎn)白沙品種[6]。分別測量500粒花生莢果、500粒仁果的尺寸，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)對象物理尺寸

2.3 試驗(yàn)考核指標(biāo)

以花生凹板篩脫出物為考察對象，以脫出物的破碎率(R1)及脫凈率(R2)為考核指標(biāo)，分別通過式(1)、式(2)計(jì)算花生脫殼機(jī)脫出物的破碎率、脫凈率。各試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5688.2—1991《花生剝殼機(jī) 試驗(yàn)方法》開展試驗(yàn)并查樣。

(1)

(2)

式中：m為完整純?nèi)寿|(zhì)量，g；m1為破碎仁質(zhì)量，g；m2為損傷仁質(zhì)量，g；m3為未剝開果的仁質(zhì)量，g。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將同品種、同批次、等質(zhì)量的花生投入花生脫殼試驗(yàn)臺脫殼倉，以花生脫殼破碎率及脫凈率為考察對象，開展脫殼滾筒轉(zhuǎn)速、脫殼滾筒凹板篩間隙、物料進(jìn)料量單因素試驗(yàn)研究。

二次回歸正交試驗(yàn)：采取中心組合設(shè)計(jì)方法及理論分析單因素試驗(yàn)結(jié)果，以脫殼滾筒轉(zhuǎn)速(A)、滾筒凹板篩間隙(B)、進(jìn)料量(C)為影響因素，R1、R2為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面分析。按照響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)對自變量的真實(shí)值進(jìn)行編碼，編碼方程為

xi=(zi-zi0)/Δzi。

式中：xi為自變量的編碼值；zi為自變量的真實(shí)值；zi0為試驗(yàn)中心點(diǎn)處自變量的真實(shí)值；Δzi為自變量的變化步長[7]。因素自變量編碼及水平如表2所示。

表2 因素編碼水平

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 不同滾筒轉(zhuǎn)速對脫殼質(zhì)量的影響 根據(jù)預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果，將脫殼滾筒凹板篩間隙設(shè)定為25 mm，通過振動給料器對脫殼倉料斗均勻供料，使進(jìn)料量保持在200 g/s。在脫殼滾筒轉(zhuǎn)速分別為245、250、255、260、265、270、275、280、285、290 r/min 的條件下，開展?jié)L筒轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)。由圖2可知，破碎率與滾筒轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)非線性關(guān)系，滾筒轉(zhuǎn)速在270、275 r/min 時(shí)，破碎率最小，說明在進(jìn)料量一定的情況下，滾筒轉(zhuǎn)速過慢，將使花生莢果在脫殼倉內(nèi)不能及時(shí)被揉搓脫殼而產(chǎn)生積壓，脫殼滾筒的持續(xù)轉(zhuǎn)動將導(dǎo)致破碎加?。欢^快的脫殼滾筒轉(zhuǎn)速可增加對花生莢果揉搓，也將致使脫殼破碎率增大。滾筒轉(zhuǎn)速與脫凈率呈線性關(guān)系，且滾筒轉(zhuǎn)速越高，滾筒對花生莢果的揉搓頻次越高，進(jìn)而使花生的脫凈率提高。

3.1.2 不同滾筒凹板篩間隙對脫殼質(zhì)量影響 通過變頻調(diào)節(jié)將滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置為270 r/min，進(jìn)料量繼續(xù)保持在200 g/s，調(diào)節(jié)滾筒部件螺栓，以改變滾筒凹板篩間距D，研究不同滾筒凹板篩間隙對脫殼質(zhì)量的影響。在滾筒凹板篩間隙分別為17、19、21、23、25、27、29、31、33、35 mm的條件下，開展?jié)L筒凹板篩間隙的單因素試驗(yàn)。由圖3可知，破碎率隨滾筒凹板篩間隙的增大而逐漸減小，主要是因?yàn)闈L筒凹板篩間隙過小時(shí)，導(dǎo)致脫出的花生不能及時(shí)排出而直接與旋轉(zhuǎn)的滾筒再次作用產(chǎn)生破碎。脫凈率隨滾筒凹板篩間隙的增大而逐漸減小，說明在凹板篩間隙較大時(shí)，滾筒凹板篩之間填充的花生較多，隨滾筒的轉(zhuǎn)動花生之間相互擠壓，而非滾筒直接作用于花生，致使花生脫凈率下降。

3.1.3 不同進(jìn)料量對脫殼質(zhì)量影響 將脫殼滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置為270 r/min，滾筒凹板篩間隙設(shè)置為25 mm，通過調(diào)節(jié)花生脫殼試驗(yàn)臺振動給料器來改變花生脫殼設(shè)備的進(jìn)料量，研究不同進(jìn)料量對脫殼質(zhì)量的影響。在喂料量分別為120、140、160、180、200、220、240、260、280、300 g/s的條件下，開展進(jìn)料量的單因素試驗(yàn)研究。由圖4可知，破碎率隨進(jìn)料量的增大而逐漸增加，主要因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下，進(jìn)料量增大致使?jié)L筒凹板篩篩分能力不足，脫出物料不能及時(shí)排出而產(chǎn)生不必要的揉搓，從而導(dǎo)致破碎。脫凈率隨進(jìn)料量的增加呈先升后降的趨勢，主要因?yàn)檫M(jìn)料量過大或者過小都不能使脫殼倉填充均勻，填充過少導(dǎo)致不能產(chǎn)生揉搓作用而脫不凈；填充過多導(dǎo)致莢果之間相互揉搓作用增加而與滾筒揉搓幾率減少，進(jìn)而導(dǎo)致脫凈率下降。

3.2 組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

按照中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，隨機(jī)組合試驗(yàn)次序，所得試驗(yàn)設(shè)計(jì)及相關(guān)結(jié)果如表3所示[8]。

表3 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及相應(yīng)結(jié)果

3.2.1 破碎率數(shù)學(xué)模型及方差分析 采用逐步回歸法對表3結(jié)果進(jìn)行三元二次回歸擬合并進(jìn)行方差分析，得到的破碎率編碼值簡化回歸數(shù)學(xué)模型為：

R1=3.22+0.025B+0.25C-0.18AB+0.025AC-0.78BC+0.75A2+1.30B2+0.55C2。

(3)

由表4可知，該破碎率數(shù)學(xué)模型顯著性檢驗(yàn)F=27.84，模型P值極顯著，失擬項(xiàng)不顯著，模型的修正決定系數(shù)R2=0.967 8，說明該回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，可對脫殼設(shè)備的破碎率進(jìn)行分析預(yù)測。該模型預(yù)測破碎率與滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒凹板篩間隙、進(jìn)料量存在二次非線性相關(guān)關(guān)系。模型方差分析亦表明，滾筒凹板篩間隙與進(jìn)料量間的交互作用對破碎率的影響較顯著。

3.2.2 破碎率的響應(yīng)曲面分析 根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各因素對破碎率的響應(yīng)面分析如圖5至圖7所示；根據(jù)圖中三維曲面和等高線考察滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒凹板篩間隙、進(jìn)料量對破碎率的影響，分析結(jié)果見圖5至圖7，根據(jù)等高線形狀判斷交互作用強(qiáng)弱[9-11]。由圖5至圖7中的等高線可以看出，滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒凹板篩間隙、滾筒凹板篩間隙和進(jìn)料量、滾筒轉(zhuǎn)速和進(jìn)料量的交互作用顯著。由圖5可以看出，滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒凹板篩間隙交互作用對破碎率影響較為顯著。由圖6可以看出，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，降低進(jìn)料量可以降低破碎率。由圖7可以看出，當(dāng)滾筒凹板篩間隙一定時(shí)，增加進(jìn)料量破碎率先減小后增大。

表4 破碎率數(shù)學(xué)模型的方差分析

注：P<0.01為極顯著；P<0.05為顯著。表5同。

3.2.3 脫凈率的數(shù)學(xué)模型及方差分析 對表3進(jìn)行三元二次回歸擬合及方差分析，得到的脫凈率編碼值簡化回歸數(shù)學(xué)模型為：

R2=92.70+0.10A-0.05B+0.40C+0.200AB+0.052AC-0.900BC+0.92A2+2.32B2+0.63C2

由表5可知，該脫凈率數(shù)學(xué)模型顯著性檢驗(yàn)F=46.800，模型P值顯著，失擬項(xiàng)不顯著，模型的修正決定系數(shù)R2=0.976 1，說明該回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，可對脫殼設(shè)備的脫凈率進(jìn)行分析預(yù)測。通過該預(yù)測模型可以看出，滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒凹板篩間隙、進(jìn)料量與脫凈率存在二次非線性相關(guān)關(guān)系。方差分析可以看出，脫殼滾筒轉(zhuǎn)速與滾筒凹板篩間隙、滾筒凹板篩間隙與進(jìn)料量的交互作用對脫凈率影響顯著。

表5 脫凈率數(shù)學(xué)模型的方差分析

3.2.4 脫凈率的響應(yīng)曲面分析 由圖8至圖10可以看出，滾筒轉(zhuǎn)速和滾筒凹板篩間隙、進(jìn)料量和滾筒凹板篩間隙的交互作用對脫凈率影響明顯，其他交互作用影響不顯著。由圖8可以看出，當(dāng)滾筒凹板篩間隙一定時(shí)，提高滾筒轉(zhuǎn)速，脫凈率先減小后增大。由圖9可以看出，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，脫凈率隨進(jìn)料量的減小而逐漸減小。由圖10可以看出，當(dāng)滾筒凹板篩間隙一定時(shí)，脫凈率隨進(jìn)料量的減小而逐漸減小。

4 參數(shù)優(yōu)化

從脫殼機(jī)的實(shí)際工作質(zhì)量考慮，需同時(shí)考慮響應(yīng)值R1、R2，使R1的響應(yīng)值達(dá)到最小，R2的響應(yīng)值達(dá)到最大。為此本試驗(yàn)對2個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以探明滿足2個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最佳參數(shù)組合：

由于破碎率和脫凈率同等重要，因此在優(yōu)化過程中將2者的重要程度均設(shè)置為5[12-13]。采用design expert進(jìn)行優(yōu)化分析可得出，當(dāng)脫殼滾筒轉(zhuǎn)速為274.8 r/min，滾筒凹板篩間隙為24.7 mm，進(jìn)料量為204.6 g/s時(shí)可得破碎率、脫凈率最佳值，分別為3.2%、94.6%。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可信度，將脫殼試驗(yàn)臺參數(shù)設(shè)置為脫殼滾筒轉(zhuǎn)速275 r/min、滾筒凹板篩間隙25 mm、進(jìn)料量 205 g/s，開展花生脫殼破碎率、脫凈率的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，破碎率相對誤差為6.9%，脫凈率相對誤差為1.5%，與優(yōu)化結(jié)果理論值相差較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的可信度及試驗(yàn)方案的可行性。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

6 討論

本研究通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)結(jié)果分析，建立花生脫殼機(jī)脫殼破碎率及脫凈率的數(shù)學(xué)模型，采用響應(yīng)曲面分析方法判斷脫殼滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒凹板篩間隙、進(jìn)料量以及各因素交互作用與破碎率及損失率關(guān)系。

以破碎率最小、脫凈率最大為主控目標(biāo)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化得到，花生脫殼機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值為脫殼滾筒轉(zhuǎn)速274.8 r/min、滾筒凹板篩間隙24.7 mm、進(jìn)料量204.6 g/s，并在此參數(shù)下開展試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，脫殼設(shè)備在該參數(shù)下的破碎率為3.44%、脫凈率為96.0%。