李 君，陸華忠，*，楊 洲，胡澤涵

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)，教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510642）

刀豆為豆科刀豆屬的栽培亞種，外形呈長(zhǎng)條型且硬莢，具有良好的藥用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。近年來(lái)，隨著間套種技術(shù)在我國(guó)的廣泛推廣，刀豆的栽培面積增長(zhǎng)迅速，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。目前，刀豆脫殼處理環(huán)節(jié)依靠人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低下，難以滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，迫切需要發(fā)展與深加工相配套的機(jī)械化脫殼裝備。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)帶殼物料的脫殼方法與加工設(shè)備開(kāi)展了大量的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[1-10]。豆類(lèi)脫殼機(jī)普遍采用擠壓法原理進(jìn)行脫殼，豆籽在通過(guò)脫殼軋輥對(duì)的間隙時(shí)因受到擠壓而破殼擠出，擠壓法適用于新鮮軟莢豆類(lèi)物料[11]。刀豆莢殼堅(jiān)韌且縱脊面結(jié)合力大，擠壓法無(wú)法使籽粒發(fā)生移動(dòng)來(lái)?yè)伍_(kāi)莢殼。為此，陸華忠等[12]利用擠壓和剪切復(fù)合產(chǎn)生撕搓效應(yīng)的原理，設(shè)計(jì)了一種齒形軋輥式刀豆脫殼機(jī)，工作時(shí)齒形軋輥對(duì)反向轉(zhuǎn)動(dòng)并相互嚙合，齒頂面、齒廓面與齒槽表面共同形成一個(gè)由外到里逐漸減小的脫殼腔，使進(jìn)入脫殼腔的刀豆莢果受擠搓而脫殼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，齒形軋輥式刀豆脫殼機(jī)的脫殼效果良好，最佳作業(yè)參數(shù)條件：刀豆品種為矮生刀豆、雙輥轉(zhuǎn)速為25r/m in、雙輥間隙為18mm、輥面材料為橡膠[13]。立式錐體脫殼結(jié)構(gòu)具備有效利用面積高、生產(chǎn)率高的特點(diǎn)，在花生脫殼加工中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。石懷榮等[14]基于螺旋運(yùn)動(dòng)送進(jìn)、擠壓碰撞漸進(jìn)受力而使花生殼體破碎的原理，設(shè)計(jì)出一種具有螺旋錐體式碎殼腔型的花生碎殼機(jī)構(gòu)，并構(gòu)建了碎殼選擇過(guò)程函數(shù)與碎殼過(guò)程函數(shù)。劉明國(guó)[15]設(shè)計(jì)了一種倒錐形滾筒結(jié)構(gòu)的立式錐體花生脫殼機(jī)，錐形滾筒上安裝有螺旋橡膠筋條，筋條通過(guò)螺旋作用推動(dòng)花生做向下螺旋運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明機(jī)器的損傷率低、生產(chǎn)率高。陸華忠等[16]設(shè)計(jì)了一種錐盤(pán)式刀豆脫殼機(jī)，通過(guò)擠壓力、摩擦力與剪切力的共同作用進(jìn)行脫殼加工。

本文采用響應(yīng)面分析法，對(duì)錐盤(pán)式刀豆脫殼機(jī)進(jìn)行性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究，分析主要實(shí)驗(yàn)因素對(duì)脫殼性能指標(biāo)的影響關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)因素之間的交互作用，建立性能指標(biāo)與各實(shí)驗(yàn)因素之間的關(guān)系方程，為提高刀豆脫殼機(jī)的剝凈率和降低損傷率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

矮生刀豆（Canavalia ensiform is） 取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)田，同一批儲(chǔ)存樣本，剔除雜質(zhì)及破裂和未達(dá)破殼干燥程度的莢果，整齊度較高。脫殼前將刀豆按厚度進(jìn)行分級(jí)，級(jí)差為2mm，含水率為17.6%。

DHG-9030（A）101-0A（S）型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海索譜儀器有限公司；ALC-210.3型電子天平量程210g，測(cè)量精度1mg，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；游標(biāo)卡尺 測(cè)量精度0.02mm；錐盤(pán)式刀豆脫殼機(jī) 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)自制；主電動(dòng)機(jī)Y80M 2-4，380V，0.75kW，23.2r/s；V帶減速比7∶2；變頻器YQ3000；軸流風(fēng)機(jī)EG-2A-2，0.18kW，46.7r/s，600～940m3/h；輸送帶電動(dòng)機(jī)5IK90RGU-CF，0.09kW，220V，調(diào)速范圍1.5～22.5r/s。

1.2 錐盤(pán)式脫殼機(jī)工作原理

錐盤(pán)式刀豆脫殼機(jī)包括喂料斗、上（定）錐型盤(pán)、下（動(dòng)）錐型盤(pán)、傳動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)、主軸、篩網(wǎng)、集料板、軸流風(fēng)機(jī)、主電動(dòng)機(jī)、機(jī)架和輸送帶等，見(jiàn)圖1。上、下錐型盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。上錐型盤(pán)固定在機(jī)架上，下錐型盤(pán)在傳動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)與減速V帶的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，錐角大小的不同促使兩錐型盤(pán)組成的脫殼區(qū)域由上往下逐漸變窄。上、下錐型盤(pán)的內(nèi)、外錐面均勻分布有肋條，肋條將盤(pán)間空隙分成若干脫殼腔體，用于撞擊、擠壓和撕搓物料。隨著下錐盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，脫殼腔體沿錐盤(pán)緯圓方向的寬度會(huì)周期性交錯(cuò)變小。

工作時(shí)，輸送帶將刀豆莢果送至脫殼機(jī)上部，使其順著斜置的導(dǎo)料板落入喂料口，進(jìn)入兩錐型盤(pán)間的脫殼區(qū)域后，在自身重力、轉(zhuǎn)盤(pán)提供的向心力作用下，豆莢沿著錐型盤(pán)的脫殼區(qū)域自錐盤(pán)素線向下滑動(dòng)，下落過(guò)程中還受到錐面、肋條的摩擦力、擠壓力和剪切沖擊力。脫殼后的豆仁與莢殼從錐型盤(pán)底部的出料口落至篩網(wǎng)上，豆仁透過(guò)篩網(wǎng)進(jìn)入集料板，莢殼在軸流式風(fēng)機(jī)的作用下從一側(cè)分離出來(lái)。

圖1 錐盤(pán)式脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of conical cracker

圖2 上錐型盤(pán)Fig.2 The top cone

圖3 下錐型盤(pán)Fig.3 The bottom cone

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)因素與指標(biāo) 選取輸送帶速、出料口間隙和錐盤(pán)轉(zhuǎn)速作為實(shí)驗(yàn)因素，以剝凈率和損傷率為脫殼效果的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。參照NY/T 994-2006[17]，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中，B—?jiǎng)儍袈剩?；S—損傷率，%；WW—完整豆仁質(zhì)量，g；WP—破碎豆仁質(zhì)量，g；WS—損傷豆仁質(zhì)量，g；WB—未剝開(kāi)刀豆莢果的豆仁質(zhì)量，g。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理 為全面地分析各因素的影響，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，選用二次回歸正交實(shí)驗(yàn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)的安排，采用中心組合設(shè)計(jì)理論。根據(jù)錐盤(pán)式刀豆脫殼機(jī)的實(shí)際情況和預(yù)實(shí)驗(yàn)效果，確定實(shí)驗(yàn)因素和水平如表1所示。每次實(shí)驗(yàn)均采用20條刀豆莢果進(jìn)行脫殼實(shí)驗(yàn)，每個(gè)處理重復(fù)3次，取平均值。將實(shí)驗(yàn)方案中（表2）的實(shí)驗(yàn)號(hào)按照隨機(jī)抽取的方法安排實(shí)驗(yàn)順序，重復(fù)實(shí)驗(yàn)完成后將實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)莢果和豆仁進(jìn)行整理，分別稱(chēng)量完整豆仁質(zhì)量、破碎豆仁質(zhì)量、損傷豆仁質(zhì)量和未剝開(kāi)豆莢的豆仁質(zhì)量，按照實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算方法對(duì)本組實(shí)驗(yàn)的剝凈率和損傷率進(jìn)行計(jì)算。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)因素值進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)，直至全部實(shí)驗(yàn)完成。錐盤(pán)轉(zhuǎn)速通過(guò)改變變頻器的工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，輸送帶速采用調(diào)速器調(diào)整輸送帶電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，出料口間隙通過(guò)調(diào)整上錐盤(pán)導(dǎo)向螺栓的彈簧壓縮量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平表Table1 Factors and levels of test table

1.3.3 統(tǒng)計(jì)分析與參數(shù)優(yōu)化 采用Design-Expert 8.0進(jìn)行回歸顯著性分析、響應(yīng)面曲線繪制以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合優(yōu)化。軟件尋優(yōu)方法為期望函數(shù)法，約束條件中各實(shí)驗(yàn)因素的水平值取值范圍[-1.682，1.682]，在剝凈率和損傷率同等重要的基礎(chǔ)上，要求響應(yīng)值剝凈率最大化和損傷率最小化，進(jìn)而找到最佳脫殼工藝參數(shù)組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)因素對(duì)脫殼性能指標(biāo)的影響關(guān)系

二次回歸正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

利用響應(yīng)面分析方法，對(duì)表2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得刀豆剝凈率、損傷率的回歸方程分別為：

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Results of orthogonal test

表3 剝凈率的方差分析Table3 Variance analysis of shelling efficiency

對(duì)方程和回歸系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，結(jié)果如表3和表4所示。剝凈率Y1方程顯著性檢驗(yàn)F=7.90，p=0.0005，失擬性檢驗(yàn)F=0.31為不顯著，決定系數(shù)R2=0.8454；損傷率Y2方程顯著性檢驗(yàn)F=12.61，p＜0.0001，失擬性檢驗(yàn)F=3.23為不顯著，決定系數(shù)R2=0.8972。說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值擬合較好，可用此兩模型對(duì)剝凈率和損傷率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。由于方程是經(jīng)過(guò)無(wú)量綱線性編碼代換后所得，方程中各個(gè)回歸項(xiàng)系數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，可通過(guò)直接比較其絕對(duì)值的大小來(lái)判斷因子的重要性。從線性項(xiàng)看，對(duì)剝凈率的影響程度X3→X2→X1依次遞減，對(duì)損傷率的影響程度X3→X2→X1依次遞減。通過(guò)數(shù)學(xué)模型的回歸系數(shù)顯著性實(shí)驗(yàn)可看出，錐盤(pán)轉(zhuǎn)速、出料口間隙對(duì)于剝凈率和損傷率均具有極顯著的影響，輸送帶速對(duì)剝凈率和損傷率均影響不顯著。錐盤(pán)轉(zhuǎn)速與出料口間隙的交互項(xiàng)對(duì)剝凈率有顯著的影響。出料口間隙與輸送帶速的交互項(xiàng)、輸送帶速二次項(xiàng)、錐盤(pán)轉(zhuǎn)速二次項(xiàng)對(duì)損傷率均具有極顯著的影響，輸送帶速與錐盤(pán)轉(zhuǎn)速的交互項(xiàng)、出料口間隙二次項(xiàng)對(duì)損傷率均具有顯著的影響，說(shuō)明各因素與損傷率之間既存在二次非線性關(guān)系，也存在交互作用。

表4 損傷率的方差分析Table4 Variance analysis of percentage damage

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作響應(yīng)面圖，分析輸送帶速、出料口間隙和錐盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)刀豆脫殼率和損傷率的影響以及影響顯著交互項(xiàng)之間的交互效應(yīng)。

由圖4可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在輸送帶速為零水平時(shí)，要保持相同的剝凈率，若增大出料口間隙，則相應(yīng)的錐盤(pán)轉(zhuǎn)速也要增加。說(shuō)明前者對(duì)剝凈率起抑制作用，后者起促進(jìn)作用。減小出料口間隙和增加錐盤(pán)轉(zhuǎn)速均有助于提高刀豆的剝凈率。

圖4 剝凈率響應(yīng)面Fig.4 The response curves of shelling efficiency

由圖5（a）可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在錐盤(pán)轉(zhuǎn)速為零水平的情況下，當(dāng)出料口間隙在（-1.682，0）水平、輸送帶速在（-1.682，0）水平區(qū)間內(nèi)時(shí)，損傷率隨著出料口間隙的增大先減小后略有增加，但隨著輸送帶速的增大而增加。而當(dāng)出料口間隙在（0，1.682）水平、輸送帶速在（0，1.682）水平區(qū)間內(nèi)時(shí)，損傷率隨著出料口間隙和輸送帶速的增大而減小?？芍?，增大出料口間隙有助于減小刀豆的損傷率。

由圖5（b）可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在出料口間隙為零水平時(shí)，在不同水平的錐盤(pán)轉(zhuǎn)速條件下，隨著輸送帶速的增大，損傷率呈先增加后減小的趨勢(shì)。而在不同水平的輸送帶速條件下，損傷率隨著錐盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先快速增加后趨于平緩的趨勢(shì)。因此，降低錐盤(pán)轉(zhuǎn)速有助于減小刀豆的損傷率。

圖5 各因素交互作用對(duì)損傷率的影響Fig.5 Interactions between different parameters on percentage damage

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

考慮到剝凈率和損傷率的重要性，設(shè)重要程度均為5，采用Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，可得參數(shù)優(yōu)化結(jié)果：當(dāng)輸送帶速為-1.32（66.83mm/s）、出料口間隙為0.39（17.46mm）和錐盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.65（6.11r/s）時(shí)，最佳指標(biāo)條件的預(yù)測(cè)值為剝凈率96.66%、損傷率0.32%。

為保證生產(chǎn)應(yīng)用中脫殼機(jī)作業(yè)參數(shù)調(diào)整與操作的可行性，將錐盤(pán)式刀豆脫殼機(jī)的最佳參數(shù)組合修正為輸送帶速為66.67mm/s，出料口間隙為17.5mm，錐盤(pán)轉(zhuǎn)速為6.1r/s，在此條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，3次重復(fù)后得到指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)平均值：剝凈率96.90%（實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為95.8%，97.52%和97.31%），損傷率0.34%（實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為0.28%，0.39%和0.35%）。優(yōu)化工藝條件下的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)平均值接近，可認(rèn)為優(yōu)化后的預(yù)測(cè)模型是正確的。

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)二次正交旋轉(zhuǎn)組合回歸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立了實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與影響因素之間的回歸數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明錐盤(pán)式刀豆脫殼機(jī)對(duì)含水率17.6%的矮生刀豆進(jìn)行脫殼時(shí)，剝凈率范圍為67.20%～96.20%，損傷率范圍為0.56%～7.34%。

3.2 對(duì)剝凈率和損傷率的影響強(qiáng)度由錐盤(pán)轉(zhuǎn)速→出料口間隙→輸送帶速依次遞減。錐盤(pán)轉(zhuǎn)速、出料口間隙對(duì)于剝凈率和損傷率具有極顯著的影響，輸送帶速對(duì)剝凈率和損傷率影響不顯著。減小出料口間隙和增加錐盤(pán)轉(zhuǎn)速有助于提高刀豆的剝凈率，增大出料口間隙和降低錐盤(pán)轉(zhuǎn)速有助于減小刀豆的損傷率。

3.3 按響應(yīng)值剝凈率最大化和損傷率最小化進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳脫殼工藝參數(shù)組合：輸送帶速為66.67mm/s、出料口間隙為17.5mm和錐盤(pán)轉(zhuǎn)速為6.1r/s，優(yōu)化工藝條件下對(duì)應(yīng)的指標(biāo)實(shí)驗(yàn)值：剝凈率為96.90%、損傷率為0.34%，與預(yù)測(cè)值誤差很小。結(jié)果證明了優(yōu)化后得到的預(yù)測(cè)模型和工藝條件的可行性，為刀豆脫殼機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)加工提供了理論依據(jù)。

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