伍 毅 阮競蘭 伍維維 阮少蘭

（1.河南工業(yè)大學，河南 鄭州 450052；2.廣東省對外科技交流中心，廣東 廣州 510033）

稻谷加工過程中，影響礱谷產(chǎn)量高低的因素是多方面的，不僅取決于稻谷本身的品質特性與質量特性，更取決于礱谷機設計時的技術參數(shù)選取、設備制造加工時的質量，以及工藝效果評價指標的要求等因素。膠輥礱谷機工作參數(shù)配置對礱谷產(chǎn)量效果優(yōu)劣的影響，黃剛等［1，2］結合生產(chǎn)實際定性的分析了礱谷機輥壓、流量、線速、線速差等工作參數(shù)以及膠輥的性能對礱谷機工藝效果的影響；顧堯臣［3，4］從理論上探討了膠輥礱谷機主要工作參數(shù)與主要工藝效果之間的關系以及工作參數(shù)的取值范圍；阮競蘭等［5］則從綜合角度對膠輥礱谷機性能參數(shù)進行了優(yōu)化與分析，得出了使礱谷工藝效果達到最優(yōu)時的工作參數(shù)組合條件；文獻［6］和［7］作者通過正交試驗方法探討了輥間壓力、進機流量、快輥線速和線速差對脫殼率、破碎率、產(chǎn)量及膠耗等工藝效果評價指標的影響。上述文獻均從不同的角度，就礱谷產(chǎn)量與膠輥礱谷機主要工作參數(shù)的配置進行了優(yōu)化分析，其研究成果在理論和實踐中具有一定的指導意義，不足的是沒有建立反映礱谷產(chǎn)量與參數(shù)之間變化的數(shù)學模型。本試驗借助于響應面分析的方法，在單因素試驗的基礎上，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析和處理，探討膠輥礱谷機工作參數(shù)和礱谷產(chǎn)量之間的變化規(guī)律，可為膠輥礱谷機的進一步研究、設計及應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與設備

原料：安陸中等早秈稻，水分含量13%左右。

膠輥礱谷機：MLGT36型，浙江耀江機械公司。技術參數(shù)配置為處理量4～5t／h，動力配備7.5kW，膠輥規(guī)格Ф225mm×360mm，脫殼率80%～90%，谷糙含殼低于0.8%，爆腰率小于5%。

1.2 試驗方法

1.2.1 單因素試驗設計 為探討膠輥礱谷機主要工作參數(shù)對礱谷產(chǎn)量的影響，分別選取不同的輥間壓力、進機流量、快輥線速及線速差進行單因素試驗。試驗以礱谷產(chǎn)量為考察指標，采用先固定其中3個工作參數(shù)，讓另一個工作參數(shù)變化的試驗方法，并取相應的4組參數(shù)值進行試驗并收集試驗數(shù)據(jù)。在綜合文獻研究資料［4－6］的基礎上，根據(jù)試驗評價指標的要求，選取的試驗因素及變化范圍分別為輥間壓力4.0～7.0kg／cm，進機流量135～180kg／（cm·h），快輥線速12.5～20.0m／s，線速差2.3～3.5m／s。

（1）固定進機流量165kg／（cm·h），線速差2.7m／s，快輥線速17.0m／s，輥間壓力分別取4，5，6，7kg／cm，測試輥間壓力對礱谷產(chǎn)量的影響。

（2）固定輥間壓力6kg／（cm·h），快輥線速17.0m／s，線 速 差 2.7m／s，進 機 流 量 分 別 取 135，150，165，180kg／（cm·h），測試進機流量對礱谷產(chǎn)量的影響。

（3）固定輥間壓力6kg／（cm·h），線速差2.7m／s，進機流量165kg／（cm·h），快輥線速分別取12.5，15.0，17.5，20.0m／s，測試快輥線速對礱谷產(chǎn)量的影響。

（4）固定輥間壓力6kg／（cm·h），快輥線速17.0m／s，進機流量165kg／（cm·h），線速差分別取2.3，2.7，3.1，3.5m／s，測試線速差對礱谷產(chǎn)量的影響。

1.2.2 Box－Behnken試驗設計 根據(jù)單因素試驗的結果與分析，在只考慮提高稻谷加工產(chǎn)量的前題下，以礱谷產(chǎn)量指標為響應值，按照Box－Behnken試驗設計原理進行試驗。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 單因素試驗結果 由表1可知，礱谷產(chǎn)量隨輥間壓力的增加而呈上升的變化趨勢，但增加的幅度逐漸變緩；隨著進機流量的增大，基本呈線性變化的趨勢，說明增加流量可以達到提高礱谷產(chǎn)量的效果；隨快輥線速的增大，也呈增加變化的趨勢，但增加的幅度明顯減小了。隨著線速差的變化，呈現(xiàn)出有增也有減的變化趨勢，并不具有明顯的規(guī)律性。

表1 單因素試驗結果Table 1 Single factor experimentresult

2.1.2 相關性分析 根據(jù)表1作礱谷產(chǎn)量與參數(shù)之間的相關性分析，可知礱谷產(chǎn)量與輥間壓力、進機流量、快輥線速、線速差都呈正相關的關系，且產(chǎn)量與流量的相關性高度顯著；而與快輥線速的相關性為顯著，結果見表2。

表2 礱谷產(chǎn)量與工作參數(shù)的相關性表?Table 2 Table of correlation between husker capacity and working parameters

2.2 Box－Behnken試驗設計與分析

2.2.1 因素水平的確定 依據(jù)單因素試驗的結果，選取工作參數(shù)中的輥間壓力6kg／cm、進機流量165kg／（cm·h）、快輥線速17.5m／s及線速差3.1m／s為中心點，采用Box－Behnken中心組合試驗設計方法進行響應面優(yōu)化分析［7］，其試驗因素與水平見表3。

2.2.2 Box－Behnken試驗結果 按照Box－Behnken試驗設計原理進行試驗，結果見表4。

表3 Box－Behnken試驗因素水平編碼Table 3 Box－Behnken level coding test factors

2.2.3 模型建立與檢驗 利用Design Expert軟件對表4中的試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，經(jīng)方差分析，在剔除不顯著的因素后，得到以礱谷產(chǎn)量Y為目標函數(shù)，以工作參數(shù)輥間壓力（X1）、進機流量（X2）、快輥線速（X3）、線速差（X4）為自變量的二次回歸方程模型：

由回歸系數(shù)的顯著性檢驗知（見表5），模型的一次與二次項均極為顯著，說明礱谷產(chǎn)量與各參數(shù)之間的關系并非簡單線性關系，且X1X4、X3X4的交互作用高度顯著，X1與X3的交互作用顯著，通過直接比較一次項F值的大小判斷因素影響的主次順序，對礱谷產(chǎn)量的影響從大到小依次為X1（進機流量）＞X2（輥間壓力）＞X3（線速差）＞X4（快輥線速）。由方差分析表6可知，二次回歸方程模型的P值＜0.000 1，失擬項的P值＝0.063 8＞0.05，相關系數(shù)R2＝0.990 6，校正系數(shù)R2Adj＝0.981 1。綜合這些信息可知：二次回歸模型的效果高度顯著，且失擬不顯著，表明礱谷產(chǎn)量對各因素的回歸模擬是合適的，模型的擬合優(yōu)度好，實測值與理論上的預測值之間具有良好的相關性，且98%以上的響應值變化可由參數(shù)輥間壓力、進機流量、快輥線速及線速差等因素來解釋，而其它因素對試驗結果的干擾較小。所以模型具有較高可靠性，可以用來在實際中預測礱谷產(chǎn)量，反映其與膠輥礱谷機各工作參數(shù)之間的變化規(guī)律［8，9］

表4 Box－Behnken試驗設計與結果Table 4 Experimental design and results of Box－Behnken test

表5 回歸系數(shù)的顯著性檢驗Table 5 Significance test of regression coefficient

表6 回歸模型方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

2.3 模型的優(yōu)化分析

2.3.1 響應面分析 由表5可知，在各因素的兩兩交互作用中，輥間壓力、快輥線速與線速差之間的交互作用極顯著，輥間壓力與快輥線速之間的交互作用呈顯著狀態(tài)，而其余因素之間均不存在交互作用。為解析交互項的影響，由二次回歸方程作響應曲面圖（圖1～3），所有響應面均為開口向下的凸曲面，它直觀地反映了無論各因素如何變化，必定存在最佳的礱谷產(chǎn)量值。

由圖1可知，輥間壓力對礱谷產(chǎn)量的影響要比快輥線速大，當輥間壓力在6.0～6.5kg／cm、快輥線速在17～18m／s之間時，所得響應值礱谷產(chǎn)量較大。

由圖2可知，輥間壓力的影響大于線速差，且輥間壓力在6.0～6.5kg／cm、線速差在3.1m／s附近時，其響應值較大。究其原因是稻谷在脫殼過程中，主要是借助于兩平行膠輥相向異速旋轉運動，使稻谷受到輥間的擠壓力和摩擦力所產(chǎn)生的搓撕作用，導致稻殼破裂，從而實現(xiàn)谷糙分離的目的。因此，如果輥間壓力過低，則達不到脫殼的效果。過高，又會導致破碎率、爆腰率的增加，故而影響到產(chǎn)品的質量。所以，輥間壓力需在一個適當?shù)姆秶鷥取?/p>

圖1 輥間壓力和快輥線速對產(chǎn)量影響的響應曲面Figure 1 Response surface of the influence of contact pressure between rolls and fast roll linear speed on husker capacity

圖2 輥間壓力和線速差對產(chǎn)量影響的響應曲面Figure 2 Response surface of the influence of contact pressure between rolls and linear speed difference on husker capacity

圖3 快輥線速和線速差對產(chǎn)量影響的響應曲面Figure 3 Response surface of the influence of fast roll linear speed and linear speed difference on husker capacity

由圖3可知，線速差對礱谷產(chǎn)量的影響要高于快輥線速，當線速差與快輥線速分別在2.9～3.3m／s和17～18m／s之間時，響應值達到較高的狀態(tài)，主要原因在于線速差是產(chǎn)生搓撕作用的必備條件，過高或過低都不利于礱谷產(chǎn)量的提高［10，11］。

2.3.2 模型尋優(yōu)與驗證 為尋找提高礱谷產(chǎn)量的最優(yōu)工作參數(shù)組合條件，將式（1）分別對各自變量求偏導數(shù)，并令：

解線性方程組：

可得多元函數(shù)取得極值的駐點，即：

此即為礱谷產(chǎn)量達到最優(yōu)狀態(tài)時的工作參數(shù)組合條件。在此條件下，理論上的最優(yōu)礱谷產(chǎn)量的預測值可達到151.9kg／（cm·h）。

為驗證響應面優(yōu)化的結果，取最優(yōu)條件下的工作參數(shù)組合條件，進行了3次平行驗證性實驗，得礱谷產(chǎn)量的平均值為150.8kg／（cm·h），其驗證實測值與模型理論預測值相比，相對誤差為0.75%，且重復性好。由此可見，采用響應面法優(yōu)化所確定的膠輥礱谷機最佳工作參數(shù)組合是可行的，所得二次回歸模型具有比較穩(wěn)定的可靠性及實際應用價值［12，13］。

3 結論

（1）Box－Behnken試驗設計響應面優(yōu)化分析表明：在稻谷加工過程中，膠輥礱谷機的工作參數(shù)輥間壓力、進機流量、快輥線速、線速差等因素均是影響礱谷產(chǎn)量的重要因素，且進機流量是影響礱谷產(chǎn)量最主要的因素，其次是輥間壓力、線速差，而快輥線速的影響最小。

（2）膠輥礱谷機最優(yōu)的工作參數(shù)組合條件為輥間壓力6.18kg／cm、進 機 流 量 173.9kg／（cm·h）、快 輥 線 速17.0m／s、線速差3.06m／s，此時，理論上的礱谷產(chǎn)量可達151.9kg／（cm·h），投入產(chǎn)出率可達87%。

綜上所述，從提高礱谷產(chǎn)量角度來說，在膠輥礱谷機的設計和實際應用中，應科學合理的把握工作參數(shù)的選取，立足于高流量以及適度壓力和線速的思想，不斷改進和創(chuàng)新礱谷設備的進料系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)代機電一體化自動控制技術，提升對輥壓、流量、線速與速差等的智能化控制，對于提高膠輥礱谷機的設計水平，提升稻谷加工產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，獲得最佳的工藝效果及良好經(jīng)濟效益是十分必要的。當然，高產(chǎn)量并不意味著稻谷加工的高質量，在提高礱谷產(chǎn)量的同時又能確保破碎率、爆腰率及膠耗等工藝效果指標的降低，就更具意義，對此還有待進一步的試驗與探討研究［14，15］。

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