伍 毅 阮競蘭 伍維維 阮少蘭

（1.河南工業(yè)大學(xué)，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(zhì)特性與質(zhì)量特性，更取決于礱谷機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的技術(shù)參數(shù)選取、設(shè)備制造加工時(shí)的質(zhì)量，以及工藝效果評價(jià)指標(biāo)的要求等因素。膠輥礱谷機(jī)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(jié)合生產(chǎn)實(shí)際定性的分析了礱谷機(jī)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(jī)工藝效果的影響；顧堯臣［3，4］從理論上探討了膠輥礱谷機(jī)主要工作參數(shù)與主要工藝效果之間的關(guān)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(jī)性能參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化與分析，得出了使礱谷工藝效果達(dá)到最優(yōu)時(shí)的工作參數(shù)組合條件；文獻(xiàn)［6］和［7］作者通過正交試驗(yàn)方法探討了輥間壓力、進(jìn)機(jī)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(jià)指標(biāo)的影響。上述文獻(xiàn)均從不同的角度，就礱谷產(chǎn)量與膠輥礱谷機(jī)主要工作參數(shù)的配置進(jìn)行了優(yōu)化分析，其研究成果在理論和實(shí)踐中具有一定的指導(dǎo)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(xué)模型。本試驗(yàn)借助于響應(yīng)面分析的方法，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，探討膠輥礱谷機(jī)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(jī)的進(jìn)一步研究、設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料與設(shè)備

原料：安陸中等早秈稻，水分含量13%左右。

膠輥礱谷機(jī)：MLGT36型，浙江耀江機(jī)械公司。技術(shù)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(yàn)方法

1.2.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 為探討膠輥礱谷機(jī)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(jìn)機(jī)流量、快輥線速及線速差進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)以礱谷產(chǎn)量為考察指標(biāo)，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(yàn)方法，并取相應(yīng)的4組參數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)并收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在綜合文獻(xiàn)研究資料［4－6］的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)的要求，選取的試驗(yàn)因素及變化范圍分別為輥間壓力4.0～7.0kg／cm，進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(jìn) 機(jī) 流 量 分 別 取 135，150，165，180kg／（cm·h），測試進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)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(biāo)為響應(yīng)值，按照Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 單因素試驗(yàn)結(jié)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(jìn)機(jī)流量的增大，基本呈線性變化的趨勢，說明增加流量可以達(dá)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(yàn)結(jié)果Table 1 Single factor experimentresult

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

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

2.2 Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

2.2.1 因素水平的確定 依據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選取工作參數(shù)中的輥間壓力6kg／cm、進(jìn)機(jī)流量165kg／（cm·h）、快輥線速17.5m／s及線速差3.1m／s為中心點(diǎn)，采用Box－Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析［7］，其試驗(yàn)因素與水平見表3。

2.2.2 Box－Behnken試驗(yàn)結(jié)果 按照Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

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

2.2.3 模型建立與檢驗(yàn) 利用Design Expert軟件對表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)函數(shù)，以工作參數(shù)輥間壓力（X1）、進(jìn)機(jī)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(yàn)知（見表5），模型的一次與二次項(xiàng)均極為顯著，說明礱谷產(chǎn)量與各參數(shù)之間的關(guān)系并非簡單線性關(guān)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(xiàng)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(jìn)機(jī)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(xiàng)的P值＝0.063 8＞0.05，相關(guān)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(shí)測值與理論上的預(yù)測值之間具有良好的相關(guān)性，且98%以上的響應(yīng)值變化可由參數(shù)輥間壓力、進(jìn)機(jī)流量、快輥線速及線速差等因素來解釋，而其它因素對試驗(yàn)結(jié)果的干擾較小。所以模型具有較高可靠性，可以用來在實(shí)際中預(yù)測礱谷產(chǎn)量，反映其與膠輥礱谷機(jī)各工作參數(shù)之間的變化規(guī)律［8，9］

表4 Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 4 Experimental design and results of Box－Behnken test

表5 回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)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(yīng)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(xiàng)的影響，由二次回歸方程作響應(yīng)曲面圖（圖1～3），所有響應(yīng)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(dāng)輥間壓力在6.0～6.5kg／cm、快輥線速在17～18m／s之間時(shí)，所得響應(yīng)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(shí)，其響應(yīng)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(zhuǎn)運(yùn)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(dǎo)致稻殼破裂，從而實(shí)現(xiàn)谷糙分離的目的。因此，如果輥間壓力過低，則達(dá)不到脫殼的效果。過高，又會導(dǎo)致破碎率、爆腰率的增加，故而影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。所以，輥間壓力需在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

圖1 輥間壓力和快輥線速對產(chǎn)量影響的響應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)線速差與快輥線速分別在2.9～3.3m／s和17～18m／s之間時(shí)，響應(yīng)值達(dá)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(yàn)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(dǎo)數(shù)，并令：

解線性方程組：

可得多元函數(shù)取得極值的駐點(diǎn)，即：

此即為礱谷產(chǎn)量達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時(shí)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(yù)測值可達(dá)到151.9kg／（cm·h）。

為驗(yàn)證響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果，取最優(yōu)條件下的工作參數(shù)組合條件，進(jìn)行了3次平行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，得礱谷產(chǎn)量的平均值為150.8kg／（cm·h），其驗(yàn)證實(shí)測值與模型理論預(yù)測值相比，相對誤差為0.75%，且重復(fù)性好。由此可見，采用響應(yīng)面法優(yōu)化所確定的膠輥礱谷機(jī)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值［12，13］。

3 結(jié)論

（1）Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化分析表明：在稻谷加工過程中，膠輥礱谷機(jī)的工作參數(shù)輥間壓力、進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)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(jī)最優(yōu)的工作參數(shù)組合條件為輥間壓力6.18kg／cm、進(jìn) 機(jī) 流 量 173.9kg／（cm·h）、快 輥 線 速17.0m／s、線速差3.06m／s，此時(shí)，理論上的礱谷產(chǎn)量可達(dá)151.9kg／（cm·h），投入產(chǎn)出率可達(dá)87%。

綜上所述，從提高礱谷產(chǎn)量角度來說，在膠輥礱谷機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)科學(xué)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(jìn)和創(chuàng)新礱谷設(shè)備的進(jìn)料系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)代機(jī)電一體化自動控制技術(shù)，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(jī)的設(shè)計(jì)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(jì)效益是十分必要的。當(dāng)然，高產(chǎn)量并不意味著稻谷加工的高質(zhì)量，在提高礱谷產(chǎn)量的同時(shí)又能確保破碎率、爆腰率及膠耗等工藝效果指標(biāo)的降低，就更具意義，對此還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)與探討研究［14，15］。

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