閆 　茹，趙奎鵬，鄭甲紅，王亞妮，徐童非

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安　710021；2.陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，陜西 咸陽　712000)

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擠壓式核桃破殼機(jī)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

閆 茹1，趙奎鵬1，鄭甲紅1，王亞妮2，徐童非1

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710021；2.陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，陜西 咸陽712000)

摘要：為了得到擠壓式核桃破殼機(jī)的最佳工作參數(shù)，對破殼機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。選擇對核桃破殼影響較大的含水率、彈簧剛度、擠壓行程3個(gè)因素進(jìn)行了單因素破殼試驗(yàn)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了3因素3水平的響應(yīng)面Box-Behnken破殼試驗(yàn)，分析了因素間的交互作用，建立了回歸方程,并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明：影響破殼效果的因素主次順序?yàn)楹?、彈簧剛度、擠壓行程，含水率分別和彈簧剛度、擠壓行程有交互作用；最佳工作參數(shù)為含水率21%、彈簧剛度15.3N/mm、擠壓行程10mm。試驗(yàn)采用陜南商洛核桃，彌補(bǔ)了陜南核桃相關(guān)參數(shù)的空白，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：核桃；破殼；單因素試驗(yàn)；響應(yīng)面試驗(yàn)

0引言

隨著核桃的營養(yǎng)價(jià)值被人們認(rèn)知，核桃及其深加工產(chǎn)品的需求日益增加，如核桃油、核桃粉、核桃糖等，都是進(jìn)行核桃深加工的產(chǎn)品。無論何種形式的核桃深加工，破殼都是首要的工序。核桃作為生物產(chǎn)品，品種繁雜、尺寸形狀差異大、殼仁間隙厚度不同，導(dǎo)致核桃的破殼難度較大，目前仍沒有成熟的核桃破殼機(jī)械，很多地方仍采用人工砸取的方式，效率極為低下[1-8]。因此，自制了擠壓式核桃破殼機(jī)，并進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)研究，為核桃破殼提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。本核桃破殼機(jī)適用于任何大小的核桃破殼，不需要破殼前的分級工作。

1工作原理與參數(shù)分析

1.1試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

擠壓式核桃破殼機(jī)由擠壓板、擠壓裝置、進(jìn)料口、上蓋、端蓋、滾子、下蓋及機(jī)架等部分組成，如圖1所示。其長度約400mm，寬度約為200mm，高度約500mm。該機(jī)體積小，易搬運(yùn)。

工作時(shí)，將核桃從進(jìn)料口處送進(jìn)機(jī)器，核桃掉進(jìn)滾子上的凹槽里，隨著滾子的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，核桃慢慢與擠壓板接觸；擠壓板上安裝有可調(diào)彈簧提供擠壓力，核桃在滾子的凹槽內(nèi)與擠壓板進(jìn)行擠壓破殼，破殼后的核桃從下蓋的出料口流出。該機(jī)設(shè)計(jì)簡單，操作方便，破殼效果較好。

1.擠壓裝置　2.擠壓板　3.軸　4.進(jìn)料口

1.2工作參數(shù)分析

擠壓式核桃破殼機(jī)的擠壓力由擠壓裝置的可調(diào)彈簧提供?？烧{(diào)彈簧可以調(diào)節(jié)彈簧的剛度和彈簧擠壓力，亦可調(diào)擠壓行程，能夠滿足多品種核桃的破殼需要。同時(shí)，核桃本身的含水率也對核桃破殼效果影響較大。因此，彈簧剛度、擠壓行程及核桃含水率3個(gè)因素間的參數(shù)匹配非常重要，是影響核桃破殼的關(guān)鍵因素。

2試驗(yàn)材料與方法

2.1試驗(yàn)設(shè)備及材料

采用陜南商洛核桃(購于西安市徐家灣農(nóng)貿(mào)市場)作為本研究的試驗(yàn)材料。目前，已經(jīng)有很多關(guān)于新疆核桃的試驗(yàn)研究，然而對陜南核桃很少涉及[9-11]。因此，選用陜南商洛核桃作為試驗(yàn)材料，以提供陜南商洛核桃的相關(guān)數(shù)據(jù)，為后期陜南核桃破殼研究提供相關(guān)依據(jù)。

該試驗(yàn)所使用的設(shè)備包括擠壓式核桃破殼機(jī)(自制)、紅外線快速水分測試儀(SFY-60型)、電子天平(JM2.2)及電子卡尺(精度0.01mm)等。

2.2試驗(yàn)指標(biāo)

采用加權(quán)評分法將破殼率、高路仁率、整仁率進(jìn)行綜合相加，得出綜合評價(jià)值Q作為試驗(yàn)指標(biāo)。破殼率為完全被擠壓破殼核桃的總數(shù)所占總核桃個(gè)數(shù)比例。高路仁率為1/4仁及以上的核桃仁質(zhì)量所占的總質(zhì)量的比重。整仁率為完整的核桃仁質(zhì)量所占總核桃仁質(zhì)量的比重。

破殼率、高路仁率和整仁率的取值范圍都為0～1，所以核桃評價(jià)指標(biāo)Q的取值范圍為0～3。三者越大，則Q就越大，核桃的破殼狀況就越好。同時(shí)，Q考慮到了核桃破殼情況、高路仁情況及整仁情況。所以，將總值Q作為評價(jià)指標(biāo)。

2.3試驗(yàn)核桃預(yù)處理

本試驗(yàn)所用核桃的尺寸大小為33～38mm。室溫下，將核桃放入冷水中進(jìn)行浸泡，分別浸泡8、24、36h左右，使核桃含水率分別達(dá)到7%、16%、23%、30%、37%左右；然后，核桃分組，每組20個(gè)核桃為一組進(jìn)行破殼試驗(yàn)。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1單因素試驗(yàn)

3.1.1含水率單因素試驗(yàn)

當(dāng)彈簧剛度為13.1N/mm、擠壓行程為15mm時(shí)，取選取含水率為7%、16%、23%、30%、37%的核桃在自制的擠壓式核桃破殼機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，以期得到含水率因素對核桃破殼的影響。破殼效果如圖2所示。

由圖2可知：隨著含水率的增大，破殼效果先增后降，當(dāng)含水率為23%時(shí)，破殼效果最好。

3.1.2彈簧剛度單因素試驗(yàn)

當(dāng)核桃含水率為15%、擠壓行程為15mm時(shí)，選取9.1、11.2、13.1、15.5、17.6N/mm這5個(gè)彈簧剛度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖2　含水率對核桃破殼總值影響圖

圖3　彈簧剛度對核桃破殼總值影響圖

由圖3可以看出：當(dāng)彈簧剛度小于等于15.5N/mm時(shí)，破殼效果越來越好；當(dāng)彈簧剛度大于15.5N/mm時(shí)，破殼效果反而變差；當(dāng)彈簧剛度為15.5N/mm時(shí)，效果最好。

3.1.3擠壓行程單因素試驗(yàn)

當(dāng)彈簧剛度為13.1N/mm、含水率為15%時(shí)，選用擠壓行程為4、7、10、13、16mm進(jìn)行擠壓行程因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：破殼效果隨著擠壓行程的增加，先增加后減??；當(dāng)擠壓行程為10mm時(shí)，破殼效果最佳。

圖4　含水率對核桃破殼總值影響圖

3.2響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)Design-Expert軟件中的BOX-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)[12-15]，選取含水率、彈簧剛度、擠壓行程3個(gè)影響破殼的關(guān)鍵因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。3個(gè)因素分別用A、B、C表示。其因素水平表如表1所示。

表1　因素水平表

3.2.1Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

設(shè)計(jì)3因素3水平共15個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)[16-17]的響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.2.2模型適用性分析

模型適用程度可以由模型的P值、失擬項(xiàng)P值、判定系數(shù)R2來判斷[18]。其中，模型P值<0.05表示其模型顯著；失擬項(xiàng)P值>0.05表示其模型的失擬度較小、模型準(zhǔn)確。判定系數(shù)R2越大，表示模型符合度越高。由表3中各個(gè)模型參數(shù)可知：二次方模型的模型P值為0.011 1<0.5、失擬項(xiàng)P值為0.899 6>0.05、判定系數(shù)R2為0.802 8。其他模型不符合條件，所以選擇二次方模型最適合作為本試驗(yàn)的模型。

表2　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3.2.3回歸模型及方差分析

通過Design-Expert軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程為

Q=2.18-0.11·A-0.039·B-0.011·C-

0.11·A·B-0.18·A2-0.075·B2-0.14·C2

模型參數(shù)及方差分析結(jié)果如表3、表4所示。

表3　模型參數(shù)

續(xù)表3

表4　方差分析及顯著性檢驗(yàn)

P值<0.05為顯著，用*表示；P值<0.01為極顯著，用**表示。

3.2.4多因素分析

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果得到響應(yīng)曲面和等高線圖，圖5～圖7為各個(gè)因素共同對破殼效果的影響。

圖5　含水率、彈簧剛度對破殼效果總值影響的相應(yīng)曲面(a)和等高線(b)

由圖5(a)可以看出:當(dāng)擠壓行程C因素為0水平時(shí)，破殼總值隨著含水率A、彈簧剛度B兩個(gè)因素的增大而先增大;當(dāng)達(dá)到峰值后，略微有些下降。由圖5(b)可以看出：含水率A、彈簧剛度B兩個(gè)因素之間有明顯的交互作用。

由圖6(a)可知：當(dāng)彈簧剛度B因素處于0水平時(shí)，破殼總值在一定范圍內(nèi)隨著含水率A、擠壓行程C兩個(gè)因素的增大而增大；達(dá)到極值之后，隨著含水率A、擠壓行程C的增大而變小。由圖6(b)可知：含水率A、擠壓行程C兩個(gè)因素之間也有一定的交互作用。

通過圖7(a)可以看出：保持含水率A因素在0水平，破殼總值在一定范圍內(nèi)隨著彈簧剛度B、擠壓行程C兩個(gè)因素的增大而先增大后減小，峰值基本位于兩因素取值范圍的中間。由圖7(b)可知：彈簧剛度B、擠壓行程C兩個(gè)因素之間沒有交互作用。

圖6　含水率、擠壓行程對破殼效果總值影響的相應(yīng)曲面(a)和等高線(b)

圖7　彈簧剛度、擠壓行程對破殼效果總值影響的相應(yīng)曲面(a)和等高線(b)

3.2.5驗(yàn)證試驗(yàn)

利用Design-Expert軟件，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到最優(yōu)條件為含水率為20.92%、彈簧剛度為15.3N/mm、擠壓行程為9.88mm，其結(jié)果為2.197。根據(jù)最優(yōu)工作參數(shù)[19]，考慮到可操作性原則進(jìn)行了三組驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表5。

表5　驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果平均值為2.14，相對誤差為1.9%，充分驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。考慮到操作簡單原則，最優(yōu)參數(shù)為含水率21%、彈簧剛度15.3N/mm、擠壓行程10mm。

4結(jié)論

1)由單因素試驗(yàn)可得到含水率、彈簧剛度、擠壓行程和核桃破殼效果總值有明顯的二次非線性關(guān)系。從響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果可得影響破殼效果的因素主次順序?yàn)椋汉?彈簧剛度>擠壓行程。

2)響應(yīng)面試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)表明：最優(yōu)工作參數(shù)為含水率21%、彈簧剛度15.3N/mm、擠壓行程10mm。

3)本試驗(yàn)研究只對陜南商洛核桃進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對于其他品種的核桃破殼情況還需進(jìn)一步試驗(yàn)。

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The Experimental Study on Walnut Shell Breaking Machine With Extrusion Based on Response Surface Methodology

Yan Ru1, Zhao Kuipeng1, Zheng Jiahong1, Wang Yani2, Xu Tongfei1

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China ; 2.Shaanxi Institution of Agricultural Mechanism,Xianyang 712000，China)

Abstract：In order to get the best working parameters of extrusion type walnut shell breaking machine.have studied on the machine based on experiments. Chosen moisture content、spring stiffness、squeeze length as the key factors to have single factor tests.And on this basis.had a response surface Box-Behnken experiment with three factors and three levels.Analyzed the interaction between every factors.and established the regression equation.Had validation test as well. The result shows that the primary and second order of the influencing factors is moisture content,spring stiffness,squeeze length.Moisture content have interaction with spring stiffness、squeeze length, respectively. the best working parameters is moisture content 21%,spring stiffness 15.3N/mm,squeeze length 10mm.This experiment adopted the Shangluo walnut in southern Shaanxi.This experiment fills in the blank of the related walnuts parameters. At the same time,the experiment data provides the basis for the design and optimization of walnut shell breaking.

Key words：walnut; shell breaking; single factor tests; response surface tests

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0219-06

中圖分類號(hào)：S226.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：閆茹(1980-),女，西安人，副教授，碩士，(E-mail)24873693@qq.com。通訊作者：趙奎鵬(1990-)，男，山東夏津人，碩士研究生，(E-mail)1149248926@qq.com。

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013JK1041)

收稿日期：2015-05-04