趙奎鵬，鄭甲紅，王亞妮，閆　茹，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)的正交試驗(yàn)研究

趙奎鵬1，鄭甲紅1，王亞妮2，閆茹1，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：為了研究自制擠壓式核桃破殼機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)，選用含水率、彈簧剛度、擠壓行程3個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，并且進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。通過試驗(yàn)，確定了擠壓式核桃破殼機(jī)的最佳工作條件為含水率23%、彈簧剛度13.1N/mm、擠壓行程10mm，在最優(yōu)條件下的驗(yàn)證結(jié)果綜合評價(jià)值為2.73左右。

關(guān)鍵詞：核桃；破殼機(jī)；擠壓式；正交試驗(yàn)

0引言

核桃又稱胡桃，有抗氧化之“王”的稱號，與扁桃、腰果、榛子并稱為世界著名的“四大干果”。其既可以生食、炒食，又可以榨油、配制糕點(diǎn)、糖果等，不僅味美，而且營養(yǎng)價(jià)值很高，被譽(yù)為“萬歲子”“長壽果”。常食用核桃有補(bǔ)腦、美容、治療膽石癥、神經(jīng)衰落的功效。近年來，我國核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)量更是大幅提高。 我國的核桃仁品質(zhì)好，在國際上聲譽(yù)很高，出口量約占世界核桃市場的40%～50%；但出口的核桃?guī)缀醵家栽闲问?，造成核桃的附加值低。核桃深加工初期就是核桃破殼，其取仁工藝?yán)重制約著核桃繼續(xù)深加工及核桃在種植產(chǎn)區(qū)的加工轉(zhuǎn)化，是一項(xiàng)必須要解決的技術(shù)瓶頸。目前，核桃破殼取仁主要由人工完成，生產(chǎn)率低、成本高、勞動量大、衛(wèi)生條件差。同時(shí)，由于敲擊的力度不易控制，破殼時(shí)核桃仁破碎率高，降低了核桃的市場附加值。

我國的核桃破殼機(jī)械也有所發(fā)展，但還處于初步發(fā)展階段，幾乎都存在各種各樣的不足之處，如破殼不干凈、破殼率低、核桃仁破碎及高路仁率低，主要表現(xiàn)在破殼率和高路仁率不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化加工、解放生產(chǎn)力、提高效率、提高核桃加工品質(zhì)及出口率是非常值得關(guān)注的問題。核桃機(jī)械破殼為核桃的深加工奠定了基礎(chǔ)，有利于提高核桃附加值。

針對上述問題，筆者設(shè)計(jì)制造了擠壓式核桃破殼機(jī)，并且進(jìn)行了試驗(yàn)研究。同時(shí)，選取含水率、彈簧剛度、擠壓行程3個(gè)關(guān)鍵因素[1-5]進(jìn)行正交試驗(yàn)，以得到核桃破殼的最好工作參數(shù)，為核桃破殼提供相關(guān)數(shù)據(jù)理論。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備及材料

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。

擠壓式核桃破殼機(jī)主要包括擠壓裝置、機(jī)架、進(jìn)料口及滾子等裝置，如圖1所示。工作時(shí)，核桃通過進(jìn)料口落到滾子的凹槽里，隨著滾子的轉(zhuǎn)動，擠壓板對核桃進(jìn)行擠壓破殼；核桃破殼擠壓行程和擠壓彈簧剛度通過擠壓裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)；破殼后的核桃在擠壓式破殼機(jī)的下蓋中間落下，完成破殼。

目前，很多相關(guān)核桃破殼方面的論文表明：其中的試驗(yàn)大都采用的新疆核桃進(jìn)行研究，對陜南核桃涉及很少。為此，選用陜南商洛核桃作為試驗(yàn)材料(購于西安市河址西農(nóng)貿(mào)市場)。

1.2試驗(yàn)指標(biāo)

采用加權(quán)評分法將3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合計(jì)算，得出綜合評價(jià)值Q作為試驗(yàn)指標(biāo)。3個(gè)指標(biāo)分別為：一是破殼率，指核桃大部分、完全被擠壓破殼總數(shù)所占總核桃個(gè)數(shù)比例，用P表示；二是高路仁率，指1/8仁及以上的核桃仁質(zhì)量所占的總質(zhì)量的比重，用G表示；三是整仁率，指完整的核桃仁質(zhì)量所占總核桃仁質(zhì)量的比重，用Z表示。公式為

式中KP—每組試驗(yàn)中的大部分及完全被擠壓破殼的核桃個(gè)數(shù)；

KZ—每組試驗(yàn)中核桃總數(shù)；

Rg—每組試驗(yàn)中所得到的1/8仁及以上的核桃仁質(zhì)量；

Rz—每組試驗(yàn)中所得到核桃仁的總質(zhì)量；

Zg—每組試驗(yàn)中所得到完整的核桃仁質(zhì)量；

Q—核桃評價(jià)指標(biāo)。

破殼率P、高路仁率G、整仁率Z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。P、G、Z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Q作為評價(jià)指標(biāo)。

1.擠壓裝置　2.擠壓板　3.軸　4.進(jìn)料口

1.3試驗(yàn)方法

陜南商洛核桃的長徑、短徑和棱長比較接近，圓度較高接近于圓形。由于核桃的尺寸差別較大，選擇了長徑尺寸范圍為34～37mm的陜南商洛核桃。

首先，對核桃的物理特性參數(shù)進(jìn)行測量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步破殼提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

其次，對核桃進(jìn)行不同彈簧剛度的單因素試驗(yàn)，以確定彈簧剛度對破殼的影響，為進(jìn)一步正交試驗(yàn)的變量選取提供了試驗(yàn)依據(jù)。

最后，對核桃進(jìn)行浸泡，使其達(dá)到規(guī)定的含水率。在相應(yīng)的含水率下，進(jìn)行不同擠壓行程、彈簧剛度的核桃破殼的正交試驗(yàn)。不考慮交互作用，研究各個(gè)因素和破殼效果之間的關(guān)系，并優(yōu)選出最佳工作參數(shù)。

以綜合評價(jià)值Q為試驗(yàn)指標(biāo)，考慮到含水率、彈簧剛度、擠壓行程等因素對破殼效果影響較大，所以選擇這3個(gè)因素進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)共需要進(jìn)行9組試驗(yàn)，每組選用20個(gè)核桃進(jìn)行破殼試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平表如表1所示。

表1　試驗(yàn)因素水平表

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1核桃物理特性參數(shù)

本試驗(yàn)采用尺寸大小范圍為34～37mm的陜南商洛核桃，隨機(jī)取150顆核桃進(jìn)行殼厚、間隙的測量。

核桃殼的厚度范圍為1.31～2.48mm，其極差為1.17mm。其中，厚度在1.4～1.8mm之間的核桃占86.1%，厚度在1.3～2.2mm之間的核桃占93.3%，厚度在1.31～2.4mm之間的核桃占97.1%。

核桃殼仁間隙范圍為0.5～1.98mm，極差為1.48mm。其中，間隙在1.02～1.62mm范圍內(nèi)的核桃占62.85%，間隙在0.7～1.8mm范圍內(nèi)的核桃占81.32%，間隙在0.5～1.90mm范圍內(nèi)核桃占96.53%。具體的核桃物理參數(shù)如表2所示。

表2　物理特性參數(shù)表

2.2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)，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：彈簧剛度小于等于15.5N/mm時(shí)，破殼效果越來越好；彈簧剛度大于15.5N/mm時(shí)，破殼效果反而變差；彈簧剛度為15.5N/mm時(shí)，效果最好。

彈簧剛度太小時(shí)，核桃破殼不完全，甚至核桃殼只出現(xiàn)裂縫而未打開，整仁率相應(yīng)也會受到影響，核桃效果不好；彈簧剛度太大時(shí)，核桃殼和核桃仁都被擠壓破碎，核桃破殼效果也會降低。

根據(jù)剛度試驗(yàn)，本文選取了彈簧剛度為13.1、15.5、17.6N/mm等3個(gè)量值，進(jìn)一步進(jìn)行正交試驗(yàn)。

圖2　彈簧剛度對核桃破殼總值影響圖

2.3正交試驗(yàn)

根據(jù)核桃物理參數(shù)試驗(yàn)和彈簧剛度單因素試驗(yàn)的結(jié)果設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，選用含水率、彈簧剛度、擠壓行程為試驗(yàn)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3的直觀分析可以看出：影響破殼效果Q的因素主次順序?yàn)锳含水率因素、C擠壓行程因素、B彈簧剛度因素。同樣，彈簧剛度單因素試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證：不同彈簧剛度破殼效果破殼效果差別并不大，所以彈簧剛度影響率最小。在Kij值中，K13、K21、K32的值相對最大，所以破殼效果最好的條件為A3B1C2。

表3　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.3.1方差分析

本試驗(yàn)為3因素3水平的正交試驗(yàn)，不考慮交互作用，經(jīng)過分析得出如表4所示的結(jié)果。

表4　 方差分析表

續(xù)表4

選取a=0.05，#表示不顯著，**表示顯著。

由表4方差分析[6-8]可知：A含水率因素對核桃破殼影響很顯著，B彈簧剛度因素、C擠壓行程因素對核桃破殼的影響顯著性不高。

2.3.2效應(yīng)曲線圖

因素效應(yīng)曲線圖如圖3所示。由圖3可以看出：破殼效果隨著A含水率因素增大不斷變好，當(dāng)含水率為23%時(shí)，核桃破殼效果最好；核桃破殼效果隨著B彈簧剛度因素、C擠壓行程因素的變化基本變化不大。由圖3無法得知當(dāng)含水率更高時(shí)其破殼效果如何。本文在驗(yàn)證試驗(yàn)中進(jìn)一步進(jìn)行了試驗(yàn)。

2.4驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)所得的最好的因素條件為A3B1C2，即含水率23%、彈簧剛度13.1N/mm、擠壓行程10mm。因此，進(jìn)行了3組最優(yōu)條件驗(yàn)證試驗(yàn)和3組含水率驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖3　因素效應(yīng)曲線圖

組數(shù)含水率A/%彈簧剛度B/N·mm-1擠壓行程C/mm破殼率/%高路仁率/%整仁率/%總值1002313.11010098.2674.632.728922313.11010096.4976.422.729132313.11010099.0370.872.699042713.1102084.3239.861.441853113.1102078.435.801.342063513.110089.0341.981.3101

由表5和表3正交試驗(yàn)的結(jié)果可知:兩者結(jié)果基本一致,即含水率23%、彈簧剛度13.1N/mm、擠壓行程10mm可以作為最佳的工作參數(shù)；隨著含水率增加，破殼效果并沒有變好，反而變差；在含水率為23%時(shí)，破殼效果相對較好。

3結(jié)論

1)采用擠壓式核桃破殼機(jī)進(jìn)行核桃破殼，提高了破殼率和整仁率，破殼性能較好。

2)本試驗(yàn)首次使用了陜南商洛核桃進(jìn)行試驗(yàn)，且對核桃的物理參數(shù)進(jìn)行了測量，其殼厚約1.65mm，間隙約1.25mm。

3)由彈簧剛度單因素試驗(yàn)可知：當(dāng)彈簧剛度為15.5N/mm時(shí)，核桃破殼相對較好，但效果差別不太明顯。

4)根據(jù)正交試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，確定了影響破殼性能的因素主次順序和擠壓式核桃破殼機(jī)的最佳工作參數(shù)為含水率23%、擠壓行程10mm、彈簧剛度13.1N/mm。試驗(yàn)結(jié)果表明：高路仁率約為97%，整仁率達(dá)76%左右。

5)試驗(yàn)只是針對陜南商洛核桃品種進(jìn)行的試驗(yàn)，對于其他品種核桃還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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Orthogonal Experiment Study of Walnut Shell Breaking Machine with Extrusion

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

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

Abstract：In order to research the best working parameters of walnut shell breaking machine with extrusion.Choosing the moisture content、spring stiffness、squeeze length to have an orthogonal test,then do an validation experiment.Determined the best working parameters for the walnut shell breaking machine with extrusion:the moisture content 23%、spring stiffness 13.1N/mm、squeeze length 10mm.With the best parameters we have tests,and the comprehensive value evaluation result is around 2.73.

Key words：walnut; shell breaking machine; extrusion type; the orthogonal test

文章編號：1003-188X(2016)02-0153-05

中圖分類號：S226.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：趙奎鵬(1990-)，男，山東夏津人，碩士研究生，(E-mail)1149248926@qq.com。通訊作者：鄭甲紅(1963-)，男，陜西武功人，教授。

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(14JF003)；陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013JK1041)

收稿日期：2015-02-02