申海霞，張淑娟，劉德華，薛建新

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西　太谷030801）

核桃分級(jí)破殼機(jī)的試驗(yàn)分析與參數(shù)優(yōu)化

申海霞，*張淑娟，劉德華，薛建新

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

針對(duì)自行設(shè)計(jì)的核桃分級(jí)破殼機(jī)樣機(jī)采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)分析方法，對(duì)核桃破殼影響較大的因素，即分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速（X1）、破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速（X2），以及分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差（X3）進(jìn)行單因素破殼試驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面破殼試驗(yàn)，建立了各試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素間的回歸數(shù)學(xué)模型，并采用非線性回歸優(yōu)化方法，確定出該分級(jí)破殼機(jī)的最佳工作參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，影響破殼效果的主要因素是分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差，其次是分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速和破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速；預(yù)測(cè)出一次破殼率最大響應(yīng)面的最佳值為91.074 344，此時(shí)X1為50.418 416 r/min，X2為29.959 498 r/min，X3為4.999 116 mm；預(yù)測(cè)出高露仁率最大響應(yīng)面的最佳值為77.872 038，此時(shí)X1為42.797 068 r/min，X2為34.784 395 r/min，X3為4.502 268 mm。

分級(jí)破殼機(jī)；核桃；響應(yīng)面的試驗(yàn)分析方法；工作參數(shù)

0　引言

核桃，屬于胡桃科植物，又叫胡桃或姜桃，與扁桃、腰果、榛子并稱為世界“四大干果”[1-2]。核桃內(nèi)含有豐富的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、碳水化合物、礦物質(zhì)及維生素，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高，有著“養(yǎng)生之寶”和“長(zhǎng)壽果”的美稱，深受人們的喜愛(ài)[3-8]。

我國(guó)是繼美國(guó)之后的又一核桃生產(chǎn)大國(guó)，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于核桃破殼技術(shù)及設(shè)備的研究還處于起步階段，核桃生產(chǎn)加工的機(jī)械化程度不如歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家[9-11]。核桃破殼作為核桃精深加工的一項(xiàng)重要前處理工作，對(duì)于核桃的產(chǎn)品品質(zhì)有著非常大的影響。因此，對(duì)自行設(shè)計(jì)的核桃分級(jí)破殼機(jī)進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)研究，以一次破殼率和高露仁率為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)影響核桃破殼的因素進(jìn)行試驗(yàn)分析得到其優(yōu)化參數(shù)，旨在為核桃破殼提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料：選取山西省具有代表性的三類核桃（產(chǎn)量多、品種純正）進(jìn)行試驗(yàn)，分別是太谷縣的紙皮核桃（Z）、綿核桃（M）和汾陽(yáng)市的綿核桃（m）。

試驗(yàn)所用的設(shè)備包括核桃分級(jí)破殼機(jī)（團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)）；SZG441C型手持電子轉(zhuǎn)速表；萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)拉伸儀，新三四材料測(cè)試有限公司產(chǎn)品；游標(biāo)卡尺（精度為0.02 mm）。

核桃分級(jí)破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理見(jiàn)圖1。

圖1　核桃分級(jí)破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

由圖1可知，將核桃分級(jí)破殼機(jī)插上電源，待機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后再將核桃樣本放入上料裝置中，在絞龍的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中樣本運(yùn)送至分級(jí)裝置，在分級(jí)裝置中樣本會(huì)隨著分級(jí)絞龍向前運(yùn)動(dòng)，核桃會(huì)在自身重力作用下落入破殼裝置中，最后在動(dòng)刀和定刀的擠壓下實(shí)現(xiàn)破殼目標(biāo)，完成分級(jí)破殼作業(yè)的核桃樣本會(huì)隨著出料口滑出掉入收集裝置中，整個(gè)分級(jí)與破殼的作業(yè)過(guò)程結(jié)束。

1.2試驗(yàn)指標(biāo)

將一次破殼率和高露仁率2個(gè)指標(biāo)作為試驗(yàn)指標(biāo)。一次破殼率指核桃完全被擠壓破殼總數(shù)所占總核桃個(gè)數(shù)比例，高露仁率指1/4仁及以上的核桃仁質(zhì)量所占總質(zhì)量的比例。試驗(yàn)的目標(biāo)是一次破殼率和高露仁率的數(shù)值越高越好。

1.3試驗(yàn)方法

該設(shè)備設(shè)計(jì)出了全新的分級(jí)裝置和破殼裝置，破殼前不需要人工預(yù)先對(duì)樣本進(jìn)行分級(jí)，2個(gè)裝置配合可以實(shí)現(xiàn)外徑為20～60 mm的破殼目的，所以選擇了外徑為20～60 mm的山西省太谷縣和汾陽(yáng)市3個(gè)品種的核桃。

首先對(duì)3個(gè)品種的核桃進(jìn)行物理特性的試驗(yàn)研究，記錄相關(guān)參數(shù)，為該機(jī)的試驗(yàn)和優(yōu)化提供必要的基礎(chǔ)參數(shù)。

以一次破殼率和高露仁率作為試驗(yàn)指標(biāo)，分別研究分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速（X1）、破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速（X2），以及分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差（X3）3個(gè)因素對(duì)破殼效果的影響。

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上根據(jù)得到的試驗(yàn)結(jié)果，選分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速（X1）、破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速（X2），以及分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差（X3）做試驗(yàn)因素，并就3個(gè)因素試驗(yàn)做中心組合正交旋轉(zhuǎn)的響應(yīng)面設(shè)計(jì)，選一次破殼率（Y1）和高露仁率（Y2）做響應(yīng)變量，并測(cè)定每個(gè)處理上的響應(yīng)變量值。

因素?cái)?shù)為m=3，取零水平試驗(yàn)次數(shù)m0=4，查表得星號(hào)臂長(zhǎng)γ=1.414，其中分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速（X1）范圍為40～60 r/min，破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速（X2）范圍為20～40 r/min，以及分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差（X3）范圍為3～5 mm。對(duì)因素水平進(jìn)行編碼：規(guī)范變量Zj（j=1,2,3），因素的上下星號(hào)臂和零水平Zjγ，Z-jγ和Zj0。

零水平計(jì)算公式為：

因素的變化間距計(jì)算公式為：

上下水平計(jì)算公式為：

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平設(shè)計(jì)

2　結(jié)果和分析

2.1單因素試驗(yàn)

2.1.1分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速對(duì)核桃破殼率的影響

當(dāng)破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速為29.959 498 r/min、分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差為4.999 116 mm，和破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速為34.784 395 r/min、分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差為4.502 268 mm時(shí)，研究不同的分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速對(duì)核桃一次破殼率和高露仁率的影響。

分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速對(duì)核桃一次破殼率和高露仁率的影響見(jiàn)圖2。

由圖2可知，當(dāng)分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速為50.418 416 r/min時(shí)，一次破殼率達(dá)到最高，為91.074 344%；當(dāng)分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速為42.977 068 r/min時(shí)，高露仁率達(dá)到最高，為77.872 038%。

2.1.2破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速對(duì)核桃破殼率的影響

圖3　破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速對(duì)核桃一次破殼率和高露仁率的影響

當(dāng)分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速為50.418 416 r/min、分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差為4.999 116 mm，和分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速分別為42.797 068 r/min、分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差為4.502 268 mm時(shí)，研究不同的破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速對(duì)核桃一次破殼率和高露仁率的影響。

破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速對(duì)核桃一次破殼率和高露仁率的影響見(jiàn)圖3。

圖2　分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速對(duì)核桃一次破殼率和高露仁率的影響

由圖3可知，當(dāng)破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速為29.959 498 r/min時(shí)，一次破殼率達(dá)到最高，為91.074 344%；當(dāng)破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速為34.784 395 r/min時(shí)，高露仁率達(dá)到最高，為77.872 038%。

2.1.3分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差對(duì)核桃破殼率的影響

當(dāng)破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速為29.959 498 r/min、分級(jí)絞龍的轉(zhuǎn)速為50.418 416 r/min，和破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速為34.784 395 r/min、分級(jí)絞龍的轉(zhuǎn)速為42.797 068 r/min時(shí)，研究不同的分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差對(duì)核桃一次破殼率和高露仁率的影響。

分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差對(duì)核桃一次破殼率和高露仁率的影響見(jiàn)圖4。

圖4　分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差對(duì)核桃一次破殼率和高露仁率的影響

由圖4可知，當(dāng)分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差為4.999 116 mm時(shí)，一次破殼率達(dá)到最高，為91.074 344%；當(dāng)分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差為4.502 268時(shí)，高露仁率達(dá)到最高，為77.872 038%。

2.2響應(yīng)面試驗(yàn)分析

2.2.1響應(yīng)面回歸分析

單因素試驗(yàn)表明，破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速、分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速以及分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差對(duì)核桃破殼率有不同程度的影響，故本試驗(yàn)采用一次破殼率和高露仁率為試驗(yàn)指標(biāo)，運(yùn)用響應(yīng)曲面法對(duì)提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

Y1響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計(jì)和檢驗(yàn)見(jiàn)表2，Y1響應(yīng)面模型回歸分項(xiàng)檢驗(yàn)見(jiàn)表3，Y1響應(yīng)面模型的失擬檢驗(yàn)見(jiàn)表4，Y1響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗(yàn)見(jiàn)表5。

利用rsreg過(guò)程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合。由Y1響應(yīng)面的回歸估計(jì)及檢驗(yàn)可知，在0.05水平上X3和X3X3的系數(shù)顯著，其余不顯著。由表3可知，線性項(xiàng)的p值和決定系數(shù)分別小于0.000 1和0.940 1，說(shuō)明模型極顯著且有解釋變異94.01%的能力；其次是交叉項(xiàng)和二次項(xiàng)，說(shuō)明回歸主要是線性關(guān)系和互作；總模型的p值和決定系數(shù)分別小于0.000 1和0.980 4，說(shuō)明模型極顯著且有很高的擬合精度，回歸有效。由表4可知，失擬的p值為0.185 1，說(shuō)明失擬不顯著或中心點(diǎn)擬合較好。

表2　Y1響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計(jì)和檢驗(yàn)

表3　Y1響應(yīng)面模型回歸分項(xiàng)檢驗(yàn)

表4　Y1響應(yīng)面模型的失擬檢驗(yàn)

表5　Y1響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗(yàn)

獲得一次破殼率（Y1）對(duì)自變量分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速及分級(jí)裝置與破殼裝置上下間距差的響應(yīng)面模型方程為：

由表5可知，按p值排序分別是X3，X2和X1，且只有X3的值小于0.000 1，說(shuō)明第3個(gè)因子對(duì)一次破殼率有極顯著影響；X2的值為0.031 9，對(duì)一次破殼率有顯著影響；X3對(duì)一次破殼率的影響不大。

Y2響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計(jì)和檢驗(yàn)見(jiàn)表6，Y2響應(yīng)面模型回歸分項(xiàng)檢驗(yàn)見(jiàn)表7，Y2響應(yīng)面模型失擬檢驗(yàn)見(jiàn)表8，Y2響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗(yàn)見(jiàn)表9。

獲得高露仁率（Y2）對(duì)自變量分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速及分級(jí)裝置與破殼裝置上下間距差的響應(yīng)面模型方程為：

表6　Y2響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計(jì)和檢驗(yàn)

表7　Y2響應(yīng)面模型回歸分項(xiàng)檢驗(yàn)

表8　Y2響應(yīng)面模型失擬檢驗(yàn)

表9　Y2響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗(yàn)

2.2.2響應(yīng)面嶺脊分析

要確定最佳處理，首先要考察駐點(diǎn)。若駐點(diǎn)是極限點(diǎn)則找到了最佳處理，若是鞍點(diǎn)則需要利用其他方法找到試驗(yàn)范圍內(nèi)的最佳處理。通過(guò)對(duì)Y1，Y2的響應(yīng)面回歸分析，得知駐點(diǎn)是鞍點(diǎn)，所以采用嶺脊分析確定試驗(yàn)的最佳處理。

Y1響應(yīng)面的最大嶺脊分析結(jié)果見(jiàn)表10，Y2響應(yīng)面的最大嶺脊分析結(jié)果見(jiàn)表11。

由Y1響應(yīng)面嶺脊分析結(jié)果可知，搜索半徑為1.0時(shí)得到一次破殼率最大值的響應(yīng)值為91.074 344，其嶺脊點(diǎn)的坐標(biāo)為X1=29.959 498，X2=50.418 416，X3=4.999 116。預(yù)測(cè)一次破殼率最大響應(yīng)的最佳處理為破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速29.959 498 r/min，分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速50.418 416 r/min，以及分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差4.999 116 mm。

表10　Y1響應(yīng)面的最大嶺脊分析結(jié)果

表11　Y2響應(yīng)面的最大嶺脊分析結(jié)果

由Y2響應(yīng)面嶺脊分析結(jié)果可知，搜索半徑為1.0時(shí)得到一次破殼率最大值的響應(yīng)值為77.872 038，其嶺脊點(diǎn)的坐標(biāo)為X1=34.784 395，X2=42.797 068，X3=4.502 268。預(yù)測(cè)高露仁率最大響應(yīng)的最佳處理為破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速34.784 395 r/min，分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速42.797 068 r/min，以及分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差4.502 268 mm。

3　結(jié)論

對(duì)自行設(shè)計(jì)出的核桃分級(jí)破殼機(jī)進(jìn)行破殼試驗(yàn)并得到優(yōu)化的參數(shù)，試驗(yàn)以分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速、破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速，以及分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差為試驗(yàn)變量（因素），一次破殼率和高露仁率為試驗(yàn)的主要指標(biāo)，運(yùn)用響應(yīng)面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)分析方法進(jìn)行試驗(yàn)分析，得到了3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)一次破殼率和高露仁率的影響顯著性，其中X3為試驗(yàn)結(jié)果的主要影響因素，X1，X2對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果影響都很小，屬于次要因素；預(yù)測(cè)出一次破殼率最大響應(yīng)的最佳值為91.074 344，此時(shí)的X1為50.418 416 r/min，X2為29.959 498 r/min，X3為4.999 116 mm；預(yù)測(cè)出高露仁率最大響應(yīng)面的最佳值為77.872 038，此時(shí)的X1為42.797 068 r/min，X2為34.784 395 r/min，X3為4.502 268 mm。

[1]徐國(guó)寧，陳嬋娟，賀功民.核桃破殼設(shè)備研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)，2015，36（5）：229-232.

[2]崔寬波，李忠新，楊莉玲，等.6HT-600型核桃破殼加工成套設(shè)備的優(yōu)化研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35（9）：159-162.

[3]王維，賀功民，王亞妮，等.核桃破殼取仁生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37（4）：100-103.

[4]周軍，史建新.氣爆式核桃破殼試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36（2）：116-120.

[5]朱德泉，曹成茂，方家文，等.6HS-6型山核桃破殼機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J].食品工業(yè)科技，2010，31（11）：304-306.

[6]李忠新，劉奎，楊莉玲，等.錐籃式核桃破殼裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012（3）：148-152.

[7]洪翎，曹成茂，畢如俊，等.手剝山核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].包裝與食品機(jī)械，2009，27（6）：31-34.

[8]閆茹，趙奎鵬，鄭甲紅，等.擠壓式核桃破殼機(jī)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（6）：219-224.

[9]趙奎鵬，鄭甲紅，王亞妮，等.擠壓式核桃破殼機(jī)的正交試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（2）：153-157.

[10]史建新，趙海軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（1）：185-188.

[11]王玉順.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析SAS實(shí)踐教程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012：227-233.◇

The Experimental Study on Walnut Grading and Shell Breaking Machine

SHEN Haixia，*ZHANG Shujuan，LIU Dehua，XUE Jianxin
（College of Engineering，Shanxi Agriculture University，Taigu，Shanxi 030801，China）

In order to get the best working parameters of grading and shell breaking machine，this paper has studied on the machine based on experiments.The test key factors include the rotate speed of classification auger（X1），the speed of moving knife（X2），the up and down of the pitch difference with the broken shell device and classification device（X3）.A broken shell rate and high kernel rate are test indicators.Through the single factor experiment，the proper working ranges of three factors are set up.And on this basis，had a response surface experiment with three factors and five levels.Analyzes the interaction between every factors and established the regression equation.Had validation test as well.The results show that for a broke rate and high dew kernel rate of the main influence factors is the up and down of the pitch difference with the broken shell device and the classification device，the second is the rotate speed of classification auger and the speed of moving knife. Predicting a broken rate maximum response of the optimal value of 91.074 344，at the point（X1）is 50.418 416 r/min，X2is 29.959 498 r/min，X3is 4.999 116 mm.Predicting high dew kernel maximum response rate of the optimal value of 77.872 038，at the point X1is 42.797 068 r/min，X2is 34.784 395 r/min，X3is 4.502 268 mm.

grading and shell-breaking machine；walnut；response surface method；working parameters

S226.9

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.10.038

2016-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31271973）；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012011030-3）。

申海霞（1992—），女，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。

張淑娟（1963—），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。

1671-9646（2016）10b-0034-04