何曉帆 - 王 濤 范海燕 - 吳 迪

(海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

碾搓式橡膠果脫殼試驗

何曉帆HEXiao-fan王 濤WANGTao范海燕FANHai-yan吳 迪WUDi

(海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南 海口 570228)

為研究橡膠果脫殼效率隨相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，確定最佳脫殼條件，根據(jù)碾搓原理研制了橡膠果脫殼試驗機。通過單因素試驗和正交試驗，分析不同的擠壓壓力、摩擦速度和摩擦材料對脫殼率指標(biāo)的影響規(guī)律及機器的最佳工作參數(shù)。結(jié)果表明：隨著摩擦速度增大，脫殼率先增大后降低；隨著擠壓壓力的增加，脫殼率線性增加；摩擦材料依次取鋼板、塑料板、木板、橡膠板時，脫殼率逐漸降低。對橡膠果脫殼率的影響因素從大到小依次為擠壓壓力、摩擦材料、摩擦速度。當(dāng)擠壓壓力為700 N、摩擦速度為46 mm/s、摩擦材料為鋼板時，橡膠果的脫殼率達到81.8%。研究結(jié)果可為橡膠果脫殼機的整體設(shè)計提供試驗依據(jù)。

橡膠果；脫殼率；碾搓

橡膠樹廣泛種植于中國南方地區(qū)，橡膠果是橡膠樹的種子，由種殼和種仁組成，種仁含油率約50%[1]。橡膠果油是一種保健食用油，其理化性質(zhì)與大豆油相近，脂肪酸組成中不飽和脂肪酸占80%以上，具有很高的營養(yǎng)價值[2]。橡膠果也是一種重要的工業(yè)原料，可用于油漆工業(yè)等[3]。D Balk?se等[4]提出橡膠果油還是制造金屬香皂的優(yōu)質(zhì)原始材料。橡膠籽殼是生產(chǎn)高品質(zhì)木塑產(chǎn)品、果殼級活性炭等的優(yōu)質(zhì)原料。開發(fā)橡膠果資源對解決中國蛋白飼料短缺和實現(xiàn)資源綜合利用具有重要意義。

目前中國橡膠果脫殼機械普遍采用輥子擠壓[5]和離心撞擊[6]2種方法，但都存在脫殼效率低，果仁損傷率大等問題，導(dǎo)致國內(nèi)豐富的橡膠果資源沒有得到充分利用。因此，急需研制針對橡膠果的高效脫殼機械，而確定機械脫殼部分的最佳工作參數(shù)則是其基礎(chǔ)。國內(nèi)外對各類堅果脫殼機器的試驗研究較詳盡，但對橡膠果脫殼機的工作參數(shù)試驗卻顯得不足。李君等[7]曾利用擠壓剪切原理設(shè)計一款刀豆脫殼機構(gòu)，并對其進行正交試驗研究得到雙輥轉(zhuǎn)速為25 r/min、雙輥材料為橡膠、雙輥間隙為18 mm為最佳工作參數(shù)。Oluwole等[8]將含水率、葉輪槽角度和數(shù)量作為變量研究離心式花生脫殼機的性能。張黎驊等[9]利用單因素試驗和二次回歸正交試驗得到了滾筒-柵條式銀杏脫殼機結(jié)構(gòu)的最佳工作參數(shù)并進行優(yōu)化。阮競蘭等[10]通過試驗研究稻谷脫殼率與輥壓、快輥線速、流量等因素的關(guān)系，提高了膠輥礱谷機的工藝性能。中國學(xué)者對銀杏[11]、葵花籽[12]等都進行過碾搓式脫殼試驗的研究，結(jié)果顯示碾搓式脫殼的效率較高，果仁損傷率小。所以將碾搓原理運用到橡膠果脫殼機械上可能會帶來較好的效果。為此，基于對以上學(xué)者研究的分析，設(shè)計一款碾搓式橡膠果脫殼試驗機，并通過試驗找出其最佳工作參數(shù)，旨在為后續(xù)高效橡膠果脫殼機的設(shè)計提供重要數(shù)據(jù)。

1 橡膠果脫殼試驗機的設(shè)計

橡膠果脫殼試驗機的總體結(jié)構(gòu)見圖1。摩擦槽可在千斤頂?shù)淖饔孟卵貙?dǎo)柱上升。摩擦板由電機帶動，并在齒輪齒條等傳動部件和限位開關(guān)等電器元件的作用下做往復(fù)直線運動，對放置于摩擦槽中的橡膠果進行碾搓。壓力傳感器和電機調(diào)速器測得擠壓壓力和電機轉(zhuǎn)速。摩擦板通過兩個角碼固定，方便摩擦板面材料的更換。試驗機的具體配置參數(shù)：電動機為7IK400RGU-CF型；滑塊為HGH-30CA型；導(dǎo)軌為HGR-30R型；齒輪齒條模數(shù)為2.5，齒輪齒數(shù)為40；聯(lián)軸器為DJM03型。

1. 配電箱 2. 單相電機 3. 電機調(diào)速器 4. 導(dǎo)軌 5. 行程開關(guān) 6. 止推環(huán) 7. 摩擦槽 8. 液壓千金頂 9. 橡膠果 10. 摩擦板 11. 齒條 12. 齒條座 13. 壓力數(shù)值顯示器 14. 滑塊 15. 機架 16. 壓力傳感器 17. 齒輪 18. 凸緣聯(lián)軸器

圖1 橡膠果脫殼試驗機

Figure 1 Rubber fruit shelling test machine

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

本次試驗所需的橡膠果于2015年4月取自海南省儋州市橡膠林，去外殼，橡膠果子粒經(jīng)過自然風(fēng)干1年，測得含水率約為12.5%；

電子秤：YHC-A6型，精度0.1 g，上海實潤實業(yè)有限公司；

電子數(shù)字顯示游標(biāo)卡尺：ZH7438型，規(guī)格0～200 mm，精度0.01 mm，桂林量具刀具有限公司;

由于試驗屬于平板碾搓，因此橡膠果自然放置和滾動時的高度需要保持一致。但橡膠果并非球體而呈現(xiàn)卵圓形[13]，自然放置與滾動時的高度分別是其高和寬，所以先通過電子數(shù)字顯示游標(biāo)卡尺測量其高寬并據(jù)此將其分成5組(極差為1 mm)，分組見表1。每次試驗都選取同一組的10個橡膠果，避免每次試驗橡膠果尺寸差異過大影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 根據(jù)橡膠果尺寸的分組Table 1 Grouped according to the size of rubber seeds

2.2 試驗指標(biāo)

根據(jù)試驗?zāi)康暮蛯嶋H生產(chǎn)的需要，以橡膠果的脫殼率作為試驗結(jié)果的主要評價指標(biāo)。脫殼率按式(1)計算：

(1)

式中：

T——橡膠果的脫殼率，%；

M1——放入的橡膠果總質(zhì)量，g；

M2——未脫殼橡膠果質(zhì)量，g。

2.3 試驗方法

2.3.1 單因素試驗

(1) 電機轉(zhuǎn)速試驗：固定參數(shù)為擠壓壓力700 N，摩擦板面材料為鋼板；變量為電機轉(zhuǎn)速，分別設(shè)置為175，350，525，700，875，1 050 r/min；脫殼率為評價指標(biāo)。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與摩擦板摩擦速度之間的公式：

(2)

式中：

d——齒輪分度圓直徑，d=100 mm；

n——電機轉(zhuǎn)速，r/min；

40——電機上減速機減速比。

則對應(yīng)的摩擦板摩擦速度分別為23，46，69，92，115，138 mm/s。

(2) 摩擦板面材料試驗：固定參數(shù)為擠壓壓力700 N，電機轉(zhuǎn)速350 r/min；變量為摩擦板面材料，分別設(shè)置為橡膠板、鋼板、塑料板、木板；脫殼率為評價指標(biāo)。

(3) 擠壓壓力試驗：固定參數(shù)為電機轉(zhuǎn)速350 r/min，摩擦板面材料為鋼板；變量為擠壓壓力，分別設(shè)置為200，300，400，500，600，700 N；脫殼率為評價指標(biāo)。

2.3.2 正交試驗 綜合單因素試驗結(jié)果，選取摩擦板面材料、摩擦速度和擠壓壓力為影響因素，每個因素有4個水平，采用節(jié)選的L16(45)正交試驗表設(shè)計試驗，并以脫殼率為評價指標(biāo)。

2.4 試驗主要過程

每次試驗前先測量將放入的橡膠果總質(zhì)量，千斤頂降至最低，將橡膠果放入摩擦槽中，然后利用千斤頂升起摩擦槽使得膠果被壓緊在摩擦板與摩擦槽之間，直到壓力示數(shù)達到條件數(shù)值加上壓緊前示數(shù)時啟動電機。摩擦板左右往復(fù)摩擦兩個來回后停止電機，測量未脫殼的橡膠果質(zhì)量。代入式(1)計算脫殼率。相同條件下試驗進行5次，結(jié)果取其平均值，每次試驗樣本為10個同組的橡膠果。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 單因素試驗結(jié)果與分析

通過控制變量法，取擠壓壓力為700 N，板面材料為鋼板時，研究摩擦速度對橡膠果脫殼率的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著摩擦板摩擦速度增大，脫殼率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢?？赡苁牵m然摩擦速度增加帶給橡膠果的動能增加，但在運動行程相同的情況下，碾搓的時間也減少了。兩個因素綜合的情況下呈現(xiàn)這種趨勢。曲線后半段下降明顯表明碾搓時間對脫殼率的影響較大。

取擠壓壓力為700 N，摩擦速度為46 mm/s時，研究摩擦板面材料對脫殼率的影響。結(jié)果表明：摩擦板面材料為橡膠時對應(yīng)的脫殼率為41.7%，木板時為59.1%，塑料板時為70.8%，鋼板時為81.8%。原因可能是摩擦板面材料的硬度由大到小依次是鋼板、塑料板、木板、橡膠板。在相同的擠壓壓力下，材質(zhì)硬的變形小，與橡膠果的接觸面積小，對橡膠果的壓應(yīng)力大，所以脫殼率高。與此同時，不同摩擦板面材料，對應(yīng)不同的摩擦系數(shù)也是一個原因。何焯亮等[14]在橡膠籽殼破碎試驗中也發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)果。

取摩擦速度為46 mm/s，摩擦板面為鋼板。研究不同擠壓壓力對橡膠果脫殼率的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知，擠壓壓力與脫殼率呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。擠壓壓力越大，脫殼率越高。但試驗表明壓力不宜超過700 N，否則易損傷果仁。

圖2 摩擦速度對脫殼率的影響Figure 2 Effect of friction speed on the hulling rate

圖3 擠壓壓力對脫殼率的影響Figure 3 Effect of extrusion pressure on the hulling rate

3.2 正交試驗結(jié)果與分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，采用L16(45)正交試驗因素與水平見表2。按照正交表的各試驗號進行試驗，將試驗結(jié)果填入表中并進行極差分析，見表3。

由表3可知，對于橡膠果殼脫殼率的主要影響因素從大到小依次為擠壓壓力、摩擦板面材料、摩擦板摩擦速度。橡膠果殼最高脫殼率組合為A2B2C4，即板面材料為鋼板，摩擦速度為46 mm/s，壓力為700 N時脫殼率最大。這個組合在16個試驗點中沒有出現(xiàn)，現(xiàn)增加最優(yōu)組合的脫殼率試驗，結(jié)果脫殼率為81.8%。

表2 試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of test

表3 橡膠果脫殼正交試驗結(jié)果的極差分析Table 3 Range analysis of rubber fruit shell orthogonal test results

原因可歸結(jié)為：① 由于鋼板較硬，在壓力作用下變形較小，與橡膠果殼的接觸面積較小，對橡膠果殼的壓應(yīng)力較大，所以橡膠果在鋼板下的脫殼率較高。而橡膠板最軟，形變最大，所以第1列(板面材料)中A1和A2所得結(jié)果的平均值差別較大。此外板面材料的不同也會引起摩擦系數(shù)的變化，木板的摩擦系數(shù)大于鋼板，但是綜合考慮選擇強度較高的鋼板較為合適；② 摩擦速度越大帶給橡膠果的能量越多，但是相同行程下碾搓時間也會變短。從節(jié)約能量和增加機器壽命角度考慮，可以適當(dāng)降低摩擦速度，但摩擦速度不能過低，以免脫殼時間過長。取46 mm/s左右較為合適；③ 壓力越大，脫殼率越高，是因為壓力越大，作用在橡膠果殼上的壓應(yīng)力越大，而且摩擦力也會增加，所以該因素對脫殼率的影響最大。但壓力不能過大，否則將損傷果仁。取700 N較為合適。

4 結(jié)論

(1) 隨著摩擦板摩擦速度增大，脫殼率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。擠壓壓力越大脫殼率越高，二者呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。但壓力不能過大，以免損傷果仁，不利于后續(xù)橡膠果仁價值的利用。摩擦板面材料為鋼板時的脫殼率明顯高于其他3種材料，進一步優(yōu)化設(shè)計脫殼機時應(yīng)使用硬度較高的鋼板或更高硬度的材料進行碾搓。也可在摩擦表面增加花紋以增大摩擦系數(shù)。

(2) 對于橡膠果殼脫殼率的主要影響因素從大到小依次為擠壓壓力、摩擦板面材料、摩擦板摩擦速度。橡膠果殼最高脫殼率組合為摩擦板面材料為鋼板，摩擦速度46 mm/s，擠壓壓力700 N，該條件下脫殼率為81.8%。

(3) 試驗結(jié)果為后續(xù)研制高效率的橡膠果脫殼機械提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于機器設(shè)計優(yōu)化后面向工業(yè)生產(chǎn)，所以本次試驗未將橡膠果本身的尺寸大小和球度等作為影響因素，而是統(tǒng)一面向各種物理特性的橡膠果。對于本試驗未涉及到的影響因素，可在后續(xù)的研究中加以補充。

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Experimental Study on Extrusion-grind Rubber Fruit Shell

(InstituteofElectricalandMechanicalEngineering,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China)

In order to research the change rules of rubber fruit shelling efficiency with the related parameters and determine the optimum conditions of shelling efficiency, a rubber fruit shelling test machine was developed according to the principle of extrusion-grind. By using the single factor and orthogonal tests to analyze the influence rules of shelling rate with different extrusion pressures, friction velocity and material, and the optimal operating parameters of the machine was found. The results were as follows. With the increase of friction velocity, shelling rate firstly increased and then decreased, and it increased linearly with the increase of extrusion pressure. Moreover, it was also found that the shelling rate gradually reduced, when friction material were steel, plastic, wood, rubber. The influence factors of rubber fruit shelling rate from high to low in order were extrusion pressure, friction material, friction velocity. When it worded with extrusion pressure at 700 N, friction speed at 46 mm/s, with steel friction material, the shelling rate reached 81.8%. The results could provide test bases for the whole design of rubber fruit sheller.

rubber fruit; shelling rate; extrusion-grind

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.04.020