張洪洲，劉媛杰，王憲磊，李 勇，周 丹，侯寶華，蘇海飛，鄭 浩，肖豪杰

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

隨著新疆農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)墾區(qū)內(nèi)，多種特色植物被大面積種植，形成了規(guī)模性產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式[1-9]。核桃作為新疆地區(qū)特產(chǎn)之一同樣被大面積種植，核桃的產(chǎn)量連年再創(chuàng)新高[8-17]，但核桃的初加工問題凸顯。青皮核桃被采摘后，經(jīng)過去皮工序、烘干工序、分級(jí)工序等，最后流入市場(chǎng)[15-25]。去皮后的鮮核桃中仍含有大量的水分，不利于分級(jí)儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)，因此核桃在儲(chǔ)運(yùn)之前，要將核桃進(jìn)行烘干處理。由于新疆地區(qū)核桃種植面積大、產(chǎn)量高，要將這些核桃短期內(nèi)烘干處理，僅僅依靠自然風(fēng)干或者傳統(tǒng)的烘干設(shè)備，所需要的時(shí)間太長(zhǎng)、生產(chǎn)周期太長(zhǎng)、工作量太大，不利于核桃的儲(chǔ)運(yùn)及銷售?；谝陨弦蛩兀颂易詣?dòng)烘干裝置的研究是非常必要的。

針對(duì)核桃烘干問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些成果[24-30]，常用的一些干燥方法有自然風(fēng)干法、加熱烘干法及紅外烘干法等。加熱烘干法因其易于實(shí)現(xiàn)，為廣大加工廠廣泛使用。但是，傳統(tǒng)的加熱烘干法的加熱區(qū)域和溫度不易控制，實(shí)時(shí)性差；同時(shí)，大多數(shù)文獻(xiàn)未清晰地闡述如何將核桃烘干系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，缺乏實(shí)用性價(jià)值。針對(duì)這一問題，本文提出了利用自動(dòng)控制技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行核桃烘干的方法，該方法是科研人員和核桃深加工技術(shù)人員正在探索的新方向。此種方法在原有的核桃烘干機(jī)的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字化和自動(dòng)化技術(shù)，控制核桃的受熱區(qū)域及烘干機(jī)的內(nèi)溫度，旨在節(jié)約生產(chǎn)成本，提高核桃烘干生產(chǎn)效率以及核桃的品質(zhì)。經(jīng)過生產(chǎn)試驗(yàn)，該核桃烘干裝置實(shí)用性很強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)濕核桃的烘干，為核桃生產(chǎn)加工應(yīng)用提供了參考。

1 核桃烘干裝置的設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)新疆青皮核桃去皮后烘干所需要的時(shí)間周期太長(zhǎng)、工作量太大的現(xiàn)實(shí)問題，設(shè)計(jì)了一種核桃自動(dòng)烘干裝置及控制系統(tǒng)。核桃自動(dòng)烘干裝置主要由熱風(fēng)控制部分、溫濕度檢測(cè)部分和葉輪攪拌部分組成，如圖1所示。其具體結(jié)構(gòu)：包括裝有中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸、防護(hù)罩及葉輪和烘干筒的機(jī)架；在防護(hù)罩的上端內(nèi)側(cè)裝有溫濕度傳感器和排風(fēng)口；在中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，沿軸的圓周上均勻分布4列耐熱軟質(zhì)葉輪；在烘干筒壁上均勻分布加熱進(jìn)風(fēng)孔；在防護(hù)罩的下端裝有熱風(fēng)發(fā)生裝置，中心軸由減速電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。

工作時(shí)，通過控制器部分設(shè)定中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度(即葉輪的攪拌速度)和熱風(fēng)控制等參數(shù)；將待烘干的鮮核桃通過喂料口裝載在烘干筒內(nèi)，通過控制器設(shè)定參數(shù)；設(shè)備啟動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)葉輪低速轉(zhuǎn)動(dòng)，控制器發(fā)出命令，控制熱風(fēng)裝置產(chǎn)生熱風(fēng)，并將熱風(fēng)通過烘干筒的進(jìn)風(fēng)孔吹入烘干筒內(nèi)，直接作用在鮮核桃上；溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)烘干機(jī)內(nèi)的溫濕度，當(dāng)濕度達(dá)到閾值時(shí)，控制器發(fā)出命令，自動(dòng)打開排風(fēng)口；溫度控制采用PID方式控制烘干機(jī)內(nèi)的溫度。

核桃烘干裝置需要配備800W及以上的電機(jī)使用。該裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下:

外形尺寸/mm：3 500×2 000×2 500

中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸速度/r·min-1：30～60

1.機(jī)架 2、3、5.風(fēng)機(jī) 4.熱電阻 6.減速電機(jī) 7.烘干筒 8.防護(hù)罩 9、11.溫濕度傳感器 10.喂料口、排風(fēng)口 12.中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸 13.葉輪 14.出料口圖1 核桃烘干裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of the walnut drying device

1.2 喂料口和出料口的開關(guān)部分

喂料口和出料口開關(guān)統(tǒng)稱為料口開關(guān)，包含開關(guān)、滑輪、伸縮桿、步進(jìn)電機(jī)及滑道等。通過控制器預(yù)設(shè)步進(jìn)量，步進(jìn)電機(jī)按步進(jìn)量運(yùn)行，當(dāng)滑輪在滑道上向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，料口開關(guān)逐漸閉合；向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，料口開關(guān)逐漸打開。利用自動(dòng)控制理論控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)量，精度高、效果好、更便捷。料口開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

1.滑道 2.履帶 3.步進(jìn)電機(jī) 4.伸縮桿 5.開關(guān) 6.料口 7.滑輪圖2 料口開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The Structure of the feed switch

1.3 溫濕度和轉(zhuǎn)速控制部分

溫濕度檢測(cè)與控制部分、減速電機(jī)調(diào)速部分和步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)量控制部分是以微控芯片為核心的PID控制器，主要由單片機(jī)、鍵盤、顯示屏、變送器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及變頻器等組成。PID控制部分系統(tǒng)框圖，如圖3所示；系統(tǒng)軟件采用匯編語言編程。系統(tǒng)軟件流程圖，如圖4所示。

圖3 控制部分系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of control section

圖4 控制部分系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Control section system software flow chart

2 烘干試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)條件及依據(jù)

烘干試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師九團(tuán)核桃加工廠。試驗(yàn)時(shí)，每次在烘干筒內(nèi)加載鮮核桃，加載前測(cè)定加載核桃總質(zhì)量，以烘干率為考核指標(biāo)，進(jìn)行烘干試驗(yàn)；烘干結(jié)束后，測(cè)定烘干后的核桃總質(zhì)量，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣本比較，并計(jì)算得出烘干率。試驗(yàn)因素為加載量(假如烘干筒內(nèi)核桃的體積與烘干筒總體積的百分比)G、烘干筒內(nèi)溫度T和烘干時(shí)間t。3個(gè)參數(shù)的詳細(xì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 主要參數(shù)指標(biāo)

2.2 正交試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

進(jìn)行組合試驗(yàn)，每次試驗(yàn)以烘干率為考核指標(biāo)。將試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)依次填入正交表中，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

續(xù)表2

從表2中可以看出：當(dāng)加載量60%、烘干筒內(nèi)溫度110℃、烘干時(shí)間50min時(shí)，烘干效果最佳。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的核桃烘干裝置的有效性，為核桃加工工作提供了一個(gè)參考。

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