王建楠，謝煥雄，胡志超，劉敏基，魏 海，顏建春，吳 峰

(農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014)

脫殼是花生種植以及油用、食用加工前的必經工序，也是影響花生仁果及其制品品質和商品性的關鍵[1-3]。我國種用花生大多依靠人工進行脫殼[4-5]，而食用及油用花生多采用臥式滾筒凹板篩式花生脫殼設備進行脫殼?，F(xiàn)有的臥式滾筒凹板篩式脫殼設備存在脫殼破碎率高、品種適應性差等問題，致使花生脫殼損失較大，因而脫殼設備難以針對國內紛繁復雜的品種進行全面推廣。脫殼滾筒凹板篩組合為此類脫殼設備的關鍵核心部件之一，其作業(yè)參數(shù)的設計與優(yōu)化是脫殼設備作業(yè)質量及適應性的重要影響因素。目前，由于對現(xiàn)有脫殼設備的脫殼滾筒凹板篩組合作業(yè)參數(shù)及相關參數(shù)與花生脫殼作業(yè)喂料量的優(yōu)化匹配鮮有研究，使得脫殼滾筒運動參數(shù)、滾筒凹板篩間隙與花生脫殼進料量的匹配不合理，脫殼損失較大。本試驗對花生脫殼設備關鍵部件及喂料量進行優(yōu)化研究，并利用Box-behnken試驗設計及響應面分析對關鍵參數(shù)進行優(yōu)化設計，旨在為花生脫殼機脫殼質量的提升提供理論依據。

1 滾筒凹板篩式花生脫殼機工作原理

1.1 花生脫殼機工作過程

臥式滾筒凹板篩式花生脫殼機(圖1-a)在工作時，花生莢果由進料斗進入脫殼倉，在旋轉的脫殼滾筒帶動下與凹板篩產生擠壓、揉搓，從而實現(xiàn)脫殼，脫出的花生仁果與花生殼的混合物經凹板篩落料至振動篩上，凹板篩與振動篩之間安裝有風機，在風機的作用下，花生殼與花生仁果、未脫凈的花生莢果產生分離，花生莢果與仁果的混合物經過振動篩完成篩分，實現(xiàn)花生仁果及未脫凈花生莢果的分離，花生仁果從出料口出料，完成整個脫殼過程。脫殼滾筒結構如圖1-b所示，它由兩端圓盤與支撐連接桿組成，其中支撐連接桿末端焊接有圓鋼，該圓鋼可對花生莢果產生揉搓作用；同時可通過調節(jié)支撐連接桿的安裝尺寸改變滾筒凹板篩的間隙。

1.2 脫殼質量影響因素分析

脫殼滾筒凹板篩組合為花生脫殼機的關鍵核心部件之一，在莢果脫殼程中脫殼滾筒轉速、脫殼滾筒凹板篩間隙、物料進料量均為關鍵參數(shù)，這些關鍵參數(shù)的選擇與優(yōu)化直接影響花生脫殼的破碎率、脫凈率。因此，在設計設備時須對相關參數(shù)進行優(yōu)化設計，以降低脫殼過程中的破碎率，提高脫凈率。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗儀器設備

試驗在自主研發(fā)的花生脫殼試驗臺上開展，以便調節(jié)脫殼滾筒凹板篩間隙，并采用變頻器(型號H3000)調節(jié)脫殼滾筒轉速。試驗需尺子(精度1 mm)、電子天平(精度1 g)及若干設備參數(shù)調整所需輔助工具。

2.2 試驗原料

試驗所用花生原料為2015年泰州產白沙品種[6]。分別測量500?；ㄉv果、500粒仁果的尺寸，結果見表1。

表1 試驗對象物理尺寸

2.3 試驗考核指標

以花生凹板篩脫出物為考察對象，以脫出物的破碎率(R1)及脫凈率(R2)為考核指標，分別通過式(1)、式(2)計算花生脫殼機脫出物的破碎率、脫凈率。各試驗重復3次，取平均值，參照標準JB/T 5688.2—1991《花生剝殼機 試驗方法》開展試驗并查樣。

(1)

(2)

式中：m為完整純仁質量，g；m1為破碎仁質量，g；m2為損傷仁質量，g；m3為未剝開果的仁質量，g。

2.4 試驗設計

將同品種、同批次、等質量的花生投入花生脫殼試驗臺脫殼倉，以花生脫殼破碎率及脫凈率為考察對象，開展脫殼滾筒轉速、脫殼滾筒凹板篩間隙、物料進料量單因素試驗研究。

二次回歸正交試驗：采取中心組合設計方法及理論分析單因素試驗結果，以脫殼滾筒轉速(A)、滾筒凹板篩間隙(B)、進料量(C)為影響因素，R1、R2為響應值進行響應面分析。按照響應面試驗設計對自變量的真實值進行編碼，編碼方程為

xi=(zi-zi0)/Δzi。

式中：xi為自變量的編碼值；zi為自變量的真實值；zi0為試驗中心點處自變量的真實值；Δzi為自變量的變化步長[7]。因素自變量編碼及水平如表2所示。

表2 因素編碼水平

3 結果與分析

3.1 單因素試驗

3.1.1 不同滾筒轉速對脫殼質量的影響 根據預備試驗結果，將脫殼滾筒凹板篩間隙設定為25 mm，通過振動給料器對脫殼倉料斗均勻供料，使進料量保持在200 g/s。在脫殼滾筒轉速分別為245、250、255、260、265、270、275、280、285、290 r/min 的條件下，開展?jié)L筒轉速的單因素試驗。由圖2可知，破碎率與滾筒轉速呈現(xiàn)非線性關系，滾筒轉速在270、275 r/min 時，破碎率最小，說明在進料量一定的情況下，滾筒轉速過慢，將使花生莢果在脫殼倉內不能及時被揉搓脫殼而產生積壓，脫殼滾筒的持續(xù)轉動將導致破碎加??；而過快的脫殼滾筒轉速可增加對花生莢果揉搓，也將致使脫殼破碎率增大。滾筒轉速與脫凈率呈線性關系，且滾筒轉速越高，滾筒對花生莢果的揉搓頻次越高，進而使花生的脫凈率提高。

3.1.2 不同滾筒凹板篩間隙對脫殼質量影響 通過變頻調節(jié)將滾筒轉速設置為270 r/min，進料量繼續(xù)保持在200 g/s，調節(jié)滾筒部件螺栓，以改變滾筒凹板篩間距D，研究不同滾筒凹板篩間隙對脫殼質量的影響。在滾筒凹板篩間隙分別為17、19、21、23、25、27、29、31、33、35 mm的條件下，開展?jié)L筒凹板篩間隙的單因素試驗。由圖3可知，破碎率隨滾筒凹板篩間隙的增大而逐漸減小，主要是因為滾筒凹板篩間隙過小時，導致脫出的花生不能及時排出而直接與旋轉的滾筒再次作用產生破碎。脫凈率隨滾筒凹板篩間隙的增大而逐漸減小，說明在凹板篩間隙較大時，滾筒凹板篩之間填充的花生較多，隨滾筒的轉動花生之間相互擠壓，而非滾筒直接作用于花生，致使花生脫凈率下降。

3.1.3 不同進料量對脫殼質量影響 將脫殼滾筒轉速設置為270 r/min，滾筒凹板篩間隙設置為25 mm，通過調節(jié)花生脫殼試驗臺振動給料器來改變花生脫殼設備的進料量，研究不同進料量對脫殼質量的影響。在喂料量分別為120、140、160、180、200、220、240、260、280、300 g/s的條件下，開展進料量的單因素試驗研究。由圖4可知，破碎率隨進料量的增大而逐漸增加，主要因為在其他條件不變的情況下，進料量增大致使?jié)L筒凹板篩篩分能力不足，脫出物料不能及時排出而產生不必要的揉搓，從而導致破碎。脫凈率隨進料量的增加呈先升后降的趨勢，主要因為進料量過大或者過小都不能使脫殼倉填充均勻，填充過少導致不能產生揉搓作用而脫不凈；填充過多導致莢果之間相互揉搓作用增加而與滾筒揉搓幾率減少，進而導致脫凈率下降。

3.2 組合設計實驗

按照中心組合試驗設計方案，隨機組合試驗次序，所得試驗設計及相關結果如表3所示[8]。

表3 中心組合試驗設計方案及相應結果

3.2.1 破碎率數(shù)學模型及方差分析 采用逐步回歸法對表3結果進行三元二次回歸擬合并進行方差分析，得到的破碎率編碼值簡化回歸數(shù)學模型為：

R1=3.22+0.025B+0.25C-0.18AB+0.025AC-0.78BC+0.75A2+1.30B2+0.55C2。

(3)

由表4可知，該破碎率數(shù)學模型顯著性檢驗F=27.84，模型P值極顯著，失擬項不顯著，模型的修正決定系數(shù)R2=0.967 8，說明該回歸數(shù)學模型與實際結果擬合精度高，可對脫殼設備的破碎率進行分析預測。該模型預測破碎率與滾筒轉速、滾筒凹板篩間隙、進料量存在二次非線性相關關系。模型方差分析亦表明，滾筒凹板篩間隙與進料量間的交互作用對破碎率的影響較顯著。

3.2.2 破碎率的響應曲面分析 根據表3試驗數(shù)據，各因素對破碎率的響應面分析如圖5至圖7所示；根據圖中三維曲面和等高線考察滾筒轉速、滾筒凹板篩間隙、進料量對破碎率的影響，分析結果見圖5至圖7，根據等高線形狀判斷交互作用強弱[9-11]。由圖5至圖7中的等高線可以看出，滾筒轉速和滾筒凹板篩間隙、滾筒凹板篩間隙和進料量、滾筒轉速和進料量的交互作用顯著。由圖5可以看出，滾筒轉速和滾筒凹板篩間隙交互作用對破碎率影響較為顯著。由圖6可以看出，當滾筒轉速一定時，降低進料量可以降低破碎率。由圖7可以看出，當滾筒凹板篩間隙一定時，增加進料量破碎率先減小后增大。

表4 破碎率數(shù)學模型的方差分析

注：P<0.01為極顯著；P<0.05為顯著。表5同。

3.2.3 脫凈率的數(shù)學模型及方差分析 對表3進行三元二次回歸擬合及方差分析，得到的脫凈率編碼值簡化回歸數(shù)學模型為：

R2=92.70+0.10A-0.05B+0.40C+0.200AB+0.052AC-0.900BC+0.92A2+2.32B2+0.63C2

由表5可知，該脫凈率數(shù)學模型顯著性檢驗F=46.800，模型P值顯著，失擬項不顯著，模型的修正決定系數(shù)R2=0.976 1，說明該回歸數(shù)學模型與實際結果擬合精度高，可對脫殼設備的脫凈率進行分析預測。通過該預測模型可以看出，滾筒轉速、滾筒凹板篩間隙、進料量與脫凈率存在二次非線性相關關系。方差分析可以看出，脫殼滾筒轉速與滾筒凹板篩間隙、滾筒凹板篩間隙與進料量的交互作用對脫凈率影響顯著。

表5 脫凈率數(shù)學模型的方差分析

3.2.4 脫凈率的響應曲面分析 由圖8至圖10可以看出，滾筒轉速和滾筒凹板篩間隙、進料量和滾筒凹板篩間隙的交互作用對脫凈率影響明顯，其他交互作用影響不顯著。由圖8可以看出，當滾筒凹板篩間隙一定時，提高滾筒轉速，脫凈率先減小后增大。由圖9可以看出，當滾筒轉速一定時，脫凈率隨進料量的減小而逐漸減小。由圖10可以看出，當滾筒凹板篩間隙一定時，脫凈率隨進料量的減小而逐漸減小。

4 參數(shù)優(yōu)化

從脫殼機的實際工作質量考慮，需同時考慮響應值R1、R2，使R1的響應值達到最小，R2的響應值達到最大。為此本試驗對2個目標函數(shù)進行多目標優(yōu)化，以探明滿足2個目標函數(shù)的最佳參數(shù)組合：

由于破碎率和脫凈率同等重要，因此在優(yōu)化過程中將2者的重要程度均設置為5[12-13]。采用design expert進行優(yōu)化分析可得出，當脫殼滾筒轉速為274.8 r/min，滾筒凹板篩間隙為24.7 mm，進料量為204.6 g/s時可得破碎率、脫凈率最佳值，分別為3.2%、94.6%。

5 驗證試驗

為驗證試驗結果的可信度，將脫殼試驗臺參數(shù)設置為脫殼滾筒轉速275 r/min、滾筒凹板篩間隙25 mm、進料量 205 g/s，開展花生脫殼破碎率、脫凈率的驗證試驗，試驗重復3次，結果如表6所示。

由表6可知，破碎率相對誤差為6.9%，脫凈率相對誤差為1.5%，與優(yōu)化結果理論值相差較小，進一步驗證了試驗結果的可信度及試驗方案的可行性。

表6 驗證試驗結果

6 討論

本研究通過單因素試驗和響應曲面法進行試驗機結果分析，建立花生脫殼機脫殼破碎率及脫凈率的數(shù)學模型，采用響應曲面分析方法判斷脫殼滾筒轉速、滾筒凹板篩間隙、進料量以及各因素交互作用與破碎率及損失率關系。

以破碎率最小、脫凈率最大為主控目標，對試驗結果進行分析優(yōu)化得到，花生脫殼機關鍵參數(shù)的最優(yōu)值為脫殼滾筒轉速274.8 r/min、滾筒凹板篩間隙24.7 mm、進料量204.6 g/s，并在此參數(shù)下開展試驗驗證，結果表明，脫殼設備在該參數(shù)下的破碎率為3.44%、脫凈率為96.0%。