侯俊銘 白晶波 何 濤 楊 勇 李金澎 姚恩超

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866)

0 引言

蓖麻脫殼是蓖麻產(chǎn)業(yè)加工過程中極其重要的一環(huán)，隨著蓖麻產(chǎn)量的增加，蓖麻脫殼機(jī)械發(fā)揮的作用越來越大。國內(nèi)現(xiàn)有蓖麻脫殼機(jī)械脫凈率低、破損率高，難以保證質(zhì)量要求[1-2]。因此，開發(fā)高效的蓖麻脫殼設(shè)備將有利于推動蓖麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，較為成熟的脫殼裝置多為機(jī)械脫殼形式，包括旋轉(zhuǎn)篩網(wǎng)式、擠壓式、揉搓式、仿生式、滾筒刮板式、沖擊式、碾壓式等。如洪都拉斯已應(yīng)用旋轉(zhuǎn)篩網(wǎng)式脫殼裝置對蓖麻籽進(jìn)行脫殼處理。LIM等[3-5]設(shè)計(jì)了一種擠壓式蓖麻籽脫殼機(jī)，采用4對輥擠壓的方式對蓖麻蒴果進(jìn)行脫殼處理,此裝置能使蓖麻充分脫殼，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維修困難。ROMULI等[6-7]使用改良式磨盤機(jī)，利用響應(yīng)面法分析其對脫殼率以及能耗的影響，此方法可以對蓖麻籽進(jìn)行預(yù)分組，顯著提高了脫凈率。曹玉華等[8-9]利用蓖麻蒴果現(xiàn)有物理及機(jī)械特性，對蓖麻蒴果脫殼關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化，將擠壓式對輥的梳刷改進(jìn)為螺旋槽。曹成茂等[10]采用柔性揉搓板與柔性柵欄相配合的方式，設(shè)計(jì)了一種柔性揉搓式板栗剝苞機(jī)。擠壓和揉搓的方式能大大提高蓖麻脫凈率。但因蓖麻蒴果大小不均，其在脫殼間隙內(nèi)更加容易損傷。李心平等[11-12]模擬雞喙，根據(jù)玉米種子抗壓特性設(shè)計(jì)了一種玉米種子仿生脫粒機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該種脫粒方式能顯著減小對玉米籽粒的損傷。劉明政等[13]設(shè)計(jì)了柔性帶剪切擠壓式核桃破殼取仁分離裝置。高連興等[14-15]先后采用雙滾筒氣力循環(huán)式和三滾式設(shè)計(jì)對花生進(jìn)行脫殼處理。張黎驊等[16]設(shè)計(jì)了滾筒柵條式銀杏果脫殼機(jī)，這種打擊揉搓脫殼方式適應(yīng)性強(qiáng)，且柔性柵條能對物料起到一定的保護(hù)作用。姜楠等[17]利用釘齒的沖擊作用對谷穗實(shí)現(xiàn)了脫殼處理。鄭甲紅等[18]通過偏心輥打擊作用實(shí)現(xiàn)了核桃破殼，該種沖擊脫殼方式對不同種物料適應(yīng)性較強(qiáng)。李軍[19]采用碾壓輥與振動臺相結(jié)合方式設(shè)計(jì)了碾壓式谷子脫粒機(jī)。王升升等[20]設(shè)計(jì)了一種半喂入式谷子脫粒裝置，由于物料進(jìn)給不均勻，碾壓式脫粒機(jī)在運(yùn)行過程中易造成阻塞，脫粒效率有待提高。

國內(nèi)大部分蓖麻種植地區(qū)依然采用手工方式脫殼，勞動量巨大。為增加蓖麻利用率，提高蓖麻脫殼效率，本文在滾搓式脫殼原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種可調(diào)式蓖麻脫殼清選一體裝置。該裝置采用滾搓式脫殼機(jī)理與振動吸風(fēng)清選相結(jié)合，脫殼裝置采用立錐分段式設(shè)計(jì)，以保證脫殼室內(nèi)蓖麻能充分脫殼。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的蓖麻脫殼清選一體裝置由傳動系統(tǒng)、脫殼機(jī)構(gòu)、清選機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。整機(jī)采用臥式布局，可增大與地面接觸面積，降低整機(jī)的振動幅度；蓖麻蒴果在整機(jī)構(gòu)內(nèi)由上至下、由左至右運(yùn)動，在運(yùn)動過程中始終受到重力作用，運(yùn)動平穩(wěn)順暢；電機(jī)轉(zhuǎn)速、脫殼滾筒出料口間隙、振動篩傾角、振動篩特征值等可調(diào)，對不同品種的蓖麻蒴果適應(yīng)性高，如圖1所示。

圖1 蓖麻脫殼清選一體裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of castor shelling and clearing device1.電機(jī) 2.脫殼裝置 3.進(jìn)料口 4.吸風(fēng)機(jī) 5.出料口 6.振動篩

1.2 工作原理

蓖麻蒴果經(jīng)喂料口進(jìn)入脫殼室，上脫殼滾筒內(nèi)層殼體有轉(zhuǎn)速差，蓖麻蒴果在滾筒間隙內(nèi)不斷受到擠壓與滾搓雙重作用，對蓖麻蒴果進(jìn)行預(yù)脫殼。達(dá)到上脫殼滾筒底部直徑最大處后，落入下脫殼滾筒內(nèi)外層殼體組成的脫殼機(jī)構(gòu)中進(jìn)行脫殼處理。脫殼后的蓖麻籽及其外皮碎屑經(jīng)排料口至接料板，在重力作用下，通過圓形沖孔篩。尺寸小于圓孔的碎屑被篩至碎屑板，其余脫出物繼續(xù)沿篩面下滑，達(dá)到吸風(fēng)箱時(shí)，較大的碎屑及干癟蓖麻籽由高壓離心風(fēng)機(jī)吸出，排出裝置外；剩余脫殼質(zhì)量良好的蓖麻籽經(jīng)由出料口排出裝置外，可進(jìn)行采集包裝等后續(xù)處理。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 脫殼裝置整體結(jié)構(gòu)

該脫殼裝置采用雙圓臺結(jié)構(gòu)作為脫殼滾筒的內(nèi)層殼體，同時(shí)在其外部機(jī)架裝配有兩個(gè)錐形脫殼滾筒，與之配合形成間隙逐漸變小的脫殼工作區(qū)間。上脫殼滾筒對蓖麻蒴果進(jìn)行壓裂，下脫殼滾筒實(shí)現(xiàn)蓖麻蒴果脫殼。兩個(gè)階段工作部件串聯(lián)在同一軸上，采用立式布局，如圖2所示。

圖2 脫殼裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Shelling device schematic1.帶輪 2.主軸 3.外層滾筒 4.內(nèi)層滾筒 5.喂料口 6.上脫殼滾筒間隙 7.下脫殼滾筒間隙

2.2 脫殼裝置設(shè)計(jì)

2.2.1上脫殼滾筒內(nèi)層殼體錐角

脫殼滾筒錐角的大小，直接關(guān)系到蓖麻蒴果能否順利進(jìn)入到脫殼滾筒內(nèi)外層間隙，同時(shí)也是影響脫殼滾筒直徑、整機(jī)大小的重要參數(shù)。蓖麻蒴果進(jìn)入脫殼滾筒時(shí)的臨界狀態(tài)如圖3所示。

圖3 錐角設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Taper angle design diagram

蓖麻蒴果處于臨界狀態(tài)時(shí)，受到重力mg、上脫殼滾筒內(nèi)層對其的反作用力P1及上脫殼滾筒外層對其的反作用力P2，此時(shí)

mgcosα=P1+P2cos(2β-α)

(1)

mgsinα=P2sin(2β-α)

(2)

式中α——上脫殼滾筒錐角，(°)

β——蓖麻蒴果球心與上脫殼滾筒內(nèi)層外表面夾角，(°)

要實(shí)現(xiàn)蓖麻蒴果順利進(jìn)入上脫殼滾筒內(nèi)外層間隙，則

mgsinα>P1sinαtanφ+P2sin(2β-α)+
P2cos(2β-α)tanφ

(3)

式中φ——蓖麻蒴果與鐵質(zhì)材料摩擦角，(°)

化簡得

α>φ

即若實(shí)現(xiàn)蓖麻蒴果順利進(jìn)入上脫殼滾筒內(nèi)外層間隙，應(yīng)使得上脫殼滾筒錐角大于蓖麻蒴果與鐵質(zhì)材料的摩擦角。

2.2.2脫殼滾筒位置與脫殼間隙關(guān)系

分析研究脫殼機(jī)構(gòu)中任意位置間隙，有利于求解蓖麻蒴果及蓖麻籽在脫殼機(jī)構(gòu)中的受力及變形。以上脫殼滾筒內(nèi)層殼體錐角頂點(diǎn)為原點(diǎn)O，以上脫殼滾筒內(nèi)層殼體最大直徑方向?yàn)閤軸，建立直角坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4 上滾筒間隙分析Fig.4 Upper roller gap analysis

由幾何關(guān)系可知

(4)

式中h——上脫殼滾筒內(nèi)層殼體任意點(diǎn)到上脫殼滾筒外層殼體距離，mm

x——蓖麻蒴果在上脫殼滾筒x方向投影長度，mm

R——上脫殼滾筒內(nèi)層殼體最大直徑，mm

l——上脫殼滾筒出料口最小間隙，mm

γ——上脫殼滾筒外層殼體錐角，(°)

由式(4)可知，脫殼機(jī)構(gòu)間隙隨著蓖麻蒴果在脫殼機(jī)構(gòu)中的位置而不斷變化，脫殼機(jī)構(gòu)間隙逐漸減小，使得蓖麻蒴果在脫殼過程中所受的擠壓與滾搓作用逐漸增大。同時(shí)在設(shè)計(jì)內(nèi)層殼體時(shí)，其表面覆有一層具有緩沖作用的柳葉紋橡膠皮墊，在壓裂蓖麻蒴果的同時(shí)對蓖麻籽起到一定的保護(hù)作用，避免產(chǎn)生隱性內(nèi)部損傷。

2.3 清選機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該脫殼裝置清選機(jī)構(gòu)采用振動篩選與氣吸相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式，包括振動篩、連桿、振動篩動力發(fā)生裝置、吸風(fēng)箱、風(fēng)機(jī)等，振動篩如圖5所示。振動篩兩側(cè)分別通過連桿與機(jī)架相連，構(gòu)成具有雙搖桿的平行四桿機(jī)構(gòu)，相對于地面有一定傾角；振動篩的動力由偏心輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動提供，偏心輪帶有凸臺結(jié)構(gòu)，凸臺結(jié)構(gòu)與振動篩之間具有移動副，帶動振動篩做簡諧運(yùn)動；吸風(fēng)箱由調(diào)整箱嵌入固定箱內(nèi)，便于調(diào)整吸風(fēng)口與振動篩的相對位置。

圖5 振動篩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of upper and outer shelling drum1.偏心輪結(jié)構(gòu) 2.連桿 3.振動篩

2.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該脫殼清選一體裝置傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、動力分配合理的原則。不僅使機(jī)器各個(gè)部分獲得適宜的工作速度，還需保證各部件安裝位置協(xié)調(diào)，滿足蓖麻脫殼要求。樣機(jī)傳動示意圖如圖6所示。

圖6 蓖麻脫殼清選一體裝置傳動系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic of transmission system of ramie shelling and cleaning device1.電機(jī) 2.脫殼裝置 3.振動篩

傳動系統(tǒng)由電機(jī)將動力傳入Ⅰ軸并通過帶輪進(jìn)行減速，Ⅰ軸帶動上、下脫殼滾筒內(nèi)層殼體轉(zhuǎn)動，與脫殼滾筒外層殼體具有差速，實(shí)現(xiàn)脫殼；同時(shí)，Ⅰ軸上安裝有清選主動輪，通過帶傳動將動力傳至Ⅱ軸，帶動清選從動輪轉(zhuǎn)動，清選從動輪為偏心輪結(jié)構(gòu)，與振動篩之間由轉(zhuǎn)動副連接，帶動振動篩做簡諧運(yùn)動。

3 蓖麻脫殼過程仿真分析

蓖麻蒴果在脫殼室內(nèi)運(yùn)動規(guī)律復(fù)雜。為了研究蓖麻蒴果在脫殼過程中位移、速度隨時(shí)間變化規(guī)律，利用ADAMS對蓖麻蒴果在脫殼室內(nèi)的運(yùn)動進(jìn)行仿真分析。

3.1 幾何模型建立

圖7為通蓖5號、通蓖6號、通蓖7號蓖麻蒴果球度分布曲線。仿真試驗(yàn)以通蓖7號蓖麻蒴果為研究對象，取通蓖7號蓖麻蒴果球度為0.95。

圖7 球度分布曲線Fig.7 Spheroidal distribution curve

通蓖7號蓖麻蒴果三軸尺寸如圖8所示。

圖8 通蓖7號蓖麻蒴果三軸尺寸Fig.8 TongBi No.7 castor three-week size

前期試驗(yàn)測得500個(gè)通蓖7號蓖麻蒴果三軸尺寸結(jié)果，x方向最大直徑16.96 mm，y方向最大直徑15.91 mm，z方向最大直徑17.01 mm。根據(jù)球度及三軸尺寸測量結(jié)果，建立蓖麻蒴果仿真模型如圖9a所示。根據(jù)已設(shè)計(jì)好的參數(shù)建立脫殼裝置仿真模型，如圖9b所示。

圖9 動力學(xué)仿真模型Fig.9 Simulation model of shelling institutions

為降低計(jì)算量，便于對蓖麻蒴果進(jìn)行動力學(xué)模擬，脫殼裝置仿真模型建立過程中需進(jìn)行相關(guān)簡化，僅保留關(guān)鍵部件。包括：空心軸，上、下脫殼滾筒內(nèi)層殼體，柳葉橡膠涂層，上、下脫殼滾筒外層殼體，將模型導(dǎo)入ADAMS中。

3.2 邊界條件及材料參數(shù)設(shè)置

蓖麻蒴果脫殼分為壓裂階段與脫殼階段，因此對兩種情況分別進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。壓裂階段采用蓖麻蒴果模型進(jìn)行模擬，將其分別與上脫殼滾筒內(nèi)、外層殼體及柳葉橡膠建立接觸力。脫殼階段采用蓖麻籽模型，將其分別與下脫殼滾筒內(nèi)、外層殼體及柳葉橡膠建立接觸力?？招妮S、脫殼滾筒外層殼體與地設(shè)置為固定連接。脫殼滾筒內(nèi)層殼體與空心軸建立旋轉(zhuǎn)副并添加動力。柳葉橡膠隨脫殼滾筒內(nèi)層殼體轉(zhuǎn)動，兩者采用固定連接。以此對脫殼機(jī)構(gòu)的工作狀況進(jìn)行模擬。材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameter

3.3 壓裂階段仿真分析

3.3.1壓裂階段運(yùn)動學(xué)分析

傳感器在0.56 s時(shí)終止了仿真進(jìn)程，此時(shí)蓖麻蒴果受到47 N的接觸力，達(dá)到破裂條件。由圖10可得，蓖麻蒴果首先在上脫殼滾筒內(nèi)層殼體凸臺的帶動下做螺旋線運(yùn)動，運(yùn)動平穩(wěn)，速度逐漸增加并逐漸向脫殼滾筒間隙運(yùn)動；在0.42 s時(shí)，蓖麻蒴果鉛垂方向的位移曲線斜率增加，表明其進(jìn)入脫殼滾筒內(nèi)，由于其與橡膠的摩擦因數(shù)大于與鐵質(zhì)材料的摩擦因數(shù)，蓖麻蒴果進(jìn)入滾筒后速度大幅增加；至蓖麻蒴果壓裂為止，其總位移為103.41 mm，沿鉛垂方向向下運(yùn)動了44.57 mm，速度達(dá)到1 014.07 mm/s。

3.3.2間隙對壓裂階段的影響

保持脫殼滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min，采用10、11、12、13、14 mm間隙進(jìn)行仿真模擬，分別在0.54、0.55、0.56、0.57、0.58 s時(shí)終止仿真進(jìn)程，表明蓖麻蒴果達(dá)到所需破殼力為47 N；隨著間隙的增加，蓖麻蒴果到達(dá)特定壓裂位置的時(shí)間延后。由圖11可知，在間隙10、11、12、13、14 mm下，蓖麻蒴果在鉛錘方向的位移分別37.10、40.82、44.57、48.31、51.16 mm，總位移分別為90.90、94.37、97.09、120.26、 99.59 mm；隨著滾筒間隙的增加，蓖麻蒴果到達(dá)破殼條件時(shí)的位移增加。

圖10 壓裂階段仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of cracking phase

圖11 壓裂階段不同間隙仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of cracking phase with different clearances

圖12 脫殼階段仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of shelling phase

3.4 脫殼階段仿真分析

3.4.1脫殼階段運(yùn)動學(xué)分析

根據(jù)圖12，蓖麻籽在重力及下脫殼滾筒內(nèi)層殼體摩擦力作用下，沿下脫殼滾筒外層殼體向下做螺旋線運(yùn)動，運(yùn)動平穩(wěn)，速度逐漸增加并逐漸向脫殼滾筒間隙運(yùn)動；其總位移為121.22 mm，沿鉛垂方向運(yùn)動250.37 mm，速度達(dá)到1 358.62 mm/s。

3.4.2間隙對脫殼階段的影響

保持脫殼滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min，采用5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm間隙進(jìn)行仿真模擬，分別在0.24、0.24、0.25、0.25、0.26 s時(shí)終止了仿真進(jìn)程，表明蓖麻籽達(dá)到所需破殼力為40 N；隨著間隙的增加，蓖麻籽到達(dá)特定脫殼位置的時(shí)間延后。由圖13a、13b可知，在間隙5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm下，蓖麻蒴果在鉛垂方向的位移分別為220.59、226.36、250.37、264.41、289.84 mm，總位移分別為96.19、114.64、121.22、124.52、128.96 mm；隨著滾筒間隙的增加，蓖麻籽到達(dá)破殼條件時(shí)的位移增加。由圖13c可知，在間隙5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm下，蓖麻蒴果運(yùn)動速度分別為1 082.87、1 172.25、1 358.62、1 399.46、1 131.65 mm/s；在下脫殼滾筒間隙小于6.5 mm時(shí)，蓖麻籽的運(yùn)動速度主要受重力影響，隨著間隙的增大，蓖麻籽達(dá)到特定脫殼間隙時(shí)間延后，導(dǎo)致其速度增大，在下脫殼滾筒間隙大于6.5 mm時(shí)，其受到下脫殼滾筒最大轉(zhuǎn)速限制，速度略有下降。

圖13 脫殼階段不同間隙仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results of shelling phase with different clearances

4 試驗(yàn)

通過轉(zhuǎn)速和出料口間隙的單因素仿真試驗(yàn)可知，滾筒轉(zhuǎn)速和脫殼間隙是影響蓖麻蒴果在脫殼室內(nèi)運(yùn)動的重要因素。為提高脫殼效率，得到脫殼裝置最佳參數(shù)，以滾筒轉(zhuǎn)速、上滾筒出料口間隙、下滾筒出料口間隙為試驗(yàn)因素，脫凈率(脫殼后脫凈蓖麻占總蓖麻數(shù)的百分比)m和破損率(損傷蓖麻占總蓖麻數(shù)百分比)n為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)物料力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如圖14。試驗(yàn)材料為通遼市農(nóng)業(yè)科學(xué)院晾曬的通篦5號蓖麻蒴果。試驗(yàn)設(shè)備包括：可調(diào)式蓖麻脫殼清選一體裝置；冠亞快速水分測定儀(通用SFY-20A型，量程0.5～90 g，稱量精度0.001 g)；雙杰牌電子秤(TC-60K型，最大稱量60 kg)。

圖14 蓖麻脫殼試驗(yàn)Fig.14 Ramie shelling test

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Test factors and code

表3為試驗(yàn)方案和結(jié)果，A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.3 Test design and results

4.2.1脫凈率方差及響應(yīng)面分析

表4為脫凈率方差分析結(jié)果，由表4可知，模型P<0.001，表明脫凈率與各因素的回歸方程顯著，三因素對脫凈率的影響為極顯著，由均方得其影響程度大小為：C、A、B；滾筒轉(zhuǎn)速與下脫殼滾筒出料口間隙的交互作用、上脫殼滾筒出料口間隙的平方項(xiàng)對脫凈率影響極顯著，影響程度大小為：AC、B2；滾筒轉(zhuǎn)速與上脫殼滾筒出料口間隙的交互作用、上脫殼滾筒出料口間隙與下脫殼滾筒出料口間隙的交互作用、滾筒轉(zhuǎn)速的平方項(xiàng)對脫凈率影響顯著，其影響程度大小為：AB、BC、A2；其余項(xiàng)對其影響不顯著。脫凈率與試驗(yàn)因素的回歸關(guān)系為

m=90.19+0.29A+6.49B-2.48C-6.1×10-3AB-
0.02AC-0.24BC-1.2×10-4A2-0.15B2

(5)

圖15為各因素交互作用對脫凈率的影響結(jié)果。

表4 脫凈率方差分析Tab.4 Variance analysis of detachment rate

注：*表示顯著(P<0.05); ** 表示極顯著(P<0.000 1)。

圖15 各因素交互作用對脫凈率影響的響應(yīng)面Fig.15 Response surfaces of interaction for various factors on detachment rate

由圖15a可知，在下脫殼滾筒出料口間隙不變時(shí)，脫凈率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加及上脫殼滾筒出料口間隙的減小而提高；由圖15b可知，在上脫殼滾筒出料口間隙不變時(shí)，脫凈率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加及下脫殼滾筒出料口間隙的減小而提高；由圖15c可知，在滾筒轉(zhuǎn)速不變時(shí)，脫凈率隨著上、下脫殼滾筒出料口間隙的減小而增加。

根據(jù)回歸模型對脫凈率進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)轉(zhuǎn)速為357.99 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為10.06 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為5.05 mm時(shí)，脫凈率最高，為96.16%。

4.2.2破損率響應(yīng)面分析

圖16為各因素交互作用對破損率的影響結(jié)果。

由圖16a可知，在下脫殼滾筒出料口間隙不變時(shí)，破損率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加及上脫殼滾筒出料口間隙的減小而增大；由圖16b可知，在上脫殼滾筒出料口間隙不變時(shí)，破損率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加及下脫殼滾筒出料口間隙的減小而增大。

圖16 各因素交互作用對破損率影響的響應(yīng)面Fig.16 Response surfaces of interaction for various factors on damage rate

根據(jù)回歸模型對破損率進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化，得到當(dāng)轉(zhuǎn)速為257.68 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為13.97 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為7.01 mm時(shí)，破損率最低，為2.78%。

4.2.3雙目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，以脫凈率最大、破損率最小為優(yōu)化目標(biāo)，取脫凈率加權(quán)因子0.6，破損率加權(quán)因子0.4，對脫殼裝置的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化所得參數(shù)：滾筒轉(zhuǎn)速為270 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為13.54 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為5 mm時(shí)，脫凈率為92.44%，破損率為2.85%。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，將脫殼機(jī)工作參數(shù)調(diào)整為優(yōu)化試驗(yàn)得到的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行3次獨(dú)立的重復(fù)試驗(yàn)，脫凈率均值為92.03%，破損率均值為3.1%，試驗(yàn)指標(biāo)均值與優(yōu)化預(yù)測值差異較小，滿足工作要求。

5 結(jié)論

(1) 為提高蓖麻脫殼效率，提出了一種基于滾搓式的脫殼方法。并對脫殼裝置、清選裝置、傳動系統(tǒng)以及不對稱雙圓臺結(jié)構(gòu)的錐角進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了各關(guān)鍵作業(yè)部件結(jié)構(gòu)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，蓖麻脫殼清選一體裝置符合蓖麻脫殼要求。

(2) 建立不同階段脫殼滾筒內(nèi)任意位置與脫殼間隙的數(shù)學(xué)模型，利用動力學(xué)分析軟件ADAMS，對蓖麻蒴果在脫殼滾筒內(nèi)的不同階段進(jìn)行了動力學(xué)仿真，得到了蓖麻蒴果在不同階段位移、速度的變化規(guī)律，并分析不同轉(zhuǎn)速及脫殼出料口間隙對蓖麻蒴果脫殼的影響。

(3) 以脫殼滾筒轉(zhuǎn)速、上脫殼滾筒出料口間隙、下脫殼滾筒出料口間隙為因素，以脫凈率、破損率為指標(biāo)，利用響應(yīng)面法分析各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響，并對脫殼裝置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：三因素對脫凈率、破損率均為顯著性影響；滾筒轉(zhuǎn)速與下脫殼滾筒出料口間隙、滾筒轉(zhuǎn)速與上脫殼滾筒出料口間隙、上脫殼滾筒出料口間隙與下脫殼滾筒出料口間隙的交互作用對脫凈率影響顯著；滾筒轉(zhuǎn)速與下脫殼滾筒出料口間隙、滾筒轉(zhuǎn)速與上脫殼滾筒出料口間隙的交互作用對破損率影響顯著。經(jīng)雙目標(biāo)優(yōu)化，取滾筒轉(zhuǎn)速為270 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為13.54 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為5 mm，此時(shí)脫殼裝置工作性能最佳，脫凈率為92.03%，破損率為3.1%。