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        基于響應(yīng)面分析法的輥?zhàn)邮介蛔悠茪C(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

        2021-10-24 12:12:20王喜印于東林
        吉林化工學(xué)院學(xué)報 2021年9期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        王喜印,許 諾,李 齊,于東林*

        (1.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,吉林 吉林 132022;2.吉林石化公司 合成樹脂廠,吉林 吉林 132000)

        作為世界四大干果(核桃、杏仁、榛子、腰果)之一的榛子,是國際上暢銷的名貴干果,并享有“堅果之王”的美譽(yù)[1],據(jù)不完全統(tǒng)計,20世紀(jì)90年代東北地區(qū)約有榛子林377.8萬畝,年產(chǎn)榛子8 600萬公斤以上[2].

        我國是從20世紀(jì)后期開始對破殼機(jī)械開始研發(fā),且發(fā)展較為緩慢,根據(jù)統(tǒng)計,目前我國榛子破殼機(jī)的工作效率可以達(dá)到75%左右.為了進(jìn)一步提高脫殼的效率,減小破仁率,設(shè)計一種刀輥式脫殼裝置,通過理論計算得出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù),為現(xiàn)在國內(nèi)市場提供了一種制作最新刀輥結(jié)構(gòu)的方法.

        1 刀輥結(jié)構(gòu)

        在榛子壓裂箱中加入輥?zhàn)?,使用者將榛子從壓裂箱口放入,通過刀輥的工作,進(jìn)行第一步松殼,結(jié)束后,榛子會從下部出料口中送出[3].榛子壓裂箱整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,刀輥具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

        圖1 榛子壓裂箱結(jié)構(gòu)示意圖

        圖2 刀輥結(jié)構(gòu)示意圖

        2 刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)

        2.1 刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

        作為脫殼裝置中至關(guān)重要的部件,刀輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了最終破殼效果.刀輥脫殼主要靠刀輥?zhàn)陨磙D(zhuǎn)速、刀輥的直徑大小、刀輥間隙三者決定.根據(jù)工作原理,榛子從進(jìn)料口進(jìn)入,因?yàn)橹亓ψ饔茫归蛔舆M(jìn)入脫殼室,在脫殼室中會受到轉(zhuǎn)動刀輥的撞擊,擠壓和剪切力的同時作用,導(dǎo)致榛子發(fā)生破殼,刀輥轉(zhuǎn)動由電動機(jī)支持,電動機(jī)配有變頻器,可以控制刀輥的轉(zhuǎn)動[4].

        (1)取榛子大小為15 mm,彈性模量為120 MPa,破殼榛子大約需要8~12 N的力,以刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥間隙、刀輥直徑進(jìn)行單因素試驗(yàn).

        (2)根據(jù)中心組合設(shè)計理論,結(jié)合單因素試驗(yàn)的結(jié)論進(jìn)行分析,選擇刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥間隙、刀輥直徑為影響因素,以脫殼率和破仁率為響應(yīng)值[5].

        2.2 單因素試驗(yàn)

        2.2.1 不同刀輥轉(zhuǎn)速對榛子脫殼的影響

        取刀輥直徑為180 mm,刀輥間隙為13 mm,刀輥轉(zhuǎn)速為80、120、140、160、180、220 r·min-1,不同轉(zhuǎn)速條件下榛子的脫殼率和破仁率如圖3所示,從圖可以看出,脫殼率和破仁率與刀輥轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系,所以刀輥轉(zhuǎn)速選160~220 r·min-1適宜.

        刀輥轉(zhuǎn)速/(r·min-1)圖3 不同刀輥轉(zhuǎn)速對脫殼效果的影響

        2.2.2 不同刀輥直徑對榛子脫殼的影響

        取刀輥轉(zhuǎn)速為180 r·min-1,刀輥間隙為13 r·min-1,在刀輥直徑為176、178、180、182、184、186、188 mm條件下,榛子脫殼率與破仁率如圖4所示,從圖可以看出,脫殼率和破仁率與刀輥直徑呈非線性關(guān)系,所以刀輥轉(zhuǎn)速選182~186 min適宜.

        刀輥直徑/mm圖4 不同刀輥直徑對脫殼效果的影響

        2.2.3 不同刀輥間隙對榛子脫殼的影響

        取刀輥轉(zhuǎn)速為180 r·min-1,刀輥直徑為184 mm,在刀輥間隙為8.8、9.8、10.8、11.8、12.8、13.8 mm條件下,榛子脫殼率與破仁率如圖5所示,從圖可以看出,脫殼率和破仁率與刀輥直徑間隙呈非線性關(guān)系,所以刀輥間隙選9~13 mm適宜.

        刀輥間隙/mm圖5 不同刀輥間隙對脫殼效果的影響

        2.3 組合設(shè)計試驗(yàn)

        2.3.1 脫殼率的響應(yīng)面分析

        根據(jù)單因素測試的結(jié)果,做出脫殼率響應(yīng)面圖,如圖6所示.

        圖6 影響脫殼率各因素的響應(yīng)面分析

        從圖6中可以看出,在試驗(yàn)的范圍內(nèi),刀輥直徑不變時,增大刀輥轉(zhuǎn)速和減小刀輥間隙可以提高榛子的脫殼率;當(dāng)?shù)遁侀g隙不變時,增大刀輥轉(zhuǎn)速或刀輥直徑,可以提高脫殼率;當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速不變時,隨著刀輥直徑的增加,脫殼率先增大后減小.

        2.3.2 破仁率的響應(yīng)面分析

        根據(jù)單因素測試的結(jié)果,做出破仁率響應(yīng)面圖,如圖7所示.

        圖7 影響破仁率各因素的響應(yīng)面分析

        從圖7中可以看出,在試驗(yàn)的范圍內(nèi),刀輥直徑不變時,減小刀輥轉(zhuǎn)速和提高刀輥間隙可以降低榛子的破仁率;當(dāng)?shù)遁侀g隙不變時,減小刀輥轉(zhuǎn)速和刀輥直徑,可以降低破仁率;當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速不變時,減小刀輥直徑或增大刀輥間隙可以降低破仁率[6].

        3 效果分析

        按照中心組合試驗(yàn)設(shè)計方案結(jié)果,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示.

        由圖9可知,當(dāng)模型P值小于0.000 1時,回歸方程的檢驗(yàn)顯著,擬合檢驗(yàn)的失敗F=2.55則不顯著,表明殘余誤差是由隨機(jī)誤差引起的.該模型可用于分析和預(yù)測榛子的脫殼率和破仁率[7].

        圖8 中心組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        圖9 脫殼率方差分析

        破仁率方差分析如圖10所示.

        圖10 破仁率方差分析

        由圖10可知,為了讓結(jié)果具有普遍性,使榛子破殼機(jī)達(dá)到最大工作效率,在相同的測試條件下,重復(fù)進(jìn)行了3次試驗(yàn)[8],試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

        表1 優(yōu)化方案驗(yàn)證

        根據(jù)上述數(shù)據(jù)得出榛子破殼機(jī)的脫殼率[9]、破仁率的偏離參考點(diǎn)值,如圖11所示.

        圖11 脫殼率,破仁率偏離參考點(diǎn)值

        參數(shù)響應(yīng)面分析結(jié)果表明,當(dāng)?shù)遁伒霓D(zhuǎn)速為180 r·min-1,刀輥的直徑為181 mm,刀輥的間隙為11.2 mm時,榛子破殼機(jī)的脫殼率為93.35%,破仁率為7.69%[10].

        4 結(jié) 論

        (1) 采用單因素試驗(yàn)方法獲得各結(jié)構(gòu)參數(shù)對脫殼率和破仁率的影響,采用響應(yīng)面法對刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得出試驗(yàn)范圍內(nèi)破殼率的值.

        (2) 根據(jù)統(tǒng)計學(xué),判斷出各影響因素對榛子脫殼率的影響強(qiáng)度為:刀輥直徑>刀輥間隙>刀輥轉(zhuǎn)速.

        (3) 使用design expert軟件對模型進(jìn)行優(yōu)化分析,得出當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速為180 r·min-1,刀輥直徑為181 mm,刀輥間隙為11.2 mm時,榛子破殼機(jī)的脫殼率為93.35%,破仁率為7.69%[11].

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