錐盤式刀豆脫殼機性能參數實驗研究

李 君，陸華忠，*，楊 洲，胡澤涵

（1.華南農業大學工程學院，廣東廣州510642；2.華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術，教育部重點實驗室，廣東廣州510642）

刀豆為豆科刀豆屬的栽培亞種，外形呈長條型且硬莢，具有良好的藥用和經濟價值。近年來，隨著間套種技術在我國的廣泛推廣，刀豆的栽培面積增長迅速，產業化前景廣闊。目前，刀豆脫殼處理環節依靠人工完成，勞動強度大，生產效率低下，難以滿足產業發展的要求，迫切需要發展與深加工相配套的機械化脫殼裝備。

國內外學者對帶殼物料的脫殼方法與加工設備開展了大量的設計與實驗研究[1-10]。豆類脫殼機普遍采用擠壓法原理進行脫殼，豆籽在通過脫殼軋輥對的間隙時因受到擠壓而破殼擠出，擠壓法適用于新鮮軟莢豆類物料[11]。刀豆莢殼堅韌且縱脊面結合力大，擠壓法無法使籽粒發生移動來撐開莢殼。為此，陸華忠等[12]利用擠壓和剪切復合產生撕搓效應的原理，設計了一種齒形軋輥式刀豆脫殼機，工作時齒形軋輥對反向轉動并相互嚙合，齒頂面、齒廓面與齒槽表面共同形成一個由外到里逐漸減小的脫殼腔，使進入脫殼腔的刀豆莢果受擠搓而脫殼。實驗結果表明，齒形軋輥式刀豆脫殼機的脫殼效果良好，最佳作業參數條件：刀豆品種為矮生刀豆、雙輥轉速為25r/m in、雙輥間隙為18mm、輥面材料為橡膠[13]。立式錐體脫殼結構具備有效利用面積高、生產率高的特點，在花生脫殼加工中已經開始應用。石懷榮等[14]基于螺旋運動送進、擠壓碰撞漸進受力而使花生殼體破碎的原理，設計出一種具有螺旋錐體式碎殼腔型的花生碎殼機構，并構建了碎殼選擇過程函數與碎殼過程函數。劉明國[15]設計了一種倒錐形滾筒結構的立式錐體花生脫殼機，錐形滾筒上安裝有螺旋橡膠筋條，筋條通過螺旋作用推動花生做向下螺旋運動，實驗表明機器的損傷率低、生產率高。陸華忠等[16]設計了一種錐盤式刀豆脫殼機，通過擠壓力、摩擦力與剪切力的共同作用進行脫殼加工。

本文采用響應面分析法，對錐盤式刀豆脫殼機進行性能參數實驗研究，分析主要實驗因素對脫殼性能指標的影響關系以及實驗因素之間的交互作用，建立性能指標與各實驗因素之間的關系方程，為提高刀豆脫殼機的剝凈率和降低損傷率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

矮生刀豆（Canavalia ensiform is） 取自華南農業大學實驗田，同一批儲存樣本，剔除雜質及破裂和未達破殼干燥程度的莢果，整齊度較高。脫殼前將刀豆按厚度進行分級，級差為2mm，含水率為17.6%。

DHG-9030（A）101-0A（S）型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海索譜儀器有限公司；ALC-210.3型電子天平量程210g，測量精度1mg，北京賽多利斯儀器系統有限公司；游標卡尺 測量精度0.02mm；錐盤式刀豆脫殼機 華南農業大學自制；主電動機Y80M 2-4，380V，0.75kW，23.2r/s；V帶減速比7∶2；變頻器YQ3000；軸流風機EG-2A-2，0.18kW，46.7r/s，600～940m3/h；輸送帶電動機5IK90RGU-CF，0.09kW，220V，調速范圍1.5～22.5r/s。

1.2 錐盤式脫殼機工作原理

錐盤式刀豆脫殼機包括喂料斗、上（定）錐型盤、下（動）錐型盤、傳動轉盤、主軸、篩網、集料板、軸流風機、主電動機、機架和輸送帶等，見圖1。上、下錐型盤結構如圖2和圖3所示。上錐型盤固定在機架上，下錐型盤在傳動轉盤與減速V帶的帶動下進行旋轉運動，錐角大小的不同促使兩錐型盤組成的脫殼區域由上往下逐漸變窄。上、下錐型盤的內、外錐面均勻分布有肋條，肋條將盤間空隙分成若干脫殼腔體，用于撞擊、擠壓和撕搓物料。隨著下錐盤的旋轉，脫殼腔體沿錐盤緯圓方向的寬度會周期性交錯變小。

工作時，輸送帶將刀豆莢果送至脫殼機上部，使其順著斜置的導料板落入喂料口，進入兩錐型盤間的脫殼區域后，在自身重力、轉盤提供的向心力作用下，豆莢沿著錐型盤的脫殼區域自錐盤素線向下滑動，下落過程中還受到錐面、肋條的摩擦力、擠壓力和剪切沖擊力。脫殼后的豆仁與莢殼從錐型盤底部的出料口落至篩網上，豆仁透過篩網進入集料板，莢殼在軸流式風機的作用下從一側分離出來。

圖1 錐盤式脫殼機結構Fig.1 Structure of conical cracker

圖2 上錐型盤Fig.2 The top cone

圖3 下錐型盤Fig.3 The bottom cone

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗因素與指標 選取輸送帶速、出料口間隙和錐盤轉速作為實驗因素，以剝凈率和損傷率為脫殼效果的實驗指標。參照NY/T 994-2006[17]，實驗指標的計算公式為：

式中，B—剝凈率，%；S—損傷率，%；WW—完整豆仁質量，g；WP—破碎豆仁質量，g；WS—損傷豆仁質量，g；WB—未剝開刀豆莢果的豆仁質量，g。

1.3.2 實驗設計與數據處理 為全面地分析各因素的影響，減少實驗次數，選用二次回歸正交實驗。對于實驗的安排，采用中心組合設計理論。根據錐盤式刀豆脫殼機的實際情況和預實驗效果，確定實驗因素和水平如表1所示。每次實驗均采用20條刀豆莢果進行脫殼實驗，每個處理重復3次，取平均值。將實驗方案中（表2）的實驗號按照隨機抽取的方法安排實驗順序，重復實驗完成后將實驗區內莢果和豆仁進行整理，分別稱量完整豆仁質量、破碎豆仁質量、損傷豆仁質量和未剝開豆莢的豆仁質量，按照實驗指標的計算方法對本組實驗的剝凈率和損傷率進行計算。調節實驗因素值進行下一組實驗，直至全部實驗完成。錐盤轉速通過改變變頻器的工作頻率來調節主電動機轉速實現，輸送帶速采用調速器調整輸送帶電動機轉速的方式，出料口間隙通過調整上錐盤導向螺栓的彈簧壓縮量來實現。

表1 實驗因素與水平表Table1 Factors and levels of test table

1.3.3 統計分析與參數優化 采用Design-Expert 8.0進行回歸顯著性分析、響應面曲線繪制以及實驗參數組合優化。軟件尋優方法為期望函數法，約束條件中各實驗因素的水平值取值范圍[-1.682，1.682]，在剝凈率和損傷率同等重要的基礎上，要求響應值剝凈率最大化和損傷率最小化，進而找到最佳脫殼工藝參數組合。

2 結果與分析

2.1 實驗因素對脫殼性能指標的影響關系

二次回歸正交實驗結果如表2所示。

利用響應面分析方法，對表2進行統計分析，可得刀豆剝凈率、損傷率的回歸方程分別為：

表2 正交實驗結果Table2 Results of orthogonal test

表3 剝凈率的方差分析Table3 Variance analysis of shelling efficiency

對方程和回歸系數進行統計檢驗，結果如表3和表4所示。剝凈率Y1方程顯著性檢驗F=7.90，p=0.0005，失擬性檢驗F=0.31為不顯著，決定系數R2=0.8454；損傷率Y2方程顯著性檢驗F=12.61，p＜0.0001，失擬性檢驗F=3.23為不顯著，決定系數R2=0.8972。說明在實驗范圍內，預測值與實測值擬合較好，可用此兩模型對剝凈率和損傷率進行分析和預測。由于方程是經過無量綱線性編碼代換后所得，方程中各個回歸項系數已經標準化，因此，可通過直接比較其絕對值的大小來判斷因子的重要性。從線性項看，對剝凈率的影響程度X3→X2→X1依次遞減，對損傷率的影響程度X3→X2→X1依次遞減。通過數學模型的回歸系數顯著性實驗可看出，錐盤轉速、出料口間隙對于剝凈率和損傷率均具有極顯著的影響，輸送帶速對剝凈率和損傷率均影響不顯著。錐盤轉速與出料口間隙的交互項對剝凈率有顯著的影響。出料口間隙與輸送帶速的交互項、輸送帶速二次項、錐盤轉速二次項對損傷率均具有極顯著的影響，輸送帶速與錐盤轉速的交互項、出料口間隙二次項對損傷率均具有顯著的影響，說明各因素與損傷率之間既存在二次非線性關系，也存在交互作用。

表4 損傷率的方差分析Table4 Variance analysis of percentage damage

根據實驗數據作響應面圖，分析輸送帶速、出料口間隙和錐盤轉速對刀豆脫殼率和損傷率的影響以及影響顯著交互項之間的交互效應。

由圖4可知，在實驗范圍內，在輸送帶速為零水平時，要保持相同的剝凈率，若增大出料口間隙，則相應的錐盤轉速也要增加。說明前者對剝凈率起抑制作用，后者起促進作用。減小出料口間隙和增加錐盤轉速均有助于提高刀豆的剝凈率。

圖4 剝凈率響應面Fig.4 The response curves of shelling efficiency

由圖5（a）可知，在實驗范圍內，在錐盤轉速為零水平的情況下，當出料口間隙在（-1.682，0）水平、輸送帶速在（-1.682，0）水平區間內時，損傷率隨著出料口間隙的增大先減小后略有增加，但隨著輸送帶速的增大而增加。而當出料口間隙在（0，1.682）水平、輸送帶速在（0，1.682）水平區間內時，損傷率隨著出料口間隙和輸送帶速的增大而減小。可知，增大出料口間隙有助于減小刀豆的損傷率。

由圖5（b）可知，在實驗范圍內，在出料口間隙為零水平時，在不同水平的錐盤轉速條件下，隨著輸送帶速的增大，損傷率呈先增加后減小的趨勢。而在不同水平的輸送帶速條件下，損傷率隨著錐盤轉速的增大呈現先快速增加后趨于平緩的趨勢。因此，降低錐盤轉速有助于減小刀豆的損傷率。

圖5 各因素交互作用對損傷率的影響Fig.5 Interactions between different parameters on percentage damage

2.2 實驗參數優化與驗證

考慮到剝凈率和損傷率的重要性，設重要程度均為5，采用Design-Expert軟件進行優化分析，可得參數優化結果：當輸送帶速為-1.32（66.83mm/s）、出料口間隙為0.39（17.46mm）和錐盤轉速為1.65（6.11r/s）時，最佳指標條件的預測值為剝凈率96.66%、損傷率0.32%。

為保證生產應用中脫殼機作業參數調整與操作的可行性，將錐盤式刀豆脫殼機的最佳參數組合修正為輸送帶速為66.67mm/s，出料口間隙為17.5mm，錐盤轉速為6.1r/s，在此條件下進行實驗驗證，3次重復后得到指標的實驗平均值：剝凈率96.90%（實驗結果分別為95.8%，97.52%和97.31%），損傷率0.34%（實驗結果分別為0.28%，0.39%和0.35%）。優化工藝條件下的預測值和實驗平均值接近，可認為優化后的預測模型是正確的。

3 結論

3.1 通過二次正交旋轉組合回歸實驗設計方法建立了實驗指標與影響因素之間的回歸數學模型，結果表明錐盤式刀豆脫殼機對含水率17.6%的矮生刀豆進行脫殼時，剝凈率范圍為67.20%～96.20%，損傷率范圍為0.56%～7.34%。

3.2 對剝凈率和損傷率的影響強度由錐盤轉速→出料口間隙→輸送帶速依次遞減。錐盤轉速、出料口間隙對于剝凈率和損傷率具有極顯著的影響，輸送帶速對剝凈率和損傷率影響不顯著。減小出料口間隙和增加錐盤轉速有助于提高刀豆的剝凈率，增大出料口間隙和降低錐盤轉速有助于減小刀豆的損傷率。

3.3 按響應值剝凈率最大化和損傷率最小化進行優化，得到最佳脫殼工藝參數組合：輸送帶速為66.67mm/s、出料口間隙為17.5mm和錐盤轉速為6.1r/s，優化工藝條件下對應的指標實驗值：剝凈率為96.90%、損傷率為0.34%，與預測值誤差很小。結果證明了優化后得到的預測模型和工藝條件的可行性，為刀豆脫殼機的改進設計以及生產加工提供了理論依據。

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