擠壓式核桃破殼機參數優化試驗

閆 　茹，趙奎鵬，鄭甲紅，王亞妮，徐童非

(1.陜西科技大學 機電工程學院，西安　710021；2.陜西省農業機械研究所，陜西 咸陽　712000)

?

擠壓式核桃破殼機參數優化試驗

閆 茹1，趙奎鵬1，鄭甲紅1，王亞妮2，徐童非1

(1.陜西科技大學 機電工程學院，西安710021；2.陜西省農業機械研究所，陜西 咸陽712000)

摘要：為了得到擠壓式核桃破殼機的最佳工作參數，對破殼機進行了試驗研究。選擇對核桃破殼影響較大的含水率、彈簧剛度、擠壓行程3個因素進行了單因素破殼試驗，以此為基礎進行了3因素3水平的響應面Box-Behnken破殼試驗，分析了因素間的交互作用，建立了回歸方程,并進行了驗證試驗。結果表明：影響破殼效果的因素主次順序為含水率、彈簧剛度、擠壓行程，含水率分別和彈簧剛度、擠壓行程有交互作用；最佳工作參數為含水率21%、彈簧剛度15.3N/mm、擠壓行程10mm。試驗采用陜南商洛核桃，彌補了陜南核桃相關參數的空白，試驗數據為核桃破殼機的設計和改進提供了理論依據。

關鍵詞：核桃；破殼；單因素試驗；響應面試驗

0引言

隨著核桃的營養價值被人們認知，核桃及其深加工產品的需求日益增加，如核桃油、核桃粉、核桃糖等，都是進行核桃深加工的產品。無論何種形式的核桃深加工，破殼都是首要的工序。核桃作為生物產品，品種繁雜、尺寸形狀差異大、殼仁間隙厚度不同，導致核桃的破殼難度較大，目前仍沒有成熟的核桃破殼機械，很多地方仍采用人工砸取的方式，效率極為低下[1-8]。因此，自制了擠壓式核桃破殼機，并進行了單因素試驗和響應面試驗研究，為核桃破殼提供了數據依據。本核桃破殼機適用于任何大小的核桃破殼，不需要破殼前的分級工作。

1工作原理與參數分析

1.1試驗裝置結構與工作原理

擠壓式核桃破殼機由擠壓板、擠壓裝置、進料口、上蓋、端蓋、滾子、下蓋及機架等部分組成，如圖1所示。其長度約400mm，寬度約為200mm，高度約500mm。該機體積小，易搬運。

工作時，將核桃從進料口處送進機器，核桃掉進滾子上的凹槽里，隨著滾子的逆時針轉動，核桃慢慢與擠壓板接觸；擠壓板上安裝有可調彈簧提供擠壓力，核桃在滾子的凹槽內與擠壓板進行擠壓破殼，破殼后的核桃從下蓋的出料口流出。該機設計簡單，操作方便，破殼效果較好。

1.擠壓裝置　2.擠壓板　3.軸　4.進料口

1.2工作參數分析

擠壓式核桃破殼機的擠壓力由擠壓裝置的可調彈簧提供?？烧{彈簧可以調節彈簧的剛度和彈簧擠壓力，亦可調擠壓行程，能夠滿足多品種核桃的破殼需要。同時，核桃本身的含水率也對核桃破殼效果影響較大。因此，彈簧剛度、擠壓行程及核桃含水率3個因素間的參數匹配非常重要，是影響核桃破殼的關鍵因素。

2試驗材料與方法

2.1試驗設備及材料

采用陜南商洛核桃(購于西安市徐家灣農貿市場)作為本研究的試驗材料。目前，已經有很多關于新疆核桃的試驗研究，然而對陜南核桃很少涉及[9-11]。因此，選用陜南商洛核桃作為試驗材料，以提供陜南商洛核桃的相關數據，為后期陜南核桃破殼研究提供相關依據。

該試驗所使用的設備包括擠壓式核桃破殼機(自制)、紅外線快速水分測試儀(SFY-60型)、電子天平(JM2.2)及電子卡尺(精度0.01mm)等。

2.2試驗指標

采用加權評分法將破殼率、高路仁率、整仁率進行綜合相加，得出綜合評價值Q作為試驗指標。破殼率為完全被擠壓破殼核桃的總數所占總核桃個數比例。高路仁率為1/4仁及以上的核桃仁質量所占的總質量的比重。整仁率為完整的核桃仁質量所占總核桃仁質量的比重。

破殼率、高路仁率和整仁率的取值范圍都為0～1，所以核桃評價指標Q的取值范圍為0～3。三者越大，則Q就越大，核桃的破殼狀況就越好。同時，Q考慮到了核桃破殼情況、高路仁情況及整仁情況。所以，將總值Q作為評價指標。

2.3試驗核桃預處理

本試驗所用核桃的尺寸大小為33～38mm。室溫下，將核桃放入冷水中進行浸泡，分別浸泡8、24、36h左右，使核桃含水率分別達到7%、16%、23%、30%、37%左右；然后，核桃分組，每組20個核桃為一組進行破殼試驗。

3試驗結果及分析

3.1單因素試驗

3.1.1含水率單因素試驗

當彈簧剛度為13.1N/mm、擠壓行程為15mm時，取選取含水率為7%、16%、23%、30%、37%的核桃在自制的擠壓式核桃破殼機上進行試驗，以期得到含水率因素對核桃破殼的影響。破殼效果如圖2所示。

由圖2可知：隨著含水率的增大，破殼效果先增后降，當含水率為23%時，破殼效果最好。

3.1.2彈簧剛度單因素試驗

當核桃含水率為15%、擠壓行程為15mm時，選取9.1、11.2、13.1、15.5、17.6N/mm這5個彈簧剛度進行試驗，結果如圖3所示。

圖2　含水率對核桃破殼總值影響圖

圖3　彈簧剛度對核桃破殼總值影響圖

由圖3可以看出：當彈簧剛度小于等于15.5N/mm時，破殼效果越來越好；當彈簧剛度大于15.5N/mm時，破殼效果反而變差；當彈簧剛度為15.5N/mm時，效果最好。

3.1.3擠壓行程單因素試驗

當彈簧剛度為13.1N/mm、含水率為15%時，選用擠壓行程為4、7、10、13、16mm進行擠壓行程因素試驗，結果如圖4所示。

由圖4可知：破殼效果隨著擠壓行程的增加，先增加后減??；當擠壓行程為10mm時，破殼效果最佳。

圖4　含水率對核桃破殼總值影響圖

3.2響應面試驗

根據Design-Expert軟件中的BOX-Behnken試驗設計[12-15]，選取含水率、彈簧剛度、擠壓行程3個影響破殼的關鍵因素進行響應面試驗。3個因素分別用A、B、C表示。其因素水平表如表1所示。

表1　因素水平表

3.2.1Box-Behnken試驗設計及結果

設計3因素3水平共15個試驗點[16-17]的響應面試驗，試驗方案設計及試驗結果如表2所示。

3.2.2模型適用性分析

模型適用程度可以由模型的P值、失擬項P值、判定系數R2來判斷[18]。其中，模型P值<0.05表示其模型顯著；失擬項P值>0.05表示其模型的失擬度較小、模型準確。判定系數R2越大，表示模型符合度越高。由表3中各個模型參數可知：二次方模型的模型P值為0.011 1<0.5、失擬項P值為0.899 6>0.05、判定系數R2為0.802 8。其他模型不符合條件，所以選擇二次方模型最適合作為本試驗的模型。

表2　Box-Behnken試驗設計及結果

3.2.3回歸模型及方差分析

通過Design-Expert軟件對試驗結果進行回歸分析，得到回歸方程為

Q=2.18-0.11·A-0.039·B-0.011·C-

0.11·A·B-0.18·A2-0.075·B2-0.14·C2

模型參數及方差分析結果如表3、表4所示。

表3　模型參數

續表3

表4　方差分析及顯著性檢驗

P值<0.05為顯著，用*表示；P值<0.01為極顯著，用**表示。

3.2.4多因素分析

根據Box-Behnken試驗結果得到響應曲面和等高線圖，圖5～圖7為各個因素共同對破殼效果的影響。

圖5　含水率、彈簧剛度對破殼效果總值影響的相應曲面(a)和等高線(b)

由圖5(a)可以看出:當擠壓行程C因素為0水平時，破殼總值隨著含水率A、彈簧剛度B兩個因素的增大而先增大;當達到峰值后，略微有些下降。由圖5(b)可以看出：含水率A、彈簧剛度B兩個因素之間有明顯的交互作用。

由圖6(a)可知：當彈簧剛度B因素處于0水平時，破殼總值在一定范圍內隨著含水率A、擠壓行程C兩個因素的增大而增大；達到極值之后，隨著含水率A、擠壓行程C的增大而變小。由圖6(b)可知：含水率A、擠壓行程C兩個因素之間也有一定的交互作用。

通過圖7(a)可以看出：保持含水率A因素在0水平，破殼總值在一定范圍內隨著彈簧剛度B、擠壓行程C兩個因素的增大而先增大后減小，峰值基本位于兩因素取值范圍的中間。由圖7(b)可知：彈簧剛度B、擠壓行程C兩個因素之間沒有交互作用。

圖6　含水率、擠壓行程對破殼效果總值影響的相應曲面(a)和等高線(b)

圖7　彈簧剛度、擠壓行程對破殼效果總值影響的相應曲面(a)和等高線(b)

3.2.5驗證試驗

利用Design-Expert軟件，根據試驗結果，可以得到最優條件為含水率為20.92%、彈簧剛度為15.3N/mm、擠壓行程為9.88mm，其結果為2.197。根據最優工作參數[19]，考慮到可操作性原則進行了三組驗證試驗，結果如表5。

表5　驗證試驗結果

3個驗證試驗結果平均值為2.14，相對誤差為1.9%，充分驗證了數學模型的正確性。考慮到操作簡單原則，最優參數為含水率21%、彈簧剛度15.3N/mm、擠壓行程10mm。

4結論

1)由單因素試驗可得到含水率、彈簧剛度、擠壓行程和核桃破殼效果總值有明顯的二次非線性關系。從響應面試驗結果可得影響破殼效果的因素主次順序為：含水率>彈簧剛度>擠壓行程。

2)響應面試驗和驗證試驗表明：最優工作參數為含水率21%、彈簧剛度15.3N/mm、擠壓行程10mm。

3)本試驗研究只對陜南商洛核桃進行了試驗研究，對于其他品種的核桃破殼情況還需進一步試驗。

參考文獻：

[1]李忠新,楊莉玲,阿布力孜.中國核桃產業發展研究[J].中國農機化,2013(4):23-28.

[2]張彥彬，劉 洋.核桃剝殼取仁機的設計與實驗研究[J].農機化研究,2014,36(4):132-136.

[3]Ragab Khir，Pan Zhongli，Griffiths G Atungulu，et al.Size and moisture distribution characteristics of walnuts and their components[J]．Food and Bioprocess Technology， 2011(11):11-23.

[4]劉奎，李忠新. 核桃破殼裝置的發展研究[J].農業科技與裝備,2014(8):55-57.

[5]Faroogh Sharifian, Mohammadali Haddad Derafshi. Mechanical behavior of walnut under cracking conditions[J].Journal of Applied Sciences,2008,8(5) : 886-890．

[6]李忠新，劉奎,楊莉玲,等.錐籃式核桃破殼裝置設計與試驗[J].農業機械學報,2012(10):146-152.

[7]Wu Yao,Zhao Chao.Measurement of walnut properties and analysis on the compressive stiffness of the critical value of Shell-cracking[J].Chinese Food Science, 2012,1(2):46-49.

[8]吳進.核桃仁切仁機的設計與試驗研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2013.

[9]董詩韓,史建新.多輥擠壓式核桃破殼機的設計與試驗[J].新疆農業大學學報,2011,34(1):62-65.

[10]史建新,趙海軍,辛動軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術研究[J].農業工程學報,2005,21(3):185-188.

[11]高警，閆茹，鄭甲紅,等.對影響核桃破殼力大小因素的探究[J].農機化研究,2014,36(9):186-189.

[12]王 維，賀功民，王亞妮.3FJ-001型核桃分級機的設計與試驗[J].農機化研究,2014,36(5):155-157.

[13]Sezai E, Mazhar K, Ismail O, et al. Comparison of some physical-mechanical nut and kernel properties of two walnut (Juglans regia L.) cultivars[J].Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-Napoca,2011,39( 2) : 227-231．

[14]張宏，馬巖.基于遺傳BP神經網絡的核桃破裂功預測模型[J].農業工程學報,2014(18):78-84.

[15]Fatih Bektas,Basak Aldemir Bektas.Analyzing mix parameters in ASR concrete using response surface methodology[J].Construction and Building Materials,2014,66 : 299-305.

[16]Deepak D. Dicholkara, Vilas G. Gaikar.Modeling and optimizing of steam pyrolysis of dimethyl formamide by using response surface methodology coupled with Box-Behnken design[J].Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2012,96: 6-15.

[17]Ebubekir Altuntas,Yakup Zkan.Physical and mechanical properties of some walnut (Juglans regia L.) cultivars[J].International Journal of Food Engineering,2008,4 (4):10-16．

[18]鄭少華，姜奉化.實驗設計與數據處理[M].北京：中國建材工業出版社,2004：169-173.

[19]宋金鵬，王新海.棉花剝殼機參數及性能的優化[J].農機化研究,2011,33(2):124-126.

The Experimental Study on Walnut Shell Breaking Machine With Extrusion Based on Response Surface Methodology

Yan Ru1, Zhao Kuipeng1, Zheng Jiahong1, Wang Yani2, Xu Tongfei1

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China ; 2.Shaanxi Institution of Agricultural Mechanism,Xianyang 712000，China)

Abstract：In order to get the best working parameters of extrusion type walnut shell breaking machine.have studied on the machine based on experiments. Chosen moisture content、spring stiffness、squeeze length as the key factors to have single factor tests.And on this basis.had a response surface Box-Behnken experiment with three factors and three levels.Analyzed the interaction between every factors.and established the regression equation.Had validation test as well. The result shows that the primary and second order of the influencing factors is moisture content,spring stiffness,squeeze length.Moisture content have interaction with spring stiffness、squeeze length, respectively. the best working parameters is moisture content 21%,spring stiffness 15.3N/mm,squeeze length 10mm.This experiment adopted the Shangluo walnut in southern Shaanxi.This experiment fills in the blank of the related walnuts parameters. At the same time,the experiment data provides the basis for the design and optimization of walnut shell breaking.

Key words：walnut; shell breaking; single factor tests; response surface tests

文章編號：1003-188X(2016)06-0219-06

中圖分類號：S226.4

文獻標識碼：A

作者簡介：閆茹(1980-),女，西安人，副教授，碩士，(E-mail)24873693@qq.com。通訊作者：趙奎鵬(1990-)，男，山東夏津人，碩士研究生，(E-mail)1149248926@qq.com。

基金項目：陜西省教育廳科學研究計劃項目(2013JK1041)

收稿日期：2015-05-04