動靜磨盤式薏苡脫殼機構性能參數(shù)試驗研究

施麗莉+胡志超+謝煥雄+王建楠+劉敏基+宋衛(wèi)東

摘要：研究了動靜磨盤式薏苡脫殼機構對薏苡脫殼的可行性，以及機構性能參數(shù)（動靜盤間隙A、進料速度B、動盤轉速C）對考察指標（薏苡脫殼率、薏苡破碎率）的影響規(guī)律和參數(shù)的優(yōu)化結果，影響薏苡破碎率的主次因素依次為：A>B>C，即動靜盤間隙>進料速度>動盤轉速；影響薏苡脫殼率的主次因素依次為：A>B>C，即動靜盤間隙>進料速度>動盤轉速。綜合考慮脫殼率和破碎率對脫殼的影響，確定最優(yōu)方案為A3B3C2，即動靜盤間隙為10 mm，進料速度為330 kg/h，動盤轉速為1 120 r/min。為生產(chǎn)中應用上述脫殼機械對薏苡進行脫殼加工提供科學依據(jù)。

關鍵詞：薏苡；脫殼機構；性能參數(shù)；最優(yōu)方案

中圖分類號： S226.1 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）09-0357-03

薏苡（Coix lachryma-jobi L.）在植物學分類體系中隸屬于禾本科（Gramineae）玉米族（Tripasacea）薏苡屬（Coix），是一年生或多年生的C4草本植物[1-4]。

薏苡有著“世界禾本科植物之王”和“生命健康之禾”的美名，近些年來隨著人們對健康飲食的關注而身價倍增[5-7]。現(xiàn)階段對薏苡進行加工多采用的是對帶殼物料進行脫殼加工的通用設備[8]，機械的質量和作業(yè)性能不能完全滿足當前薏苡的加工生產(chǎn)需求，尚存在諸多問題。市場對于專業(yè)、高效的薏苡脫殼機械的需求日趨迫切。本研究通過對現(xiàn)有薏苡脫殼及其他殼類物料脫殼技術現(xiàn)狀的研析，提出了薏苡專用脫殼機構的研發(fā)技術路線：即使用碾搓法對薏苡進行脫殼，設計動靜磨盤式薏苡脫殼機構并進行試驗。

1 儀器與方法

1.1 薏苡脫殼機結構及工作原理

圖1為試驗臺示意圖，為更加清晰地表達薏苡在脫殼腔內(nèi)的運動，現(xiàn)運用EDEM軟件對脫殼腔內(nèi)部的運動進行仿真，以便于對碾搓法脫殼以及脫殼關鍵部件的進一步研究。圖2模擬了薏苡進入脫殼腔內(nèi)，并在動靜盤的共同作用下實現(xiàn)脫殼的過程。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗因素與指標 選取動靜盤間隙、進料速度、動盤轉速作為試驗因素，脫殼率、破碎率為脫殼效果的試驗指標。試驗公式為：

式中：B為脫殼率，C為破碎率。m為完整的薏苡仁的質量，m1為破碎的薏苡仁的質量，m2為未脫開的薏苡仁的質量。m、m1、m2的單位均為g。

1.2. 2 試驗設計與數(shù)據(jù)處理 為全面分析各因素的影響，現(xiàn)進行單因素試驗和正交試驗，且均采用多次試驗取平均值。單因素試驗結果用SPSS進行曲線擬合，列出因素與脫殼率和破碎率的數(shù)學關系式，并通過分析得出具體影響規(guī)律[9]。在對單因素結果進行分析之后，選取對脫殼指標有顯著影響的因素進行正交試驗，正交試驗的結果通過加權綜合評分法、極差分析法等進行計算，確定動靜磨盤式薏苡脫殼機的最佳工作參數(shù)。

2 結果與分析

2.1 試驗因素對脫殼性能指標的影響關系

對單因素試驗、正交試驗的結果進行回歸分析可得到動靜盤間隙、進料速度、動盤轉速與脫殼性能指標的關系。由試驗可知，動靜盤間隙（因素A）、進料速度（因素B）均對脫殼率和破碎率有影響，而動盤轉速（因素C）只對破碎率有影響。具體關系如下式所示：

動靜盤間隙對脫殼率的模型表達式為：y=-0.684+0.44x-0.029x2；

動靜盤間隙對破碎率的模型表達式為：y=5.02-0.981x+0.048x2；

進料速度對脫殼率的模型表達式為：y=88.858+0.034x-1.052×10-7x3；

進料速度對破碎率的模型表達式為：y=12.664-0.026x+3.941×10-5x2；

動盤轉速對破碎率的模型表達式為：y=314.894+0.429x+1.228×10-7x3。

表1為正交試驗因素和水平，表2為正交試驗安排與結果。本研究對結果進行了方差分析，表3、表4分別表示各試驗因素對脫殼率和破碎率影響的方差分析結果，由結果可知，因素A、B對薏苡脫殼率和破碎率的影響都十分顯著，但是因素C只是對薏苡的破碎率影響顯著，對薏苡的脫殼率影響不顯著。影響薏苡脫殼率的主次因素為A>B>C，即動靜盤間隙>進料速度>動盤轉速，其中，動盤轉速對薏苡的脫殼率影響較小，動靜盤間隙對脫殼率的影響極顯著。影響薏苡破碎率的主次因素為A>B>C，即動靜盤間隙>進料速度>動盤轉速，其中動靜盤間隙的影響作用也極顯著。

2.2 確定脫殼機械的最佳工作參數(shù)

由分析可知，動靜盤間隙、進料速度、動盤轉速3個因素對脫殼率和破碎率影響的主次關系不同，為了兼顧各項性能指標的得失，使動靜磨盤式薏苡脫殼機構的使用能達到更好的脫殼效果，需要對試驗結果進行進一步的分析，現(xiàn)通過加權綜合評分法的公式計算及分析，選出最優(yōu)組合。由于本次試驗使用的數(shù)據(jù)以及分析都是在進行1次脫殼試驗之后得出來的，實際生產(chǎn)中，可以對薏苡進行多次反復脫殼試驗。但是一旦薏苡破碎，那就意味著損失浪費，降低了農(nóng)民收入。所以考慮到這2項性能的重要程度，以100分作為總“權”，脫殼率占分為30分，破碎率占分為70分[10-12]。

加權綜合評分法最終可以求得最大值和最小值來進行最優(yōu)值的選擇，而在本試驗中，薏苡的脫殼率和破碎率2個衡量指標的衡量標準卻不相同。薏苡的脫殼率越大越好，但薏苡的破碎率越小越好。所以為方便使用加權綜合評分法，現(xiàn)定義T1值=1-脫殼率，破碎率的值為T2。定義后，T1值和T2值為衡量脫殼機構性能的指標，而且兩者都是越小越好，可以使用加權綜合評分法進行評價。

在多種分析方法中，極差分析是正交試驗的一種常用分析方法。極差等于平均結果中最大值減去最小值得到的差，每個因素對脫殼指標的影響都可以通過極差的計算得到，極差越大，因素對指標的影響就越大，反之則越小，由此也可以得出每個因素對脫殼效果影響的主次順序。對綜合指標進行直觀分析，結果如表6所示。由直觀分析可知，影響綜合指標的主次因素為A>B>C，即動靜盤間隙>進料速度>動盤轉速，即最優(yōu)組合為A3B3C2。

雖然極差分析簡單、直觀，但是由于其不能準確地評估在試驗過程中以及在結果測定時的誤差，所以需要用方差分析來彌補極差分析的不足，二者共同對結果進行分析。由表6綜合評分直觀分析結果可知，分析結果與方差分析的結果一致，影響綜合指標的主次因素依次為A>B>C，即動靜盤間隙>進料速度>動盤轉速。最優(yōu)組合為A3B3C2，即動靜盤間隙10 mm，進料速度330 kg/h，動盤轉速為1 120 r/min。

2.3 試驗驗證

通過試驗和分析，薏苡脫殼試驗臺的最佳結構參數(shù)和最佳工作參數(shù)已經(jīng)確定。現(xiàn)將組合均調為最優(yōu)，即在優(yōu)化后的靜盤上將運動參數(shù)調至A3B3C2進行驗證試驗，觀察試驗效果。試驗結果顯示脫殼試驗臺調整到最佳參數(shù)后，試驗效果很好，脫殼率為89.31%，破碎率為2.09%。

3 結論

隨著動靜盤間隙的增加，薏苡的脫殼率和破碎率均呈下降趨勢；隨著進料速度的增加，薏苡的脫殼率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，薏苡的破碎率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；隨著動盤轉速的變化，薏苡的脫殼率變化并不顯著，所以無需對動盤轉速與脫殼率之間的關系進行研究。但是隨著動盤轉速的變化，薏苡的破碎率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

通過正交試驗以及方差分析、加權綜合評分法分析可得，影響薏苡破碎率的主次因素依次為：A>B>C，即動靜盤間隙>進料速度>動盤轉速；影響薏苡脫殼率的主次因素依次為：A>B>C，即動靜盤間隙>進料速度>動盤轉速。動靜磨盤式薏苡脫殼機構的最優(yōu)方案為A3B3C2，即動靜盤間隙為10 mm，進料速度為330 kg/h，動盤轉速為1 120 r/min。

研究表明，影響薏苡脫殼效果的因素眾多，且影響的程度都不一樣，試驗時需要對各個參數(shù)進行調試，以確保脫殼設備的工作性能和脫殼效果。

參考文獻：

[1]黃亨履，陸 平，朱玉興，等. 中國薏苡的生態(tài)型、多樣性及利用價值[J]. 作物品種資源，1995（4）：4-8.

[2]中國醫(yī)學院藥用植物資源開發(fā)研究所. 中國藥用植物栽培學[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1991：984-985.

[3]張喜瑞. 福建薏苡農(nóng)藝性狀、淀粉微結構及發(fā)芽前后薏苡仁多糖的比較研究[D]. 福州：福建農(nóng)林大學，2011.

[4]趙曉明. 薏苡[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，2000：60-61.

[5]Kayashita J，Shimaoka I，Nakajoh M，et al.Muscle hypertrophy in rats fed on a buck-wheat protein extract[J]. Biosci Biotechnol andBiochem，1999，63（7）：1242-1245.

[6]Tung L，Jason C，Knapp R. Not ching and freezing effect on macadamia nut kernel recovery[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，1998，41（10）：43-52.

[7]Lee M Y，Lin H Y，Cheng F. Isolation and characterization of new lactam compounds that inhibit lung and colon cancer cells from adlay （Coix lachryma-jobi L.var. ma-yuen Stapf） bran[J]. Food and Chemical Toxicology，2008（46）：1933-1939.

[8]趙小廣，宗 力. 堅果類物料脫殼技術應用與發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 新疆農(nóng)機化，2005（6）：29-32.

[9]鄧振偉，于 萍，陳 玲. SPSS軟件在正交試驗設計、結果分析中的應用[J]. 電腦學習，2009（5）：15-17.

[10]王申瑩. 甜菜機械化收獲自動對行系統(tǒng)設計與優(yōu)化[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學研究生院，2014.

[11]施麗莉，胡志超，江家伍，等. 動靜磨盤式薏苡脫殼試驗臺設計與試驗[J]. 中國農(nóng)機化學報，2015，36（2）：88-91.

[12]高雪梅. 打擊揉搓式花生脫殼試驗研究與關鍵部件優(yōu)化設計[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學研究生院，2012.