核桃破殼機的試驗與工作參數優化

鄭甲紅，李光輝，趙奎鵬，宋忠柱

(陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021)

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核桃破殼機的試驗與工作參數優化

鄭甲紅，李光輝，趙奎鵬，宋忠柱

(陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021)

為了優化自制偏心擊打式核桃破殼機的工作參數，提高核桃破殼的高路仁率，進行了核桃破殼試驗研究。通過二次回歸旋轉組合試驗，明確了擊打行程、含水率、核桃尺寸與高路仁狀況的具體關系，對破殼參數進行了優化和驗證。結果表明:含水率在14.5%左右時，核桃高路仁效果最好；最佳的綜合破殼效果條件為擊打行程為5mm左右、含水率為14.5%左右、核桃尺寸為41mm左右。

核桃；響應面法；擊打式；參數優化；數學模型

0 引言

核桃在我國有大面積的種植，產量也與日俱增。在核桃初加工中，核桃破殼過程中仍然是動用大量人工破殼，機器破殼只用來作為輔助。人工破殼不僅耗費勞動力，效率也低，而且衛生得不到保證。現在，各種各樣的破殼機也都存在著一些破殼不完全、高路仁率低等問題[1-5]。針對上述問題，設計了偏心擊打式核桃破殼機，進行了二次回歸旋轉組合破殼試驗研究，并通過響應面法分析建立各因素和高露仁狀況之間的二次回歸數學模型，以期望得到偏心擊打式核桃破殼機的最佳工藝參數組合。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

儀器設備主要包括偏心擊打式核桃破殼機[5](自制、見圖1)、紅外線快速水分測試儀(SFY-60型，深圳冠亞電子科技有限公司)、電子天平(T-1000,常熟雙杰測試儀器廠)及游標卡尺(A型，貴州西南工具有限公司)等。

采用新疆薄皮核桃作為本次試驗的試驗材料，購于西安蘇席農貿市場。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗指標

將破殼后的核桃仁也分為整仁、1/2仁、1/4仁、1/8仁及其他等5個等級，每個級別對應相應的分數，如表2所示。

1.進料口 2.上蓋 3.端蓋 4.滾子

表1 高路仁等級分數表

破殼狀況分數和高路仁狀況分數都采用加權分數的形式，用所在級別占有的百分比乘以所對應的得分，最后相加在一起，計算公式[6]為

Kn=Hn/Ht

Tn=Sn·Kn

Tz=ΣTn

式中 Sn—第n級別對應的得分；

Kn—每組試驗中第n級核桃仁質量占總質量的比例(%)；

Hn—每組試驗中第n級核桃仁的質量(g)；

Ht—每組試驗中核桃仁的總質量(g)。

Tz分值在0～8之間，Tz越大，則核桃破殼效果越好，所以本試驗將Tz作為試驗指標。

1.2.2 因素貢獻率計算公式

因素貢獻率計算公式[7-9]為

式中 se—誤差的偏差平方和；

fe—誤差的自由度 ；

S—總平方和；

sj—因素j的偏差平方和；

fj—因素j的自由度。

1.2.3 試驗設計

通用旋轉組合破殼試驗：根據含水率試驗數據結果，以含水率、擊打行程、核桃尺寸為試驗因素，以破殼狀況Y1和高路仁狀況Y為響應值，設計了通用旋轉組合破殼試驗。試驗因素水平和編碼如表2所示。

表2 試驗因素的水平和編碼

2 試驗結果及分析

二次回歸旋轉組合破殼試驗方案設計與試驗結果如表3所示。

2.1 響應面方程方差檢驗與回歸曲線

選用實踐中最常用的顯著水平?=0.05和?=0.01[9]進行方差的檢驗。由表4分析可知：高路仁狀況Y的方程的P值小于0.01，回歸方程的關系是極顯著的。失擬項的P值也都大于0.05 ,擬合度誤差較小。所以，高路仁狀況Y與因素A、B、C的回歸方程的關系是好的。

表3 試驗設計及結果

續表3

擊打行程、含水率及核桃尺寸為試驗設計的編碼，高路仁狀況Y為每個試驗組的相應分數。

表4 方差分析表

核桃高路仁狀況Y的回歸方程采用Design-Expert8.0.6軟件進行二次回歸分析，則

Y=5.85-0.28A-2.963E-003B+0.22C-

0.46A2-0.58B2-0.41C2

所得方程顯著性檢驗為極顯著，失擬性檢驗不顯著，擬合度較高。所以，以上兩個二次回歸模型能夠對核桃破殼的破殼狀況和高路仁狀況進行初步的預測和分析。

2.2 響應面方程圖形分析

當A擊打行程、B含水率、C核桃尺寸3個因素任意一個為0水平時，高路仁狀況分數Y和其他兩個因素的關系，如圖2所示。由圖2可知：高路仁狀況Y分數總體變化是隨著各因素水平增加先增加后降低的；當各因素達到0水平時，高路仁狀況Y分數達到峰值。

另外，由圖2可知：擊打行程A與含水率B兩個因素的等高線、擊打行程A與核桃尺寸C兩個因素的等高線也均為橢圓形。所以因素A和B、A和C交互作用顯著。因素含水率B與因素核桃尺寸C的等高線均為圓形，兩因素無交互作用。

利用貢獻率法計算出試驗因素對高路仁狀況Y影響的貢獻分別為βa=1.5%、βb=0.8%、βc=3.1%，可得試驗因素A、B、C因素作用的大小順序為C、A、B, 即核桃尺寸、擊打行程、含水率。所以，首先對核桃進行分級，然后適當調節擊打行程進行破殼，高路仁率會得到一定的提高。

圖2 高路仁狀況Y的響應面關系圖

3 試驗參數優化與驗證

由響應面分析可知：含水率、核桃尺寸、擊打行程都與和高路仁狀況Y有關系，根據Design-Expert軟件進行優化，得到最后優化結果如下：擊打行程為4.96mm、含水率為14.73%、核桃尺寸為40.99時，高路仁狀況得分為5.88。考慮到實際操作簡單的問題，把最優參數調整為擊打行程A5mm、含水率14.5%、核桃尺寸41mm。經過驗證，在最優化條件下，實際得分為5.78。與之前的預測值差別不大，所以通過響應面法優化所得的核桃破殼的最優參數是有效的，可以用作破殼參數參考。

4 結論

1)通過二次回歸旋轉組合試驗，建立了各個因素與高路仁狀況之間的數學模型，并且檢驗了模型的失擬性和F值，確定了數學模型的正確性。

2)各因素在二次非線性模型中對破殼效果的影響主次關系為核桃尺寸>擊打行程>含水率 ，而對破殼后高路仁狀況的影響程度大小順序為擊打行程>核桃尺寸>含水率。

3)考慮到操作簡單原則，最優綜合破殼條件為：擊打行程為5mm左右，核桃含水率為14.5%左右，核桃尺寸為41mm左右。在實際生產中，對核桃先進行分級，對于不同大小的核桃，可調節相應的擊打行程，可以獲得更好的綜合破殼效果。

另外，由于核桃為生物材料, 易受其他因素影響, 對于不同品種核桃破殼效果的最優因素組合還需進一步研究。

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[8] 徐向宏，何明珠.試驗設計與Design-Expert、SPSS應用[M].北京：科學出版社,2010:146-160.

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Experiment and Optimized Working Parameters of Walnut Shell Breaking Machine

Zheng Jiahong, Li Guanghui,Zhao Kuipeng,Song Zhongzhu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China)

In order to optimized the working parameters of walnut shell breaking machine with eccentric impact mode， we did a research of walnuts unshelling. First, haven discussed the impact of moisture content on comprehensive shell breaking by doing a single factor experiment of moisture content. Then, we have been analyzed the relationships between hit length, moisture content, size of walnut and the situation of unshelling and whole kernel through the general rotary combination experiments. Finally, the working parameters are optimized and validated. The results show that moisture content 14.5 percent is the best comprehensive shell breaking condition. The optimized unshelling condition include: hit length 5mm, moisture content 14.5 percent ,size of walnut 41mm.

walnut; response surface; impact mode; parameters optimized; mathematical models

2016-04-18

陜西省教育廳產業化項目(14JF003)；陜西省教育廳科學研究計劃項目(2013JK1041)

鄭甲紅(1963-)，男，陜西武功人，教授，碩士。

李光輝(1990-)，男，江西上饒人，碩士研究生，(E-mail)951873481@qq.com。

S226.4

A

1003-188X(2017)04-0187-05