核桃殼仁分離機作業參數優化與試驗

摘要" 針對現有核桃殼仁風選分離設備存在的分離不徹底和夾帶損失等問題，設計了一種兩級串聯式的核桃殼仁分離機，該分離機可一次性分離整仁、碎仁和果殼。為確定其最佳的作業參數，運用響應面中心組合設計，以核桃殼仁含雜率和損失率為考核指標，以喂料速度（x1）、風板1傾角（x2）、風板2傾角（x3）、風機1風速（x4）和風機2風速（x5）為試驗因素，對該裝置工作參數進行" 優化試驗，運用Design-expert軟件建立二次多項式回歸模型并進行方差分析，利用因子貢獻率法得到影響含雜率和損失率的主次因素。結果表明，含雜率、損失率模型的R2值分別為0.973 1、0.953 0，建立的含雜率、損失率與參數間的二階多項式回歸模型擬合度較高；喂料速度、風機1風速和風機2風速對含雜率的影響顯著，風板1傾角、風機1風速和風機2風速對含雜率的影響顯著，交互項x1x2、x1x3、x1x4、x2x5和x3x5對含雜率的影響顯著；交互項x1x2、x1x3和x3x4對損失率的影響顯著；驗證試驗結果表明，當喂料速度0.15 kg/s、風板1傾角39°、風板2傾角34°、風機1風速20 m/s和風機2風速14 m/s時，其含雜率4.75%，損失率8.41%，且驗證試驗的結果與模型預測值相對誤差小于5%。該研究為核桃殼仁分離機的改進提供參考。

關鍵詞" 核桃；殼仁分離機；響應面法；參數優化

中圖分類號" S226.5" " " "文獻標識碼" A" " " "文章編號" 1007-7731（2025）02-0108-08

DOI號" 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.02.020

Optimization and experiment of operating parameters for walnut shell and kernel separator

ZHANG Li1" LIU Hualong2

（1College of Energy and Mechanics， Dezhou University， Dezhou 253023， China；

2College of Mechanical and Electronic Engineering， Tarim University， Alar 843300， China）

Abstract" In view of the problems of incomplete separation and entrainment loss in existing walnut shell separation equipment， a two-stage tandem walnut shell separator was designed， which can separate whole kernel， crushed kernel and fruit shell at one time. To determine the optimal operating parameters， the response surface center combination design was used， with walnut shell impurity rate and loss rate as assessment indicators， and feeding speed （x1）， wind plate 1 inclination angle （x2）， wind plate 2 inclination angle （x3）， wind speed of fan 1 （x4）， and wind speed of fan 2 （x5） as experimental factors. The working parameters of the device were optimized and tested. Design-expert software was used to establish a quadratic polynomial regression model and perform variance analysis. The factor contribution rate method was used to obtain the primary and secondary factors affecting impurity rate and loss rate. The results show that the R2 values of the model with impurity rate and loss rate were 0.973 1 and 0.953 0， respectively. The second-order polynomial regression model between the clutter rate， loss rate and parameters had a good fit. The feed speed， wind speed of fan 1， and wind speed of fan 2 had significant effects on the impurity content， and the inclination angle of wind plate 1， wind speed of fan 1， and wind speed of fan 2 had significant effects on the impurity content， the interaction terms x1x2， x1x3， x1x4， x2x5， and x3x5 had significant influence on the impurity content. The interaction terms x1x2， x1x3， and x3x4 had significant effects on the loss rate. The verification test results showed that when the feeding speed was 0.15 kg/s， the wind plate 1 inclination angle was 39°， the wind plate 2 inclination angle was 34°， the wind speed of fan 1 was 20 m/s， and the wind speed of fan 2 was 14 m/s， the impurity rate was 4.75%， the loss rate was 8.41%， and the relative error between the verification test results and the model prediction value was less than 5%. This study provides references for the improvement of walnut shell and kernel separator.

Keywords" walnut; shell and kernel separator; response surface methodology; parameter optimization

核桃是著名的干果之一，其果仁富含各類營養物質，如蛋白質、不飽和脂肪酸、磷脂、維生素和礦物質等，具有較高的食用和藥用價值[1]。近年來，核桃產量逐年增加，市場需求量逐漸趨于飽和，可能導致核桃原果價格降低，利潤有所減少[2-3]。因此，對核桃進行機械化的加工有助于降低生產成本[4]。核桃初加工過程由脫青皮、清洗、分級、破殼、分離和貯藏等一系列工序組成。目前，核桃初加工技術和殼仁分離技術有待進一步完善[5-6]。核桃殼仁分離是初加工的重要工序之一，是核桃進行深加工的前提和保障，其加工質量直接影響產品的品質和附加值。

近年來，風選分離法應用較為廣泛，這得益于其成本效益高、結構簡單和易于維護。渠述賀等[7]基于核桃殼仁懸浮速度的差異，設計了一種新型的核桃殼仁風選設備，通過響應曲面試驗對設備的工作參數進行了優化，通過調整氣流速度，有效實現殼仁分離。羅坤[8]利用正交試驗法篩選影響山核桃殼仁分選機的因素，結果表明，風速對核桃仁分選效果影響較顯著，喂入量和篩網傾角影響較小。Li等[9]研究表明，進口風速是影響核桃殼仁清選機清洗率的主要因素，其次是擋板開度和進口角；影響損失率的主要因素是進口風速，其次是進口角和擋板開度。朱占江等[10]研究發現，調節閥開度對殼仁分離效果影響最明顯，其在最優運行參數下，仁中含殼率與殼中含仁率均較低。胡國玉等[11]通過單因素試驗和響應曲面試驗優化風選機的工作參數發現，喂料速度、風機頻率和進料口高度分別為4.0 kg/min、40 Hz和400 mm時，1/2殼仁物料的分離率較高。相關研究聚焦風選分離機的參數優化，而關于多管道式核桃殼仁分離設備的研究有待進一步深入。

本研究針對核桃殼仁分離過程中的問題，設計了一款新型核桃殼仁分離機，運用響應面中心組合設計試驗方法，系統分析了喂料速度、風板1傾角、風板2傾角、風機1風速和風機2風速5個關鍵工作參數對核桃殼仁分離率和損失率的影響。旨在揭示各參數間的相互作用及其對分離效果的貢獻，進而確定最優的工作參數組合，為核桃殼仁分離裝備的工作參數選擇、核桃機械化破殼取仁技術提升提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料南疆典型核桃品種溫185采收自中國新疆溫宿核桃實驗站（41°27′67″ N，80°24′17″ E），該地海拔1 056 m。為保證核桃達到最佳臨界破殼狀態，對其進行干燥處理，使其果殼含水率在7%～9%，果仁含水率在10%～13%[12]。利用優化后的多點擠壓式核桃破殼機[13]制備了5 kg試驗樣品，對核桃殼仁混合物中各組分物料尺寸進行人工分類，如圖1所示，分為1/8、1/4、1/2殼仁以及分心木和殘渣。各組分占比：1/2仁（21.56%）、1/4仁（27.25%）、1/8仁（10.78%）、1/2殼（2.75%）、1/4殼（8.49%）、1/8殼（24.34%）、分心木（1.33%）和殘渣（3.50%）。

1.2 整機結構與工作原理

核桃殼仁分離機工作流程如圖2所示。核桃殼仁分離機工作時，先調整喂料速度、風機風速和風板傾角，選擇合適的參數組合。待設備運行平穩后，將核桃殼仁混合物倒入料斗，通過星型卸料器[14]輥輪的旋轉將物料均勻連續地輸送到分離裝置1中。在離心風機1的作用下，物料向分離裝置1的管道末端出口移動，由于物料密度和尺寸存在差異，在重力、風力、慣性力以及與管道壁的摩擦力的共同作用下，較輕的果殼被風帶走，重且小的果仁則進入收集箱；分離裝置1可分選混合物中的整仁。在此之后，收集第一分離階段的剩余混合物（碎仁和果殼），作為第二分離階段的進料混合物，分離裝置2將碎仁與果殼分離，即果殼最終掉落至果殼收集箱（果仁密度gt;果殼密度，果仁迎風面積lt;果殼迎風面積），碎仁則進入碎仁收集箱。同時，粉塵和殘渣經濾網進入旋風分離器完成沉降。分離機的主要結構參數和示意如表1和圖3所示。

1.3 試驗設計

為減少試驗次數，采用中心復合設計（CCD）的試驗設計方法（1/2實施），以CCD析因中心點和軸向膨脹點為設定點進行數值擬合，每個試驗因素有5個不同的等級。在前期試驗和單因素試驗的基礎上，選取對分離機性能（含雜率和損失率）影響較大的5個變量進行優化，分別為喂料速度x1（0.100、0.125、0.150、0.175和0.200 kg/s）、風板1傾角x2（34°、36°、38°、40°和42°）、風板2傾角x3（30°、32°、34°、36°和38°）、風機1風速x4（18、19、20、21和22 m/s）以及風機2風速x5（12、13、14、15和16 m/s）。所需試驗數（N）為N=n0+2K+2K/2，其中K為因素數，n0為中心點數。非中心點個數為26個，中心點個數為10個，試驗總次數為36次，試驗設計及結果如表2所示。

響應數據擬合的二次多項式回歸模型如式（1）。

y=β_0+∑_（i=1）^k〖β_i x_i 〗+∑_（i=1）^k〖β_ii 〖x_i〗^2+〗 ∑_（i≤j）〖β_ij x_i x_j 〗" （1）

式（1）中，y表示相關響應；x代表自變量，即響應數據中的獨立變量；β0、βi、βii和βij分別表示截距、xi的一次項、xi的二次項和xi與xj的交互項的回歸系數。

1.4 測定項目與方法

為檢驗分離機的作業性能，以含雜率（y1）、損失率（y2）作為分離機作業質量的考核指標[15-16]，其計算如式（2）～（3）。

y_1 （%）=m_i/m_t ×100 （2）

y_2 （%）=m_k/m_kt ×100 （3）

式（2）中，mi為果仁收集箱（整仁收集箱和碎仁收集箱）中果殼的質量，kg；mt為果仁收集箱中果仁的質量，kg。式（3）中，mk為果殼收集箱中果仁的質量，kg；mkt是果仁收集箱中物料的總質量，kg。

1.5 數據處理

采用Design-expert軟件進行多元回歸擬合以及方差分析。

2 結果與分析

2.1 回歸方程與方差分析

利用表2數據，通過Design-expert軟件建立含雜率（y1）、損失率（y2）與各因素的數學模型，對建立的響應面進行分析。編碼變量函數的最終模型如式（4）～（5）。

（y_1=4.64-0.15x_1+0.01x_2-0.02x_3-0.5x_4-@0.35x_5-0.22x_1 x_2-0.5x_1 x_3-0.2x_1 x_4-@0.08x_1 x_5-0.12x_2 x_3-0.11x_2 x_4-0.21x_2 x_5-@0.03x_3 x_4+0.48x_3 x_5-0.01x_4 x_5+0.16x_1^2+@0.23x_2^2+0.39x_3^2+0.3x_4^2+0.31x_5^2" " " " " " " " " （4））

（y_2=8.16+0.05x_1-0.45x_2+0.17x_3+0.59x_4+@0.62x_5+0.36x_1 x_2+0.43x_1 x_3-0.17x_1 x_4+@0.24x_1 x_5-0.13x_2 x_3-0.12x_2 x_4-0.003x_2 x_5+@0.35x_3 x_4-0.29x_3 x_5+0.05x_4 x_5+0.64x_1^2+@0.27x_2^2+0.49x_3^2+0.05x_4^2+0.1x_5^2" " " " " " " " " " （5））

由表3可知，含雜率和損失率模型的R2值分別為0.973 1和0.953 0。R2值越接近于1，表明試驗值與預測值的相關程度越高[17]。含雜率和損失率失擬項P值分別為0.056 4和0.117 5，二者差異無統計學意義（Pgt;0.05），而含雜率、損失率模型項R2值接近1，表明含雜率、損失率與參數間的二階多項式回歸模型擬合度較高，可用此模型對二者進行分析和預測。根據因子貢獻率法[18]判定，各變量對含雜率的重要程度依次為喂料速度、風機2風速、風機1風速、風板1傾角和風板2傾角，其貢獻率分別為3.40、3.09、2.75、2.57和2.33，其中喂料速度、風機1風速與風機2風速對含雜率的影響具有統計學意義（Plt;0.01）；各變量對損失率的重要程度依次為風板2傾角、風板1傾角、喂料速度、風機2風速和風機1風速，其貢獻率分別為3.21、2.62、2.61、2.20和1.84，其中風板1傾角、風機1風速與風機2風速對損失率的影響具有統計學意義（Plt;0.01）。

由表3可知，交互項x1x2、x1x3、x1x4、x2x5和x3x5對含雜率的影響在0.01水平上具有統計學意義；交互項x1x2、x1x3和x3x4對損失率的影響在0.01水平上具有統計學意義。

由圖4可知，含雜率與損失率模型曲線的最大誤差分別為7.68%和7.41%；含雜率模型的最大殘差和最小殘差分別為0.21和-0.49，損失率模型的最大殘差和最小殘差分別為0.63和-0.53。整體來看，預測值與試驗值吻合度較好，說明所建立的回歸模型是可靠的。

2.2 參數優化與驗證

2.2.1 優化結果 為得到最佳的工作參數組合，結合試驗因素的邊界條件，以最小含雜率（y1）和最小損失率（y2）為目標，對上述模型進行優化求解，目標函數及約束條件如式（6）。

{（Miny_1 （x_1，x_2，x_3，x_4 ）@Miny_2 （x_1，x_2，x_3，x_4 ）@s.t.{（0.1 kg/slt;x_1lt;0.2 kg/s@34°lt;x_2lt;42°@30°lt;x_3lt;38°@18 m/slt;x_4lt;22 m/s@12 m/slt;x_5lt;16 m/s）┤ ）┤ （6）

基于所建立的含雜率和損失率的回歸方程，利用Matlab R2020b對回歸方程進行優化求解。最佳工作參數為喂料速度0.15 kg/s，風板1傾角38.80°，風板2傾角33.96°，風機1風速20.16 m/s，風機2風速13.85 m/s。在此條件下，含雜率4.65%，損失率8.03%，試驗指標達到最優參數值。

2.2.2 驗證試驗結果 為進一步驗證優化結果的可行性和準確性，將分離機的工作參數調整為喂料速度0.15 kg/s，風板1傾角39°，風板2傾角34°，風機1風速20 m/s，風機2風速14 m/s，進行3次重復驗證試驗。結果表明，含雜率和損失率分別為4.75%和8.41%，試驗值與預測值的誤差分別為2.15%和4.73%，均小于5%，表明試驗值與預測值之間有較好的擬合性，參數優化模型可靠。

3 結論與討論

核桃殼仁分離機工作原理主要有智能視覺識別技術和風選法2種，其中智能視覺識別通常依據核桃殼仁的顏色、紋理及形態等特性差異進行精確地目標分類。該技術的應用成本相對較高，亟待進一步優化以降低成本，提高實用性和推廣價值[19]。與智能視覺識別相比，風選法具有更高的工作效率。Li等[9]、朱占江等[10]研究表明，多單元分離機的工作性能明顯優于單個分離單元的分離機，其具有更低的損失率和含雜率。李東等[20]研究認為，單個分離單元分離多粒徑、多組分混合物較為困難。兩級串聯式的分離機通過逐步分離優化了第二級原料的結構，降低了混合物的復雜性，提高了分離的準確性和可靠性[21-23]。此外，兩級分離器單元可以串聯起來進行粒度選擇取樣，類似于級聯沖擊器，可一次性實現整仁、碎仁和殼的分離[24]。

常規的多管道核桃殼仁分離機是針對單個分離單元分別進行參數優化，然而，核桃殼仁分離機作業質量受多種因素影響。針對目前核桃殼仁分離過程中存在的問題，設計了一款新型的核桃殼仁分離機。該機器主要由機架、喂料裝置、分離管道、集料裝置、風機和旋風分離器等組成。為獲得最佳的工作性能，對分離機的關鍵參數進行了優化。運用Design-expert軟件分別以喂料速度、風板1傾角、風板2傾角、風機1風速和風機2風速為自變量，以含雜率和損失率為因變量，建立二次多項式回歸模型?；谝蜃迂暙I法，得出喂料速度、風機1風速與風機2風速對含雜率的影響顯著；風板1傾角、風機1風速與風機2風速對損失率的影響顯著。驗證試驗結果表明，當喂料速度0.15 kg/s、風板1傾角39°、風板2傾角34°、風機1風速20 m/s和風機2風速14 m/s時，含雜率4.75%，損失率8.41%，且驗證試驗的結果與模型預測值相對誤差小于5%。陳旭東等[25]采用計算流體力學與離散單元法耦合的方法仿真模擬風選過程，損失率0.41%～1.22%，含雜率4%～8%，風選效果較為合理，本研究結果與其存在差異，可能與多單元分離機效果較好有關。

綜上，當喂料速度0.15 kg/s、風板1傾角39°、風板2傾角34°、風機1風速20 m/s和風機2風速14 m/s時，該殼仁分離機可有效地實現殼仁分離，但大核桃殼仁分離不徹底的現象仍然存在。因此，本研究設計的核桃殼仁分離機在以下兩個方面仍需進行深入優化與改進。（1）核桃物理特性是其分離研究的基礎，決定著最終的工作性能。不同核桃品種的材料特性（殼厚、含水率和密度等）和分離特性（懸浮速度、粒徑和迎風面積等）及其相關性仍需深入研究。（2）由于分離過程的復雜性，了解顆粒的運動、顆粒間的相互作用、氣流場的變化以及分離管內顆粒對氣流場的影響等是解決核桃殼仁分離不徹底問題的關鍵方向。

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（責任編輯：吳思文）