鄭甲紅，李光輝，趙奎鵬，宋忠柱

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

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核桃破殼機(jī)的試驗(yàn)與工作參數(shù)優(yōu)化

鄭甲紅，李光輝，趙奎鵬，宋忠柱

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

為了優(yōu)化自制偏心擊打式核桃破殼機(jī)的工作參數(shù)，提高核桃破殼的高路仁率，進(jìn)行了核桃破殼試驗(yàn)研究。通過二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，明確了擊打行程、含水率、核桃尺寸與高路仁狀況的具體關(guān)系，對(duì)破殼參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和驗(yàn)證。結(jié)果表明:含水率在14.5%左右時(shí)，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(yīng)面法；擊打式；參數(shù)優(yōu)化；數(shù)學(xué)模型

0 引言

核桃在我國有大面積的種植，產(chǎn)量也與日俱增。在核桃初加工中，核桃破殼過程中仍然是動(dòng)用大量人工破殼，機(jī)器破殼只用來作為輔助。人工破殼不僅耗費(fèi)勞動(dòng)力，效率也低，而且衛(wèi)生得不到保證?，F(xiàn)在，各種各樣的破殼機(jī)也都存在著一些破殼不完全、高路仁率低等問題[1-5]。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了偏心擊打式核桃破殼機(jī)，進(jìn)行了二次回歸旋轉(zhuǎn)組合破殼試驗(yàn)研究，并通過響應(yīng)面法分析建立各因素和高露仁狀況之間的二次回歸數(shù)學(xué)模型，以期望得到偏心擊打式核桃破殼機(jī)的最佳工藝參數(shù)組合。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

儀器設(shè)備主要包括偏心擊打式核桃破殼機(jī)[5](自制、見圖1)、紅外線快速水分測(cè)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(cè)試儀器廠)及游標(biāo)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(yàn)的試驗(yàn)材料，購于西安蘇席農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)指標(biāo)

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(gè)等級(jí)，每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，如表2所示。

1.進(jìn)料口 2.上蓋 3.端蓋 4.滾子

表1 高路仁等級(jí)分?jǐn)?shù)表

破殼狀況分?jǐn)?shù)和高路仁狀況分?jǐn)?shù)都采用加權(quán)分?jǐn)?shù)的形式，用所在級(jí)別占有的百分比乘以所對(duì)應(yīng)的得分，最后相加在一起，計(jì)算公式[6]為

Kn=Hn/Ht

Tn=Sn·Kn

Tz=ΣTn

式中 Sn—第n級(jí)別對(duì)應(yīng)的得分；

Kn—每組試驗(yàn)中第n級(jí)核桃仁質(zhì)量占總質(zhì)量的比例(%)；

Hn—每組試驗(yàn)中第n級(jí)核桃仁的質(zhì)量(g)；

Ht—每組試驗(yàn)中核桃仁的總質(zhì)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(yàn)將Tz作為試驗(yàn)指標(biāo)。

1.2.2 因素貢獻(xiàn)率計(jì)算公式

因素貢獻(xiàn)率計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)

通用旋轉(zhuǎn)組合破殼試驗(yàn)：根據(jù)含水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，以含水率、擊打行程、核桃尺寸為試驗(yàn)因素，以破殼狀況Y1和高路仁狀況Y為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)了通用旋轉(zhuǎn)組合破殼試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平和編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素的水平和編碼

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

二次回歸旋轉(zhuǎn)組合破殼試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2.1 響應(yīng)面方程方差檢驗(yàn)與回歸曲線

選用實(shí)踐中最常用的顯著水平?=0.05和?=0.01[9]進(jìn)行方差的檢驗(yàn)。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(guān)系是極顯著的。失擬項(xiàng)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(guān)系是好的。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

續(xù)表3

擊打行程、含水率及核桃尺寸為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的編碼，高路仁狀況Y為每個(gè)試驗(yàn)組的相應(yīng)分?jǐn)?shù)。

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(jìn)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(yàn)為極顯著，失擬性檢驗(yàn)不顯著，擬合度較高。所以，以上兩個(gè)二次回歸模型能夠?qū)颂移茪さ钠茪顩r和高路仁狀況進(jìn)行初步的預(yù)測(cè)和分析。

2.2 響應(yīng)面方程圖形分析

當(dāng)A擊打行程、B含水率、C核桃尺寸3個(gè)因素任意一個(gè)為0水平時(shí)，高路仁狀況分?jǐn)?shù)Y和其他兩個(gè)因素的關(guān)系，如圖2所示。由圖2可知：高路仁狀況Y分?jǐn)?shù)總體變化是隨著各因素水平增加先增加后降低的；當(dāng)各因素達(dá)到0水平時(shí)，高路仁狀況Y分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值。

另外，由圖2可知：擊打行程A與含水率B兩個(gè)因素的等高線、擊打行程A與核桃尺寸C兩個(gè)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?zé)o交互作用。

利用貢獻(xiàn)率法計(jì)算出試驗(yàn)因素對(duì)高路仁狀況Y影響的貢獻(xiàn)分別為βa=1.5%、βb=0.8%、βc=3.1%，可得試驗(yàn)因素A、B、C因素作用的大小順序?yàn)镃、A、B, 即核桃尺寸、擊打行程、含水率。所以，首先對(duì)核桃進(jìn)行分級(jí)，然后適當(dāng)調(diào)節(jié)擊打行程進(jìn)行破殼，高路仁率會(huì)得到一定的提高。

圖2 高路仁狀況Y的響應(yīng)面關(guān)系圖

3 試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

由響應(yīng)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(guān)系，根據(jù)Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到最后優(yōu)化結(jié)果如下：擊打行程為4.96mm、含水率為14.73%、核桃尺寸為40.99時(shí)，高路仁狀況得分為5.88?？紤]到實(shí)際操作簡(jiǎn)單的問題，把最優(yōu)參數(shù)調(diào)整為擊打行程A5mm、含水率14.5%、核桃尺寸41mm。經(jīng)過驗(yàn)證，在最優(yōu)化條件下，實(shí)際得分為5.78。與之前的預(yù)測(cè)值差別不大，所以通過響應(yīng)面法優(yōu)化所得的核桃破殼的最優(yōu)參數(shù)是有效的，可以用作破殼參數(shù)參考。

4 結(jié)論

1)通過二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，建立了各個(gè)因素與高路仁狀況之間的數(shù)學(xué)模型，并且檢驗(yàn)了模型的失擬性和F值，確定了數(shù)學(xué)模型的正確性。

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

3)考慮到操作簡(jiǎn)單原則，最優(yōu)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(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)核桃先進(jìn)行分級(jí)，對(duì)于不同大小的核桃，可調(diào)節(jié)相應(yīng)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(duì)于不同品種核桃破殼效果的最優(yōu)因素組合還需進(jìn)一步研究。

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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(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(14JF003)；陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)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