王建楠，劉敏基，胡志超，謝煥雄，彭寶良，顏建春，陳有慶

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花生種子帶式清選設(shè)備關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)優(yōu)化

王建楠，劉敏基，胡志超，謝煥雄※，彭寶良，顏建春，陳有慶

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

針對(duì)帶式清選設(shè)備清選花生種子合格率低、帶出率高，關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)研究空白的現(xiàn)狀，該文結(jié)合花生種子物理特性，研究了整?；ㄉ趲角暹x設(shè)備帆布帶的滾動(dòng)摩擦角及半?；ㄉ诜紟У撵o摩擦角，并運(yùn)用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論開展關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，重點(diǎn)分析了帶式清選設(shè)備的縱向傾角、橫向傾角、帆布帶轉(zhuǎn)速對(duì)清選合格率、帶出率的影響規(guī)律，并以合格率、帶出率為響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)主產(chǎn)區(qū)山東的典型品種花育33物理特性進(jìn)行研究，并探明了以帶式清選設(shè)備帆布帶為摩擦面的整?；ㄉ鷿L動(dòng)摩擦角、半粒花生靜摩擦角，然后采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)并用Design-Expert進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立合格率、帶出率的回歸數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行方差分析，分析得出影響花生種子帶式清選合格率與帶出率的主次因素均依次為：帆布帶帶速＞縱向傾角＞橫向傾角。通過響應(yīng)曲面方法分析各因素交互作用對(duì)合格率、帶出率的影響，并根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的重要程度（合格率較帶出率更重要）對(duì)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得出花生種子帶式清選設(shè)備關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)組合為：縱向傾角23.22°，橫向傾角25.21°，帆布帶帶速0.70 m/s，在該條件下合格率、帶出率分別為97.20%、2.73%。將優(yōu)化參數(shù)在花生種子清選加工生產(chǎn)線上進(jìn)行驗(yàn)證及批量化流水加工作業(yè)，流水加工作業(yè)合格率達(dá)95.8%、帶出率3.9%，作業(yè)質(zhì)量大幅提升，達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等品設(shè)備作業(yè)性能。該研究可為提升花生種子帶式清選設(shè)備作業(yè)質(zhì)量提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；優(yōu)化；農(nóng)作物；花生種子；作業(yè)參數(shù)；物料特性；關(guān)鍵部件；響應(yīng)曲面法

0 引 言

花生是中國(guó)最具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)質(zhì)優(yōu)勢(shì)油料作物和優(yōu)質(zhì)的蛋白資源[1-3]，常年種植面積約467萬hm2，產(chǎn)量約1 700萬t，種植面積和產(chǎn)量分別居世界第二位和第一位，其中產(chǎn)量約占全球40%[4-7]，已成為中國(guó)產(chǎn)量最大的油料作物[8-9]。在中美貿(mào)易戰(zhàn)的背景下，保障油料供給安全、減少中國(guó)油料作物的對(duì)外依存度，花生產(chǎn)業(yè)的重要性將更加不可替代。

花生種子清選加工是花生產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要保障[10]，是提高種子質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)種子商品化的關(guān)鍵[11-14]。但花生種子與水稻、小麥、大豆等種子相比，物理性狀差異懸殊[15-18]，加工工序差別較大，通常在含水率9%左右?guī)べA藏[19-20]，在播種前1個(gè)月左右進(jìn)行脫殼、半粒種子清選、包衣等加工作業(yè)。花生種子在較低含水率條件下脫殼極易產(chǎn)生破碎和損傷，破碎種子多以半粒為主，其比例因脫殼設(shè)備作業(yè)質(zhì)量不同差異較大[21-22]，最高可達(dá)30%，破碎的花生種仁發(fā)芽率低且易受田間病害侵?jǐn)_不能作為種用。因此，脫殼后半粒種子清選是花生種子加工的重要環(huán)節(jié)，也是提高種子質(zhì)量、保證發(fā)芽率的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)對(duì)花生加工技術(shù)裝備研究集中在油用、食用等花生方面，針對(duì)花生種子專用加工技術(shù)裝備研究較少，在花生半粒種子清選技術(shù)裝備及工藝參數(shù)研究方面完全空白，花生種子清選作業(yè)仍主要依靠人工，生產(chǎn)中見少部分用戶采用食用花生分級(jí)用的平面振動(dòng)篩進(jìn)行花生半粒種子清選作業(yè)，但由于花生種子尺寸差異懸殊，采用單層篩清選時(shí)合格率低，約40%~60%（因品種及原始物料情況而異）；采用多層篩對(duì)花生種子進(jìn)行清選時(shí)，由于食用花生清選設(shè)備振動(dòng)篩振幅較大、振頻較高，在此參數(shù)下通過多層篩對(duì)花生半粒種子選別極易造成紅衣?lián)p傷、胚根破損，致使發(fā)芽率降低。大豆等形狀規(guī)則的豆類顆粒類物料中半粒籽仁清選通常采用帶式清選設(shè)備，清選作業(yè)質(zhì)量高，但現(xiàn)有帶式清選設(shè)備工藝參數(shù)、技術(shù)參數(shù)也均針對(duì)該類物料設(shè)計(jì)，花生種子與大豆等豆類種子物理特性差異明顯，利用該類設(shè)備清選花生種子時(shí)合格率較低（約60%～70%）、帶出率較高（約20%～25%），難以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。韓紅兵等[23-24]開展了針對(duì)大豆、紅小豆、綠豆半粒籽仁清選機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)難以為花生種子清選提供參考，致使花生種子帶式清選關(guān)鍵參數(shù)仍處于空白，已成為制約花生種業(yè)快速健康發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸問題之一。

針對(duì)上述問題，本文利用現(xiàn)有帶式清選設(shè)備，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)及響應(yīng)曲面分析法，開展花生種子帶式清選試驗(yàn)研究及參數(shù)優(yōu)化，探明花生種子帶式清選作業(yè)最佳參數(shù)，以期為提升花生種子帶式清選設(shè)備作業(yè)質(zhì)量提供參考。

1 帶式清選設(shè)備工作原理與參數(shù)分析

1.1 工作原理

試驗(yàn)采用的帶式清選設(shè)備為開封市海德機(jī)械有限公司生產(chǎn)的5DX-4型大豆帶式清選設(shè)備，相關(guān)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)見表1。該設(shè)備由電機(jī)、機(jī)架、帆布帶、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?；ㄉ鷰角暹x工作過程為：物料由提升機(jī)進(jìn)入料斗8，經(jīng)分料裝置9勻料后經(jīng)過進(jìn)料口7滑落至帆布帶4上，帆布帶被傳動(dòng)軸3及從動(dòng)軸6張緊，并由傳動(dòng)軸3驅(qū)動(dòng)。帆布帶4表面粗糙且與水平投影向及（詳見俯視圖）向均呈一定角度，整?；ㄉ桶肓；ㄉc帆布帶摩擦特性差異懸殊，使得其在帆布帶上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差異顯著。整粒花生呈橢球形，在帆布帶上滾動(dòng)至最低處的成品出料口15以成品方式收集，半?；ㄉ诜紟吓c帆布帶保持相對(duì)靜止并隨帆布帶被運(yùn)送至帆布帶末端最高處的廢料主出料口12以廢料方式收集，實(shí)現(xiàn)整粒、半粒花生的分離。少許整粒、半?；旌狭辖?jīng)過出料口13、14收集并可進(jìn)行二次清選。

表1 5DX-4型帶式清選設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)

1.2 作業(yè)質(zhì)量影響參數(shù)分析

花生種子清選合格率、帶出率是花生種子清選設(shè)備作業(yè)質(zhì)量的主要衡量指標(biāo)。由上述工作原理可知，帶式清選設(shè)備實(shí)現(xiàn)整粒、半?；ㄉ姆蛛x，帆布帶的縱向傾角、橫向傾角及帆布帶帶速必須在滿足正常生產(chǎn)率的同時(shí)，合理設(shè)置縱向傾角（帆布帶與方向夾角）、橫向傾角（帆布帶與方向夾角）以使得清選合格率最大、帶出率最小，因此須通過試驗(yàn)研究與優(yōu)化，探明三者最優(yōu)參數(shù)組合以實(shí)現(xiàn)花生種子高質(zhì)量帶式清選作業(yè)。為此，將花生種子簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行受力分析，以確定帶式清選設(shè)備正常工作時(shí)其縱向傾角、橫向傾角所須滿足的條件，質(zhì)點(diǎn)受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1. 機(jī)架 2. 軸承座 3. 傳動(dòng)軸 4. 帆布帶 5. 防護(hù)罩 6. 從動(dòng)軸 7. 進(jìn)料口 8. 料斗 9. 分料裝置 10. 傳動(dòng)鏈輪 11. 傳動(dòng)帶輪 12. 廢料主出料口 13. 整粒半?；旌狭峡? 14. 整粒半粒混合料口2 15.成品主出料口 16. 支承地腳 17. 電機(jī) 18. 減速器 19. 主動(dòng)帶輪

1. 傳動(dòng)軸 2. 角度基準(zhǔn)線 3. 帆布帶 4. 花生種子質(zhì)心

1. Transmission shaft 2.Base line of the angle 3. Canvas 4. Mass center of peanut seed

注：為重力，N；為支持力，N；2為下滑力，N；為摩擦力，N；1為正壓力，N；為帆布帶傾角，（°）；為帶速，m.s-1。

Note:is gravity, N;is supporting force, N;2is sliding pressure, N;is friction, N;1is downslide force, N;is velocity of canvas belt, m.s-1.

圖2 清選過程中花生種子受力簡(jiǎn)圖

Fig.2 Force diagram of peanut seeds during separation

由清選工作原理分析可知，正常作業(yè)時(shí)整粒花生在帆布帶上須呈滾動(dòng)狀態(tài)，也即與帆布帶發(fā)生滾動(dòng)摩擦，因此整?；ㄉ芰殱M足

式中1為整?；ㄉ臐L動(dòng)摩擦角，（°）；1為整粒花生滾動(dòng)摩擦系數(shù)；1為整?；ㄉ馁|(zhì)量，kg；為重力加速度，9.8 N/s2

半?；ㄉc帆布帶保持相對(duì)靜止，也即與帆布帶發(fā)生靜摩擦，因此半?；ㄉ芰殱M足：

式中max為最大靜摩擦力，N；2為半粒花生的靜摩擦角，（°）；2為半?；ㄉ撵o摩擦系數(shù)，2為半粒花生的質(zhì)量，kg。

由清選工作原理分析可知清選作業(yè)正常進(jìn)行時(shí)，須使整?；ㄉ诜紟铣蕽L動(dòng)狀態(tài)、半?；ㄉc帆布帶保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，故帶式清選設(shè)備帆布帶縱向傾角、橫向傾角須滿足

因此，試驗(yàn)前須探明花生種子的物理特性以及其在帶式清選帆布帶上的滾動(dòng)摩擦角與靜摩擦角。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

為探明帶式清選設(shè)備清選花生種子的最佳作業(yè)參數(shù)組合，本研究通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)用帶式清選設(shè)備4個(gè)支承地腳的高度來調(diào)節(jié)帶式清選設(shè)備縱向傾角、橫向傾角，通過變頻器調(diào)節(jié)帆布帶帶速。

試驗(yàn)所需儀器設(shè)備：電子秤（測(cè)量精度0.1 kg），自制斜面儀、直尺（精度1 mm）、量角器（精度0.1°）、DELIXI DE1-5激光水平儀、ABB ACS550-01-06A9-4變頻器、千斤頂、常用調(diào)節(jié)工具（扳手、鉗子）若干。

2.2 試驗(yàn)材料及基本參數(shù)測(cè)定

供試花生種子品種為花育33，隨機(jī)取經(jīng)機(jī)械脫殼后的花生種子，根據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 5688.2-2007）花生剝殼機(jī)試驗(yàn)方法[25]測(cè)得原始物料破碎率27.6%。隨機(jī)取200粒完好整?；ㄉN子作為研究對(duì)象，其基本物理特性測(cè)量結(jié)果如下：花生種子形狀為橢圓形，種皮光滑且表面蠟質(zhì)勻而厚；根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)糧食、油料檢驗(yàn)水分測(cè)定法（GB5497-85）測(cè)得含水率在9.3%；花生的長(zhǎng)度、寬度及厚度尺寸分布主要集中在16.23～19.17 mm、8.07～10.37 mm、7.17～8.36 mm，千粒質(zhì)量為812.10 g，流動(dòng)性較好。

利用斜面儀測(cè)定該品種花生籽粒的滾動(dòng)摩擦角1及靜摩擦角2，測(cè)試時(shí)，將帆布帶張緊并固定在測(cè)試板上，單個(gè)整粒花生放在斜面上，緩慢搖動(dòng)手柄使斜板傾角逐漸增大，當(dāng)整粒花生開始向下滾動(dòng)時(shí)，用量角儀測(cè)量該傾角即為滾動(dòng)摩擦角1。按同樣方法將半粒花生破碎胚與帆布帶接觸，當(dāng)半?；ㄉ_始在帆布帶上向下滑動(dòng)時(shí)，測(cè)量靜摩擦角2。以上測(cè)量重復(fù)200次取均值，測(cè)得整?；ㄉ鷿L動(dòng)摩擦角1為14.3°，半?；ㄉ撵o摩擦角為35.7°，并以此作為帶式清選設(shè)備花生清選縱向傾角、橫向傾角調(diào)整依據(jù)，保證帶式設(shè)備清選花生種子時(shí)整?；ㄉ茼樌麧L動(dòng)而半?；ㄉc帆布帶相對(duì)靜止，實(shí)現(xiàn)清選作業(yè)。

同時(shí)，根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得帶式清選機(jī)的帶速通常在在0.35～1.0 m/s[26]，試驗(yàn)帶速在該范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

1. 支架 2. 提升繩 3. 緊固螺釘 4. 測(cè)試板 5. 安裝架 6. 鉸接銷釘 7. 底座 8. 手柄 9. 搖臂 10. 轉(zhuǎn)軸

2.3 試驗(yàn)響應(yīng)參數(shù)

本試驗(yàn)以花生種子清選合格率和帶出率為主要響應(yīng)參數(shù)，以縱向傾角、橫向傾角、帆布帶帶速為主要影響因素，開展花生種子帶式清選設(shè)備清選試驗(yàn)及相關(guān)參數(shù)優(yōu)化。目前尚無帶式清選設(shè)備的試驗(yàn)及作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由其工作原理分析可知帶式清選設(shè)備實(shí)現(xiàn)了半粒及整?；ㄉ蛛x，故其作業(yè)質(zhì)量判定可以綜合參考中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)種子分級(jí)機(jī)試驗(yàn)鑒定方法（NY/T366-1999）及色選機(jī)帶出率的判定方法計(jì)算清選合格率、帶出率，具體如下

式中為清選合格率；%；為帶出率；%；G為成品出料口測(cè)定樣品中整?；ㄉ|(zhì)量，g；G為廢料出口測(cè)定樣品中整?；ㄉ|(zhì)量，g；G為成品出料口測(cè)定樣品總質(zhì)量，g；G為廢料出料口測(cè)定樣品總質(zhì)量，g。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定參數(shù)最佳組合，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，開展三因素三水平試驗(yàn)，共計(jì)17組[27-31]，試驗(yàn)因素及編碼水平如表2所示。

表2 因素水平編碼表

在Design-Expert中，按照中心組合響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)（central composite design，CCD）試驗(yàn)方案，試驗(yàn)結(jié)果見表3。對(duì)表3結(jié)果進(jìn)行分析并分別建立合格率、帶出率與各因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)采用響應(yīng)面分析法，考察2因素間交互作用效應(yīng)。

3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行分析并建立數(shù)學(xué)模型。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

3.1 合格率

1）合格率的回歸結(jié)果分析

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果得到合格率的編碼值簡(jiǎn)化回歸數(shù)學(xué)模型為

采用逐步回歸法對(duì)表3結(jié)果進(jìn)行合格率方差分析，結(jié)果見表4。

由表4方差分析可知，模型的值極顯著（<0.000 1）、失擬項(xiàng)不顯著、模型的決定系數(shù)R=0.989 6，說明該模型能夠反應(yīng)出98.96%的響應(yīng)值變化，回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，可用此模型對(duì)合格率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

回歸方程中，系數(shù)絕對(duì)值大小決定該因素對(duì)合格率的影響大小，因此可知各因素對(duì)合格率的影響大小次序依次為帆布帶帶速（）縱向傾角（）橫向傾角（）這與方差分析的結(jié)果一致。

2）合格率與各參數(shù)響應(yīng)曲面分析

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各因素對(duì)合格率響應(yīng)曲面如圖4所示，根據(jù)圖中等高線可判定二者交互效應(yīng)的強(qiáng)弱[32-35]，交互強(qiáng)弱的順序依次為：縱向傾角與帆布帶帶速（）、橫向傾角與帆布帶帶速（）、縱向傾角與橫向傾角（），且縱向傾角與橫向傾角交互作用不顯著（>0.05），這與表4方差分析結(jié)果一致。根據(jù)交互作用的顯著性分析，由于縱向傾角與橫向傾角交互作用不顯著，故只對(duì)縱向傾角與帆布帶帶速（）、橫向傾角與帆布帶帶速（）交互作用進(jìn)行分析。

表4 合格率方差分析

注：*（<0.05）為顯著，**（<0.01）為極顯著，下同。

Note: *（<0.05）means significant, **（<0.01）means highly significant, the same below.

由圖4a可知縱向傾角和帆布帶帶速交互作用對(duì)合格率影響顯著。當(dāng)橫向傾角處于0水平時(shí)，合格率隨帆布帶帶速增大先增至最大后逐漸減小，這是因?yàn)榉紟佥^低時(shí)花生種子難以隨帆布帶及時(shí)輸送，致使物料在帆布帶堆積，從而堆積的整粒花生滾動(dòng)過程中易夾帶半?；ㄉ率骨暹x合格率降低；當(dāng)帆布帶帶速過高時(shí)，致使整?；ㄉ形从凶銐驎r(shí)間滾落至出料口即隨帆布帶運(yùn)送至出料口，從而清選合格率降低。合格率隨縱向傾角增大先逐漸增至最大后又逐漸變小，這是因?yàn)榭v向傾角逐漸增大時(shí)有利于整?；ㄉ鷿L落至成品出料口，但縱向傾角進(jìn)一步增大時(shí)致使整?；ㄉ鷿L動(dòng)速度加快，在帆布帶上較快速度的整?；ㄉ讓?duì)半粒花生產(chǎn)生沖擊，致使半粒花生在這種沖擊下易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)至成品出口，致使合格率下降。由圖4a可看出帆布帶帶速在0.5～0.7 m/s、縱向傾角在25°附近，合格率取得極大值95.28%。

由圖4b可知橫向傾角和帆布帶帶速交互作用對(duì)合格率影響顯著。且橫向傾角對(duì)合格率的影響趨勢(shì)與縱向傾角對(duì)其的影響趨勢(shì)相當(dāng)，也即合格率在隨橫向傾角增大的過程中先增大到極值后又逐漸減小，這是因?yàn)闄M向傾角的增大有利于整?；ㄉ虺善烦隽峡跐L動(dòng)，但過大時(shí)易使部分半粒花生在運(yùn)動(dòng)的整?；ㄉ淖饔孟禄瑒?dòng)至成品出口，致使合格率降低。由圖4b可看出帆布帶帶速在0.68 m/s附近、橫向傾角在25°附近，合格率取得極大值97.85%。

注：響應(yīng)面試驗(yàn)因素、水平見表2，響應(yīng)值見表3，下同。

3.2 帶出率

1）帶出率的回歸結(jié)果分析

同理，根據(jù)表3結(jié)果進(jìn)行三元二次回歸分析及方差分析可得帶出率的編碼值簡(jiǎn)化回歸數(shù)學(xué)模型為：

方差分析結(jié)果見表5，分析結(jié)果可知，模型的值極顯著、失擬項(xiàng)不顯著、模型的修正系數(shù)2=0.997 3，說明該模型能夠反應(yīng)出99.73%的響應(yīng)值變化，回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，可用此模型對(duì)帶出率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

回歸方程中，系數(shù)絕對(duì)值大小決定該因素對(duì)帶出率的影響大小，因此可知各因素對(duì)帶出率的影響大小次序依次為：。且由顯著性檢驗(yàn)可知，帆布帶帶速（）、縱向傾角（）對(duì)帶出率的影響顯著，橫向傾角（）對(duì)帶出率影響不顯著。

表5 帶出率數(shù)學(xué)模型方差分析

2）帶出率與各參數(shù)響應(yīng)面分析

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各因素對(duì)帶出率響應(yīng)曲面如圖5所示。據(jù)響應(yīng)曲面圖可判斷縱向傾角、橫向傾角、帆布帶帶速任意二者交互作用對(duì)帶出率影響均較明顯，且交互作用強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋嚎v向傾角與帆布帶帶速（）、縱向傾角與橫向傾角（）、橫向傾角與帆布帶帶速（），這與表5方差分析結(jié)果一致。

由圖5a可知縱向傾角和帆布帶帶速交互作用對(duì)帶出率影響顯著。當(dāng)橫向傾角處于0水平時(shí)，帶出率隨縱向傾角、橫向傾角的變化均產(chǎn)生較大的波動(dòng)，且當(dāng)縱向傾角處于高水平時(shí)，帆布帶帶速的變化對(duì)帶出率的影響非常顯著，這主要是因?yàn)檩^快的帆布帶帶速致使整?；ㄉS帆布帶較快運(yùn)送至廢料出口，致使帶出率增加。由圖5a亦可看出當(dāng)縱向傾角最大，帆布帶帶速最低時(shí)，帶出率取得最小值0.42%。

由圖5b可知縱向傾角與橫向傾角交互作用對(duì)帶出率影響顯著。在縱向傾角最小、橫向傾角最大時(shí)帶出率達(dá)到最大值，在縱向傾角、橫向傾角均最大時(shí)帶出率達(dá)到最小值，這主要是因?yàn)榭v向傾角較小時(shí)，整?；ㄉ鷿L動(dòng)速度較慢，在尚未滾動(dòng)到成品出口即被帆布帶運(yùn)送至廢料出口，致使帶出率較高；而當(dāng)縱向傾角、橫向傾角均最大時(shí)，此時(shí)整粒花生在縱向、橫向均較易產(chǎn)生快速滾動(dòng)至成品出口，從而產(chǎn)生較低的帶出率。在帆布帶帶速處于0水平時(shí)，縱向傾角在較低水平時(shí)，帶出率隨橫向傾角增大逐漸增大，而在縱向傾角在高水平時(shí)，帶出率隨橫向傾角增大逐漸減小，由圖亦可較直觀的看出縱向傾角對(duì)帶出率的影響規(guī)律與橫向傾角相同。

由圖5c可知橫向傾角和帆布帶帶速交互作用對(duì)帶出率影響顯著，且顯見帆布帶帶速對(duì)帶出率的影響較橫向傾角顯著。當(dāng)縱向傾角處于0水平時(shí)，無論橫向傾角處于低水平還是高水平，帶出率均隨帆布帶帶速增加呈逐漸增大的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榉紟贈(zèng)Q定整?；ㄉ诜紟M向及縱向的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，帶速過快時(shí)整?；ㄉ诜紟蠞L動(dòng)路程較短，難以滾落至成品出口，從而被帆布帶運(yùn)送至廢料出口，致使帶出率較高。由圖5c亦可看出，不管帆布帶帶速在低水平還是高水平，帶出率隨橫向傾角變化時(shí)波動(dòng)較小。由圖5c可知在帆布帶帶速0.6～0.7 m/s之間、橫向傾角在25°附近帶出率出現(xiàn)極小值2.9%。

圖5 各因素交互作用對(duì)帶出率的響應(yīng)曲面

4 參數(shù)優(yōu)化

綜合上述分析，為使花生種子帶式清選設(shè)備作業(yè)質(zhì)量達(dá)到最佳，需使清選合格率達(dá)到最大，同時(shí)帶出率達(dá)到最低。根據(jù)帶式清選設(shè)備清選花生種子的作業(yè)現(xiàn)狀，期望通過優(yōu)化最大幅度提升設(shè)備清選合格率，為此建立合格率、帶出率雙目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并將優(yōu)化求解方程中的合格率的重要性設(shè)置為最大（5個(gè)“+”），帶出率次之（4個(gè)“+”），在以上情況下進(jìn)行求解。目標(biāo)函數(shù)及邊界條件如下

求解可得合格率H最大、帶出率D最小時(shí)最優(yōu)解為：a=23.22°，b=25.21°，v=0.70 m/s。此時(shí)，合格率H為97.20%，帶出率為2.73%。2018年3月5日在農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方種子加工工程技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室以花育33為試驗(yàn)物料進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)為4層清選帆布帶，有效作業(yè)面積8.32 m2。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果及試驗(yàn)的可操作性，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備4個(gè)支承地腳的高度分別進(jìn)行調(diào)整，采用量角器并輔以DELIXI DE1-5激光水平儀確定水平基準(zhǔn)，將帶式清選設(shè)備縱向傾角a、橫向傾角b分別調(diào)整至23.22°、25.21°，通過變頻器將頻率設(shè)置在46 Hz使帶速在0.70 m/s下運(yùn)行，在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)，在設(shè)備帶料運(yùn)行15 min進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后進(jìn)行取樣，驗(yàn)證試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算取樣結(jié)果并取平均值，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖6。驗(yàn)證試驗(yàn)表明該最優(yōu)參數(shù)條件下清選設(shè)備合格率為95.90%、帶出率為3.37%，與理論最優(yōu)解差異較小，進(jìn)一步說明優(yōu)化結(jié)果具有較高可信度，本研究模型可靠。根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)種子分級(jí)機(jī)試驗(yàn)鑒定方法（NY/T366-1999）判定作業(yè)質(zhì)量達(dá)到優(yōu)等品設(shè)備性能。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)上述優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用效果，根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)中設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)方法將設(shè)備參數(shù)設(shè)置為：=23.22°，=25.21°，=0.70 m/s，并將花生種子帶式清選設(shè)備在山東臥龍種業(yè)公司花生種子加工生產(chǎn)線與花生種子脫殼機(jī)配套進(jìn)行花育33的種子加工作業(yè)，累計(jì)加工量不低于10 t，待設(shè)備作業(yè)連續(xù)穩(wěn)定時(shí)按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)取樣進(jìn)行合格率及帶出率檢驗(yàn)，生產(chǎn)線作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)見圖7。檢驗(yàn)結(jié)果表明，清選合格率由優(yōu)化前70.5%提升至為95.8%（增幅17.8%），帶出率由20.5%降至3.9%（降幅82.4%），作業(yè)質(zhì)量較優(yōu)化前大幅改善，且與采用同樣層數(shù)及同樣帆布帶面積的食用花生清選設(shè)備對(duì)花生種子清選時(shí)作業(yè)質(zhì)量較好，詳見表6。試驗(yàn)表明優(yōu)化參數(shù)可較好應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，生產(chǎn)線作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)見圖7。

表6 作業(yè)參數(shù)對(duì)比

圖7 生產(chǎn)線作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié) 論

1）研究了花育33與清選作業(yè)質(zhì)量相關(guān)的物理特性，并探明了該品種帶式清選時(shí)整?；ㄉ臐L動(dòng)摩擦角及半?；ㄉ撵o摩擦角。其形狀為橢圓形，含水率在9.3%，花生的長(zhǎng)度、寬度及厚度尺寸分布主要集中在16.23～19.17、8.07～10.37、7.17～8.36 mm，千粒質(zhì)量為812.10 g，流動(dòng)性較好。整?；ㄉ鷿L動(dòng)摩擦角為14.3°，半?；ㄉ撵o摩擦角為35.7°。

2）根據(jù)中心組合響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，采用響應(yīng)曲面分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，采用多目標(biāo)優(yōu)化分析對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，通過優(yōu)化得到合格率最大、帶出率最小的最優(yōu)解為縱向傾角為23.22°，橫向傾角為25.21°，帆布帶帶速為0.70 m/s。在此最優(yōu)解條件下合格率為97.20%、帶出率為2.73%，作業(yè)質(zhì)量達(dá)到優(yōu)等品設(shè)備的性能。

3）驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，將優(yōu)化后參數(shù)應(yīng)用于山東臥龍種業(yè)花生種子脫殼生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)證，清選合格率達(dá)到95.8%（增幅17.8%），帶出率降至3.9%（降幅82.4%），作業(yè)質(zhì)量較改進(jìn)前大幅改善，進(jìn)一步表明優(yōu)化參數(shù)可滿足花生種子清選作業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求。

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Optimization of key working parameters of belt separator for peanut seeds

Wang Jiannan, Liu Minji, Hu Zhichao, Xie Huanxiong※, Peng Baoliang, Yan Jianchun, Chen Youqing

(210014,)

The qualified rate and the entrainment rate was caused by the unreasonable working parameters of the key working parameters of the belt separator for peanut seeds, in order to make them to be a reasonable level, the central composite experiments were conducted to optimize the working parameters. Firstly, the physical properties of peanut seeds were studied, and the study object was “Huayu 33” planted widely in Shandong province. The shape of “Huayu 33” peanut seeds was oval, the thousand seeds weight of which was 812.10 g, the length, width and thickness were mainly at 16.23-19.17, 8.07-10.37, 7.17-8.36 mm, respectively. The moisture content of peanut seeds was 9.3%. The rolling friction angle of high quality peanut seeds was 14.3°, and the angle of static friction angle of crushed half seeds was 35.7°, which were tested by inclined surface device. The effects of key working parameters of peanut seed belt separator, including longitudinal angle, heeling angle, velocity of canvas belt on qualified rate and entrainment rate, were analyzed. And then the composite experiment methods of quadratic orthogonal rotation were adopted, the data were analyzed based on the design-expert software, the mathematical regression models of qualified rate and entrainment rate were built, and their corresponding variance analysis were conducted too. A regression equation of the relationship between variation coefficient of the 3 key working parameters was obtained. Analysis of variance showed that the velocity of canvas belt was the biggest factor that affects the qualified rate and entrainment rate, and the smallest impact factor was the distance between rotary and stationary plate; regarding to the breakage rate, the biggest factor was working face width of stationary plate, and the smallest factor was heeling angle. The response surface method was utilized to analyze the effects of factors’ interaction on qualified rate and entrainment rate, and the multi-objective optimizations were conducted for the regression models to obtain the working parameters of high qualified rate and low entrainment rate. The optimal combination working parameters of peanut seed belt separator were as follows: velocity of canvas belt was 0.7 m/s, longitudinal angle was 23.22°, and heeling angle was 25.21°. All of those were obtained by the optimization solution of all factors with the quadratic regression model equation of performance evaluation indices in the range of experimental parameters constraints. Under the condition of the optimal combination working parameters, the qualified rate and the entrainment rate were 97.20% and 2.73%, respectively, which met the premium grade of belt separator according national standard and the need of peanut seeds processing industry. The results of verification test were highly consistent with the results of optimization solution. The production verification test was conducted on the peanut seed production line in the factory, the working parameters of belt separator were adjusted according to the optimization results in the test. Through optimizing the parameters of the belt separator, the qualified rate was greatly improved, and the qualified rate and entrainment rate were 95.8% and 3.9% respectively, which were very close to the previous simulation results. The results of optimization are helpful for the improvement of belt separator for peanut seeds.

agricultural machinery; optimization; crops; peanut seeds; working parameters; physical properties; key components; response surface methodology

王建楠，劉敏基，胡志超，謝煥雄，彭寶良，顏建春，陳有慶. 花生種子帶式清選設(shè)備關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(23)：33－41.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.004 http://www.tcsae.org

Wang Jiannan, Liu Minji, Hu Zhichao, Xie Huanxiong, Peng Baoliang, Yan Jianchun, Chen Youqing. Optimization of key working parameters of belt separator for peanut seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 33－41. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.004 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.004

S226

A

1002-6819(2018)-23-0033-09

2018-07-17

2018-08-08

中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程農(nóng)產(chǎn)品分級(jí)與貯藏團(tuán)隊(duì)、國(guó)家花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系產(chǎn)后加工機(jī)械化崗位（CARS14）聯(lián)合支持

王建楠，副研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研究。Email：wjnsunrise@126.com

謝煥雄，研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備的研究。Email: nfzhongzi@163.com。

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：謝煥雄（E041200496S）