胶辊砻谷机工作参数配置优化研究

2013-09-07阮竞兰伍维维阮少兰

食品与机械 2013年3期

伍毅阮竞兰伍维维阮少兰

（1.河南工业大学，河南郑州 450052；2.广东省对外科技交流中心，广东广州 510033）

稻谷加工过程中，影响砻谷产量高低的因素是多方面的，不仅取决于稻谷本身的品质特性与质量特性，更取决于砻谷机设计时的技术参数选取、设备制造加工时的质量，以及工艺效果评价指标的要求等因素。胶辊砻谷机工作参数配置对砻谷产量效果优劣的影响，黄刚等［1，2］结合生产实际定性的分析了砻谷机辊压、流量、线速、线速差等工作参数以及胶辊的性能对砻谷机工艺效果的影响；顾尧臣［3，4］从理论上探讨了胶辊砻谷机主要工作参数与主要工艺效果之间的关系以及工作参数的取值范围；阮竞兰等［5］则从综合角度对胶辊砻谷机性能参数进行了优化与分析，得出了使砻谷工艺效果达到最优时的工作参数组合条件；文献［6］和［7］作者通过正交试验方法探讨了辊间压力、进机流量、快辊线速和线速差对脱壳率、破碎率、产量及胶耗等工艺效果评价指标的影响。上述文献均从不同的角度，就砻谷产量与胶辊砻谷机主要工作参数的配置进行了优化分析，其研究成果在理论和实践中具有一定的指导意义，不足的是没有建立反映砻谷产量与参数之间变化的数学模型。本试验借助于响应面分析的方法，在单因素试验的基础上，通过对试验数据的分析和处理，探讨胶辊砻谷机工作参数和砻谷产量之间的变化规律，可为胶辊砻谷机的进一步研究、设计及应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 原料与设备

原料：安陆中等早籼稻，水分含量13%左右。

胶辊砻谷机：MLGT36型，浙江耀江机械公司。技术参数配置为处理量4～5t／h，动力配备7.5kW，胶辊规格Ф225mm×360mm，脱壳率80%～90%，谷糙含壳低于0.8%，爆腰率小于5%。

1.2 试验方法

1.2.1 单因素试验设计为探讨胶辊砻谷机主要工作参数对砻谷产量的影响，分别选取不同的辊间压力、进机流量、快辊线速及线速差进行单因素试验。试验以砻谷产量为考察指标，采用先固定其中3个工作参数，让另一个工作参数变化的试验方法，并取相应的4组参数值进行试验并收集试验数据。在综合文献研究资料［4－6］的基础上，根据试验评价指标的要求，选取的试验因素及变化范围分别为辊间压力4.0～7.0kg／cm，进机流量135～180kg／（cm·h），快辊线速12.5～20.0m／s，线速差2.3～3.5m／s。

（1）固定进机流量165kg／（cm·h），线速差2.7m／s，快辊线速17.0m／s，辊间压力分别取4，5，6，7kg／cm，测试辊间压力对砻谷产量的影响。

（2）固定辊间压力6kg／（cm·h），快辊线速17.0m／s，线速差 2.7m／s，进机流量分别取 135，150，165，180kg／（cm·h），测试进机流量对砻谷产量的影响。

（3）固定辊间压力6kg／（cm·h），线速差2.7m／s，进机流量165kg／（cm·h），快辊线速分别取12.5，15.0，17.5，20.0m／s，测试快辊线速对砻谷产量的影响。

（4）固定辊间压力6kg／（cm·h），快辊线速17.0m／s，进机流量165kg／（cm·h），线速差分别取2.3，2.7，3.1，3.5m／s，测试线速差对砻谷产量的影响。

1.2.2 Box－Behnken试验设计根据单因素试验的结果与分析，在只考虑提高稻谷加工产量的前题下，以砻谷产量指标为响应值，按照Box－Behnken试验设计原理进行试验。

2 结果与分析

2.1 单因素试验分析

2.1.1 单因素试验结果由表1可知，砻谷产量随辊间压力的增加而呈上升的变化趋势，但增加的幅度逐渐变缓；随着进机流量的增大，基本呈线性变化的趋势，说明增加流量可以达到提高砻谷产量的效果；随快辊线速的增大，也呈增加变化的趋势，但增加的幅度明显减小了。随着线速差的变化，呈现出有增也有减的变化趋势，并不具有明显的规律性。

表1 单因素试验结果Table 1 Single factor experimentresult

2.1.2 相关性分析根据表1作砻谷产量与参数之间的相关性分析，可知砻谷产量与辊间压力、进机流量、快辊线速、线速差都呈正相关的关系，且产量与流量的相关性高度显著；而与快辊线速的相关性为显著，结果见表2。

表2 砻谷产量与工作参数的相关性表†Table 2 Table of correlation between husker capacity and working parameters

2.2 Box－Behnken试验设计与分析

2.2.1 因素水平的确定依据单因素试验的结果，选取工作参数中的辊间压力6kg／cm、进机流量165kg／（cm·h）、快辊线速17.5m／s及线速差3.1m／s为中心点，采用Box－Behnken中心组合试验设计方法进行响应面优化分析［7］，其试验因素与水平见表3。

2.2.2 Box－Behnken试验结果按照Box－Behnken试验设计原理进行试验，结果见表4。

表3 Box－Behnken试验因素水平编码Table 3 Box－Behnken level coding test factors

2.2.3 模型建立与检验利用Design Expert软件对表4中的试验数据进行多元回归拟合，经方差分析，在剔除不显著的因素后，得到以砻谷产量Y为目标函数，以工作参数辊间压力（X1）、进机流量（X2）、快辊线速（X3）、线速差（X4）为自变量的二次回归方程模型：

由回归系数的显著性检验知（见表5），模型的一次与二次项均极为显著，说明砻谷产量与各参数之间的关系并非简单线性关系，且X1X4、X3X4的交互作用高度显著，X1与X3的交互作用显著，通过直接比较一次项F值的大小判断因素影响的主次顺序，对砻谷产量的影响从大到小依次为X1（进机流量）＞X2（辊间压力）＞X3（线速差）＞X4（快辊线速）。由方差分析表6可知，二次回归方程模型的P值＜0.000 1，失拟项的P值＝0.063 8＞0.05，相关系数R2＝0.990 6，校正系数R2Adj＝0.981 1。综合这些信息可知：二次回归模型的效果高度显著，且失拟不显著，表明砻谷产量对各因素的回归模拟是合适的，模型的拟合优度好，实测值与理论上的预测值之间具有良好的相关性，且98%以上的响应值变化可由参数辊间压力、进机流量、快辊线速及线速差等因素来解释，而其它因素对试验结果的干扰较小。所以模型具有较高可靠性，可以用来在实际中预测砻谷产量，反映其与胶辊砻谷机各工作参数之间的变化规律［8，9］

表4 Box－Behnken试验设计与结果Table 4 Experimental design and results of Box－Behnken test

表5 回归系数的显著性检验Table 5 Significance test of regression coefficient

表6 回归模型方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

2.3 模型的优化分析

2.3.1 响应面分析由表5可知，在各因素的两两交互作用中，辊间压力、快辊线速与线速差之间的交互作用极显著，辊间压力与快辊线速之间的交互作用呈显著状态，而其余因素之间均不存在交互作用。为解析交互项的影响，由二次回归方程作响应曲面图（图1～3），所有响应面均为开口向下的凸曲面，它直观地反映了无论各因素如何变化，必定存在最佳的砻谷产量值。

由图1可知，辊间压力对砻谷产量的影响要比快辊线速大，当辊间压力在6.0～6.5kg／cm、快辊线速在17～18m／s之间时，所得响应值砻谷产量较大。

由图2可知，辊间压力的影响大于线速差，且辊间压力在6.0～6.5kg／cm、线速差在3.1m／s附近时，其响应值较大。究其原因是稻谷在脱壳过程中，主要是借助于两平行胶辊相向异速旋转运动，使稻谷受到辊间的挤压力和摩擦力所产生的搓撕作用，导致稻壳破裂，从而实现谷糙分离的目的。因此，如果辊间压力过低，则达不到脱壳的效果。过高，又会导致破碎率、爆腰率的增加，故而影响到产品的质量。所以，辊间压力需在一个适当的范围内。

图1 辊间压力和快辊线速对产量影响的响应曲面Figure 1 Response surface of the influence of contact pressure between rolls and fast roll linear speed on husker capacity

图2 辊间压力和线速差对产量影响的响应曲面Figure 2 Response surface of the influence of contact pressure between rolls and linear speed difference on husker capacity

图3 快辊线速和线速差对产量影响的响应曲面Figure 3 Response surface of the influence of fast roll linear speed and linear speed difference on husker capacity

由图3可知，线速差对砻谷产量的影响要高于快辊线速，当线速差与快辊线速分别在2.9～3.3m／s和17～18m／s之间时，响应值达到较高的状态，主要原因在于线速差是产生搓撕作用的必备条件，过高或过低都不利于砻谷产量的提高［10，11］。

2.3.2 模型寻优与验证为寻找提高砻谷产量的最优工作参数组合条件，将式（1）分别对各自变量求偏导数，并令：

解线性方程组：

可得多元函数取得极值的驻点，即：

此即为砻谷产量达到最优状态时的工作参数组合条件。在此条件下，理论上的最优砻谷产量的预测值可达到151.9kg／（cm·h）。

为验证响应面优化的结果，取最优条件下的工作参数组合条件，进行了3次平行验证性实验，得砻谷产量的平均值为150.8kg／（cm·h），其验证实测值与模型理论预测值相比，相对误差为0.75%，且重复性好。由此可见，采用响应面法优化所确定的胶辊砻谷机最佳工作参数组合是可行的，所得二次回归模型具有比较稳定的可靠性及实际应用价值［12，13］。

3 结论

（1）Box－Behnken试验设计响应面优化分析表明：在稻谷加工过程中，胶辊砻谷机的工作参数辊间压力、进机流量、快辊线速、线速差等因素均是影响砻谷产量的重要因素，且进机流量是影响砻谷产量最主要的因素，其次是辊间压力、线速差，而快辊线速的影响最小。

（2）胶辊砻谷机最优的工作参数组合条件为辊间压力6.18kg／cm、进机流量 173.9kg／（cm·h）、快辊线速17.0m／s、线速差3.06m／s，此时，理论上的砻谷产量可达151.9kg／（cm·h），投入产出率可达87%。

综上所述，从提高砻谷产量角度来说，在胶辊砻谷机的设计和实际应用中，应科学合理的把握工作参数的选取，立足于高流量以及适度压力和线速的思想，不断改进和创新砻谷设备的进料系统，充分利用现代机电一体化自动控制技术，提升对辊压、流量、线速与速差等的智能化控制，对于提高胶辊砻谷机的设计水平，提升稻谷加工产量，降低生产成本，获得最佳的工艺效果及良好经济效益是十分必要的。当然，高产量并不意味着稻谷加工的高质量，在提高砻谷产量的同时又能确保破碎率、爆腰率及胶耗等工艺效果指标的降低，就更具意义，对此还有待进一步的试验与探讨研究［14，15］。

1 黄刚.稻谷加工必备之砻谷机［J］.农业机械，2010（22）：69～70.

2 邵庆余，王敏，陈顺成.谈影响砻谷工艺效果的主要因素与提高米厂经济效益的关系［J］.粮油加工，2007（3）：26～27.

3 顾尧臣.粮食加工设备工作原理、设计和应用［M］.武汉：湖北科学技术出版社，1998：421～461.

4 顾尧臣.粮食机械与粮食加工工艺的关系（二）［J］.粮食与饲料工业，1998（12）：1～3.

5 阮竞兰，向光波，程相法.胶辊砻谷机性能参数试验与优化［J］.农业工程学报，2011，27（5）：353～357.

6 伍毅，阮竞兰，伍维维.基于多指标正交试验设计的胶辊砻谷机工作参数综合优化分析［J］.包装与食品机械，2012，30（3）：1～5.

7 伍毅，阮竞兰.矩阵分析法在胶辊砻谷机工作参数优化中的应用［J］.河南工业大学学报（自然科学版），2012，33（5）：83～88.

8 王喜波，迟玉杰.大豆蛋白超声磷酸化加工工艺的Box－Behnken模型优化［J］.农业机械学报，2011，42（11）：130～134.

9 曾小明.野生猕猴桃根熊果酸微波萃取工艺的响应面优化［J］.食品与机械，209，25（2）：133～136.

10 李丽辉，林亲录，符日道.脱脂米糠制备膳食纤维工艺条件的优化［J］.食品与机械，2011，27（6）：110～113.

11 张军伟，傅大放，彭奇均，等.响应面法优化酸水解稻秆制木糖的工艺参数［J］.农业工程学报，2009，25（11）：253～257.

12 韩丹妮，谢定.响应面法优化稻壳中木聚糖的提取工艺［J］.食品与机械，2011，27（6）：114～118.