挤压式核桃破壳机参数优化试验

闫 　茹，赵奎鹏，郑甲红，王亚妮，徐童非

(1.陕西科技大学 机电工程学院，西安　710021；2.陕西省农业机械研究所，陕西 咸阳　712000)



挤压式核桃破壳机参数优化试验

闫 茹1，赵奎鹏1，郑甲红1，王亚妮2，徐童非1

(1.陕西科技大学 机电工程学院，西安710021；2.陕西省农业机械研究所，陕西 咸阳712000)

摘要：为了得到挤压式核桃破壳机的最佳工作参数，对破壳机进行了试验研究。选择对核桃破壳影响较大的含水率、弹簧刚度、挤压行程3个因素进行了单因素破壳试验，以此为基础进行了3因素3水平的响应面Box-Behnken破壳试验，分析了因素间的交互作用，建立了回归方程,并进行了验证试验。结果表明：影响破壳效果的因素主次顺序为含水率、弹簧刚度、挤压行程，含水率分别和弹簧刚度、挤压行程有交互作用；最佳工作参数为含水率21%、弹簧刚度15.3N/mm、挤压行程10mm。试验采用陕南商洛核桃，弥补了陕南核桃相关参数的空白，试验数据为核桃破壳机的设计和改进提供了理论依据。

关键词：核桃；破壳；单因素试验；响应面试验

0引言

随着核桃的营养价值被人们认知，核桃及其深加工产品的需求日益增加，如核桃油、核桃粉、核桃糖等，都是进行核桃深加工的产品。无论何种形式的核桃深加工，破壳都是首要的工序。核桃作为生物产品，品种繁杂、尺寸形状差异大、壳仁间隙厚度不同，导致核桃的破壳难度较大，目前仍没有成熟的核桃破壳机械，很多地方仍采用人工砸取的方式，效率极为低下[1-8]。因此，自制了挤压式核桃破壳机，并进行了单因素试验和响应面试验研究，为核桃破壳提供了数据依据。本核桃破壳机适用于任何大小的核桃破壳，不需要破壳前的分级工作。

1工作原理与参数分析

1.1试验装置结构与工作原理

挤压式核桃破壳机由挤压板、挤压装置、进料口、上盖、端盖、滚子、下盖及机架等部分组成，如图1所示。其长度约400mm，宽度约为200mm，高度约500mm。该机体积小，易搬运。

工作时，将核桃从进料口处送进机器，核桃掉进滚子上的凹槽里，随着滚子的逆时针转动，核桃慢慢与挤压板接触；挤压板上安装有可调弹簧提供挤压力，核桃在滚子的凹槽内与挤压板进行挤压破壳，破壳后的核桃从下盖的出料口流出。该机设计简单，操作方便，破壳效果较好。

1.挤压装置　2.挤压板　3.轴　4.进料口

1.2工作参数分析

挤压式核桃破壳机的挤压力由挤压装置的可调弹簧提供。可调弹簧可以调节弹簧的刚度和弹簧挤压力，亦可调挤压行程，能够满足多品种核桃的破壳需要。同时，核桃本身的含水率也对核桃破壳效果影响较大。因此，弹簧刚度、挤压行程及核桃含水率3个因素间的参数匹配非常重要，是影响核桃破壳的关键因素。

2试验材料与方法

2.1试验设备及材料

采用陕南商洛核桃(购于西安市徐家湾农贸市场)作为本研究的试验材料。目前，已经有很多关于新疆核桃的试验研究，然而对陕南核桃很少涉及[9-11]。因此，选用陕南商洛核桃作为试验材料，以提供陕南商洛核桃的相关数据，为后期陕南核桃破壳研究提供相关依据。

该试验所使用的设备包括挤压式核桃破壳机(自制)、红外线快速水分测试仪(SFY-60型)、电子天平(JM2.2)及电子卡尺(精度0.01mm)等。

2.2试验指标

采用加权评分法将破壳率、高路仁率、整仁率进行综合相加，得出综合评价值Q作为试验指标。破壳率为完全被挤压破壳核桃的总数所占总核桃个数比例。高路仁率为1/4仁及以上的核桃仁质量所占的总质量的比重。整仁率为完整的核桃仁质量所占总核桃仁质量的比重。

破壳率、高路仁率和整仁率的取值范围都为0～1，所以核桃评价指标Q的取值范围为0～3。三者越大，则Q就越大，核桃的破壳状况就越好。同时，Q考虑到了核桃破壳情况、高路仁情况及整仁情况。所以，将总值Q作为评价指标。

2.3试验核桃预处理

本试验所用核桃的尺寸大小为33～38mm。室温下，将核桃放入冷水中进行浸泡，分别浸泡8、24、36h左右，使核桃含水率分别达到7%、16%、23%、30%、37%左右；然后，核桃分组，每组20个核桃为一组进行破壳试验。

3试验结果及分析

3.1单因素试验

3.1.1含水率单因素试验

当弹簧刚度为13.1N/mm、挤压行程为15mm时，取选取含水率为7%、16%、23%、30%、37%的核桃在自制的挤压式核桃破壳机上进行试验，以期得到含水率因素对核桃破壳的影响。破壳效果如图2所示。

由图2可知：随着含水率的增大，破壳效果先增后降，当含水率为23%时，破壳效果最好。

3.1.2弹簧刚度单因素试验

当核桃含水率为15%、挤压行程为15mm时，选取9.1、11.2、13.1、15.5、17.6N/mm这5个弹簧刚度进行试验，结果如图3所示。

图2　含水率对核桃破壳总值影响图

图3　弹簧刚度对核桃破壳总值影响图

由图3可以看出：当弹簧刚度小于等于15.5N/mm时，破壳效果越来越好；当弹簧刚度大于15.5N/mm时，破壳效果反而变差；当弹簧刚度为15.5N/mm时，效果最好。

3.1.3挤压行程单因素试验

当弹簧刚度为13.1N/mm、含水率为15%时，选用挤压行程为4、7、10、13、16mm进行挤压行程因素试验，结果如图4所示。

由图4可知：破壳效果随着挤压行程的增加，先增加后减小；当挤压行程为10mm时，破壳效果最佳。

图4　含水率对核桃破壳总值影响图

3.2响应面试验

根据Design-Expert软件中的BOX-Behnken试验设计[12-15]，选取含水率、弹簧刚度、挤压行程3个影响破壳的关键因素进行响应面试验。3个因素分别用A、B、C表示。其因素水平表如表1所示。

表1　因素水平表

3.2.1Box-Behnken试验设计及结果

设计3因素3水平共15个试验点[16-17]的响应面试验，试验方案设计及试验结果如表2所示。

3.2.2模型适用性分析

模型适用程度可以由模型的P值、失拟项P值、判定系数R2来判断[18]。其中，模型P值<0.05表示其模型显著；失拟项P值>0.05表示其模型的失拟度较小、模型准确。判定系数R2越大，表示模型符合度越高。由表3中各个模型参数可知：二次方模型的模型P值为0.011 1<0.5、失拟项P值为0.899 6>0.05、判定系数R2为0.802 8。其他模型不符合条件，所以选择二次方模型最适合作为本试验的模型。

表2　Box-Behnken试验设计及结果

3.2.3回归模型及方差分析

通过Design-Expert软件对试验结果进行回归分析，得到回归方程为

Q=2.18-0.11·A-0.039·B-0.011·C-

0.11·A·B-0.18·A2-0.075·B2-0.14·C2

模型参数及方差分析结果如表3、表4所示。

表3　模型参数

续表3

表4　方差分析及显著性检验

P值<0.05为显著，用*表示；P值<0.01为极显著，用**表示。

3.2.4多因素分析

根据Box-Behnken试验结果得到响应曲面和等高线图，图5～图7为各个因素共同对破壳效果的影响。

图5　含水率、弹簧刚度对破壳效果总值影响的相应曲面(a)和等高线(b)

由图5(a)可以看出:当挤压行程C因素为0水平时，破壳总值随着含水率A、弹簧刚度B两个因素的增大而先增大;当达到峰值后，略微有些下降。由图5(b)可以看出：含水率A、弹簧刚度B两个因素之间有明显的交互作用。

由图6(a)可知：当弹簧刚度B因素处于0水平时，破壳总值在一定范围内随着含水率A、挤压行程C两个因素的增大而增大；达到极值之后，随着含水率A、挤压行程C的增大而变小。由图6(b)可知：含水率A、挤压行程C两个因素之间也有一定的交互作用。

通过图7(a)可以看出：保持含水率A因素在0水平，破壳总值在一定范围内随着弹簧刚度B、挤压行程C两个因素的增大而先增大后减小，峰值基本位于两因素取值范围的中间。由图7(b)可知：弹簧刚度B、挤压行程C两个因素之间没有交互作用。

图6　含水率、挤压行程对破壳效果总值影响的相应曲面(a)和等高线(b)

图7　弹簧刚度、挤压行程对破壳效果总值影响的相应曲面(a)和等高线(b)

3.2.5验证试验

利用Design-Expert软件，根据试验结果，可以得到最优条件为含水率为20.92%、弹簧刚度为15.3N/mm、挤压行程为9.88mm，其结果为2.197。根据最优工作参数[19]，考虑到可操作性原则进行了三组验证试验，结果如表5。

表5　验证试验结果

3个验证试验结果平均值为2.14，相对误差为1.9%，充分验证了数学模型的正确性。考虑到操作简单原则，最优参数为含水率21%、弹簧刚度15.3N/mm、挤压行程10mm。

4结论

1)由单因素试验可得到含水率、弹簧刚度、挤压行程和核桃破壳效果总值有明显的二次非线性关系。从响应面试验结果可得影响破壳效果的因素主次顺序为：含水率>弹簧刚度>挤压行程。

2)响应面试验和验证试验表明：最优工作参数为含水率21%、弹簧刚度15.3N/mm、挤压行程10mm。

3)本试验研究只对陕南商洛核桃进行了试验研究，对于其他品种的核桃破壳情况还需进一步试验。

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The Experimental Study on Walnut Shell Breaking Machine With Extrusion Based on Response Surface Methodology

Yan Ru1, Zhao Kuipeng1, Zheng Jiahong1, Wang Yani2, Xu Tongfei1

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China ; 2.Shaanxi Institution of Agricultural Mechanism,Xianyang 712000，China)

Abstract：In order to get the best working parameters of extrusion type walnut shell breaking machine.have studied on the machine based on experiments. Chosen moisture content、spring stiffness、squeeze length as the key factors to have single factor tests.And on this basis.had a response surface Box-Behnken experiment with three factors and three levels.Analyzed the interaction between every factors.and established the regression equation.Had validation test as well. The result shows that the primary and second order of the influencing factors is moisture content,spring stiffness,squeeze length.Moisture content have interaction with spring stiffness、squeeze length, respectively. the best working parameters is moisture content 21%,spring stiffness 15.3N/mm,squeeze length 10mm.This experiment adopted the Shangluo walnut in southern Shaanxi.This experiment fills in the blank of the related walnuts parameters. At the same time,the experiment data provides the basis for the design and optimization of walnut shell breaking.

Key words：walnut; shell breaking; single factor tests; response surface tests

文章编号：1003-188X(2016)06-0219-06

中图分类号：S226.4

文献标识码：A

作者简介：闫茹(1980-),女，西安人，副教授，硕士，(E-mail)24873693@qq.com。通讯作者：赵奎鹏(1990-)，男，山东夏津人，硕士研究生，(E-mail)1149248926@qq.com。

基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目(2013JK1041)

收稿日期：2015-05-04