挤压式核桃破壳机的正交试验研究

赵奎鹏，郑甲红，王亚妮，闫　茹，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)



挤压式核桃破壳机的正交试验研究

赵奎鹏1，郑甲红1，王亚妮2，闫茹1，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：为了研究自制挤压式核桃破壳机的最优工作参数，选用含水率、弹簧刚度、挤压行程3个因素进行正交试验，并且进行了验证试验。通过试验，确定了挤压式核桃破壳机的最佳工作条件为含水率23%、弹簧刚度13.1N/mm、挤压行程10mm，在最优条件下的验证结果综合评价值为2.73左右。

关键词：核桃；破壳机；挤压式；正交试验

0引言

核桃又称胡桃，有抗氧化之“王”的称号，与扁桃、腰果、榛子并称为世界著名的“四大干果”。其既可以生食、炒食，又可以榨油、配制糕点、糖果等，不仅味美，而且营养价值很高，被誉为“万岁子”“长寿果”。常食用核桃有补脑、美容、治疗胆石症、神经衰落的功效。近年来，我国核桃产业发展迅猛，产量更是大幅提高。 我国的核桃仁品质好，在国际上声誉很高，出口量约占世界核桃市场的40%～50%；但出口的核桃几乎都以原料形式，造成核桃的附加值低。核桃深加工初期就是核桃破壳，其取仁工艺严重制约着核桃继续深加工及核桃在种植产区的加工转化，是一项必须要解决的技术瓶颈。目前，核桃破壳取仁主要由人工完成，生产率低、成本高、劳动量大、卫生条件差。同时，由于敲击的力度不易控制，破壳时核桃仁破碎率高，降低了核桃的市场附加值。

我国的核桃破壳机械也有所发展，但还处于初步发展阶段，几乎都存在各种各样的不足之处，如破壳不干净、破壳率低、核桃仁破碎及高路仁率低，主要表现在破壳率和高路仁率不能满足工业化生产要求。因此，实现机械化加工、解放生产力、提高效率、提高核桃加工品质及出口率是非常值得关注的问题。核桃机械破壳为核桃的深加工奠定了基础，有利于提高核桃附加值。

针对上述问题，笔者设计制造了挤压式核桃破壳机，并且进行了试验研究。同时，选取含水率、弹簧刚度、挤压行程3个关键因素[1-5]进行正交试验，以得到核桃破壳的最好工作参数，为核桃破壳提供相关数据理论。

1试验材料与方法

1.1试验设备及材料

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。

挤压式核桃破壳机主要包括挤压装置、机架、进料口及滚子等装置，如图1所示。工作时，核桃通过进料口落到滚子的凹槽里，随着滚子的转动，挤压板对核桃进行挤压破壳；核桃破壳挤压行程和挤压弹簧刚度通过挤压装置进行调节；破壳后的核桃在挤压式破壳机的下盖中间落下，完成破壳。

目前，很多相关核桃破壳方面的论文表明：其中的试验大都采用的新疆核桃进行研究，对陕南核桃涉及很少。为此，选用陕南商洛核桃作为试验材料(购于西安市河址西农贸市场)。

1.2试验指标

采用加权评分法将3个指标进行综合计算，得出综合评价值Q作为试验指标。3个指标分别为：一是破壳率，指核桃大部分、完全被挤压破壳总数所占总核桃个数比例，用P表示；二是高路仁率，指1/8仁及以上的核桃仁质量所占的总质量的比重，用G表示；三是整仁率，指完整的核桃仁质量所占总核桃仁质量的比重，用Z表示。公式为

式中KP—每组试验中的大部分及完全被挤压破壳的核桃个数；

KZ—每组试验中核桃总数；

Rg—每组试验中所得到的1/8仁及以上的核桃仁质量；

Rz—每组试验中所得到核桃仁的总质量；

Zg—每组试验中所得到完整的核桃仁质量；

Q—核桃评价指标。

破壳率P、高路仁率G、整仁率Z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。P、G、Z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Q作为评价指标。

1.挤压装置　2.挤压板　3.轴　4.进料口

1.3试验方法

陕南商洛核桃的长径、短径和棱长比较接近，圆度较高接近于圆形。由于核桃的尺寸差别较大，选择了长径尺寸范围为34～37mm的陕南商洛核桃。

首先，对核桃的物理特性参数进行测量，记录相关数据，为进一步破壳提供相关数据。

其次，对核桃进行不同弹簧刚度的单因素试验，以确定弹簧刚度对破壳的影响，为进一步正交试验的变量选取提供了试验依据。

最后，对核桃进行浸泡，使其达到规定的含水率。在相应的含水率下，进行不同挤压行程、弹簧刚度的核桃破壳的正交试验。不考虑交互作用，研究各个因素和破壳效果之间的关系，并优选出最佳工作参数。

以综合评价值Q为试验指标，考虑到含水率、弹簧刚度、挤压行程等因素对破壳效果影响较大，所以选择这3个因素进行L9(34)正交试验。正交试验共需要进行9组试验，每组选用20个核桃进行破壳试验。试验因素水平表如表1所示。

表1　试验因素水平表

2试验结果及分析

2.1核桃物理特性参数

本试验采用尺寸大小范围为34～37mm的陕南商洛核桃，随机取150颗核桃进行壳厚、间隙的测量。

核桃壳的厚度范围为1.31～2.48mm，其极差为1.17mm。其中，厚度在1.4～1.8mm之间的核桃占86.1%，厚度在1.3～2.2mm之间的核桃占93.3%，厚度在1.31～2.4mm之间的核桃占97.1%。

核桃壳仁间隙范围为0.5～1.98mm，极差为1.48mm。其中，间隙在1.02～1.62mm范围内的核桃占62.85%，间隙在0.7～1.8mm范围内的核桃占81.32%，间隙在0.5～1.90mm范围内核桃占96.53%。具体的核桃物理参数如表2所示。

表2　物理特性参数表

2.2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，其结果如图2所示。

由图2可以看出：弹簧刚度小于等于15.5N/mm时，破壳效果越来越好；弹簧刚度大于15.5N/mm时，破壳效果反而变差；弹簧刚度为15.5N/mm时，效果最好。

弹簧刚度太小时，核桃破壳不完全，甚至核桃壳只出现裂缝而未打开，整仁率相应也会受到影响，核桃效果不好；弹簧刚度太大时，核桃壳和核桃仁都被挤压破碎，核桃破壳效果也会降低。

根据刚度试验，本文选取了弹簧刚度为13.1、15.5、17.6N/mm等3个量值，进一步进行正交试验。

图2　弹簧刚度对核桃破壳总值影响图

2.3正交试验

根据核桃物理参数试验和弹簧刚度单因素试验的结果设计了正交试验，选用含水率、弹簧刚度、挤压行程为试验因素进行正交试验。试验方案设计和试验结果如表3所示。

由表3的直观分析可以看出：影响破壳效果Q的因素主次顺序为A含水率因素、C挤压行程因素、B弹簧刚度因素。同样，弹簧刚度单因素试验中也得到了验证：不同弹簧刚度破壳效果破壳效果差别并不大，所以弹簧刚度影响率最小。在Kij值中，K13、K21、K32的值相对最大，所以破壳效果最好的条件为A3B1C2。

表3　正交试验设计与结果

2.3.1方差分析

本试验为3因素3水平的正交试验，不考虑交互作用，经过分析得出如表4所示的结果。

表4　 方差分析表

续表4

选取a=0.05，#表示不显著，**表示显著。

由表4方差分析[6-8]可知：A含水率因素对核桃破壳影响很显著，B弹簧刚度因素、C挤压行程因素对核桃破壳的影响显著性不高。

2.3.2效应曲线图

因素效应曲线图如图3所示。由图3可以看出：破壳效果随着A含水率因素增大不断变好，当含水率为23%时，核桃破壳效果最好；核桃破壳效果随着B弹簧刚度因素、C挤压行程因素的变化基本变化不大。由图3无法得知当含水率更高时其破壳效果如何。本文在验证试验中进一步进行了试验。

2.4验证试验

根据正交试验所得的最好的因素条件为A3B1C2，即含水率23%、弹簧刚度13.1N/mm、挤压行程10mm。因此，进行了3组最优条件验证试验和3组含水率验证试验。试验结果如表5所示。

图3　因素效应曲线图

组数含水率A/%弹簧刚度B/N·mm-1挤压行程C/mm破壳率/%高路仁率/%整仁率/%总值1002313.11010098.2674.632.728922313.11010096.4976.422.729132313.11010099.0370.872.699042713.1102084.3239.861.441853113.1102078.435.801.342063513.110089.0341.981.3101

由表5和表3正交试验的结果可知:两者结果基本一致,即含水率23%、弹簧刚度13.1N/mm、挤压行程10mm可以作为最佳的工作参数；随着含水率增加，破壳效果并没有变好，反而变差；在含水率为23%时，破壳效果相对较好。

3结论

1)采用挤压式核桃破壳机进行核桃破壳，提高了破壳率和整仁率，破壳性能较好。

2)本试验首次使用了陕南商洛核桃进行试验，且对核桃的物理参数进行了测量，其壳厚约1.65mm，间隙约1.25mm。

3)由弹簧刚度单因素试验可知：当弹簧刚度为15.5N/mm时，核桃破壳相对较好，但效果差别不太明显。

4)根据正交试验和验证试验的结果，确定了影响破壳性能的因素主次顺序和挤压式核桃破壳机的最佳工作参数为含水率23%、挤压行程10mm、弹簧刚度13.1N/mm。试验结果表明：高路仁率约为97%，整仁率达76%左右。

5)试验只是针对陕南商洛核桃品种进行的试验，对于其他品种核桃还需进一步试验研究。

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Orthogonal Experiment Study of Walnut Shell Breaking Machine with Extrusion

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

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

Abstract：In order to research the best working parameters of walnut shell breaking machine with extrusion.Choosing the moisture content、spring stiffness、squeeze length to have an orthogonal test,then do an validation experiment.Determined the best working parameters for the walnut shell breaking machine with extrusion:the moisture content 23%、spring stiffness 13.1N/mm、squeeze length 10mm.With the best parameters we have tests,and the comprehensive value evaluation result is around 2.73.

Key words：walnut; shell breaking machine; extrusion type; the orthogonal test

文章编号：1003-188X(2016)02-0153-05

中图分类号：S226.4

文献标识码：A

作者简介：赵奎鹏(1990-)，男，山东夏津人，硕士研究生，(E-mail)1149248926@qq.com。通讯作者：郑甲红(1963-)，男，陕西武功人，教授。

基金项目：陕西省教育厅产业化项目(14JF003)；陕西省教育厅科学研究计划项目(2013JK1041)

收稿日期：2015-02-02