高性能滚搓式蓖麻脱壳设备设计与操作参数优化研究

李昌珠，刘汝宽,2，程鑫鑫，肖志红，黄志辉

（1. 湖南省林业科学院，湖南 长沙410004；2. 中南大学 化学与化工学院，湖南 长沙 410083；3. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙410083）

高性能滚搓式蓖麻脱壳设备设计与操作参数优化研究

李昌珠1，刘汝宽1,2，程鑫鑫3，肖志红1，黄志辉3

（1. 湖南省林业科学院，湖南 长沙410004；2. 中南大学 化学与化工学院，湖南 长沙 410083；3. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙410083）

以蓖麻果实为原料，通过对现有蓖麻脱壳设备的性能分析，对其局部结构进行改进，实现了蓖麻剥壳效能的优化，为蓖麻果实脱壳机械的研制提供理论依据。通过正交试验进行了滚搓式蓖麻脱壳设备的参数优选，求得滚筒转速、滚筒倾角、出料口滚筒间距及含水率与脱壳指标的关系，得到了影响蓖麻脱壳指标的主次因素和各因素的显著性水平，各参数的最优组合为滚筒转速为300 r/min、蓖麻果实含水率为6%、滚筒间隙为10 mm、滚筒倾角为17.6°。在此条件下，蓖麻脱壳设备的生产率可达404.12 kg/h，脱净率可达90.8%，破损率可以降低到2.9%，优选后的脱壳设备综合指标优于其他参数组合下的机械性能。

蓖麻果实，滚搓式脱壳，正交试验，参数优选

蓖麻是一种具有极高经济价值、生态效益并拥有巨大市场需求的油料作物[1-3]。随着我国蓖麻种植量的不断增加，蓖麻脱壳机械发挥的作用越来越大，对其性能要求也逐渐增高。目前，国内蓖麻果实脱壳机械普遍存在脱净率低、生产率低、破损率高的缺陷[4]，难以满足现代生产中“保质保量”的要求[5]。在此背景条件下，以开发优质、高效的滚搓式蓖麻脱壳设备为目标，通过对滚搓式蓖麻脱壳设备的缺陷进行分析研究，自主设计了一台新型蓖麻剥壳设备，并以生产率（kg/h）、脱净率（%）、破损率（%）为脱壳指标，进行参数优选试验[6-7]，研究各因素对脱壳指标的影响规律，优选得到最优参数组合。

1 试验设备与材料

1.1 主要设备与材料

滚搓式蓖麻蒴果脱壳设备（图1，自制LKY-Ⅰ），主要由机架、进料斗、锥形脱壳滚筒（内外）、电机（4 kw）、变频器等组成。采用湖南省林业科学院选育的“湘蓖一号”蓖麻蒴果作为试验对象[9]，其含水率约为6%（深褐色，自然干燥）与11%（褐色，新采样品）。

图1 滚搓式蓖麻蒴果脱壳设备总体结构(左)及进料口处楔角处理(右)Fig.1 Overall structure of the roll-rub shelling equipment for castor capsule (left) and inlet wedge angle treatment (right)

1.2 因素水平表

根据因素水平数选用L16(45)正交表进行实验[6-8]，见表1。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3 参数优化与确定

采用综合评分法对本正交实验进行评价分析[9-12]。根据各个指标的重要程度，以100分为总“权”，给定生产率（kg/h）为40分，脱净率（%）为35分，破损率（%）为-25分，综合得分可用下式计算得出。

式中：yi为第i号试验所得的综合评分；Wj为第j个指标的权值；yij为第i号试验中第j指标的试验结果；Rj为第j个指标的最大极差。

2 结果与分析

2.1 正交实验结果

由表2可以得到影响综合指标的因素顺序为A＞D＞B＞C，在既定的水平范围内最优组合为A4D1B2C1，即在滚筒转速为300 r/min、蓖麻蒴果含水率为6%（自然干燥时）、滚筒间隙为10 mm、滚筒倾角为17.6度时脱壳综合指标最高。最优组合在试验优选方案中没有出现，进行验证试验。结果表明，在最优条件下，蓖麻蒴果脱壳设备的生产率可达404.12 kg/h，脱净率可达90.8%，破损率可以降低到2.9%，优选后的脱壳设备综合指标优于其他参数组合下的机械性能。

2.2 方差分析

滚筒转速（RPM）、滚筒倾角（度）、出料口滚筒间距（mm）3个因素对脱壳设备脱壳指标的影响是不同的。

由表3的方差分析可知：

(1) 在95%的置信度下，滚筒的转速与蓖麻果实的含水率两因素对脱壳设备生产率的影响极其显著，出料口滚筒间距与滚筒倾角表现为不显著；

(2) 在95%的置信度下，出料口滚筒间距对脱壳设备脱净率的影响极其显著，滚筒倾角影响显著，含水率与滚筒转速表现为不显著。

(3) 在95%的置信度下，出料口滚筒间距对脱壳设备破损率的影响极其显著，滚筒转速影响显著，滚筒倾角与蓖麻蒴果含水率影响为不显著。

表2 正交试验及其结果Table 2 Results of the orthogonal experiment

2.3 性能参数与脱壳指标的关系

脱壳设备的滚筒转速（RPM）、滚筒倾角（度）、出料口间距（mm）对脱壳性能指标的影响如图2所示。

由图2可看出脱壳机的生产率（kg/h）受滚筒转速（RPM）与含水率（%）的影响明显大于其他因素的影响；脱净率（%）受出料口滚筒间距（mm）的影响明显大于其他因素的影响；破损率（%）受出料口滚筒间距（mm）的影响明显大于其他因素的影响。

3 结 论

(1) 采用正交实验方法，对自主设计的新型高效蓖麻脱壳设备（LKY-Ⅰ，速度可调）的剥壳效果进行评价，得到滚搓式蓖麻脱壳设备的影响关系，在95%的置信度下，对生产率的影响程度，滚筒的转速与果实的含水率两因素具有高度显著性；对脱净率的影响程度，出料口滚筒间距具有高度显著性，滚筒倾角表现显著；对破损率的影响程度，出料口滚筒间距具有高度显著性，滚筒转速表现显著。

(2) 通过综合评分法，得到了蓖麻剥壳工艺的最优参数组合。自然干燥时的蓖麻（含水率为6%），在滚筒转速为300 r/min、蓖麻果实含水率为6 %、滚筒间隙为10 mm、滚筒倾角为17.6°时，其剥壳生产能力（生产率）可达404.12 kg/h，脱净率可达90.8%，破损率可以降低到2.9%。

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance

图2 各因素水平对脱壳性能指标的影响Fig.2 Effect of different factors on the hulling performance

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Structure design and parameters optimization of the roll-rub shelling machine for castor capsule

LI Chang-zhu1, LIU Ru-kuan1,2, CHENG Xin-xin3, XIAO Zhi-hong1, HUANG Zhi-hui3
(1. Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan, China; 2. College of Chemistry & Chemical Engineering, Central South University, Changsha, 410083, Hunan, China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University, Changsha 410083, Hunan, China)

To meet the industry demand of castor process, a new type equipment is made to realize a better effect for shelling the castor.Through orthogonal experiment, the relationship between the quality of roller speed, inclination, space of outlet port and the shelling indicators of process effect taking castor with different water content. The primary and secondary factors affecting the targets of castorshelling and the signi fi cance level of each factor are acquired. The optimal combination of the parameters are the roller’s rotate speed of 300 r/min, fruit’s water content of 6%, roller space of 10 mm, and roller inclination of 17.6%. Under the optimum, the indexes of castor shelling equipment are productivity of 404.12 kg/h, the net rate of 90.8%, breakage rate of 2.9%, which is superior to other combinations of parameters the mechanical properties.

castor bean; roll-rub shelling method; orthogonal experiment; parameter optimization

S759.3

A

1673-923X(2016)02-0110-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.02.021

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-07-17

国家科技支撑（2015BAD15B02）；国家林业局公益项目（201304608）

李昌珠，研究员；E-mail：lichangzhu2013@aliyun.com

李昌珠，刘汝宽，程鑫鑫，等. 高性能滚搓式蓖麻脱壳设备设计与操作参数优化研究[J].中南林业科技大学学报，2016,36(2): 110-113, 134.

[本文编校：吴 彬]