基于响应面分析法的辊子式榛子破壳机结构参数的优化

王喜印，许 诺，李 齐，于东林*

(1.吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林石化公司 合成树脂厂，吉林 吉林 132000)

作为世界四大干果(核桃、杏仁、榛子、腰果)之一的榛子，是国际上畅销的名贵干果，并享有“坚果之王”的美誉[1]，据不完全统计，20世纪90年代东北地区约有榛子林377.8万亩，年产榛子8 600万公斤以上[2].

我国是从20世纪后期开始对破壳机械开始研发，且发展较为缓慢，根据统计，目前我国榛子破壳机的工作效率可以达到75%左右.为了进一步提高脱壳的效率，减小破仁率，设计一种刀辊式脱壳装置，通过理论计算得出关键结构的最优参数，为现在国内市场提供了一种制作最新刀辊结构的方法.

1 刀辊结构

在榛子压裂箱中加入辊子，使用者将榛子从压裂箱口放入，通过刀辊的工作，进行第一步松壳，结束后，榛子会从下部出料口中送出[3].榛子压裂箱整体结构如图1所示，刀辊具体结构如图2所示.

图1 榛子压裂箱结构示意图

图2 刀辊结构示意图

2 刀辊结构参数

2.1 刀辊结构参数设计

作为脱壳装置中至关重要的部件，刀辊的结构参数决定了最终破壳效果.刀辊脱壳主要靠刀辊自身转速、刀辊的直径大小、刀辊间隙三者决定.根据工作原理，榛子从进料口进入，因为重力作用，使榛子进入脱壳室，在脱壳室中会受到转动刀辊的撞击，挤压和剪切力的同时作用，导致榛子发生破壳，刀辊转动由电动机支持，电动机配有变频器，可以控制刀辊的转动[4].

(1)取榛子大小为15 mm，弹性模量为120 MPa，破壳榛子大约需要8～12 N的力，以刀辊转速、刀辊间隙、刀辊直径进行单因素试验.

(2)根据中心组合设计理论，结合单因素试验的结论进行分析，选择刀辊转速、刀辊间隙、刀辊直径为影响因素，以脱壳率和破仁率为响应值[5].

2.2 单因素试验

2.2.1 不同刀辊转速对榛子脱壳的影响

取刀辊直径为180 mm，刀辊间隙为13 mm，刀辊转速为80、120、140、160、180、220 r·min-1，不同转速条件下榛子的脱壳率和破仁率如图3所示，从图可以看出，脱壳率和破仁率与刀辊转速呈非线性关系，所以刀辊转速选160～220 r·min-1适宜.

刀辊转速/(r·min-1)图3 不同刀辊转速对脱壳效果的影响

2.2.2 不同刀辊直径对榛子脱壳的影响

取刀辊转速为180 r·min-1，刀辊间隙为13 r·min-1，在刀辊直径为176、178、180、182、184、186、188 mm条件下，榛子脱壳率与破仁率如图4所示，从图可以看出，脱壳率和破仁率与刀辊直径呈非线性关系，所以刀辊转速选182～186 min适宜.

刀辊直径/mm图4 不同刀辊直径对脱壳效果的影响

2.2.3 不同刀辊间隙对榛子脱壳的影响

取刀辊转速为180 r·min-1，刀辊直径为184 mm，在刀辊间隙为8.8、9.8、10.8、11.8、12.8、13.8 mm条件下，榛子脱壳率与破仁率如图5所示，从图可以看出，脱壳率和破仁率与刀辊直径间隙呈非线性关系，所以刀辊间隙选9～13 mm适宜.

刀辊间隙/mm图5 不同刀辊间隙对脱壳效果的影响

2.3 组合设计试验

2.3.1 脱壳率的响应面分析

根据单因素测试的结果，做出脱壳率响应面图，如图6所示.

图6 影响脱壳率各因素的响应面分析

从图6中可以看出，在试验的范围内，刀辊直径不变时，增大刀辊转速和减小刀辊间隙可以提高榛子的脱壳率；当刀辊间隙不变时，增大刀辊转速或刀辊直径，可以提高脱壳率；当刀辊转速不变时，随着刀辊直径的增加，脱壳率先增大后减小.

2.3.2 破仁率的响应面分析

根据单因素测试的结果，做出破仁率响应面图，如图7所示.

图7 影响破仁率各因素的响应面分析

从图7中可以看出，在试验的范围内，刀辊直径不变时，减小刀辊转速和提高刀辊间隙可以降低榛子的破仁率；当刀辊间隙不变时，减小刀辊转速和刀辊直径，可以降低破仁率；当刀辊转速不变时，减小刀辊直径或增大刀辊间隙可以降低破仁率[6].

3 效果分析

按照中心组合试验设计方案结果，实验数据如图8所示.

由图9可知，当模型P值小于0.000 1时，回归方程的检验显著，拟合检验的失败F=2.55则不显著，表明残余误差是由随机误差引起的.该模型可用于分析和预测榛子的脱壳率和破仁率[7].

图8 中心组合试验数据

图9 脱壳率方差分析

破仁率方差分析如图10所示.

图10 破仁率方差分析

由图10可知,为了让结果具有普遍性，使榛子破壳机达到最大工作效率，在相同的测试条件下，重复进行了3次试验[8]，试验结果如表1所示.

表1 优化方案验证

根据上述数据得出榛子破壳机的脱壳率[9]、破仁率的偏离参考点值，如图11所示.

图11 脱壳率，破仁率偏离参考点值

参数响应面分析结果表明，当刀辊的转速为180 r·min-1，刀辊的直径为181 mm，刀辊的间隙为11.2 mm时，榛子破壳机的脱壳率为93.35%，破仁率为7.69%[10].

4 结 论

(1) 采用单因素试验方法获得各结构参数对脱壳率和破仁率的影响，采用响应面法对刀辊结构参数进行优化，得出试验范围内破壳率的值.

(2) 根据统计学，判断出各影响因素对榛子脱壳率的影响强度为：刀辊直径>刀辊间隙>刀辊转速.

(3) 使用design expert软件对模型进行优化分析，得出当刀辊转速为180 r·min-1，刀辊直径为181 mm，刀辊间隙为11.2 mm时，榛子破壳机的脱壳率为93.35%，破仁率为7.69%[11].