复式花生脱壳机振动分选装置试验及参数优化

摘要：通过单因素试验和Box-Behnken试验设计及响应面分析，建立复式花生脱壳机振动筛作业含杂率和损失率数学模型，采用响应曲面优化分析和多目标优化设计方法，获得复式花生脱壳机振动分选装置振动筛作业最佳工作参数为振幅3.8 mm、振动频率485 Hz、振动臂角度35°，此条件下分选装置含杂率为2.18%，损失率为174%。

关键词：数学模型；振动分选装置；响应面分析法；花生；脱壳机

中图分类号： S226.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0365-05

收稿日期：2014-04-03

基金项目：国家现代农业产业技术体系（编号：CARS-14）。

作者简介：王建楠（1983—），男，河南潢川人，硕士，助理研究员，主要从事农产品加工技术与装备研究。Tel：（025）84346247；E-mail：wjnsunrise@126.com。花生是我国的重要油料作物和优质蛋白资源[1]。脱壳是花生种植及油用、食用加工前的必经工序，是影响花生果仁及其制品品质和商品性的关键[2]。机械化脱壳加工技术设备落后，尤其是种用花生脱壳技术装备缺乏，已成为制约花生产业发展的主要瓶颈之一[3-5]。脱壳过程中提高剥净率、降低破碎率是花生脱壳设备研发需要重点考虑的关键问题，是实现花生脱壳，尤其是种用花生机械化脱壳设备快速推广应用的关键。由于花生荚果物理特性差异悬殊[6]，现普遍应用的卧式单滚筒凹板筛型式花生脱壳设备存在脱净率低、破碎率高的问题[7]。复式双滚筒花生脱壳设备能将一次脱壳后的未脱荚果经振动分选装置分选，并输送至复脱仓实现复脱，提高了脱净率，但是，由于在花生荚果及果仁振动分选装置运动参数、运动规律方面鲜有研究，且花生荚果及果仁物理特性与稻麦等颗粒物料有显著差异[8]，致使复式花生脱壳机振动分选装置运动参数配置不合理，存在荚果、果仁分选含杂率和损失率高，整机复脱效果差等问题。本试验利用振动分选试验台，针对白沙花生品种开展振动分选装置性能试验，利用Box-Behnken试验设计及响应面分析对关键参数进行优化设计，以期为复式花生脱壳机振动分选装置的优化设计提供支撑。

1振动分选装置结构及工作原理

1.1复式花生脱壳机工作过程

复式花生脱壳机由机架、进料斗、一次脱壳滚筒与凹板筛、复脱滚筒与凹板筛、振动分选装置、去杂风机等组成。脱壳机工作时，花生荚果由进料斗进入一次脱壳仓，在脱壳滚筒作用下进行脱壳；脱壳后的花生果壳经去杂风机吹出，果仁及未脱荚果混合物落在振动分选装置上，在振动筛及一定风力作用下，在筛面上分层并形成双向运动，花生果仁由右端出料口出料，未脱荚果向分选装置尾部运动，并经气力提升装置进入复脱仓实现复脱（图1）。

1.2振动分选装置工作原理

振动分选装置由鱼鳞筛、振动臂、偏心驱振装置组成（图1）。荚果及果仁混合物落在鱼鳞筛上时，由于二者比重有差异，比重较大的花生果仁在风力与振动的作用下与鱼鳞筛保持接触，受到鱼鳞筛的推送沿筛面前行；反之比重较小的花生荚果在风力作用下未与筛面接触，在振动的作用下向筛尾运动。振动臂与垂直方向安装角度α影响物料在筛面上的抛掷高度（图2），为实现花生较佳的运动状态，果仁需与鱼鳞筛筛面保持较好的接触，果仁在筛面受力情况应满足[9]：Gcosδ≥mω2Asinβ，式中，G为物料重力（N）；m为物料颗粒的质量（kg）；δ为筛面安装角（°）；ω为振动圆频率（s-1）；A为振幅（m）；β为激振角（°）。

1.3振动分选装置分选过程及影响因素分析

由图2可知，影响花生在筛面运动的主要参数有振幅（2r）、驱振频率f、振动臂与垂直方向倾角α。在花生脱壳机工作过程中，如振幅过小，将导致花生荚果及果仁在输送过程中不易分层，使花生荚果、果仁难以分开；反之，则会造成物料在筛片跳动过大，甚至跳出筛面，造成损失。如驱振频率选择不当，会导致花生荚果及果仁在输送过程中过快，分选效果差。

2材料与方法

2.1试验仪器设备

试验所需仪器设备见表1。

2.2试验原料

为考核振动分选装置分选特性，选用白沙花生品种的荚果及果仁混合物为原料。荚果尺寸范围集中在长20～45 cm、宽10～15 cm、厚10～15 mm，自然晒干后含水率为743%；果仁尺寸集中范围在12.6～16.8 mm、宽6～10 mm、厚8.1～10.3 mm。

2.3试验参数

以花生出料端含杂率R1和损失率R2为振动分选装置作业性能考核指标，每次试验重复3次，取平均值。计算公式为：R1=m2/（m1+m2+m3）；R2=m3/（m1+m2+m3），式中，m1为出料端果仁净质量；m2为出料端荚果净质量；m3为振动过程中损失的荚果及果仁总质量。

2.4试验设计

将同一批花生荚果及果仁混合物在振动分选试验台，以振幅、频率、振动摆臂角度为试验因子，进行单因素分选试验，待物料在筛面上形成一定料层厚度后从出料端出料，稳态情况下取料15 s，对取料进行相应指标测试。运用中心组合设计理论，综合单因素试验结果，选取振幅A、频率B、振动摆臂角度C为影响因子进行二次回归正交试验，以含杂率R1、损失率R2为响应值进行响应面分析，按照方程xi=（zi-zi0）/Δzi对自变量真实值进行编码，式中，xi为自变量编码值，zi为自变量真实值，zi0为试验中心点处自变量的真实值，Δzi为自变量的变化步长。各因素自变量编码及水平[10-14]见表2。

3结果与分析

3.1单因素试验

3.1.1不同振幅对分选效果的影响振动筛频率设定为 480 Hz，振动臂与垂直方向夹角α设定在35°，分别在振幅为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 mm条件下，对复式花生脱壳机分选装置进行试验。由图3可见，花生输送装置含杂率与振幅呈现非线性关系，当振幅大于4.5 mm时，输送装置含杂率急剧上升，主要是由于振幅过大，造成筛面振动剧烈，花生荚果及果仁在筛面跳动明显，难以实现有效分层；振幅与损失率也呈非线性关系，主要是由于振幅越大，越易使花生荚果及果仁跳出筛面，从而造成损失。综合考虑含杂率、损失率等因素，振幅以3.0～5.0 mm为宜。endprint

3.1.2不同振动频率对分选效果的影响振动筛振幅设定为3.5 mm，振动臂与垂直方向夹角设定在35°，在振动频率分别为480、490、500、510、520 Hz条件下，对复式花生脱壳机振动分选装置进行试验。由图4可见，花生输送装置含杂率与振动频率呈现非线性关系，当振动频率为500 Hz时，输送装置含杂率最低，当大于500 Hz时，振动筛对物料输送过快，分选效果变差；损失率随振动频率增加而增加。综合考虑含杂率、损失率等因素，振动频率以480～520 Hz为宜。

3.1.3不同振动臂倾角α对分选效果的影响将振动筛振幅设定为3.5 mm，振动频率设定为480 Hz，在α分别为28°、30°、32°、34°、36°、38°、40°、42°条件下，分别对复式花生脱壳机分选装置进行试验。由图5可见，含杂率与α呈现非线性关系，在34°时含杂率最低；损失率与α呈线性关系，随α增大，损失率逐渐增大。综合考虑含杂率、损失率等因素，振动臂角度α以30°～40°为宜。

3.2二次回归正交试验

3.2.1含杂率数学模型及方差分析采用逐步回归法对表3结果进行三元二次回归拟合，得到含杂率编码值简化回归方程为：R1=96.60-2.25A-2.62B-0.13C-0.75AB-025AC-3.8A2-1.05B2-3.55C2，振幅、频率、振动臂倾角与

含杂率存在二次非线性关系。由方差分析结果（表4）可见，模型显著性检验F=25.27，P=0.0001，Quadratic回归方程检验达极显著，失拟检验不显著，这说明残差由随机误差引起；R2=0.972 4，拟合度>95%，这说明模型能反映响应值变化，试验误差小，可用含杂率数学模型对含杂率进行分析和预测；振幅、频率及振动臂倾角的交互项对含杂率影响较为显著。

3.2.2含杂率响应曲面分析响应面等高线形状可反映因子间交互效应强弱，椭圆形表示两因子交互作用显著，而圆形则与之相反。由图6至图8可见，振幅和频率、频率和倾角的交互作用显著，其他因素交互作用较小。由图6可见，当振动臂角度α一定时，降低振动频率和振幅可以降低含杂率。由图7可见，当振动频率一定时，随着振幅及振动臂倾角α增大，含杂率先减小后增大。由图8可见，当振幅一定时，随着频率的增加含杂率增加。

3.2.3损失率数学模型及方差分析对表4结果进行三元二次回归拟合，得到含杂率编码值简化回归方程为：

模型P值小于0.000 1，Quadratic回归方程检验达到极显著，失拟检验为不显著，残差由随机误差引起；R2=0.979 5，拟合度>95%，模型能够反映响应值变化，试验误差小，可以对损失率进行分析和预测；振幅、频率及振动臂倾角的交互项对损失率影响较为显著。

3.2.4损失率的响应曲面分析由图9至图11可见，振幅和频率、频率和倾角α的交互作用对损失率影响明显，其他交互作用影响不显著，这与其数学模型表达式相符；在一定试验范围内，当其中1个因子保持在一定值时，损失率随其他2个因子的增大而先增大后减小。

4参数优化

由含杂率和损失率2个目标参数响应面分析可知 降低振动频率虽可降低损失率，但含杂率存在先降后增的现象；增加振动臂倾角α虽可降低损失率，但却导致含杂率升高。因此，对2个目标函数进行多目标优化，探析同时满足这2个目标函数的最佳参数组合，目标函数为[15-17]：

5验证试验

将脱壳设备设置为振幅3.8 mm、振动频率485 Hz、振动臂角度35°，进行3次验证试验。由表6可见 含杂率相对误差为4.83%，损失率相对误差为3.23%，与理论值相差较小，这说明优化脱壳机振动分选装置运动参数是切实可行的。

6结论

用响应曲面模型分析判断振幅、频率、振动臂倾角及各因素交互作用与含杂率和损失率的关系。对含杂率而言，振幅和频率、频率和倾角的交互作用显著，其他因素交互作用较小；当振动臂角度α一定时，降低振动频率和振幅可以降低含杂率；当振动频率一定时，随着振幅及振动臂倾角α增大，含杂率先减小后增大；当振幅一定时，随着频率的增加含杂率增加。对损失率而言，振幅和频率、频率和倾角α的交互作用对损失率影响明显，其他交互作用影响不显著；在一定试验范围内，当其中1个因子保持在一定值时，损失率随其他2个因子的增大而先增大后减小。

综合考虑复式花生脱壳机振动分选装置作业参数，采用Design Expert软件进行多目标优化设计，得到复式花生脱壳机振动分选装置最佳参数为振幅3.8 mm、振动频率485 Hz、振动臂角度35°，振动筛在该作业参数下平均含杂率为218%，平均损失率为1.74%。

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