动静磨盘式薏苡脱壳机构性能参数试验研究

施丽莉+胡志超+谢焕雄+王建楠+刘敏基+宋卫东

摘要：研究了动静磨盘式薏苡脱壳机构对薏苡脱壳的可行性，以及机构性能参数（动静盘间隙A、进料速度B、动盘转速C）对考察指标（薏苡脱壳率、薏苡破碎率）的影响规律和参数的优化结果，影响薏苡破碎率的主次因素依次为：A>B>C，即动静盘间隙>进料速度>动盘转速；影响薏苡脱壳率的主次因素依次为：A>B>C，即动静盘间隙>进料速度>动盘转速。综合考虑脱壳率和破碎率对脱壳的影响，确定最优方案为A3B3C2，即动静盘间隙为10 mm，进料速度为330 kg/h，动盘转速为1 120 r/min。为生产中应用上述脱壳机械对薏苡进行脱壳加工提供科学依据。

关键词：薏苡；脱壳机构；性能参数；最优方案

中图分类号： S226.1 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）09-0357-03

薏苡（Coix lachryma-jobi L.）在植物学分类体系中隶属于禾本科（Gramineae）玉米族（Tripasacea）薏苡属（Coix），是一年生或多年生的C4草本植物[1-4]。

薏苡有着“世界禾本科植物之王”和“生命健康之禾”的美名，近些年来随着人们对健康饮食的关注而身价倍增[5-7]。现阶段对薏苡进行加工多采用的是对带壳物料进行脱壳加工的通用设备[8]，机械的质量和作业性能不能完全满足当前薏苡的加工生产需求，尚存在诸多问题。市场对于专业、高效的薏苡脱壳机械的需求日趋迫切。本研究通过对现有薏苡脱壳及其他壳类物料脱壳技术现状的研析，提出了薏苡专用脱壳机构的研发技术路线：即使用碾搓法对薏苡进行脱壳，设计动静磨盘式薏苡脱壳机构并进行试验。

1 仪器与方法

1.1 薏苡脱壳机结构及工作原理

图1为试验台示意图，为更加清晰地表达薏苡在脱壳腔内的运动，现运用EDEM软件对脱壳腔内部的运动进行仿真，以便于对碾搓法脱壳以及脱壳关键部件的进一步研究。图2模拟了薏苡进入脱壳腔内，并在动静盘的共同作用下实现脱壳的过程。

1.2 试验方法

1.2.1 试验因素与指标 选取动静盘间隙、进料速度、动盘转速作为试验因素，脱壳率、破碎率为脱壳效果的试验指标。试验公式为：

式中：B为脱壳率，C为破碎率。m为完整的薏苡仁的质量，m1为破碎的薏苡仁的质量，m2为未脱开的薏苡仁的质量。m、m1、m2的单位均为g。

1.2. 2 试验设计与数据处理 为全面分析各因素的影响，现进行单因素试验和正交试验，且均采用多次试验取平均值。单因素试验结果用SPSS进行曲线拟合，列出因素与脱壳率和破碎率的数学关系式，并通过分析得出具体影响规律[9]。在对单因素结果进行分析之后，选取对脱壳指标有显著影响的因素进行正交试验，正交试验的结果通过加权综合评分法、极差分析法等进行计算，确定动静磨盘式薏苡脱壳机的最佳工作参数。

2 结果与分析

2.1 试验因素对脱壳性能指标的影响关系

对单因素试验、正交试验的结果进行回归分析可得到动静盘间隙、进料速度、动盘转速与脱壳性能指标的关系。由试验可知，动静盘间隙（因素A）、进料速度（因素B）均对脱壳率和破碎率有影响，而动盘转速（因素C）只对破碎率有影响。具体关系如下式所示：

动静盘间隙对脱壳率的模型表达式为：y=-0.684+0.44x-0.029x2；

动静盘间隙对破碎率的模型表达式为：y=5.02-0.981x+0.048x2；

进料速度对脱壳率的模型表达式为：y=88.858+0.034x-1.052×10-7x3；

进料速度对破碎率的模型表达式为：y=12.664-0.026x+3.941×10-5x2；

动盘转速对破碎率的模型表达式为：y=314.894+0.429x+1.228×10-7x3。

表1为正交试验因素和水平，表2为正交试验安排与结果。本研究对结果进行了方差分析，表3、表4分别表示各试验因素对脱壳率和破碎率影响的方差分析结果，由结果可知，因素A、B对薏苡脱壳率和破碎率的影响都十分显著，但是因素C只是对薏苡的破碎率影响显著，对薏苡的脱壳率影响不显著。影响薏苡脱壳率的主次因素为A>B>C，即动静盘间隙>进料速度>动盘转速，其中，动盘转速对薏苡的脱壳率影响较小，动静盘间隙对脱壳率的影响极显著。影响薏苡破碎率的主次因素为A>B>C，即动静盘间隙>进料速度>动盘转速，其中动静盘间隙的影响作用也极显著。

2.2 确定脱壳机械的最佳工作参数

由分析可知，动静盘间隙、进料速度、动盘转速3个因素对脱壳率和破碎率影响的主次关系不同，为了兼顾各项性能指标的得失，使动静磨盘式薏苡脱壳机构的使用能达到更好的脱壳效果，需要对试验结果进行进一步的分析，现通过加权综合评分法的公式计算及分析，选出最优组合。由于本次试验使用的数据以及分析都是在进行1次脱壳试验之后得出来的，实际生产中，可以对薏苡进行多次反复脱壳试验。但是一旦薏苡破碎，那就意味着损失浪费，降低了农民收入。所以考虑到这2项性能的重要程度，以100分作为总“权”，脱壳率占分为30分，破碎率占分为70分[10-12]。

加权综合评分法最终可以求得最大值和最小值来进行最优值的选择，而在本试验中，薏苡的脱壳率和破碎率2个衡量指标的衡量标准却不相同。薏苡的脱壳率越大越好，但薏苡的破碎率越小越好。所以为方便使用加权综合评分法，现定义T1值=1-脱壳率，破碎率的值为T2。定义后，T1值和T2值为衡量脱壳机构性能的指标，而且两者都是越小越好，可以使用加权综合评分法进行评价。

在多种分析方法中，极差分析是正交试验的一种常用分析方法。极差等于平均结果中最大值减去最小值得到的差，每个因素对脱壳指标的影响都可以通过极差的计算得到，极差越大，因素对指标的影响就越大，反之则越小，由此也可以得出每个因素对脱壳效果影响的主次顺序。对综合指标进行直观分析，结果如表6所示。由直观分析可知，影响综合指标的主次因素为A>B>C，即动静盘间隙>进料速度>动盘转速，即最优组合为A3B3C2。

虽然极差分析简单、直观，但是由于其不能准确地评估在试验过程中以及在结果测定时的误差，所以需要用方差分析来弥补极差分析的不足，二者共同对结果进行分析。由表6综合评分直观分析结果可知，分析结果与方差分析的结果一致，影响综合指标的主次因素依次为A>B>C，即动静盘间隙>进料速度>动盘转速。最优组合为A3B3C2，即动静盘间隙10 mm，进料速度330 kg/h，动盘转速为1 120 r/min。

2.3 试验验证

通过试验和分析，薏苡脱壳试验台的最佳结构参数和最佳工作参数已经确定。现将组合均调为最优，即在优化后的静盘上将运动参数调至A3B3C2进行验证试验，观察试验效果。试验结果显示脱壳试验台调整到最佳参数后，试验效果很好，脱壳率为89.31%，破碎率为2.09%。

3 结论

随着动静盘间隙的增加，薏苡的脱壳率和破碎率均呈下降趋势；随着进料速度的增加，薏苡的脱壳率呈现先增大后减小的趋势，薏苡的破碎率呈现先减小后增大的趋势；随着动盘转速的变化，薏苡的脱壳率变化并不显著，所以无需对动盘转速与脱壳率之间的关系进行研究。但是随着动盘转速的变化，薏苡的破碎率呈现先减小后增大的趋势。

通过正交试验以及方差分析、加权综合评分法分析可得，影响薏苡破碎率的主次因素依次为：A>B>C，即动静盘间隙>进料速度>动盘转速；影响薏苡脱壳率的主次因素依次为：A>B>C，即动静盘间隙>进料速度>动盘转速。动静磨盘式薏苡脱壳机构的最优方案为A3B3C2，即动静盘间隙为10 mm，进料速度为330 kg/h，动盘转速为1 120 r/min。

研究表明，影响薏苡脱壳效果的因素众多，且影响的程度都不一样，试验时需要对各个参数进行调试，以确保脱壳设备的工作性能和脱壳效果。

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