核桃破壳机的试验与工作参数优化

郑甲红，李光辉，赵奎鹏，宋忠柱

(陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021)



核桃破壳机的试验与工作参数优化

郑甲红，李光辉，赵奎鹏，宋忠柱

(陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021)

为了优化自制偏心击打式核桃破壳机的工作参数，提高核桃破壳的高路仁率，进行了核桃破壳试验研究。通过二次回归旋转组合试验，明确了击打行程、含水率、核桃尺寸与高路仁状况的具体关系，对破壳参数进行了优化和验证。结果表明:含水率在14.5%左右时，核桃高路仁效果最好；最佳的综合破壳效果条件为击打行程为5mm左右、含水率为14.5%左右、核桃尺寸为41mm左右。

核桃；响应面法；击打式；参数优化；数学模型

0 引言

核桃在我国有大面积的种植，产量也与日俱增。在核桃初加工中，核桃破壳过程中仍然是动用大量人工破壳，机器破壳只用来作为辅助。人工破壳不仅耗费劳动力，效率也低，而且卫生得不到保证。现在，各种各样的破壳机也都存在着一些破壳不完全、高路仁率低等问题[1-5]。针对上述问题，设计了偏心击打式核桃破壳机，进行了二次回归旋转组合破壳试验研究，并通过响应面法分析建立各因素和高露仁状况之间的二次回归数学模型，以期望得到偏心击打式核桃破壳机的最佳工艺参数组合。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

仪器设备主要包括偏心击打式核桃破壳机[5](自制、见图1)、红外线快速水分测试仪(SFY-60型，深圳冠亚电子科技有限公司)、电子天平(T-1000,常熟双杰测试仪器厂)及游标卡尺(A型，贵州西南工具有限公司)等。

采用新疆薄皮核桃作为本次试验的试验材料，购于西安苏席农贸市场。

1.2 试验方法

1.2.1 试验指标

将破壳后的核桃仁也分为整仁、1/2仁、1/4仁、1/8仁及其他等5个等级，每个级别对应相应的分数，如表2所示。

1.进料口 2.上盖 3.端盖 4.滚子

表1 高路仁等级分数表

破壳状况分数和高路仁状况分数都采用加权分数的形式，用所在级别占有的百分比乘以所对应的得分，最后相加在一起，计算公式[6]为

Kn=Hn/Ht

Tn=Sn·Kn

Tz=ΣTn

式中 Sn—第n级别对应的得分；

Kn—每组试验中第n级核桃仁质量占总质量的比例(%)；

Hn—每组试验中第n级核桃仁的质量(g)；

Ht—每组试验中核桃仁的总质量(g)。

Tz分值在0～8之间，Tz越大，则核桃破壳效果越好，所以本试验将Tz作为试验指标。

1.2.2 因素贡献率计算公式

因素贡献率计算公式[7-9]为

式中 se—误差的偏差平方和；

fe—误差的自由度 ；

S—总平方和；

sj—因素j的偏差平方和；

fj—因素j的自由度。

1.2.3 试验设计

通用旋转组合破壳试验：根据含水率试验数据结果，以含水率、击打行程、核桃尺寸为试验因素，以破壳状况Y1和高路仁状况Y为响应值，设计了通用旋转组合破壳试验。试验因素水平和编码如表2所示。

表2 试验因素的水平和编码

2 试验结果及分析

二次回归旋转组合破壳试验方案设计与试验结果如表3所示。

2.1 响应面方程方差检验与回归曲线

选用实践中最常用的显著水平∂=0.05和∂=0.01[9]进行方差的检验。由表4分析可知：高路仁状况Y的方程的P值小于0.01，回归方程的关系是极显著的。失拟项的P值也都大于0.05 ,拟合度误差较小。所以，高路仁状况Y与因素A、B、C的回归方程的关系是好的。

表3 试验设计及结果

续表3

击打行程、含水率及核桃尺寸为试验设计的编码，高路仁状况Y为每个试验组的相应分数。

表4 方差分析表

核桃高路仁状况Y的回归方程采用Design-Expert8.0.6软件进行二次回归分析，则

Y=5.85-0.28A-2.963E-003B+0.22C-

0.46A2-0.58B2-0.41C2

所得方程显著性检验为极显著，失拟性检验不显著，拟合度较高。所以，以上两个二次回归模型能够对核桃破壳的破壳状况和高路仁状况进行初步的预测和分析。

2.2 响应面方程图形分析

当A击打行程、B含水率、C核桃尺寸3个因素任意一个为0水平时，高路仁状况分数Y和其他两个因素的关系，如图2所示。由图2可知：高路仁状况Y分数总体变化是随着各因素水平增加先增加后降低的；当各因素达到0水平时，高路仁状况Y分数达到峰值。

另外，由图2可知：击打行程A与含水率B两个因素的等高线、击打行程A与核桃尺寸C两个因素的等高线也均为椭圆形。所以因素A和B、A和C交互作用显著。因素含水率B与因素核桃尺寸C的等高线均为圆形，两因素无交互作用。

利用贡献率法计算出试验因素对高路仁状况Y影响的贡献分别为βa=1.5%、βb=0.8%、βc=3.1%，可得试验因素A、B、C因素作用的大小顺序为C、A、B, 即核桃尺寸、击打行程、含水率。所以，首先对核桃进行分级，然后适当调节击打行程进行破壳，高路仁率会得到一定的提高。

图2 高路仁状况Y的响应面关系图

3 试验参数优化与验证

由响应面分析可知：含水率、核桃尺寸、击打行程都与和高路仁状况Y有关系，根据Design-Expert软件进行优化，得到最后优化结果如下：击打行程为4.96mm、含水率为14.73%、核桃尺寸为40.99时，高路仁状况得分为5.88。考虑到实际操作简单的问题，把最优参数调整为击打行程A5mm、含水率14.5%、核桃尺寸41mm。经过验证，在最优化条件下，实际得分为5.78。与之前的预测值差别不大，所以通过响应面法优化所得的核桃破壳的最优参数是有效的，可以用作破壳参数参考。

4 结论

1)通过二次回归旋转组合试验，建立了各个因素与高路仁状况之间的数学模型，并且检验了模型的失拟性和F值，确定了数学模型的正确性。

2)各因素在二次非线性模型中对破壳效果的影响主次关系为核桃尺寸>击打行程>含水率 ，而对破壳后高路仁状况的影响程度大小顺序为击打行程>核桃尺寸>含水率。

3)考虑到操作简单原则，最优综合破壳条件为：击打行程为5mm左右，核桃含水率为14.5%左右，核桃尺寸为41mm左右。在实际生产中，对核桃先进行分级，对于不同大小的核桃，可调节相应的击打行程，可以获得更好的综合破壳效果。

另外，由于核桃为生物材料, 易受其他因素影响, 对于不同品种核桃破壳效果的最优因素组合还需进一步研究。

[1] 钟海雁,李忠海,袁列江.核桃生产加工利用研究的现状与前景[J].食品与机械,2002(4):4-6.

[2] 何义川.气动击打式核桃破壳机的设计及试验研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学,2010.

[3] 刘奎，李忠新.核桃破壳装置的发展研究[J].农业科技与装备,2014(8):55-57.

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[8] 徐向宏，何明珠.试验设计与Design-Expert、SPSS应用[M].北京：科学出版社,2010:146-160.

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[10] 杨军，杨莉玲.核桃破壳取仁工艺及关键设备[J].农机化研究,2008(12):27-30.

Experiment and Optimized Working Parameters of Walnut Shell Breaking Machine

Zheng Jiahong, Li Guanghui,Zhao Kuipeng,Song Zhongzhu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China)

In order to optimized the working parameters of walnut shell breaking machine with eccentric impact mode， we did a research of walnuts unshelling. First, haven discussed the impact of moisture content on comprehensive shell breaking by doing a single factor experiment of moisture content. Then, we have been analyzed the relationships between hit length, moisture content, size of walnut and the situation of unshelling and whole kernel through the general rotary combination experiments. Finally, the working parameters are optimized and validated. The results show that moisture content 14.5 percent is the best comprehensive shell breaking condition. The optimized unshelling condition include: hit length 5mm, moisture content 14.5 percent ,size of walnut 41mm.

walnut; response surface; impact mode; parameters optimized; mathematical models

2016-04-18

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)

郑甲红(1963-)，男，陕西武功人，教授，硕士。

李光辉(1990-)，男，江西上饶人，硕士研究生，(E-mail)951873481@qq.com。

S226.4

A

1003-188X(2017)04-0187-05