核桃烘干裝置設計與優(yōu)化控制

張洪洲，劉媛杰，王憲磊，李 勇，周 丹，侯寶華，蘇海飛，鄭 浩，肖豪杰

(塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

隨著新疆農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，新疆生產(chǎn)建設兵團墾區(qū)內，多種特色植物被大面積種植，形成了規(guī)模性產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式[1-9]。核桃作為新疆地區(qū)特產(chǎn)之一同樣被大面積種植，核桃的產(chǎn)量連年再創(chuàng)新高[8-17]，但核桃的初加工問題凸顯。青皮核桃被采摘后，經(jīng)過去皮工序、烘干工序、分級工序等，最后流入市場[15-25]。去皮后的鮮核桃中仍含有大量的水分，不利于分級儲運等環(huán)節(jié)，因此核桃在儲運之前，要將核桃進行烘干處理。由于新疆地區(qū)核桃種植面積大、產(chǎn)量高，要將這些核桃短期內烘干處理，僅僅依靠自然風干或者傳統(tǒng)的烘干設備，所需要的時間太長、生產(chǎn)周期太長、工作量太大，不利于核桃的儲運及銷售?；谝陨弦蛩兀颂易詣雍娓裳b置的研究是非常必要的。

針對核桃烘干問題，國內外學者進行了大量的研究，并取得了一些成果[24-30]，常用的一些干燥方法有自然風干法、加熱烘干法及紅外烘干法等。加熱烘干法因其易于實現(xiàn)，為廣大加工廠廣泛使用。但是，傳統(tǒng)的加熱烘干法的加熱區(qū)域和溫度不易控制，實時性差；同時，大多數(shù)文獻未清晰地闡述如何將核桃烘干系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)相結合，缺乏實用性價值。針對這一問題，本文提出了利用自動控制技術和數(shù)字化技術進行核桃烘干的方法，該方法是科研人員和核桃深加工技術人員正在探索的新方向。此種方法在原有的核桃烘干機的基礎上，基于數(shù)字化和自動化技術，控制核桃的受熱區(qū)域及烘干機的內溫度，旨在節(jié)約生產(chǎn)成本，提高核桃烘干生產(chǎn)效率以及核桃的品質。經(jīng)過生產(chǎn)試驗，該核桃烘干裝置實用性很強，能夠實現(xiàn)濕核桃的烘干，為核桃生產(chǎn)加工應用提供了參考。

1 核桃烘干裝置的設計原理及機構

1.1 設計原理

針對新疆青皮核桃去皮后烘干所需要的時間周期太長、工作量太大的現(xiàn)實問題，設計了一種核桃自動烘干裝置及控制系統(tǒng)。核桃自動烘干裝置主要由熱風控制部分、溫濕度檢測部分和葉輪攪拌部分組成，如圖1所示。其具體結構：包括裝有中心轉動軸、防護罩及葉輪和烘干筒的機架；在防護罩的上端內側裝有溫濕度傳感器和排風口；在中心轉動軸上，沿軸的圓周上均勻分布4列耐熱軟質葉輪；在烘干筒壁上均勻分布加熱進風孔；在防護罩的下端裝有熱風發(fā)生裝置，中心軸由減速電機帶動下轉動。

工作時，通過控制器部分設定中心轉動軸的轉動速度(即葉輪的攪拌速度)和熱風控制等參數(shù)；將待烘干的鮮核桃通過喂料口裝載在烘干筒內，通過控制器設定參數(shù)；設備啟動，步進電機帶動葉輪低速轉動，控制器發(fā)出命令，控制熱風裝置產(chǎn)生熱風，并將熱風通過烘干筒的進風孔吹入烘干筒內，直接作用在鮮核桃上；溫濕度傳感器實時檢測烘干機內的溫濕度，當濕度達到閾值時，控制器發(fā)出命令，自動打開排風口；溫度控制采用PID方式控制烘干機內的溫度。

核桃烘干裝置需要配備800W及以上的電機使用。該裝置的主要技術參數(shù)如下:

外形尺寸/mm：3 500×2 000×2 500

中心轉動軸速度/r·min-1：30～60

1.機架 2、3、5.風機 4.熱電阻 6.減速電機 7.烘干筒 8.防護罩 9、11.溫濕度傳感器 10.喂料口、排風口 12.中心轉動軸 13.葉輪 14.出料口圖1 核桃烘干裝置結構示意圖Fig.1 The structure of the walnut drying device

1.2 喂料口和出料口的開關部分

喂料口和出料口開關統(tǒng)稱為料口開關，包含開關、滑輪、伸縮桿、步進電機及滑道等。通過控制器預設步進量，步進電機按步進量運行，當滑輪在滑道上向左運動時，料口開關逐漸閉合；向右運動時，料口開關逐漸打開。利用自動控制理論控制步進電機的步進量，精度高、效果好、更便捷。料口開關結構示意圖，如圖2所示。

1.滑道 2.履帶 3.步進電機 4.伸縮桿 5.開關 6.料口 7.滑輪圖2 料口開關結構示意圖Fig.2 The Structure of the feed switch

1.3 溫濕度和轉速控制部分

溫濕度檢測與控制部分、減速電機調速部分和步進電機步進量控制部分是以微控芯片為核心的PID控制器，主要由單片機、鍵盤、顯示屏、變送器、步進電機驅動器及變頻器等組成。PID控制部分系統(tǒng)框圖，如圖3所示；系統(tǒng)軟件采用匯編語言編程。系統(tǒng)軟件流程圖，如圖4所示。

圖3 控制部分系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of control section

圖4 控制部分系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Control section system software flow chart

2 烘干試驗與結果

2.1 試驗條件及依據(jù)

烘干試驗地點為新疆生產(chǎn)建設兵團農(nóng)一師九團核桃加工廠。試驗時，每次在烘干筒內加載鮮核桃，加載前測定加載核桃總質量，以烘干率為考核指標，進行烘干試驗；烘干結束后，測定烘干后的核桃總質量，與國家標準樣本比較，并計算得出烘干率。試驗因素為加載量(假如烘干筒內核桃的體積與烘干筒總體積的百分比)G、烘干筒內溫度T和烘干時間t。3個參數(shù)的詳細指標，如表1所示。

表1 主要參數(shù)指標

2.2 正交試驗與數(shù)據(jù)分析

進行組合試驗，每次試驗以烘干率為考核指標。將試驗結果指標依次填入正交表中，如表2所示。

表2 正交試驗數(shù)據(jù)表

續(xù)表2

從表2中可以看出：當加載量60%、烘干筒內溫度110℃、烘干時間50min時，烘干效果最佳。

3 結論

通過試驗驗證了所設計的核桃烘干裝置的有效性，為核桃加工工作提供了一個參考。

參考文獻：

[1] 朱德泉，馬錦，蔣瑞,等.山核桃堅果分段變功率微波干燥工藝參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2016,15(32):268-274.

[2] 詹超，曹成茂，婁帥帥，等．高空便攜式山核桃拍打采摘機設計[J]．農(nóng)機化研究，2017，39 (10)：119-123．

[3] 鄭甲紅，李光輝，趙奎鵬，等．核桃破殼機的試驗與工作參數(shù)優(yōu)化[J]．農(nóng)機化研究，2017，39 (4)：187-190.

[4] 鐘海雁，李忠海，袁列江．核桃生產(chǎn)加工利用研究的現(xiàn)狀與前景[J]．食品與機械， 2002(4):4-6.

[5] 何義川．氣動擊打式核桃破殼機的設計及試驗研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學，2010．

[6] 劉奎，李忠新．核桃破殼裝置的發(fā)展研究[J]．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014(8) :55-57．

[7] 史建新，趙海軍．基于有限元分析的核桃脫殼技術研究[J]．農(nóng)業(yè)機械學報，2005(3)：185-188．

[8] 張宏，馬巖，李勇，等．基于遺傳BP神經(jīng)網(wǎng)絡的核桃破裂功預測模型[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30 (18)：78-84．

[9] 趙旎，張華鵬.基于機器視覺的皮棉異性剔除系統(tǒng)設計[J]．農(nóng)機化研究，2008(8)：90-93．

[10] 石庚堯．一種新型的異性纖維檢測清除系統(tǒng)[J]．北京紡織，2001，22(6)：51-52．

[11] 張海榮．棉花異性纖維挑揀技術研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學，2006．

[12] 鄭文秀．棉花異性纖維的動態(tài)識別技術研究[D]．泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2009．

[13] 劉向新，周亞立，趙巖．棉花異性纖維清理機械發(fā)展的現(xiàn)狀及展望[J]．江蘇農(nóng)業(yè)科學，2011，9(2)：505-506．

[14] 管世鋒，李紅軍，邢偉峰，等．新型異性纖維清理設備[J]．中國棉花加工，2009(1)：10-11．

[15] 王澤武．籽棉異纖清理機的開發(fā)[J]．中國棉花加工，2009(3)：6-7．

[16] 坎雜，郭文松，張若宇．網(wǎng)狀滾筒式機采籽棉殘膜分離機的設計[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(6)：95-99．

[17] 張洪洲.南疆機采棉除雜現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢探究[J].農(nóng)機化研究, 2015,37(1):242-245.

[18] 張洪洲,張風旗,張亞江,等.機采棉荷電系統(tǒng)優(yōu)化控制[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學, 2014,42(7):409-410.

[19] 張洪洲,張亞江,張風旗,等.基于單片機的機采棉除雜系統(tǒng)優(yōu)化喂料控制[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學, 2014,42(6):387-388.

[20] 張洪洲,白建國,張風旗,等.機采棉除雜機的穩(wěn)壓電源設計與試驗[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學, 2014,42(12):448-449.

[21] 李碧丹,丁天懷,郟東耀.皮棉異性纖維剔除系統(tǒng)設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2006,37(1):107-110.

[22] 趙海軍,史建新.殘膜回收工藝探討[J].中國農(nóng)機化,2004(6):68-71.

[23] 汪海濤,朱邦太,李勛.基于機器視覺技術的棉紡異性清除系統(tǒng)[J].河南科技大學學報:自然科學版,2009, 3(1):14-17.

[24] 周功明,周陳琛.基于AT89S51 單片機的數(shù)控電源設計[J].綿陽師范學院學報,2012,31(5):18-23.

[25] 朱貴憲.基于單片機的數(shù)控穩(wěn)壓電源設計[J].自動化與儀表,2011(6):50-53.

[26] 祝敏.直流數(shù)控可調穩(wěn)壓電源的設計[J].電子元器件應用,2008,10(4):62-64.

[27] 許艷惠.一種智能化高精度數(shù)控直流電源的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2007,32(11-2):136-138.

[28] 鄧堅,楊燕翔,齊剛.數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計[J].計算機測量與控制,2007(12):1991-1993.

[29] 赫建國,鄭燕,薛延霞.單片機在電子電路設計中的應用[M].北京:清華大學出版社,2006.

[30] 蔡振江.單片機原理及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2011.