薏苡脫殼機(jī)關(guān)鍵部件作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

王建楠，劉敏基，曹明珠，顏建春，彭寶良，胡志超，謝煥雄

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薏苡脫殼機(jī)關(guān)鍵部件作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

王建楠，劉敏基，曹明珠，顏建春，彭寶良，胡志超，謝煥雄※

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

針對(duì)薏苡脫殼設(shè)備脫凈率差、破碎率高，相關(guān)工藝與裝備研究幾近空白的現(xiàn)狀，該文結(jié)合薏苡物料特性，運(yùn)用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論開(kāi)展關(guān)鍵部件作業(yè)參數(shù)試驗(yàn)與優(yōu)化，重點(diǎn)研究薏苡脫殼機(jī)脫殼倉(cāng)作業(yè)關(guān)鍵參數(shù)中動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙、靜盤(pán)工作面寬度對(duì)脫凈率、破碎率的影響規(guī)律，并以脫凈率、破碎率為響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。首先對(duì)主產(chǎn)區(qū)主要薏苡品種物料特性進(jìn)行研究，并進(jìn)行與脫殼相關(guān)的物理參數(shù)測(cè)定，然后采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)并用Design-Expert進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立脫凈率、破碎率的回歸數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行方差分析。分析得出影響薏苡脫殼機(jī)脫凈率的主次因素依次為：動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速＞靜盤(pán)工作面寬度＞動(dòng)靜磨盤(pán)間隙；影響破碎率的主次因素依次為：靜盤(pán)工作面寬度＞動(dòng)靜磨盤(pán)間隙＞動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速。通過(guò)響應(yīng)曲面方法分析各因素交互作用對(duì)脫凈率、破碎率的影響，并根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的重要程度（脫凈率較破碎率重要）對(duì)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得出薏苡脫殼機(jī)關(guān)鍵部件最佳作業(yè)參數(shù)組合為：動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速1 076.02 r/min，動(dòng)靜磨盤(pán)間隙4.91 mm，靜盤(pán)工作面寬度7.63 mm。此時(shí)，脫殼機(jī)脫凈率最高、破碎率最低，其值分別為50.49%、3.02%。將優(yōu)化參數(shù)在薏苡脫殼設(shè)備上開(kāi)展驗(yàn)證及批量化流水加工作業(yè)，流水加工作業(yè)脫凈率達(dá)51.1%、破碎率3.6%，設(shè)備作業(yè)質(zhì)量大幅提升，達(dá)到了較為理想的效果。該研究可為提升薏苡脫殼機(jī)作業(yè)質(zhì)量提供參考。

農(nóng)作物；優(yōu)化；脫殼機(jī)；薏苡；作業(yè)參數(shù)；物料特性；關(guān)鍵部件；響應(yīng)曲面法

0 引 言

薏苡（）是禾本科植物，其成熟種仁稱為薏苡仁，又名薏米、薏仁、苡仁，在中國(guó)有2 500多年栽培歷史[1-3]。薏仁是一種常用中藥，也是重要的藥、食兼用農(nóng)作物，其富含蛋白質(zhì)、多種氨基酸、維生素、礦物質(zhì)以及對(duì)人體有益的油酸、亞油酸等，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值在禾本科植物中居第一位，種植面積在藥用作物中最大[4]，主要分布在貴州、云南等省[5-6]。

薏苡脫殼加工是薏仁藥用、食用的必不可少的重要環(huán)節(jié)，脫殼設(shè)備作業(yè)質(zhì)量是影響薏仁薏仁品質(zhì)及商品化的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái)，受農(nóng)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)方向及科研經(jīng)費(fèi)投入的制約，薏苡等小宗作物的生產(chǎn)機(jī)械化問(wèn)題未引起關(guān)注和重視，致使薏苡脫殼加工技術(shù)、工藝、裝備方面的研究幾乎空白，薏苡脫殼加工常采用其他作物通用加工設(shè)備，而薏苡外形不規(guī)則、外殼堅(jiān)實(shí)、薏仁柔韌[7-8]的特性致使通用設(shè)備難以滿足脫殼質(zhì)量要求，以致脫凈率低（約35%）、破碎率高（約10%甚至更高），嚴(yán)重影響薏苡仁品質(zhì)，已成為制約該產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸之一，急需針對(duì)脫殼關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行突破。近年來(lái)，部分科研機(jī)構(gòu)及學(xué)者雖開(kāi)展了薏苡相關(guān)的科學(xué)研究，但多集中在薏苡育種、栽培、病蟲(chóng)害防治及功能成分提取等方面[9-12]，薏苡脫殼加工相關(guān)技術(shù)裝備方面研究報(bào)道少之甚少，文獻(xiàn)僅見(jiàn)胡志剛、施麗莉等[13-15]開(kāi)展了薏苡脫殼相關(guān)設(shè)備關(guān)鍵部件的說(shuō)明介紹及有限元分析，但未結(jié)合薏苡物理特性、作業(yè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行綜合研究與優(yōu)化。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文開(kāi)展薏苡脫殼機(jī)作業(yè)質(zhì)量提升研究，結(jié)合薏苡物理特性，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)及響應(yīng)曲面分析方法，開(kāi)展薏苡脫殼關(guān)鍵部件研究及參數(shù)優(yōu)化，探明薏苡物料特性、脫殼關(guān)鍵部件最佳作業(yè)參數(shù)，以期為提高薏苡脫殼設(shè)備作業(yè)質(zhì)量、解決薏苡脫殼設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提供參考。

1 薏苡脫殼機(jī)工作原理

1.1 工作原理

薏苡脫殼設(shè)備由機(jī)架、脫殼倉(cāng)、振動(dòng)篩、沙克龍、風(fēng)機(jī)等裝置組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。脫殼過(guò)程如下：薏苡由提升機(jī)進(jìn)入分料器3，經(jīng)分料器3勻料后進(jìn)入脫殼倉(cāng)2進(jìn)行脫殼，脫殼后的薏仁、薏苡殼、薏苡混合物經(jīng)過(guò)初級(jí)振動(dòng)篩9向后輸送，輸送過(guò)程中吸風(fēng)罩8在風(fēng)機(jī)5的作用下產(chǎn)生較大的負(fù)壓，在此負(fù)壓作用下將混合物中比重最輕的薏苡殼吸出并經(jīng)由沙克龍6沉降后由出殼口13排出，薏仁及未脫的薏苡由初級(jí)振動(dòng)篩9繼續(xù)向后輸送經(jīng)導(dǎo)料口10至二級(jí)振動(dòng)篩（圓孔篩），由于脫出的薏仁尺寸較小，在二級(jí)振動(dòng)篩11的作用下完成薏仁與薏苡的篩分，脫好的薏仁經(jīng)14排出，未脫薏苡經(jīng)15排出，完成脫殼過(guò)程。

1.脫殼倉(cāng)電機(jī) 2.脫殼倉(cāng) 3.分料器 4.機(jī)架 5.風(fēng)機(jī) 6.沙克龍 7.調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén) 8.吸風(fēng)罩 9.初級(jí)振動(dòng)篩 10.導(dǎo)料口 11.二級(jí)振動(dòng)篩 12.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 13.出殼口 14.薏仁成品出口 15.未脫殼薏苡出口

脫殼倉(cāng)是薏苡脫殼設(shè)備的核心部件，是影響作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要由進(jìn)料斗1、靜盤(pán)安裝座4、靜盤(pán)固定座6、靜盤(pán)5、動(dòng)盤(pán)7、動(dòng)盤(pán)固定座8、動(dòng)盤(pán)安裝軸9、帶輪10、料倉(cāng)3、出料口11等組成。脫殼過(guò)程如下：薏苡由提升機(jī)經(jīng)料斗1進(jìn)入料倉(cāng)3，在高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)盤(pán)7的離心作用下被徑向甩出，甩出過(guò)程中經(jīng)靜盤(pán)5及動(dòng)盤(pán)7的間隙，動(dòng)盤(pán)、靜盤(pán)材質(zhì)為剛玉（Al2O3）材料的砂輪，薏苡外殼在此間隙中受動(dòng)盤(pán)及靜盤(pán)的摩擦擠壓實(shí)現(xiàn)薏苡殼破裂、薏仁脫出，完成脫殼過(guò)程。

1.進(jìn)料斗 2.調(diào)節(jié)手柄 3.料倉(cāng) 4.靜盤(pán)安裝座 5.靜盤(pán) 6.靜盤(pán)固定座 7.動(dòng)盤(pán) 8.動(dòng)盤(pán)支承座 9.動(dòng)盤(pán)安裝軸 10.帶輪 11.出料口

1.Feed hopper 2.Adjusting handle 3.Hopper 4.Installation seat of stationary plate 5.Stationary plate 6.Fixing pedestal of stationary plate 7.Rotary plate 8.Support of rotary plate 9.Fixed shaft of rotary plate 10.Pulley 11.Exit of materials

注：為動(dòng)靜磨盤(pán)間隙，mm；為靜盤(pán)工作面寬度，mm。

Note:is distance between rotary plate and stationary plate, mm;is working face width of stationary plate, mm.

圖2 脫殼倉(cāng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 Sketch map of huller

1.2 作業(yè)質(zhì)量影響參數(shù)

脫凈率、破碎率是薏苡脫殼設(shè)備作業(yè)質(zhì)量的主要衡量指標(biāo)。由上述工作原理可知，薏苡脫殼作業(yè)質(zhì)量主要影響參數(shù)有：動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙、靜盤(pán)工作面寬度。其中動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙為設(shè)備作業(yè)參數(shù)，靜盤(pán)工作面寬度為設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，最優(yōu)參數(shù)組合是薏苡脫殼設(shè)備作業(yè)質(zhì)量達(dá)到最佳的關(guān)鍵。因此，需通過(guò)試驗(yàn)研究并優(yōu)化上述關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高薏苡脫殼設(shè)備作業(yè)質(zhì)量。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

為探明脫殼倉(cāng)最佳作業(yè)參數(shù)組合，本研究將薏苡靜盤(pán)安裝型式由不可調(diào)的固定連接方式改為螺旋連接安裝，即通過(guò)調(diào)節(jié)手柄旋轉(zhuǎn)靜盤(pán)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜磨盤(pán)間隙方便可調(diào)，通過(guò)變頻器對(duì)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)不同工作面寬度的靜盤(pán)。

試驗(yàn)所需儀器設(shè)備：游標(biāo)卡尺（精度0.1 mm）、電子天平（測(cè)量精度1 g）、UTM6503型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（精度等級(jí)0.5，含夾具若干）1臺(tái)、1臺(tái)福祿克930轉(zhuǎn)速表、1臺(tái)施耐德ATV12H075M2變頻器、202-2型恒溫干燥箱、自制斜面儀等。

從上面的分析可以看出，語(yǔ)法隱喻與詞匯轉(zhuǎn)換之間無(wú)直接聯(lián)系，并非所有詞性轉(zhuǎn)換都是語(yǔ)法隱喻。此外，判斷是否存在語(yǔ)法隱喻應(yīng)當(dāng)有兩個(gè)以上句子進(jìn)行比較，如例[2]、[5]、[6]。單獨(dú)看例[3]、[4]則難以判斷。

2.2 試驗(yàn)材料

以貴州興仁縣興仁小白殼為試驗(yàn)對(duì)象，其形狀呈不規(guī)則的錘錐形，個(gè)體尺寸大小不一，如圖3所示。本試驗(yàn)隨機(jī)選取200粒作為樣本，測(cè)量與脫殼關(guān)系密切的厚度方向尺寸、含水率、擠壓破碎力等，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[16-18]：其厚度尺寸≤5mm占25%，5＜≤5.5占58%，其余為厚度＞5.5的籽粒；薏苡擠壓破碎力[19]分布范圍為45 N≤≤95 N，其中約60%的薏苡擠壓破碎力在65 N左右；薏苡帶殼千粒質(zhì)量86.5 g，殼、仁質(zhì)量所占的比例為1∶2.5；參照GB/T 20264-2006規(guī)定，測(cè)定薏苡外殼、薏仁的含水率分別為11.6%、12.7%；采用自制斜面儀器（如圖4所示），以不銹鋼板為測(cè)試板材質(zhì)測(cè)量薏苡自流角，測(cè)量時(shí)將單個(gè)薏苡顆粒放在斜面上，緩慢搖動(dòng)手柄使斜板傾角逐漸增大，當(dāng)薏苡顆粒剛開(kāi)始向下滾動(dòng)時(shí)，用量角儀測(cè)量該傾角即為自流角，測(cè)量重復(fù)50次取均值，測(cè)得薏苡自流角為14.5°[20]。

注：δ為厚度，l為長(zhǎng)度。

2.3 試驗(yàn)響應(yīng)參數(shù)

以薏苡脫殼后的脫凈率、破碎率為脫殼作業(yè)質(zhì)量考核指標(biāo)，由于目前薏苡脫殼設(shè)備作業(yè)質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)空白，其作業(yè)質(zhì)量評(píng)定參照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)花生脫殼機(jī)作業(yè)質(zhì)量（NY/T 994-2006）開(kāi)展薏苡脫殼試驗(yàn)及工藝參數(shù)優(yōu)化。試驗(yàn)采用水平振動(dòng)喂料器勻速喂料，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

1.支架 2.提升繩 3.緊固螺釘 4.測(cè)試板 5.安裝架 6.鉸接銷(xiāo)釘 7.底座 8.手柄 9.搖臂 10.轉(zhuǎn)軸

式中w為完整薏仁質(zhì)量，g；p為破碎薏仁質(zhì)量，g；s為損傷薏仁質(zhì)量，g；b為未剝開(kāi)薏苡的薏仁質(zhì)量，g。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定參數(shù)最佳組合，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法[21-24]，開(kāi)展三因素三水平試驗(yàn)，共計(jì)17組，試驗(yàn)因素及編碼水平如表1所示。

在Design-Expert中，按照中心組合響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)（central composite design，CCD）試驗(yàn)方案，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2[25-26]。對(duì)表2結(jié)果進(jìn)行分析并分別建立脫凈率、破碎率與各因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)采用響應(yīng)面分析法，考察兩因素間交互作用效應(yīng)。

表1 因素水平編碼表

3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行分析并建立數(shù)學(xué)模型。

3.1 脫凈率

1）脫凈率的回歸結(jié)果分析

根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果得到脫凈率的編碼值簡(jiǎn)化回歸數(shù)學(xué)模型為：

采用逐步回歸法對(duì)表2結(jié)果進(jìn)行脫凈率的三元二次回歸分級(jí)及方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

表3 脫凈率方差分析

注：*（<0.05）為顯著，**（<0.01）為極顯著，下同。

Note: *（<0.05）means significant, **（<0.01）means highly significant, the same below.

回歸方程中，系數(shù)絕對(duì)值大小決定該因素對(duì)脫凈率的影響大小，因此可知各因素對(duì)脫凈率的影響大小次序依次為。

2）脫凈率與各參數(shù)響應(yīng)曲面分析

根據(jù)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各因素對(duì)脫凈率響應(yīng)曲面如圖5所示，根據(jù)圖中等高線可判定二者交互效應(yīng)的強(qiáng)弱[27-33]，交互強(qiáng)弱的順序依次為：動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速與動(dòng)靜磨盤(pán)間隙（）、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙與靜盤(pán)工作面寬度（），這與表3方差分析結(jié)果一致。

由圖5a可知?jiǎng)屿o磨盤(pán)間隙和靜盤(pán)工作面寬度存在交互作用。當(dāng)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速處于0水平時(shí)，脫凈率隨動(dòng)靜磨盤(pán)間隙增大先增至最大后逐漸減小，這是因?yàn)閯?dòng)靜磨盤(pán)間隙增大并與薏苡厚度尺寸相當(dāng)時(shí)，薏苡外殼受到較為理想的擠壓力而實(shí)現(xiàn)較好的破殼，薏仁較好的脫出，當(dāng)增大到一定值時(shí)，動(dòng)盤(pán)對(duì)薏苡的有效接觸減少，致使摩擦擠壓力減小，脫凈率隨之降低；脫凈率隨靜盤(pán)工作面寬度增大逐漸增大，這是因?yàn)閯?dòng)盤(pán)工作面寬度直接決定薏苡脫殼過(guò)程中的摩擦及擠壓時(shí)間，動(dòng)盤(pán)工作面越大，摩擦擠壓時(shí)間越長(zhǎng)，脫殼時(shí)間越長(zhǎng)，脫凈率會(huì)隨之越高。

注：響應(yīng)面試驗(yàn)因素、水平見(jiàn)表1，響應(yīng)值見(jiàn)表2，下同。

由圖5b可知，動(dòng)靜磨盤(pán)間隙與動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速存在交互作用。在動(dòng)靜磨盤(pán)間隙處于0水平時(shí)，脫凈率在動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速處于低水平時(shí)增加較為明顯，在動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速處于高水平時(shí)增速較緩，主要是因?yàn)閯?dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，較低的轉(zhuǎn)速能保持薏苡外殼與動(dòng)盤(pán)有充足的摩擦擠壓時(shí)間以實(shí)現(xiàn)脫殼，當(dāng)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，薏苡容易在動(dòng)盤(pán)離心力的作用下被快速甩出，薏仁被脫出的概率大大降低。同時(shí)，由表3可知，動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速與靜盤(pán)工作面寬度（）交互作用不顯著。

由圖5響應(yīng)曲面亦可看出，動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速和動(dòng)靜磨盤(pán)間隙變化時(shí)，脫凈率變化幅度較大，靜盤(pán)工作面寬度和動(dòng)靜磨盤(pán)間隙變化時(shí)脫凈率變化幅度相對(duì)較小，這說(shuō)明動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙交互作用是各交互作用中對(duì)脫凈率的主要影響因素，這與回歸方程分析結(jié)果一致。

3.2 破碎率

1）破碎率的回歸結(jié)果分析

同理，根據(jù)表2結(jié)果進(jìn)行三元二次回歸分析及方差分析可得破碎率的回歸數(shù)學(xué)模型為：

方差分析結(jié)果見(jiàn)表4，分析結(jié)果可知，模型的值極顯著、失擬項(xiàng)不顯著、模型的修正系數(shù)2=0.983 5，說(shuō)明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，可用此模型對(duì)破碎率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

回歸方程中，系數(shù)絕對(duì)值大小決定該因素對(duì)破碎率的影響大小，因此可知各因素對(duì)破碎率的影響大小次序依次為：。

表4 破碎率數(shù)學(xué)模型方差分析

2）破碎率與各參數(shù)響應(yīng)曲面分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各因素對(duì)破碎率響應(yīng)曲面如圖6所示。據(jù)響應(yīng)曲面圖可判斷動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙、靜盤(pán)工作面寬度任意二者交互作用對(duì)破損率影響均較明顯，且交互作用強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋簞?dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速與靜盤(pán)工作面寬度（）、動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速與動(dòng)靜磨盤(pán)間隙（）、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙與靜盤(pán)工作面寬度（），這與表4方差分析結(jié)果一致。

由圖6a可知，當(dāng)靜盤(pán)工作面寬度處于0水平時(shí)，破碎率隨動(dòng)靜磨盤(pán)間隙增加先減小后增大，且在動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速處于低水平時(shí)破碎率波動(dòng)范圍較大，在高水平時(shí)波動(dòng)范圍較小；破碎率在動(dòng)靜磨盤(pán)間隙處于低水平時(shí)隨動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速增大逐漸增大，在動(dòng)靜磨盤(pán)間隙處于高水平時(shí)先略減小后又增大。這主要是因?yàn)樵趧?dòng)靜磨盤(pán)間隙較小時(shí)，薏苡在隨動(dòng)盤(pán)甩出的過(guò)程中在間隙中受到較大的摩擦及擠壓力，破碎率較高；隨著動(dòng)靜磨盤(pán)間隙增大到與薏苡厚度方向尺寸相當(dāng)時(shí)，此時(shí)薏苡外殼受動(dòng)盤(pán)與靜盤(pán)擠壓力恰使薏苡外殼破裂薏仁脫出，破碎率也隨之降低；當(dāng)動(dòng)靜磨盤(pán)間隙持續(xù)增加時(shí)，此時(shí)隨動(dòng)盤(pán)的高速旋轉(zhuǎn)多個(gè)薏苡同時(shí)進(jìn)入間隙，摩擦擠壓變得雜亂無(wú)序，多個(gè)薏苡同時(shí)被摩擦擠壓脫殼，破碎率隨之增加。破碎率隨動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速增加逐漸增大，這主要是因?yàn)閯?dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速越大，薏苡受到摩擦擠壓越顯著，薏仁較易被脫出且易收到后續(xù)的擠壓揉搓產(chǎn)生破碎。

圖6 各因素交互作用對(duì)破碎率的響應(yīng)曲面

由圖6b可知，當(dāng)動(dòng)靜磨盤(pán)間隙處于0水平時(shí)，破碎率隨靜盤(pán)工作面寬度增加而逐漸增大，在動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速處于低水平時(shí)破碎率變化較小，動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速處于高水平時(shí)破碎率增加較為顯著；破碎率隨動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速增加先減小后增大，在靜盤(pán)工作面寬度處于較低水平時(shí)變化較小。這主要是因?yàn)殪o盤(pán)工作面的寬度決定了薏苡脫殼過(guò)程中薏苡外殼及薏仁受摩擦擠壓的時(shí)間，當(dāng)靜盤(pán)工作面寬度增加時(shí)，在薏仁脫出后易受到后續(xù)薏苡碎殼與薏仁、薏仁與工作面、以及薏仁之間的相互摩擦及擠壓，顯見(jiàn)這種擠壓對(duì)薏苡脫殼是無(wú)益的，薏仁此過(guò)程易破碎，破碎率隨之增加。圖6b亦可看出動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速處于零水平、靜盤(pán)工作面寬度處于低水平時(shí)破碎率達(dá)到最低。

由圖6c可知，當(dāng)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速處于0水平，靜盤(pán)工作面寬度、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙處于低水平時(shí)，破碎率達(dá)到最小值；在靜盤(pán)工作面寬度處于低水平時(shí)，破碎率隨動(dòng)靜磨盤(pán)間隙增加逐漸增大，靜盤(pán)工作面寬度處于高水平時(shí)，破碎率先略減小后又增大；破碎率隨靜盤(pán)工作面寬度增加而逐漸增大，且在動(dòng)靜磨盤(pán)間隙處于低水平時(shí)，破碎率增加較為明顯，動(dòng)靜磨盤(pán)間隙處于高水平時(shí)，破碎率變化幅度相對(duì)較小。這主要是因?yàn)閯?dòng)靜磨盤(pán)間隙增大至一定值后，薏苡在高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)盤(pán)的帶動(dòng)作用下，難以受到動(dòng)盤(pán)的摩擦而容易從動(dòng)靜磨盤(pán)間隙快速脫離難以實(shí)現(xiàn)脫殼致使破碎率下降。但當(dāng)動(dòng)靜磨盤(pán)間隙在一定水平時(shí)，工作面寬度增加使脫出的薏仁與靜盤(pán)作用時(shí)間變長(zhǎng)，破碎率增加。

從圖6中響應(yīng)曲面及等高線圖亦可看出，當(dāng)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速、靜盤(pán)工作面寬度變化時(shí)，破碎率變化幅度較大；當(dāng)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速與動(dòng)靜磨盤(pán)間隙變化時(shí)，破碎率變化幅度次之；當(dāng)動(dòng)靜磨盤(pán)間隙、靜盤(pán)工作面寬度變化時(shí)，破碎率變化幅度較小。這說(shuō)明動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速與靜盤(pán)工作面寬度交互作用對(duì)破碎率影響最大，動(dòng)靜磨盤(pán)間隙與靜盤(pán)工作面寬度交互作用對(duì)破碎率影響最小，這與這與回歸方程分析結(jié)果一致。

4 參數(shù)優(yōu)化

綜合上述分析，為使薏苡脫殼機(jī)作業(yè)質(zhì)量達(dá)到最佳，需使脫凈率達(dá)到最大，同時(shí)破碎率達(dá)到最低。根據(jù)薏苡設(shè)備作業(yè)質(zhì)量脫凈率較低的現(xiàn)狀，期望通過(guò)優(yōu)化最大幅度提升設(shè)備脫凈率，為此建立脫凈率、破碎率雙目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并將優(yōu)化求解方程中的脫凈率的重要性設(shè)置為最大（5個(gè)“+”），破碎率次之（4個(gè)“+”），在以上情況下進(jìn)行求解。目標(biāo)函數(shù)如下：

脫凈率最大、破碎率最小時(shí)最優(yōu)解為：= 1 076.02 r/min，=4.91 mm，=7.63 mm。此時(shí)，脫凈率為50.49%，破碎率為3.02%。2017年11月10日，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果及試驗(yàn)的可操作性，將動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙分別調(diào)整為1 080 r/min、4.9 mm，設(shè)計(jì)并試制工作面寬度為7.6 mm的靜盤(pán)，在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，此時(shí)薏苡脫凈率為52.75%、破碎率為3.12%，驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明優(yōu)化結(jié)果具有較高可信度，本研究模型可靠。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)上述優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用效果，將設(shè)備參數(shù)固化為最優(yōu)解，并在該參數(shù)下開(kāi)展貴州興仁縣興仁小白殼薏苡脫殼連續(xù)流水作業(yè)，累計(jì)加工量不低于5 t，待設(shè)備作業(yè)連續(xù)穩(wěn)定時(shí)按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)取樣進(jìn)行脫凈率及破碎率檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明脫凈率由原設(shè)備的33.8%提升至51.1%（增幅51.2%），破碎率由9.7%降至3.6%（降幅62.9%），作業(yè)質(zhì)量較改進(jìn)前大幅改善，可較好應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。

5 結(jié) 論

1）研究了興仁小白殼薏苡與脫殼作業(yè)質(zhì)量相關(guān)的薏苡物理特性。其形狀呈不規(guī)則的錘錐形，厚度尺寸≤5 mm占25%，5＜≤5.5占58%，其余為厚度＞5.5的籽粒；薏苡帶殼千粒質(zhì)量86.5 g，殼、仁質(zhì)量所占的比例為1∶2.5，其含水率分別為11.6%、12.7%；薏苡擠壓破碎力分布范圍為45 N≤≤95 N，約60%的薏苡擠壓破碎力在65 N左右；薏苡自流角14.5°。

2）根據(jù)中心組合響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，采用響應(yīng)曲面分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，采用多目標(biāo)優(yōu)化分析對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化得到脫凈率最大、破碎率最小的最優(yōu)解為：動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速1 076.02 r/min、動(dòng)靜磨盤(pán)間隙4.91 mm、靜盤(pán)工作面寬度7.63 mm。在此最優(yōu)解條件下脫凈率為50.49%、破碎率為3.02%。

3）驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，將優(yōu)化后參數(shù)應(yīng)用于薏苡脫殼設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)證，脫凈率可達(dá)51.1%、破碎率3.6%，表明優(yōu)化參數(shù)可滿足薏苡脫殼作業(yè)實(shí)際生產(chǎn)要求。

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Working parameter optimization and experiment of key components ofsheller

Wang Jiannan, Liu Minji, Cao Mingzhu, Yan Jianchun, Peng Baoliang, Hu Zhichao, Xie Huanxiong※

(210014,)

In order to improve the shelling rate and reduce the breakage rate, the central composite experiments were conducted to optimize the working parameters. Firstly, the physical properties ofwere studied, and the study object was “White shell” planted widely in Guizhou Province, the shape of which was irregular, and the thousand kernel weight was 86.5g. Proportion of thickness≤5 mm was 25%, 5＜≤5.5 was 58%, and others were＞5.5. The weight ratio of shell and kernel was 1:2.5. The moisture content of shell and kernel was 11.6% and 12.7% respectively. The crushing force ofwas 45 N≤≤95 N, 60% of which was about 65 N. The flow angle oftested by inclined surface device was 14.5°. Based on composite experiment methods of quadratic orthogonal rotation, the effects of key components’ main working parameters ofsheller on shelling rate and breakage rate were analyzed, the parameters include rotation speed of rotary plate, distance between rotary and stationary plate, working face width of stationary plate, and the data were analyzed based on the Design-Expert software. The mathematical regression models of shelling rate and breakage rate were built, and corresponding variance analysis were conducted. A regression equation of the relationship between variation coefficient of 3 main working parameters was obtained. Through the analysis of variance, the results showed that the most influential factor for shelling rate was the rotation speed of rotary plate, and the minimum impact factor was the distance between rotary and stationary plate; regarding to the breakage rate, the most influential factor was working face width of stationary plate, and the minimum impact factor was the rotation speed of rotary plate. The response surface method was utilized to analyze the effects of factors’ interaction on shelling rate and breakage rate, and the multi-objective optimizations were conducted for the regression models to obtain the working parameters for the best shelling rate and the lowest breakage rate. The optimal combination working parameters of key components ofsheller were the speed of rotary plate was 1 076.02 r/min,the distance between rotary and stationary plate is 4.91 mm, and the working face width of stationary plate of 7.63 mm. Under the condition of the optimal combination working parameters, the shelling rate and breakage rate was 50.49% and 3.02%, respectively. The production verification test was conducted in factory. With the optimal parameters of, the shelling rate was improved greatly, and the shelling rate and breakage rate was 51.1% and 3.6%, respectively, which close to the results obtained from the previous model. The study provides the scientific basis for key components’ working parameters optimization ofsheller.

crops; optimization; sheller;; working parameters; physical properties; key component; response surface methodology

王建楠，劉敏基，曹明珠，顏建春，彭寶良，胡志超，謝煥雄. 薏苡脫殼機(jī)關(guān)鍵部件作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：288－295. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.035 http://www.tcsae.org

Wang Jiannan, Liu Minji, Cao Mingzhu, Yan Jianchun, Peng Baoliang, Hu Zhichao, Xie Huanxiong. Working parameter optimization and experiment of key components ofsheller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 288－295. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.035 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.035

S226

A

1002-6819(2018)-13-0288-08

2018-3-22

2018-5-10

中國(guó)農(nóng)科院創(chuàng)新工程農(nóng)產(chǎn)品分級(jí)與貯藏團(tuán)隊(duì)、公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（201303069）聯(lián)合支持。

王建楠，男，河南潢川人，副研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)裝備研究。Email：wjnsunrise@126.com

謝煥雄，男，廣西浦北人，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備的研究。Email：nfzhongzi@163.com

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：謝煥雄（E041200496S）。