雙圓臺(tái)錐式蓖麻脫殼清選機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

侯俊銘 白晶波 何 濤 楊 勇 李金澎 姚恩超

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866)

0 引言

蓖麻脫殼是蓖麻產(chǎn)業(yè)加工過程中極其重要的一環(huán)，隨著蓖麻產(chǎn)量的增加，蓖麻脫殼機(jī)械發(fā)揮的作用越來越大。國內(nèi)現(xiàn)有蓖麻脫殼機(jī)械脫凈率低、破損率高，難以保證質(zhì)量要求[1-2]。因此，開發(fā)高效的蓖麻脫殼設(shè)備將有利于推動(dòng)蓖麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，較為成熟的脫殼裝置多為機(jī)械脫殼形式，包括旋轉(zhuǎn)篩網(wǎng)式、擠壓式、揉搓式、仿生式、滾筒刮板式、沖擊式、碾壓式等。如洪都拉斯已應(yīng)用旋轉(zhuǎn)篩網(wǎng)式脫殼裝置對(duì)蓖麻籽進(jìn)行脫殼處理。LIM等[3-5]設(shè)計(jì)了一種擠壓式蓖麻籽脫殼機(jī)，采用4對(duì)輥擠壓的方式對(duì)蓖麻蒴果進(jìn)行脫殼處理,此裝置能使蓖麻充分脫殼，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維修困難。ROMULI等[6-7]使用改良式磨盤機(jī)，利用響應(yīng)面法分析其對(duì)脫殼率以及能耗的影響，此方法可以對(duì)蓖麻籽進(jìn)行預(yù)分組，顯著提高了脫凈率。曹玉華等[8-9]利用蓖麻蒴果現(xiàn)有物理及機(jī)械特性，對(duì)蓖麻蒴果脫殼關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化，將擠壓式對(duì)輥的梳刷改進(jìn)為螺旋槽。曹成茂等[10]采用柔性揉搓板與柔性柵欄相配合的方式，設(shè)計(jì)了一種柔性揉搓式板栗剝苞機(jī)。擠壓和揉搓的方式能大大提高蓖麻脫凈率。但因蓖麻蒴果大小不均，其在脫殼間隙內(nèi)更加容易損傷。李心平等[11-12]模擬雞喙，根據(jù)玉米種子抗壓特性設(shè)計(jì)了一種玉米種子仿生脫粒機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該種脫粒方式能顯著減小對(duì)玉米籽粒的損傷。劉明政等[13]設(shè)計(jì)了柔性帶剪切擠壓式核桃破殼取仁分離裝置。高連興等[14-15]先后采用雙滾筒氣力循環(huán)式和三滾式設(shè)計(jì)對(duì)花生進(jìn)行脫殼處理。張黎驊等[16]設(shè)計(jì)了滾筒柵條式銀杏果脫殼機(jī)，這種打擊揉搓脫殼方式適應(yīng)性強(qiáng)，且柔性柵條能對(duì)物料起到一定的保護(hù)作用。姜楠等[17]利用釘齒的沖擊作用對(duì)谷穗實(shí)現(xiàn)了脫殼處理。鄭甲紅等[18]通過偏心輥打擊作用實(shí)現(xiàn)了核桃破殼，該種沖擊脫殼方式對(duì)不同種物料適應(yīng)性較強(qiáng)。李軍[19]采用碾壓輥與振動(dòng)臺(tái)相結(jié)合方式設(shè)計(jì)了碾壓式谷子脫粒機(jī)。王升升等[20]設(shè)計(jì)了一種半喂入式谷子脫粒裝置，由于物料進(jìn)給不均勻，碾壓式脫粒機(jī)在運(yùn)行過程中易造成阻塞，脫粒效率有待提高。

國內(nèi)大部分蓖麻種植地區(qū)依然采用手工方式脫殼，勞動(dòng)量巨大。為增加蓖麻利用率，提高蓖麻脫殼效率，本文在滾搓式脫殼原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種可調(diào)式蓖麻脫殼清選一體裝置。該裝置采用滾搓式脫殼機(jī)理與振動(dòng)吸風(fēng)清選相結(jié)合，脫殼裝置采用立錐分段式設(shè)計(jì)，以保證脫殼室內(nèi)蓖麻能充分脫殼。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的蓖麻脫殼清選一體裝置由傳動(dòng)系統(tǒng)、脫殼機(jī)構(gòu)、清選機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。整機(jī)采用臥式布局，可增大與地面接觸面積，降低整機(jī)的振動(dòng)幅度；蓖麻蒴果在整機(jī)構(gòu)內(nèi)由上至下、由左至右運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中始終受到重力作用，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)順暢；電機(jī)轉(zhuǎn)速、脫殼滾筒出料口間隙、振動(dòng)篩傾角、振動(dòng)篩特征值等可調(diào)，對(duì)不同品種的蓖麻蒴果適應(yīng)性高，如圖1所示。

圖1 蓖麻脫殼清選一體裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of castor shelling and clearing device1.電機(jī) 2.脫殼裝置 3.進(jìn)料口 4.吸風(fēng)機(jī) 5.出料口 6.振動(dòng)篩

1.2 工作原理

蓖麻蒴果經(jīng)喂料口進(jìn)入脫殼室，上脫殼滾筒內(nèi)層殼體有轉(zhuǎn)速差，蓖麻蒴果在滾筒間隙內(nèi)不斷受到擠壓與滾搓雙重作用，對(duì)蓖麻蒴果進(jìn)行預(yù)脫殼。達(dá)到上脫殼滾筒底部直徑最大處后，落入下脫殼滾筒內(nèi)外層殼體組成的脫殼機(jī)構(gòu)中進(jìn)行脫殼處理。脫殼后的蓖麻籽及其外皮碎屑經(jīng)排料口至接料板，在重力作用下，通過圓形沖孔篩。尺寸小于圓孔的碎屑被篩至碎屑板，其余脫出物繼續(xù)沿篩面下滑，達(dá)到吸風(fēng)箱時(shí)，較大的碎屑及干癟蓖麻籽由高壓離心風(fēng)機(jī)吸出，排出裝置外；剩余脫殼質(zhì)量良好的蓖麻籽經(jīng)由出料口排出裝置外，可進(jìn)行采集包裝等后續(xù)處理。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 脫殼裝置整體結(jié)構(gòu)

該脫殼裝置采用雙圓臺(tái)結(jié)構(gòu)作為脫殼滾筒的內(nèi)層殼體，同時(shí)在其外部機(jī)架裝配有兩個(gè)錐形脫殼滾筒，與之配合形成間隙逐漸變小的脫殼工作區(qū)間。上脫殼滾筒對(duì)蓖麻蒴果進(jìn)行壓裂，下脫殼滾筒實(shí)現(xiàn)蓖麻蒴果脫殼。兩個(gè)階段工作部件串聯(lián)在同一軸上，采用立式布局，如圖2所示。

圖2 脫殼裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Shelling device schematic1.帶輪 2.主軸 3.外層滾筒 4.內(nèi)層滾筒 5.喂料口 6.上脫殼滾筒間隙 7.下脫殼滾筒間隙

2.2 脫殼裝置設(shè)計(jì)

2.2.1上脫殼滾筒內(nèi)層殼體錐角

脫殼滾筒錐角的大小，直接關(guān)系到蓖麻蒴果能否順利進(jìn)入到脫殼滾筒內(nèi)外層間隙，同時(shí)也是影響脫殼滾筒直徑、整機(jī)大小的重要參數(shù)。蓖麻蒴果進(jìn)入脫殼滾筒時(shí)的臨界狀態(tài)如圖3所示。

圖3 錐角設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Taper angle design diagram

蓖麻蒴果處于臨界狀態(tài)時(shí)，受到重力mg、上脫殼滾筒內(nèi)層對(duì)其的反作用力P1及上脫殼滾筒外層對(duì)其的反作用力P2，此時(shí)

mgcosα=P1+P2cos(2β-α)

(1)

mgsinα=P2sin(2β-α)

(2)

式中α——上脫殼滾筒錐角，(°)

β——蓖麻蒴果球心與上脫殼滾筒內(nèi)層外表面夾角，(°)

要實(shí)現(xiàn)蓖麻蒴果順利進(jìn)入上脫殼滾筒內(nèi)外層間隙，則

mgsinα>P1sinαtanφ+P2sin(2β-α)+
P2cos(2β-α)tanφ

(3)

式中φ——蓖麻蒴果與鐵質(zhì)材料摩擦角，(°)

化簡(jiǎn)得

α>φ

即若實(shí)現(xiàn)蓖麻蒴果順利進(jìn)入上脫殼滾筒內(nèi)外層間隙，應(yīng)使得上脫殼滾筒錐角大于蓖麻蒴果與鐵質(zhì)材料的摩擦角。

2.2.2脫殼滾筒位置與脫殼間隙關(guān)系

分析研究脫殼機(jī)構(gòu)中任意位置間隙，有利于求解蓖麻蒴果及蓖麻籽在脫殼機(jī)構(gòu)中的受力及變形。以上脫殼滾筒內(nèi)層殼體錐角頂點(diǎn)為原點(diǎn)O，以上脫殼滾筒內(nèi)層殼體最大直徑方向?yàn)閤軸，建立直角坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4 上滾筒間隙分析Fig.4 Upper roller gap analysis

由幾何關(guān)系可知

(4)

式中h——上脫殼滾筒內(nèi)層殼體任意點(diǎn)到上脫殼滾筒外層殼體距離，mm

x——蓖麻蒴果在上脫殼滾筒x方向投影長(zhǎng)度，mm

R——上脫殼滾筒內(nèi)層殼體最大直徑，mm

l——上脫殼滾筒出料口最小間隙，mm

γ——上脫殼滾筒外層殼體錐角，(°)

由式(4)可知，脫殼機(jī)構(gòu)間隙隨著蓖麻蒴果在脫殼機(jī)構(gòu)中的位置而不斷變化，脫殼機(jī)構(gòu)間隙逐漸減小，使得蓖麻蒴果在脫殼過程中所受的擠壓與滾搓作用逐漸增大。同時(shí)在設(shè)計(jì)內(nèi)層殼體時(shí)，其表面覆有一層具有緩沖作用的柳葉紋橡膠皮墊，在壓裂蓖麻蒴果的同時(shí)對(duì)蓖麻籽起到一定的保護(hù)作用，避免產(chǎn)生隱性內(nèi)部損傷。

2.3 清選機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該脫殼裝置清選機(jī)構(gòu)采用振動(dòng)篩選與氣吸相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式，包括振動(dòng)篩、連桿、振動(dòng)篩動(dòng)力發(fā)生裝置、吸風(fēng)箱、風(fēng)機(jī)等，振動(dòng)篩如圖5所示。振動(dòng)篩兩側(cè)分別通過連桿與機(jī)架相連，構(gòu)成具有雙搖桿的平行四桿機(jī)構(gòu)，相對(duì)于地面有一定傾角；振動(dòng)篩的動(dòng)力由偏心輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供，偏心輪帶有凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)結(jié)構(gòu)與振動(dòng)篩之間具有移動(dòng)副，帶動(dòng)振動(dòng)篩做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；吸風(fēng)箱由調(diào)整箱嵌入固定箱內(nèi)，便于調(diào)整吸風(fēng)口與振動(dòng)篩的相對(duì)位置。

圖5 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of upper and outer shelling drum1.偏心輪結(jié)構(gòu) 2.連桿 3.振動(dòng)篩

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該脫殼清選一體裝置傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)力分配合理的原則。不僅使機(jī)器各個(gè)部分獲得適宜的工作速度，還需保證各部件安裝位置協(xié)調(diào)，滿足蓖麻脫殼要求。樣機(jī)傳動(dòng)示意圖如圖6所示。

圖6 蓖麻脫殼清選一體裝置傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic of transmission system of ramie shelling and cleaning device1.電機(jī) 2.脫殼裝置 3.振動(dòng)篩

傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)將動(dòng)力傳入Ⅰ軸并通過帶輪進(jìn)行減速，Ⅰ軸帶動(dòng)上、下脫殼滾筒內(nèi)層殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，與脫殼滾筒外層殼體具有差速，實(shí)現(xiàn)脫殼；同時(shí)，Ⅰ軸上安裝有清選主動(dòng)輪，通過帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳至Ⅱ軸，帶動(dòng)清選從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，清選從動(dòng)輪為偏心輪結(jié)構(gòu)，與振動(dòng)篩之間由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，帶動(dòng)振動(dòng)篩做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

3 蓖麻脫殼過程仿真分析

蓖麻蒴果在脫殼室內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜。為了研究蓖麻蒴果在脫殼過程中位移、速度隨時(shí)間變化規(guī)律，利用ADAMS對(duì)蓖麻蒴果在脫殼室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析。

3.1 幾何模型建立

圖7為通蓖5號(hào)、通蓖6號(hào)、通蓖7號(hào)蓖麻蒴果球度分布曲線。仿真試驗(yàn)以通蓖7號(hào)蓖麻蒴果為研究對(duì)象，取通蓖7號(hào)蓖麻蒴果球度為0.95。

圖7 球度分布曲線Fig.7 Spheroidal distribution curve

通蓖7號(hào)蓖麻蒴果三軸尺寸如圖8所示。

圖8 通蓖7號(hào)蓖麻蒴果三軸尺寸Fig.8 TongBi No.7 castor three-week size

前期試驗(yàn)測(cè)得500個(gè)通蓖7號(hào)蓖麻蒴果三軸尺寸結(jié)果，x方向最大直徑16.96 mm，y方向最大直徑15.91 mm，z方向最大直徑17.01 mm。根據(jù)球度及三軸尺寸測(cè)量結(jié)果，建立蓖麻蒴果仿真模型如圖9a所示。根據(jù)已設(shè)計(jì)好的參數(shù)建立脫殼裝置仿真模型，如圖9b所示。

圖9 動(dòng)力學(xué)仿真模型Fig.9 Simulation model of shelling institutions

為降低計(jì)算量，便于對(duì)蓖麻蒴果進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬，脫殼裝置仿真模型建立過程中需進(jìn)行相關(guān)簡(jiǎn)化，僅保留關(guān)鍵部件。包括：空心軸，上、下脫殼滾筒內(nèi)層殼體，柳葉橡膠涂層，上、下脫殼滾筒外層殼體，將模型導(dǎo)入ADAMS中。

3.2 邊界條件及材料參數(shù)設(shè)置

蓖麻蒴果脫殼分為壓裂階段與脫殼階段，因此對(duì)兩種情況分別進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。壓裂階段采用蓖麻蒴果模型進(jìn)行模擬，將其分別與上脫殼滾筒內(nèi)、外層殼體及柳葉橡膠建立接觸力。脫殼階段采用蓖麻籽模型，將其分別與下脫殼滾筒內(nèi)、外層殼體及柳葉橡膠建立接觸力?？招妮S、脫殼滾筒外層殼體與地設(shè)置為固定連接。脫殼滾筒內(nèi)層殼體與空心軸建立旋轉(zhuǎn)副并添加動(dòng)力。柳葉橡膠隨脫殼滾筒內(nèi)層殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者采用固定連接。以此對(duì)脫殼機(jī)構(gòu)的工作狀況進(jìn)行模擬。材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameter

3.3 壓裂階段仿真分析

3.3.1壓裂階段運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

傳感器在0.56 s時(shí)終止了仿真進(jìn)程，此時(shí)蓖麻蒴果受到47 N的接觸力，達(dá)到破裂條件。由圖10可得，蓖麻蒴果首先在上脫殼滾筒內(nèi)層殼體凸臺(tái)的帶動(dòng)下做螺旋線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度逐漸增加并逐漸向脫殼滾筒間隙運(yùn)動(dòng)；在0.42 s時(shí)，蓖麻蒴果鉛垂方向的位移曲線斜率增加，表明其進(jìn)入脫殼滾筒內(nèi)，由于其與橡膠的摩擦因數(shù)大于與鐵質(zhì)材料的摩擦因數(shù)，蓖麻蒴果進(jìn)入滾筒后速度大幅增加；至蓖麻蒴果壓裂為止，其總位移為103.41 mm，沿鉛垂方向向下運(yùn)動(dòng)了44.57 mm，速度達(dá)到1 014.07 mm/s。

3.3.2間隙對(duì)壓裂階段的影響

保持脫殼滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min，采用10、11、12、13、14 mm間隙進(jìn)行仿真模擬，分別在0.54、0.55、0.56、0.57、0.58 s時(shí)終止仿真進(jìn)程，表明蓖麻蒴果達(dá)到所需破殼力為47 N；隨著間隙的增加，蓖麻蒴果到達(dá)特定壓裂位置的時(shí)間延后。由圖11可知，在間隙10、11、12、13、14 mm下，蓖麻蒴果在鉛錘方向的位移分別37.10、40.82、44.57、48.31、51.16 mm，總位移分別為90.90、94.37、97.09、120.26、 99.59 mm；隨著滾筒間隙的增加，蓖麻蒴果到達(dá)破殼條件時(shí)的位移增加。

圖10 壓裂階段仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of cracking phase

圖11 壓裂階段不同間隙仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of cracking phase with different clearances

圖12 脫殼階段仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of shelling phase

3.4 脫殼階段仿真分析

3.4.1脫殼階段運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)圖12，蓖麻籽在重力及下脫殼滾筒內(nèi)層殼體摩擦力作用下，沿下脫殼滾筒外層殼體向下做螺旋線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度逐漸增加并逐漸向脫殼滾筒間隙運(yùn)動(dòng)；其總位移為121.22 mm，沿鉛垂方向運(yùn)動(dòng)250.37 mm，速度達(dá)到1 358.62 mm/s。

3.4.2間隙對(duì)脫殼階段的影響

保持脫殼滾筒轉(zhuǎn)速為300 r/min，采用5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm間隙進(jìn)行仿真模擬，分別在0.24、0.24、0.25、0.25、0.26 s時(shí)終止了仿真進(jìn)程，表明蓖麻籽達(dá)到所需破殼力為40 N；隨著間隙的增加，蓖麻籽到達(dá)特定脫殼位置的時(shí)間延后。由圖13a、13b可知，在間隙5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm下，蓖麻蒴果在鉛垂方向的位移分別為220.59、226.36、250.37、264.41、289.84 mm，總位移分別為96.19、114.64、121.22、124.52、128.96 mm；隨著滾筒間隙的增加，蓖麻籽到達(dá)破殼條件時(shí)的位移增加。由圖13c可知，在間隙5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 mm下，蓖麻蒴果運(yùn)動(dòng)速度分別為1 082.87、1 172.25、1 358.62、1 399.46、1 131.65 mm/s；在下脫殼滾筒間隙小于6.5 mm時(shí)，蓖麻籽的運(yùn)動(dòng)速度主要受重力影響，隨著間隙的增大，蓖麻籽達(dá)到特定脫殼間隙時(shí)間延后，導(dǎo)致其速度增大，在下脫殼滾筒間隙大于6.5 mm時(shí)，其受到下脫殼滾筒最大轉(zhuǎn)速限制，速度略有下降。

圖13 脫殼階段不同間隙仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results of shelling phase with different clearances

4 試驗(yàn)

通過轉(zhuǎn)速和出料口間隙的單因素仿真試驗(yàn)可知，滾筒轉(zhuǎn)速和脫殼間隙是影響蓖麻蒴果在脫殼室內(nèi)運(yùn)動(dòng)的重要因素。為提高脫殼效率，得到脫殼裝置最佳參數(shù)，以滾筒轉(zhuǎn)速、上滾筒出料口間隙、下滾筒出料口間隙為試驗(yàn)因素，脫凈率(脫殼后脫凈蓖麻占總蓖麻數(shù)的百分比)m和破損率(損傷蓖麻占總蓖麻數(shù)百分比)n為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)物料力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如圖14。試驗(yàn)材料為通遼市農(nóng)業(yè)科學(xué)院晾曬的通篦5號(hào)蓖麻蒴果。試驗(yàn)設(shè)備包括：可調(diào)式蓖麻脫殼清選一體裝置；冠亞快速水分測(cè)定儀(通用SFY-20A型，量程0.5～90 g，稱量精度0.001 g)；雙杰牌電子秤(TC-60K型，最大稱量60 kg)。

圖14 蓖麻脫殼試驗(yàn)Fig.14 Ramie shelling test

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Test factors and code

表3為試驗(yàn)方案和結(jié)果，A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.3 Test design and results

4.2.1脫凈率方差及響應(yīng)面分析

表4為脫凈率方差分析結(jié)果，由表4可知，模型P<0.001，表明脫凈率與各因素的回歸方程顯著，三因素對(duì)脫凈率的影響為極顯著，由均方得其影響程度大小為：C、A、B；滾筒轉(zhuǎn)速與下脫殼滾筒出料口間隙的交互作用、上脫殼滾筒出料口間隙的平方項(xiàng)對(duì)脫凈率影響極顯著，影響程度大小為：AC、B2；滾筒轉(zhuǎn)速與上脫殼滾筒出料口間隙的交互作用、上脫殼滾筒出料口間隙與下脫殼滾筒出料口間隙的交互作用、滾筒轉(zhuǎn)速的平方項(xiàng)對(duì)脫凈率影響顯著，其影響程度大小為：AB、BC、A2；其余項(xiàng)對(duì)其影響不顯著。脫凈率與試驗(yàn)因素的回歸關(guān)系為

m=90.19+0.29A+6.49B-2.48C-6.1×10-3AB-
0.02AC-0.24BC-1.2×10-4A2-0.15B2

(5)

圖15為各因素交互作用對(duì)脫凈率的影響結(jié)果。

表4 脫凈率方差分析Tab.4 Variance analysis of detachment rate

注：*表示顯著(P<0.05); ** 表示極顯著(P<0.000 1)。

圖15 各因素交互作用對(duì)脫凈率影響的響應(yīng)面Fig.15 Response surfaces of interaction for various factors on detachment rate

由圖15a可知，在下脫殼滾筒出料口間隙不變時(shí)，脫凈率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加及上脫殼滾筒出料口間隙的減小而提高；由圖15b可知，在上脫殼滾筒出料口間隙不變時(shí)，脫凈率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加及下脫殼滾筒出料口間隙的減小而提高；由圖15c可知，在滾筒轉(zhuǎn)速不變時(shí)，脫凈率隨著上、下脫殼滾筒出料口間隙的減小而增加。

根據(jù)回歸模型對(duì)脫凈率進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)轉(zhuǎn)速為357.99 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為10.06 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為5.05 mm時(shí)，脫凈率最高，為96.16%。

4.2.2破損率響應(yīng)面分析

圖16為各因素交互作用對(duì)破損率的影響結(jié)果。

由圖16a可知，在下脫殼滾筒出料口間隙不變時(shí)，破損率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加及上脫殼滾筒出料口間隙的減小而增大；由圖16b可知，在上脫殼滾筒出料口間隙不變時(shí)，破損率隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加及下脫殼滾筒出料口間隙的減小而增大。

圖16 各因素交互作用對(duì)破損率影響的響應(yīng)面Fig.16 Response surfaces of interaction for various factors on damage rate

根據(jù)回歸模型對(duì)破損率進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化，得到當(dāng)轉(zhuǎn)速為257.68 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為13.97 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為7.01 mm時(shí)，破損率最低，為2.78%。

4.2.3雙目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，以脫凈率最大、破損率最小為優(yōu)化目標(biāo)，取脫凈率加權(quán)因子0.6，破損率加權(quán)因子0.4，對(duì)脫殼裝置的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化所得參數(shù)：滾筒轉(zhuǎn)速為270 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為13.54 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為5 mm時(shí)，脫凈率為92.44%，破損率為2.85%。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，將脫殼機(jī)工作參數(shù)調(diào)整為優(yōu)化試驗(yàn)得到的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行3次獨(dú)立的重復(fù)試驗(yàn)，脫凈率均值為92.03%，破損率均值為3.1%，試驗(yàn)指標(biāo)均值與優(yōu)化預(yù)測(cè)值差異較小，滿足工作要求。

5 結(jié)論

(1) 為提高蓖麻脫殼效率，提出了一種基于滾搓式的脫殼方法。并對(duì)脫殼裝置、清選裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)以及不對(duì)稱雙圓臺(tái)結(jié)構(gòu)的錐角進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了各關(guān)鍵作業(yè)部件結(jié)構(gòu)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，蓖麻脫殼清選一體裝置符合蓖麻脫殼要求。

(2) 建立不同階段脫殼滾筒內(nèi)任意位置與脫殼間隙的數(shù)學(xué)模型，利用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS，對(duì)蓖麻蒴果在脫殼滾筒內(nèi)的不同階段進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，得到了蓖麻蒴果在不同階段位移、速度的變化規(guī)律，并分析不同轉(zhuǎn)速及脫殼出料口間隙對(duì)蓖麻蒴果脫殼的影響。

(3) 以脫殼滾筒轉(zhuǎn)速、上脫殼滾筒出料口間隙、下脫殼滾筒出料口間隙為因素，以脫凈率、破損率為指標(biāo)，利用響應(yīng)面法分析各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，并對(duì)脫殼裝置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：三因素對(duì)脫凈率、破損率均為顯著性影響；滾筒轉(zhuǎn)速與下脫殼滾筒出料口間隙、滾筒轉(zhuǎn)速與上脫殼滾筒出料口間隙、上脫殼滾筒出料口間隙與下脫殼滾筒出料口間隙的交互作用對(duì)脫凈率影響顯著；滾筒轉(zhuǎn)速與下脫殼滾筒出料口間隙、滾筒轉(zhuǎn)速與上脫殼滾筒出料口間隙的交互作用對(duì)破損率影響顯著。經(jīng)雙目標(biāo)優(yōu)化，取滾筒轉(zhuǎn)速為270 r/min、上脫殼滾筒出料口間隙為13.54 mm、下脫殼滾筒出料口間隙為5 mm，此時(shí)脫殼裝置工作性能最佳，脫凈率為92.03%，破損率為3.1%。