6P-400 型蕎麥脫皮機設(shè)計與試驗

梁 博， 裴二鵬， 王 顯， 巨孟凱， 鄭德聰

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030801）

0 引言

蕎麥?zhǔn)且环N適宜栽種在冷涼氣候環(huán)境下的雜糧作物，我國蕎麥種植量大且品種多，但是制約我國蕎麥產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的一個重要問題是蕎麥粗加工中的脫皮環(huán)節(jié)，難點在于脫皮率和整仁率低[1-2]。國外發(fā)達(dá)國家的蕎麥脫皮設(shè)備研究較早，瑞士布朗公司研發(fā)的EBJ 型砂盤式脫皮機和BSSA 型離心式脫皮機，分別通過搓碾和撞擊的方法實現(xiàn)了60%～90%的脫皮率和整仁率[3]。國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域缺乏系統(tǒng)研究，主要是以剪切、碾搓、撞擊和化學(xué)等原理為主的脫皮設(shè)備，脫皮率和整仁率較低，通常都僅為30%[4]。

本文設(shè)計一種6P-400 型蕎麥脫皮機，采用臥式軸輥，柔性脫皮元件，并開展性能試驗。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

6P-400 型蕎麥脫皮機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由機架、傳動系統(tǒng)、電機、進(jìn)料斗、進(jìn)料調(diào)節(jié)裝置、脫皮輥、脫皮殼體、排料斗和排料調(diào)節(jié)裝置等組成。工作時，蕎麥通過進(jìn)料斗及進(jìn)料調(diào)節(jié)裝置進(jìn)入脫皮裝置，脫皮輥在電機及帶式傳動系統(tǒng)的驅(qū)動下高速轉(zhuǎn)動，對處于脫皮輥和脫皮殼體之間的物料進(jìn)行頻繁的撞擊和搓擦，實現(xiàn)蕎麥脫皮。同時，物料在脫皮輥的螺旋板和脫皮殼體內(nèi)壁上的螺旋導(dǎo)向筋的聯(lián)合作用下，逐步由進(jìn)料斗向排料斗方向輸送，通過排料調(diào)節(jié)裝置排出，完成脫皮過程。6P-400 型蕎麥脫皮機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 6P-400 型蕎麥脫皮機結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of 6P-400 buckwheat peeling machine

表1 6P-400 型蕎麥脫皮機技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of 6P-400 buckwheat peeling machine

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計

1.2.1 脫皮輥

脫皮輥結(jié)構(gòu)如圖2 所示，脫皮輥實物如圖3 所示，主要由主軸、縱桿、螺旋板、輻桿、活動套和橡膠套組成。脫皮輥長1 490 mm，兩端通過軸承座固定在脫皮殼體上，長為145 mm 的輻桿一端與脫皮輥主軸焊接，另一端與4 副縱桿焊接?？v桿長1 200 mm，4 副縱桿上共裝有48 個內(nèi)徑24 mm、外徑28 mm 活動套，縱桿兩端焊有與活動套外徑相同的鐵環(huán)，來限制活動套的軸向位移，活動套外側(cè)加裝一層外徑32 mm 橡膠套來減少籽粒的破碎，第1 排和第2 排輻桿之間以及第3 排和第4 排輻桿之間均焊有4 頭螺旋板，螺距1 200 mm，螺旋角60°。脫皮輥的直徑D和 長度L按式（1）和式（2）計算[5]。

圖2 脫皮輥結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of peeling roller

圖3 脫皮輥實物Fig. 3 Physical drawing of peeling roller

式中v?脫皮輥線速度，m/s，取v=17 m/s[5]

n n=800?脫皮輥轉(zhuǎn)速，r/min，取 r/min

e?脫皮輥長度與直徑之比，取值范圍3～6

D?脫皮輥工作直徑，mm

L?脫皮輥工作長度，mm

計算結(jié)果：D=406 mm，L= 1 218.15 mm。脫皮輥工作直徑D的計算為脫皮輥直徑提供參考，脫皮輥工作長度L為脫皮輥實際工作部分的縱桿長度提供參考，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論依據(jù)。

1.2.2 脫皮殼體

脫皮殼體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，采用厚度為5 mm 的筒式結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑 ?460 mm。內(nèi)壁上焊接凸起高度為10 mm的單頭螺旋筋，螺距500 mm，便于物料在脫皮過程中由喂料口向排料口輸送。根據(jù)工作要求，分別在喂料斗底部和排料口設(shè)置了喂料和排料調(diào)節(jié)裝置。

圖4 脫皮殼體Fig. 4 Peeling shell

2 蕎麥擠壓試驗

2.1 蕎麥籽粒結(jié)構(gòu)分析

蕎麥籽粒為三棱錐形，外皮較堅韌，內(nèi)仁脆易碎，皮仁間隙較小。蕎麥中的礦質(zhì)元素含量十分豐富，這些元素主要集中在蕎麥籽粒的外層和殼中。蕎麥籽粒不同位置營養(yǎng)成分不同，由外至內(nèi)，外皮以纖維素為主，內(nèi)仁表皮含有單寧，糊粉層以蛋白質(zhì)為主，胚乳和胚主要由淀粉和蛋白質(zhì)組成，蕎麥籽粒的營養(yǎng)成分從外層至中心依次降低，這與其他大宗糧食一致[6-8]。

2.1.1 蕎麥皮占比

蕎麥皮和仁比率是蕎麥結(jié)構(gòu)品質(zhì)的重要指標(biāo)，主要與蕎麥的籽粒表面積大小和皮厚度有關(guān)。選擇傳統(tǒng)的紅山蕎麥品種，隨機取1 000 粒籽粒稱質(zhì)量，手工脫皮、分離，重復(fù)3 次，取平均值[9-12]。測量結(jié)果為千粒質(zhì)量25.60 g，蕎麥皮占籽粒質(zhì)量比為21.5%。

2.1.2 蕎麥皮厚度

隨機選擇紅山蕎麥30 粒，手工脫皮、分離。利用千分尺測量皮厚，結(jié)果顯示平均值為0.17 mm，分布范圍0.16～0.18 mm。

2.1.3 蕎麥皮仁間隙

隨機選擇紅山蕎麥30 粒，手工脫皮；利用游標(biāo)卡尺測量蕎麥、蕎麥仁尺寸；計算蕎麥仁與蕎麥尺寸差，取平均值。蕎麥內(nèi)部蕎麥仁與皮間隙為0.1～0.2 mm。皮仁間隙如圖5 所示。

圖5 蕎麥皮仁間隙Fig. 5 Buckwheat kernel gap

2.2 蕎麥籽粒擠壓試驗

隨機抽取30 粒紅山蕎麥籽粒，分成3 組，用GWJ-II型谷物硬度計進(jìn)行擠壓試驗。試驗裝置及擠壓原理如圖6 所示。蕎麥籽粒三軸結(jié)構(gòu)如圖7 所示，考慮其結(jié)構(gòu)差異性，試驗時分別沿X、Y、Z方向進(jìn)行擠壓及擠壓破皮力測定，結(jié)果如表2 所示。X、Y、Z軸擠壓破皮力平均值分別為21.2、21.81 和18.8 N，平均值為20 N。

表2 蕎麥擠壓破皮力測定結(jié)果Tab. 2 Determination results of buckwheat extrusion breaking force

圖6 蕎麥擠壓試驗裝置及原理Fig. 6 Buckwheat extrusion test device and principle

圖7 蕎麥三軸Fig. 7 Buckwheat triaxial

蕎麥?zhǔn)艿饺啻曜饔萌鐖D8 所示，在受到擠壓F壓和支撐F支的平衡力時，還受到一對同時作用在自身、方向相反、大小相等及不共線的摩擦力偶矩，該力偶使蕎麥不斷轉(zhuǎn)動，蕎麥的皮尖處有間隙易產(chǎn)生應(yīng)力集中，皮尖處在揉搓力的作用下撕裂而破壞[13-16]。

圖8 蕎麥?zhǔn)苋啻炅ig. 8 Buckwheat rubbing force

2.3 脫皮過程分析

蕎麥籽粒在脫皮殼體內(nèi)的受力示意如圖9 所示。脫皮元件隨軸輥高速旋轉(zhuǎn)，在進(jìn)入物料區(qū)時，以沖擊力為主。當(dāng)運動到殼體底部時，柔性脫皮元件對相對集中的物料層形成擠壓、搓擦作用，完成脫皮過程[17-19]。

圖9 蕎麥脫皮過程Fig. 9 Buckwheat peeling process

3 試驗研究

3.1 試驗材料與儀器

試驗材料：山西傳統(tǒng)蕎麥品種紅山蕎麥。

試驗儀器：6P-400 型蕎麥脫皮機、調(diào)頻電機、SF-400C 型號精密天平、TCS-60 型電子臺秤、DT22358+型轉(zhuǎn)速表、7 目網(wǎng)篩、10 目網(wǎng)篩及簸箕。

試驗地點：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械試驗室。

脫皮機實物如圖10 所示。

圖10 蕎麥脫皮機Fig. 10 Buckwheat peeling machine

3.2 測試方法

以脫皮輥轉(zhuǎn)速和喂入量作為試驗因素，通過變頻器調(diào)節(jié)脫皮輥的轉(zhuǎn)速，更改進(jìn)料口的間隙調(diào)節(jié)喂入量，以脫皮率、半仁率和整仁率為試驗指標(biāo)。

蕎麥脫皮率的計算如式（3）所示。

式中K?蕎麥籽粒脫皮率，%

N?試驗脫出物質(zhì)量，g

N1?單次試驗未脫皮蕎麥質(zhì)量，g

每組試驗結(jié)束后，排料斗處收集試驗脫出物，稱取試驗脫出物的質(zhì)量N。先后經(jīng)過10 目和7 目網(wǎng)篩篩選分離，在7 目網(wǎng)篩上的脫出物中抽樣，網(wǎng)篩上即為蕎麥整仁與未脫皮蕎麥和蕎麥皮。分離蕎麥皮后，對蕎麥整仁和未脫皮蕎麥稱量，受限于實際試驗條件，分離蕎麥整仁與未脫皮蕎麥工作采用抽樣法計算得到蕎麥整仁質(zhì)量，蕎麥整仁與未脫皮蕎麥進(jìn)行均勻混合后抽樣30 g，數(shù)出蕎麥整仁后稱質(zhì)量，算出整仁占比，重復(fù)3 次取平均值，利用整仁占比計算出整仁質(zhì)量和未脫皮蕎麥質(zhì)量N1。試驗脫出物N與未脫皮蕎麥質(zhì)量N1的差值占試驗脫出物N的百分比為脫皮率K。

半仁率及整仁率的計算如式（4）和式（5）所示。

式中K1?蕎麥籽粒半仁率，%

K2?蕎麥籽粒整仁率，%

N2?碎仁質(zhì)量，g

N3?整仁質(zhì)量，g

N4?粉末質(zhì)量，g

試驗脫出物經(jīng)過10 目網(wǎng)篩后分離得到網(wǎng)篩下的粉末，稱粉末質(zhì)量N4。將10 目網(wǎng)篩上的脫出物再經(jīng)過7 目網(wǎng)篩篩選，分離得到網(wǎng)篩下的碎仁，稱碎仁質(zhì)量N2。再對7 目網(wǎng)篩上的脫出物進(jìn)行抽樣，計算整仁質(zhì)量N3。

將2 kg 蕎麥籽粒均勻倒入進(jìn)料斗，改變進(jìn)料口間隙實現(xiàn)調(diào)控喂入量，通過變頻器調(diào)節(jié)脫皮輥轉(zhuǎn)速。在排料斗處接試驗脫出物后稱質(zhì)量。將脫出物倒入10 目網(wǎng)篩后進(jìn)行篩選，網(wǎng)篩下的即為蕎麥仁粉末并稱質(zhì)量。再將10 目網(wǎng)篩上脫出物倒入7 目網(wǎng)篩，網(wǎng)篩下為蕎麥碎仁并稱質(zhì)量。網(wǎng)篩上為蕎麥整仁與未脫皮蕎麥和蕎麥皮，分離蕎麥皮后，采用抽樣法計算出整仁質(zhì)量和未脫皮蕎麥質(zhì)量。

3.3 轉(zhuǎn)速單因素試驗

通過更改進(jìn)料口處間隙調(diào)整喂入量為0.06 kg/s，將2 kg 蕎麥倒入進(jìn)料斗，脫皮機轉(zhuǎn)速對蕎麥脫皮效果的影響如圖11 所示，隨著轉(zhuǎn)速的提高，其脫皮率也隨之增高，半仁率和整仁率減小，由于轉(zhuǎn)速的增大，當(dāng)對蕎麥?zhǔn)┘拥钠茐牧Υ笥谄渥畲蟮挚箯姸葧r即外皮破裂，脫皮率隨之上升，而蕎麥皮仁之間聯(lián)系緊密，也極易導(dǎo)致蕎麥仁破碎的比例增加，從而導(dǎo)致半仁率、整仁率的下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速1 200 ～1 300 r/min 時，脫皮率的增加漸緩，半仁率和脫皮率基本持平，綜合考慮選擇1 200 r/min 為最佳轉(zhuǎn)速。

圖11 轉(zhuǎn)速對脫皮率、半仁率和整仁率的影響Fig. 11 Effect of rotating speed on peeling rate，half kernel rate and whole kernel rate

3.4 喂入量單因素試驗

由轉(zhuǎn)速單因素試驗得出1 200 r/min 為最佳工作狀態(tài)，取脫皮機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，一次喂入2 kg 蕎麥的情況下，通過更改進(jìn)料口處間隙調(diào)整喂入量，喂入量對脫皮效果的影響如圖12 所示，喂入量在0.09 ～0.11 kg/s 范圍內(nèi)，脫皮率下降，半仁率和整仁率緩慢增加，綜合考慮脫皮率、半仁率、整仁率保持較高的水平下，選擇喂入量0.1 kg/s 左右時最佳。

圖12 喂入量對脫皮率、半仁率和整仁率的影響Fig. 12 Effect of feeding rate on peeling rate，half kernel rate and whole kernel rate

3.5 正交試驗

在Design Expert 8.0.5 軟件中，利用Central Composite中心復(fù)合設(shè)計方法進(jìn)行試驗方案設(shè)計和分析，試驗因素水平編碼值如表3 所示，方案和結(jié)果如表4 所示[20-22]。

表3 試驗因素水平Tab. 3 Table of test factor levels

表4 試驗設(shè)計及結(jié)果Tab. 4 Experimental design and results

3.5.1 試驗結(jié)果方差分析

依據(jù)多因素試驗得出的數(shù)據(jù)和模型分析，利用design-expert 8.0.5 軟件得到脫皮率y1、半仁率y2和整仁率y3的回歸方程。

由表5 可知，失擬項P值為0.064 1＞0.05，說明本試驗誤差很小，此模型可對脫皮率預(yù)測。方差分析表中，轉(zhuǎn)速A的P值＜0.000 1，影響極其顯著；喂入量B的P值為0.069 2 ，影響不顯著；AB的P值為0.887 5＞0.05，交互作用影響極其不顯著；A2的P值為0.817 1＞0.05，影響不顯著；B2的P值為0.007 0＜0.05，影響顯著。

表5 脫皮率方差分析Tab. 5 Variance analysis of peeling rate

由表6 可知，失擬項P值為0.244 2＞0.05，說明本試驗誤差很小，此模型可對半仁率預(yù)測。方差分析表中，轉(zhuǎn)速A的P值＜0.001，影響較顯著；喂入量B的P值為0.006 2，影響較顯著；AB的P值為0.001 2＜0.05，交互作用影響顯著；A2的P值為0.000 2＜0.05，影響顯著；B2的P值＜0.000 1，影響顯著。

表6 半仁率方差分析Tab. 6 Variance analysis of half kernel rate

由表7 可知，失擬項P值為0.053 0＞0.05，說明本試驗誤差很小，此模型可對整仁率預(yù)測。

表7 整仁率方差分析Tab. 7 Variance analysis of whole kernel rate

方差分析表中，轉(zhuǎn)速A的P值0.000 9＜0.05，影響顯著；喂入量B的P值為0.002 7＜0.05，影響顯著；AB的P值為0.818 9＞0.05，互作作用影響極不顯著；A2的P值為0.102 8＞0.05，影響不顯著；B2的P值為0.005 0＜0.05，影響顯著。

3.5.2 響應(yīng)面分析

對影響脫皮性能的轉(zhuǎn)速（A），喂入量（B）兩試驗因素的交互作用進(jìn)行3D 響應(yīng)曲面分析。轉(zhuǎn)速和喂入量對脫皮率響應(yīng)曲面如圖13 所示，喂入量由低到高的過程中，轉(zhuǎn)速越大，脫皮率越高。當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸變大時，脫皮率隨喂入量增加緩慢減小，交互作用極不顯著。

圖13 交互因素對脫皮率的影響Fig. 13 Effect of interaction factors on peeling rate

轉(zhuǎn)速和喂入量對半仁率響應(yīng)曲面如圖14 所示，轉(zhuǎn)速由1 200 r/min 到1 050 r/min 過程中，轉(zhuǎn)速越小，半仁率越大，但增長幅度相較于轉(zhuǎn)速由1 050 r/min 到900 r/min時小。當(dāng)轉(zhuǎn)速減小且喂入量處于0.06～0.14 kg/s 時，半仁率隨著喂入量的增大而增大，當(dāng)喂入量達(dá)到0.14 kg/s時處于峰值，而當(dāng)喂入量從0.14～0.20 kg/s 時，半仁率隨喂入量的增大而減小，交互作用明顯。

圖14 交互因素對半仁率的影響Fig. 14 Effect of interactive factors on half kernel rate

轉(zhuǎn)速和喂入量對整仁率響應(yīng)曲面如圖15 所示，轉(zhuǎn)速由低到高過程中，喂入量變大，整仁率以緩慢趨勢減小。喂入量由低到高時，整仁率在喂入量0.06～0.12 kg/s時增長速率較高，在0.12～0.18 kg/s 時喂入量對整仁率的影響趨勢漸平。分析交互作用，喂入量和轉(zhuǎn)速對整仁率均影響較大，但交互作用不顯著。

圖15 交互因素對整仁率的影響Fig. 15 Effect of interactive factors on whole kernel rate

3.5.3 參數(shù)優(yōu)化試驗

為求得脫皮機的最佳工作性能參數(shù)，在一定的半仁率和整仁率的同時保證較高的脫皮率，利用designexpert 8.0 軟件分析多因素試驗結(jié)果，設(shè)定半仁率高于45%，整仁率高于15%，脫皮率高于80%。求解回歸模型得到最優(yōu)參數(shù)及其預(yù)測結(jié)果如表8 所示。

表8 最優(yōu)參數(shù)Tab. 8 Optimal parameter

為驗證得出的最優(yōu)參數(shù)的可靠性，對其進(jìn)行3 次重復(fù)驗證試驗，對試驗結(jié)果取平均值，試驗結(jié)果及預(yù)測對比如表9 所示，試驗結(jié)果為脫皮率83.536 3%，半仁率50.820 4%，整仁率16.303 2%，誤差較小，表明預(yù)測模型可靠，試驗最優(yōu)解有效。

表9 最優(yōu)參數(shù)下試驗結(jié)果與仿真對比Tab. 9 Comparison of experimental results and simulation results under optimal parameters

4 結(jié)論

（1）設(shè)計完成臥式滾筒蕎麥脫皮機，脫皮元件與滾筒縱桿活動連接，并加裝塑膠軟管，實現(xiàn)蕎麥籽粒的柔性接觸。脫皮元件與滾筒內(nèi)壁的配合間隙為30 mm，可實現(xiàn)對蕎麥籽粒的撞擊、揉搓和擠壓的聯(lián)合作用，完成脫皮過程。脫皮裝置結(jié)構(gòu)具有新穎性。

（2）單因素試驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速對脫皮率、半仁率、整仁率影響均顯著，喂入量只對半仁率和整仁率影響顯著。在轉(zhuǎn)速1 100～1 200 r/min 時，脫皮率為70%～80%、半仁率為40%～50%、整仁率為15%，均處于較高水平。喂入量在0.06～0.17 kg/s 時，脫皮率變化較平緩，半仁率和整仁率呈先增后降趨勢，影響較顯著。

（3）正交試驗獲得最優(yōu)參數(shù)組合：轉(zhuǎn)速1 200 r/min，喂入量0.09 kg/s。對該參數(shù)進(jìn)行試驗驗證表明，脫皮率82.536 3%、半仁率50.820 4%及整仁率16.303 2%，與模型預(yù)測誤差較小。通過響應(yīng)曲面分析，可知轉(zhuǎn)速和喂入量的交互效應(yīng)對半仁率影響顯著，對于脫皮率和整仁率，轉(zhuǎn)速和喂入量的交互效應(yīng)不顯著。