1、四点挤压式核桃破壳机正交试验 郑甲红 王亚雄 赵奎鹏 闫茹 李均 陕西科技大学机电工程学院 摘 要： 为了研究自主设计制造的四点挤压式核桃破壳机的最优工作参数, 选择核桃含水率、挤压行程、破壳速率 3 个关键因素进行正交试验。试验结果表明:四点挤压式核桃破壳机的最佳工作参数为:核桃含水率为 20%, 挤压行程 6mm, 破壳速率为 1s/个, 基于此对四点挤压式核桃破壳机的工作参数进行了优化。关键词： 四点挤压式; 破壳机; 正交试验; 核桃; 作者简介：郑甲红 (1963-) , 男, 陕西武功人, 教授。作者简介：王亚雄 (1991-) , 男, 河北望都人, 硕士研究生, (E-mail
2、) 。收稿日期：2016-11-04基金：陕西省教育厅产业化项目 (14JF003) ;陕西省教育厅专项科研计划项目 (15JK1104) Orthogonal Experiment of Four-point Squeeze Broken Walnut Shell MachineZheng Jiahong Wang Yaxiong Zhao Kuipeng Yan Ru Li Jun Mechanical and Electrical Engineering, Shannxi University of Science Abstract： To study the optimum opera
3、ting parameters independently design and manufacture of four-point squeeze walnut shell-broken machines, select walnut moisture, extrusion stroke, extrusion speed which three key factors for the orthogonal experiment.The results showed that: the optimum operating parameters of a four-point squeeze m
4、achine was:walnut moisture content of 20%, extrusion stroke 6mm, extrusion rate of 1s, improving the operating parameters of the four-point squeeze machine.Keyword： four-point squeeze; broken walnut shell machine; orthogonal experiment; walnut; Received： 2016-11-040 引言核桃, 俗称“万岁子”“长寿果”, 含有丰富的营养元素、丰富的
5、脂肪及多种多样的微量元素, 与扁桃、腰果、榛子并称为“四大干果”。日常生活中, 常食核桃, 因其含有丰富的维生素 E 及磷脂成分, 可起到美容、抑制细胞老化及避免老年痴呆的功效, 是人们饮食保健的最佳选择之一, 深受大众的喜爱。我国核桃种植遍布全国 22 个省 (市、区) , 且我国的核桃出口以单果为主, 限制了核桃种植户的收入, 需对其进行深加工以提高经济效益, 且完成核桃的壳仁分离, 破壳处理是必不可少的工序。在我国, 核桃破壳仍以手工破壳为主, 存在着成本高、效率低及得到的核桃仁不能满足世界卫生标准的要求等问题。随着农业机械化的不断发展, 核桃的机械破壳装置也在不断涌现, 但都处在初级阶
6、段, 存在着各种各样的不足之处, 如破壳率低、碎仁率高和高路仁率低, 导致分离出来的核桃仁不能满足进一步深加工的需要。因此, 提高核桃产业机械化和核桃产品附加值是值得关注的课题。为改善当今核桃机械破壳的现状, 在前人的基础上设计了一种新型的四点挤压式核桃破壳机, 并通过试验对其性能进行了检测和参数优化。同时, 选取核桃含水率、挤压行程、破壳速率进行 3 因素 3 水平正交试验研究, 进而确定核桃破壳机的最终工作参数。1 试验材料与方法1.1 试验设备与材料试验所使用的设备包括四点挤压式核桃破壳机 (自制) 及表 1 所示的相关试验仪器。表 1 仪器设备参数 下载原表 四点挤压式核桃破壳机主要包
7、括机架、挤压机构、摇杆、料斗、上料板、导轨及挡料板等装置, 如图 1 所示。工作时, 核桃从料斗中掉落到上料支撑板上, 此时核桃的上半部还在喂料斗中, 下半部由上料支撑板支撑, 4 个挤压块对核桃进行挤压破壳;破壳后, 将摇杆恢复到原位, 挡料板撤离挤压槽;核桃从挤压槽中掉落, 完成破壳。图 1 四点挤压式核桃破壳机 下载原图此次选取的试验对象为陕西核桃, 主要取陕南商洛的核桃作为试验材料。1.2 试验方法陕西商洛的核桃与其他地区的核桃相比圆度较高, 其长径、短径和棱长差别不大。从提升核桃经济价值的角度出发, 选择中等大小 (3235mm) 的香苓品种作为试验材料。首先, 对核桃进行不同挤压行
8、程的单因素破壳试验, 通过对试验结果的分析, 确定挤压行程对核桃破壳效果的影响, 并为优选正交试验的水平提供参考。然后, 通过对核桃进行相应的处理, 使其达到不同程度的含水率, 对核桃进行不同含水率下的单因素破壳试验, 分析含水率对破壳效果的影响。最后, 在确定含水率为 10%、挤压行程为 6mm 的前提下, 在不同的破壳速率下对核桃进行破壳速率单因素试验。通过分析单因素破壳试验的试验结果, 确定相应的含水率, 挤压行程和破壳速率的水平进行 3 因素 3 水平的 L9 (3) 正交试验。在不考虑交互作用的前提下, 分析试验结果, 得出各因素对破壳效果的影响。其分组如表 2 所示。表 2 正交试
9、验因素水平表 下载原表 1.3 测试指标及方法采用加权评分的方法对破壳效果进行最终评定, 用最终得分 S 作为评定破壳效果优劣的指标。选取破壳率、高路仁率和整仁率作为试验的测试指标。破壳率指核桃破碎面积达总面积 3/4 的核桃个数占试验总数的百分比, 用 Q 表示;高路仁率指破壳后得到不小于 1/4 果仁的质量占破壳所得果仁总质量的百分比, 用P 表示;整仁率指破壳后得到的完整的果仁质量占得到果仁总质量的百分比, 用G 表示。公式为其中, M q为每组中核桃破碎达总面积的 3/4 的核桃的个数;M z为每组试验中核桃的总个数;N p为每组试验中 1/4 及以上的核桃仁的总质量;N z为每组试验
10、破壳后所得的果仁的总质量;N g为每组试验破壳后得到的整仁的质量和。将 S 设定为综合评定指标, 由各测试指标的定义可知, 其取值范围均在 01 之间, 根据 S 的计算公式可知破壳效果的综合指标 S 的取值范围也在 01 之间。各测试指标越好, 则综合指标 S 得到的结果越大, 所得到的试验的破壳效果越好。S 说明了核桃的综合破壳效果, 所以将其作为判定破壳效果的指标。2 核桃破壳机单因素试验含水率对核桃的破壳效果因破壳机的不同而不同, 不同数量的挤压点的行程对破壳效果也不同, 破壳速率同样如此。因此, 针对于四点挤压式核桃破壳机设计相应的单因素试验, 确定较好的破壳效果时各个因素数值大小。
11、2.1 挤压行程单因素试验通过文献可知, 含水率对破壳效果的影响非常明显。当核桃含水率为 10%, 破壳速率为 1s/个时, 选取 4、5、6、7、8mm5 个不同的挤压行程进行试验, 得到的如表 3 所示的试验结果。由表 3 可得:当挤压行程小于 6mm 时, 随着挤压行程的增大, 破壳效果越来越好;当挤压行程大于 6mm 时, 随着挤压行程的增大, 破壳效果反而越来越差;当挤压行程为 6mm 时, 核桃破壳效果最佳。挤压行程太小时, 挤压行程不足以使核桃壳裂纹扩展至整个核桃, 仅是接触的部分达到了破壳的效果, 而未裂开, 需要二次破壳才能达到预期的效果。当挤压行程超过6mm 时也保证了破壳
12、率却令核桃仁碎裂, 而 6mm 已足够核桃达到理想的破壳程度。故根据单因素试验的结果, 选取 4、6、8mm 作为挤压行程的 3 个水平, 进行正交试验来进一步确定最佳工作参数。表 3 挤压行程单因素试验结果 下载原表 2.2 含水率单因素试验当把含水率作为试验因素时, 将挤压行程确定为 6mm, 破壳速率确定 0.5s/个。根据 5 个级别的含水率, 共进行 5 组试验, 每组核桃 20 个。试验结果如表 4 所示。当含水率增加到 30%时, 破壳率由 100%下降到 80%;当含水率不超过 20%时, 随着含水率的增加, 整仁率增加;当含水率高于 20%, 整仁率不断降低。这是因为低含水率
13、时, 核桃壳体和内部核桃仁较脆, 壳体破碎率高, 核桃仁也容易被挤压破碎。随着含水率的增大, 果仁的韧性增大, 破壳过程中, 不易被挤压破碎, 所以整仁率增大。然而, 含水率增加, 壳体的韧性也不断增加, 其形变能力增强, 当挤压行程小于核桃壳体的形变量时, 就会出现破壳不完全的现象。表 4 含水率单因素试验结果 下载原表 2.3 破壳速率单因素试验选择挤压行程为 6mm, 含水率为 10%进行破壳速率单因素试验, 破壳速率设计 5个等级:0.5、1.0、1.5、2.0、2.5s/个。其结果如表 5 所示。表 5 破壳速率单因素试验结果 下载原表 破壳速率对破壳率影响不大, 无论破壳速率如何,
14、 其破壳率均为 100%。但是, 破壳速率和整仁率有一定的影响, 破壳速率在 0.5s/个和 2.5s/个时, 整仁率都是 0。中间数值的破壳速率, 都能得到整仁, 整仁率接近 50%。之所以出现这种现象是因为 0.5s/个的破壳速率太快, 核桃破壳后, 破碎的核桃壳被迅速挤压进核桃仁中, 对核桃仁造成二次破损。核桃破壳速率为 12s/个时, 都有整仁的存在;破壳速度为 2.5s/个时, 没有整仁存在;同时, 破壳速率为 2.5s/个导致破壳机的效率太低。3 核桃破壳机正交试验根据核桃破壳机单因素的试验结果, 确定选取含水率、挤压行程和破壳速率为正交试验的关键因素。其试验结果如表 6 所示。表
15、 6 正交试验设计与结果 下载原表 通过对试验结果的分析可知:含水率 A 对破壳效果的影响最为显著, 挤压行程 B对破壳效果的影响较为显著, 而破壳速率 C 对破壳效果的影响则不明显。通过对试验结果的直观分析可知, 当试验因素的组合为 A2B2C2时可得到最佳的破壳效果。3.1 方差分析本试验为 3 因素 3 水平的正交试验, 不考虑各因素间的交互作用。在进行正交试验后, 对影响核桃破壳效果的各个因素指标的方差进行分析。首先, 选择置信度为 90%, 由破壳率方差分析表 (见表 7) 可知, 挤压行程 B 对破壳率的影响最为显著, 含水率和破壳速率对破壳率影响不显著。表 7 破壳率方差分析表 下载原表 由整仁率方差分析可知, 在 90%的置信度下, 只有含水率的 F 比大于临界值, 只有含水率 A 对整仁率有较为显著的影响, 挤压行程和破壳速率的影响不显著, 如表 8 所示。表 8 整仁率方差分析表 下载原表
