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      復(fù)式花生脫殼機(jī)振動(dòng)分選裝置試驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化

      2015-03-12 17:49:44王建楠
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年2期
      關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)模型花生

      摘要:通過單因素試驗(yàn)和Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析,建立復(fù)式花生脫殼機(jī)振動(dòng)篩作業(yè)含雜率和損失率數(shù)學(xué)模型,采用響應(yīng)曲面優(yōu)化分析和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,獲得復(fù)式花生脫殼機(jī)振動(dòng)分選裝置振動(dòng)篩作業(yè)最佳工作參數(shù)為振幅3.8 mm、振動(dòng)頻率485 Hz、振動(dòng)臂角度35°,此條件下分選裝置含雜率為2.18%,損失率為174%。

      關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)模型;振動(dòng)分選裝置;響應(yīng)面分析法;花生;脫殼機(jī)

      中圖分類號(hào): S226.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2015)02-0365-05

      收稿日期:2014-04-03

      基金項(xiàng)目:國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(編號(hào):CARS-14)。

      作者簡介:王建楠(1983—),男,河南潢川人,碩士,助理研究員,主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備研究。Tel:(025)84346247;E-mail:wjnsunrise@126.com?;ㄉ俏覈闹匾土献魑锖蛢?yōu)質(zhì)蛋白資源[1]。脫殼是花生種植及油用、食用加工前的必經(jīng)工序,是影響花生果仁及其制品品質(zhì)和商品性的關(guān)鍵[2]。機(jī)械化脫殼加工技術(shù)設(shè)備落后,尤其是種用花生脫殼技術(shù)裝備缺乏,已成為制約花生產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸之一[3-5]。脫殼過程中提高剝凈率、降低破碎率是花生脫殼設(shè)備研發(fā)需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵問題,是實(shí)現(xiàn)花生脫殼,尤其是種用花生機(jī)械化脫殼設(shè)備快速推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。由于花生莢果物理特性差異懸殊[6],現(xiàn)普遍應(yīng)用的臥式單滾筒凹板篩型式花生脫殼設(shè)備存在脫凈率低、破碎率高的問題[7]。復(fù)式雙滾筒花生脫殼設(shè)備能將一次脫殼后的未脫莢果經(jīng)振動(dòng)分選裝置分選,并輸送至復(fù)脫倉實(shí)現(xiàn)復(fù)脫,提高了脫凈率,但是,由于在花生莢果及果仁振動(dòng)分選裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面鮮有研究,且花生莢果及果仁物理特性與稻麥等顆粒物料有顯著差異[8],致使復(fù)式花生脫殼機(jī)振動(dòng)分選裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)配置不合理,存在莢果、果仁分選含雜率和損失率高,整機(jī)復(fù)脫效果差等問題。本試驗(yàn)利用振動(dòng)分選試驗(yàn)臺(tái),針對(duì)白沙花生品種開展振動(dòng)分選裝置性能試驗(yàn),利用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以期為復(fù)式花生脫殼機(jī)振動(dòng)分選裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。

      1振動(dòng)分選裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

      1.1復(fù)式花生脫殼機(jī)工作過程

      復(fù)式花生脫殼機(jī)由機(jī)架、進(jìn)料斗、一次脫殼滾筒與凹板篩、復(fù)脫滾筒與凹板篩、振動(dòng)分選裝置、去雜風(fēng)機(jī)等組成。脫殼機(jī)工作時(shí),花生莢果由進(jìn)料斗進(jìn)入一次脫殼倉,在脫殼滾筒作用下進(jìn)行脫殼;脫殼后的花生果殼經(jīng)去雜風(fēng)機(jī)吹出,果仁及未脫莢果混合物落在振動(dòng)分選裝置上,在振動(dòng)篩及一定風(fēng)力作用下,在篩面上分層并形成雙向運(yùn)動(dòng),花生果仁由右端出料口出料,未脫莢果向分選裝置尾部運(yùn)動(dòng),并經(jīng)氣力提升裝置進(jìn)入復(fù)脫倉實(shí)現(xiàn)復(fù)脫(圖1)。

      1.2振動(dòng)分選裝置工作原理

      振動(dòng)分選裝置由魚鱗篩、振動(dòng)臂、偏心驅(qū)振裝置組成(圖1)。莢果及果仁混合物落在魚鱗篩上時(shí),由于二者比重有差異,比重較大的花生果仁在風(fēng)力與振動(dòng)的作用下與魚鱗篩保持接觸,受到魚鱗篩的推送沿篩面前行;反之比重較小的花生莢果在風(fēng)力作用下未與篩面接觸,在振動(dòng)的作用下向篩尾運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)臂與垂直方向安裝角度α影響物料在篩面上的拋擲高度(圖2),為實(shí)現(xiàn)花生較佳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),果仁需與魚鱗篩篩面保持較好的接觸,果仁在篩面受力情況應(yīng)滿足[9]:Gcosδ≥mω2Asinβ,式中,G為物料重力(N);m為物料顆粒的質(zhì)量(kg);δ為篩面安裝角(°);ω為振動(dòng)圓頻率(s-1);A為振幅(m);β為激振角(°)。

      1.3振動(dòng)分選裝置分選過程及影響因素分析

      由圖2可知,影響花生在篩面運(yùn)動(dòng)的主要參數(shù)有振幅(2r)、驅(qū)振頻率f、振動(dòng)臂與垂直方向傾角α。在花生脫殼機(jī)工作過程中,如振幅過小,將導(dǎo)致花生莢果及果仁在輸送過程中不易分層,使花生莢果、果仁難以分開;反之,則會(huì)造成物料在篩片跳動(dòng)過大,甚至跳出篩面,造成損失。如驅(qū)振頻率選擇不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致花生莢果及果仁在輸送過程中過快,分選效果差。

      2材料與方法

      2.1試驗(yàn)儀器設(shè)備

      試驗(yàn)所需儀器設(shè)備見表1。

      2.2試驗(yàn)原料

      為考核振動(dòng)分選裝置分選特性,選用白沙花生品種的莢果及果仁混合物為原料。莢果尺寸范圍集中在長20~45 cm、寬10~15 cm、厚10~15 mm,自然曬干后含水率為743%;果仁尺寸集中范圍在12.6~16.8 mm、寬6~10 mm、厚8.1~10.3 mm。

      2.3試驗(yàn)參數(shù)

      以花生出料端含雜率R1和損失率R2為振動(dòng)分選裝置作業(yè)性能考核指標(biāo),每次試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值。計(jì)算公式為:R1=m2/(m1+m2+m3);R2=m3/(m1+m2+m3),式中,m1為出料端果仁凈質(zhì)量;m2為出料端莢果凈質(zhì)量;m3為振動(dòng)過程中損失的莢果及果仁總質(zhì)量。

      2.4試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      將同一批花生莢果及果仁混合物在振動(dòng)分選試驗(yàn)臺(tái),以振幅、頻率、振動(dòng)擺臂角度為試驗(yàn)因子,進(jìn)行單因素分選試驗(yàn),待物料在篩面上形成一定料層厚度后從出料端出料,穩(wěn)態(tài)情況下取料15 s,對(duì)取料進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)測試。運(yùn)用中心組合設(shè)計(jì)理論,綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取振幅A、頻率B、振動(dòng)擺臂角度C為影響因子進(jìn)行二次回歸正交試驗(yàn),以含雜率R1、損失率R2為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面分析,按照方程xi=(zi-zi0)/Δzi對(duì)自變量真實(shí)值進(jìn)行編碼,式中,xi為自變量編碼值,zi為自變量真實(shí)值,zi0為試驗(yàn)中心點(diǎn)處自變量的真實(shí)值,Δzi為自變量的變化步長。各因素自變量編碼及水平[10-14]見表2。

      3結(jié)果與分析

      3.1單因素試驗(yàn)

      3.1.1不同振幅對(duì)分選效果的影響振動(dòng)篩頻率設(shè)定為 480 Hz,振動(dòng)臂與垂直方向夾角α設(shè)定在35°,分別在振幅為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 mm條件下,對(duì)復(fù)式花生脫殼機(jī)分選裝置進(jìn)行試驗(yàn)。由圖3可見,花生輸送裝置含雜率與振幅呈現(xiàn)非線性關(guān)系,當(dāng)振幅大于4.5 mm時(shí),輸送裝置含雜率急劇上升,主要是由于振幅過大,造成篩面振動(dòng)劇烈,花生莢果及果仁在篩面跳動(dòng)明顯,難以實(shí)現(xiàn)有效分層;振幅與損失率也呈非線性關(guān)系,主要是由于振幅越大,越易使花生莢果及果仁跳出篩面,從而造成損失。綜合考慮含雜率、損失率等因素,振幅以3.0~5.0 mm為宜。endprint

      3.1.2不同振動(dòng)頻率對(duì)分選效果的影響振動(dòng)篩振幅設(shè)定為3.5 mm,振動(dòng)臂與垂直方向夾角設(shè)定在35°,在振動(dòng)頻率分別為480、490、500、510、520 Hz條件下,對(duì)復(fù)式花生脫殼機(jī)振動(dòng)分選裝置進(jìn)行試驗(yàn)。由圖4可見,花生輸送裝置含雜率與振動(dòng)頻率呈現(xiàn)非線性關(guān)系,當(dāng)振動(dòng)頻率為500 Hz時(shí),輸送裝置含雜率最低,當(dāng)大于500 Hz時(shí),振動(dòng)篩對(duì)物料輸送過快,分選效果變差;損失率隨振動(dòng)頻率增加而增加。綜合考慮含雜率、損失率等因素,振動(dòng)頻率以480~520 Hz為宜。

      3.1.3不同振動(dòng)臂傾角α對(duì)分選效果的影響將振動(dòng)篩振幅設(shè)定為3.5 mm,振動(dòng)頻率設(shè)定為480 Hz,在α分別為28°、30°、32°、34°、36°、38°、40°、42°條件下,分別對(duì)復(fù)式花生脫殼機(jī)分選裝置進(jìn)行試驗(yàn)。由圖5可見,含雜率與α呈現(xiàn)非線性關(guān)系,在34°時(shí)含雜率最低;損失率與α呈線性關(guān)系,隨α增大,損失率逐漸增大。綜合考慮含雜率、損失率等因素,振動(dòng)臂角度α以30°~40°為宜。

      3.2二次回歸正交試驗(yàn)

      3.2.1含雜率數(shù)學(xué)模型及方差分析采用逐步回歸法對(duì)表3結(jié)果進(jìn)行三元二次回歸擬合,得到含雜率編碼值簡化回歸方程為:R1=96.60-2.25A-2.62B-0.13C-0.75AB-025AC-3.8A2-1.05B2-3.55C2,振幅、頻率、振動(dòng)臂傾角與

      含雜率存在二次非線性關(guān)系。由方差分析結(jié)果(表4)可見,模型顯著性檢驗(yàn)F=25.27,P=0.0001,Quadratic回歸方程檢驗(yàn)達(dá)極顯著,失擬檢驗(yàn)不顯著,這說明殘差由隨機(jī)誤差引起;R2=0.972 4,擬合度>95%,這說明模型能反映響應(yīng)值變化,試驗(yàn)誤差小,可用含雜率數(shù)學(xué)模型對(duì)含雜率進(jìn)行分析和預(yù)測;振幅、頻率及振動(dòng)臂傾角的交互項(xiàng)對(duì)含雜率影響較為顯著。

      3.2.2含雜率響應(yīng)曲面分析響應(yīng)面等高線形狀可反映因子間交互效應(yīng)強(qiáng)弱,橢圓形表示兩因子交互作用顯著,而圓形則與之相反。由圖6至圖8可見,振幅和頻率、頻率和傾角的交互作用顯著,其他因素交互作用較小。由圖6可見,當(dāng)振動(dòng)臂角度α一定時(shí),降低振動(dòng)頻率和振幅可以降低含雜率。由圖7可見,當(dāng)振動(dòng)頻率一定時(shí),隨著振幅及振動(dòng)臂傾角α增大,含雜率先減小后增大。由圖8可見,當(dāng)振幅一定時(shí),隨著頻率的增加含雜率增加。

      3.2.3損失率數(shù)學(xué)模型及方差分析對(duì)表4結(jié)果進(jìn)行三元二次回歸擬合,得到含雜率編碼值簡化回歸方程為:

      模型P值小于0.000 1,Quadratic回歸方程檢驗(yàn)達(dá)到極顯著,失擬檢驗(yàn)為不顯著,殘差由隨機(jī)誤差引起;R2=0.979 5,擬合度>95%,模型能夠反映響應(yīng)值變化,試驗(yàn)誤差小,可以對(duì)損失率進(jìn)行分析和預(yù)測;振幅、頻率及振動(dòng)臂傾角的交互項(xiàng)對(duì)損失率影響較為顯著。

      3.2.4損失率的響應(yīng)曲面分析由圖9至圖11可見,振幅和頻率、頻率和傾角α的交互作用對(duì)損失率影響明顯,其他交互作用影響不顯著,這與其數(shù)學(xué)模型表達(dá)式相符;在一定試驗(yàn)范圍內(nèi),當(dāng)其中1個(gè)因子保持在一定值時(shí),損失率隨其他2個(gè)因子的增大而先增大后減小。

      4參數(shù)優(yōu)化

      由含雜率和損失率2個(gè)目標(biāo)參數(shù)響應(yīng)面分析可知 降低振動(dòng)頻率雖可降低損失率,但含雜率存在先降后增的現(xiàn)象;增加振動(dòng)臂傾角α雖可降低損失率,但卻導(dǎo)致含雜率升高。因此,對(duì)2個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,探析同時(shí)滿足這2個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最佳參數(shù)組合,目標(biāo)函數(shù)為[15-17]:

      5驗(yàn)證試驗(yàn)

      將脫殼設(shè)備設(shè)置為振幅3.8 mm、振動(dòng)頻率485 Hz、振動(dòng)臂角度35°,進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)。由表6可見 含雜率相對(duì)誤差為4.83%,損失率相對(duì)誤差為3.23%,與理論值相差較小,這說明優(yōu)化脫殼機(jī)振動(dòng)分選裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)是切實(shí)可行的。

      6結(jié)論

      用響應(yīng)曲面模型分析判斷振幅、頻率、振動(dòng)臂傾角及各因素交互作用與含雜率和損失率的關(guān)系。對(duì)含雜率而言,振幅和頻率、頻率和傾角的交互作用顯著,其他因素交互作用較??;當(dāng)振動(dòng)臂角度α一定時(shí),降低振動(dòng)頻率和振幅可以降低含雜率;當(dāng)振動(dòng)頻率一定時(shí),隨著振幅及振動(dòng)臂傾角α增大,含雜率先減小后增大;當(dāng)振幅一定時(shí),隨著頻率的增加含雜率增加。對(duì)損失率而言,振幅和頻率、頻率和傾角α的交互作用對(duì)損失率影響明顯,其他交互作用影響不顯著;在一定試驗(yàn)范圍內(nèi),當(dāng)其中1個(gè)因子保持在一定值時(shí),損失率隨其他2個(gè)因子的增大而先增大后減小。

      綜合考慮復(fù)式花生脫殼機(jī)振動(dòng)分選裝置作業(yè)參數(shù),采用Design Expert軟件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),得到復(fù)式花生脫殼機(jī)振動(dòng)分選裝置最佳參數(shù)為振幅3.8 mm、振動(dòng)頻率485 Hz、振動(dòng)臂角度35°,振動(dòng)篩在該作業(yè)參數(shù)下平均含雜率為218%,平均損失率為1.74%。

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