施麗莉+胡志超+謝煥雄+王建楠+劉敏基+宋衛(wèi)東

摘要：研究了動(dòng)靜磨盤式薏苡脫殼機(jī)構(gòu)對(duì)薏苡脫殼的可行性，以及機(jī)構(gòu)性能參數(shù)（動(dòng)靜盤間隙A、進(jìn)料速度B、動(dòng)盤轉(zhuǎn)速C）對(duì)考察指標(biāo)（薏苡脫殼率、薏苡破碎率）的影響規(guī)律和參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，影響薏苡破碎率的主次因素依次為：A>B>C，即動(dòng)靜盤間隙>進(jìn)料速度>動(dòng)盤轉(zhuǎn)速；影響薏苡脫殼率的主次因素依次為：A>B>C，即動(dòng)靜盤間隙>進(jìn)料速度>動(dòng)盤轉(zhuǎn)速。綜合考慮脫殼率和破碎率對(duì)脫殼的影響，確定最優(yōu)方案為A3B3C2，即動(dòng)靜盤間隙為10 mm，進(jìn)料速度為330 kg/h，動(dòng)盤轉(zhuǎn)速為1 120 r/min。為生產(chǎn)中應(yīng)用上述脫殼機(jī)械對(duì)薏苡進(jìn)行脫殼加工提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：薏苡；脫殼機(jī)構(gòu)；性能參數(shù)；最優(yōu)方案

中圖分類號(hào)： S226.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0357-03

薏苡（Coix lachryma-jobi L.）在植物學(xué)分類體系中隸屬于禾本科（Gramineae）玉米族（Tripasacea）薏苡屬（Coix），是一年生或多年生的C4草本植物[1-4]。

薏苡有著“世界禾本科植物之王”和“生命健康之禾”的美名，近些年來隨著人們對(duì)健康飲食的關(guān)注而身價(jià)倍增[5-7]?，F(xiàn)階段對(duì)薏苡進(jìn)行加工多采用的是對(duì)帶殼物料進(jìn)行脫殼加工的通用設(shè)備[8]，機(jī)械的質(zhì)量和作業(yè)性能不能完全滿足當(dāng)前薏苡的加工生產(chǎn)需求，尚存在諸多問題。市場(chǎng)對(duì)于專業(yè)、高效的薏苡脫殼機(jī)械的需求日趨迫切。本研究通過對(duì)現(xiàn)有薏苡脫殼及其他殼類物料脫殼技術(shù)現(xiàn)狀的研析，提出了薏苡專用脫殼機(jī)構(gòu)的研發(fā)技術(shù)路線：即使用碾搓法對(duì)薏苡進(jìn)行脫殼，設(shè)計(jì)動(dòng)靜磨盤式薏苡脫殼機(jī)構(gòu)并進(jìn)行試驗(yàn)。

1 儀器與方法

1.1 薏苡脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為試驗(yàn)臺(tái)示意圖，為更加清晰地表達(dá)薏苡在脫殼腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)運(yùn)用EDEM軟件對(duì)脫殼腔內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，以便于對(duì)碾搓法脫殼以及脫殼關(guān)鍵部件的進(jìn)一步研究。圖2模擬了薏苡進(jìn)入脫殼腔內(nèi)，并在動(dòng)靜盤的共同作用下實(shí)現(xiàn)脫殼的過程。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)因素與指標(biāo) 選取動(dòng)靜盤間隙、進(jìn)料速度、動(dòng)盤轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素，脫殼率、破碎率為脫殼效果的試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)公式為：

式中：B為脫殼率，C為破碎率。m為完整的薏苡仁的質(zhì)量，m1為破碎的薏苡仁的質(zhì)量，m2為未脫開的薏苡仁的質(zhì)量。m、m1、m2的單位均為g。

1.2. 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理 為全面分析各因素的影響，現(xiàn)進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，且均采用多次試驗(yàn)取平均值。單因素試驗(yàn)結(jié)果用SPSS進(jìn)行曲線擬合，列出因素與脫殼率和破碎率的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并通過分析得出具體影響規(guī)律[9]。在對(duì)單因素結(jié)果進(jìn)行分析之后，選取對(duì)脫殼指標(biāo)有顯著影響的因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)的結(jié)果通過加權(quán)綜合評(píng)分法、極差分析法等進(jìn)行計(jì)算，確定動(dòng)靜磨盤式薏苡脫殼機(jī)的最佳工作參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)因素對(duì)脫殼性能指標(biāo)的影響關(guān)系

對(duì)單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行回歸分析可得到動(dòng)靜盤間隙、進(jìn)料速度、動(dòng)盤轉(zhuǎn)速與脫殼性能指標(biāo)的關(guān)系。由試驗(yàn)可知，動(dòng)靜盤間隙（因素A）、進(jìn)料速度（因素B）均對(duì)脫殼率和破碎率有影響，而動(dòng)盤轉(zhuǎn)速（因素C）只對(duì)破碎率有影響。具體關(guān)系如下式所示：

動(dòng)靜盤間隙對(duì)脫殼率的模型表達(dá)式為：y=-0.684+0.44x-0.029x2；

動(dòng)靜盤間隙對(duì)破碎率的模型表達(dá)式為：y=5.02-0.981x+0.048x2；

進(jìn)料速度對(duì)脫殼率的模型表達(dá)式為：y=88.858+0.034x-1.052×10-7x3；

進(jìn)料速度對(duì)破碎率的模型表達(dá)式為：y=12.664-0.026x+3.941×10-5x2；

動(dòng)盤轉(zhuǎn)速對(duì)破碎率的模型表達(dá)式為：y=314.894+0.429x+1.228×10-7x3。

表1為正交試驗(yàn)因素和水平，表2為正交試驗(yàn)安排與結(jié)果。本研究對(duì)結(jié)果進(jìn)行了方差分析，表3、表4分別表示各試驗(yàn)因素對(duì)脫殼率和破碎率影響的方差分析結(jié)果，由結(jié)果可知，因素A、B對(duì)薏苡脫殼率和破碎率的影響都十分顯著，但是因素C只是對(duì)薏苡的破碎率影響顯著，對(duì)薏苡的脫殼率影響不顯著。影響薏苡脫殼率的主次因素為A>B>C，即動(dòng)靜盤間隙>進(jìn)料速度>動(dòng)盤轉(zhuǎn)速，其中，動(dòng)盤轉(zhuǎn)速對(duì)薏苡的脫殼率影響較小，動(dòng)靜盤間隙對(duì)脫殼率的影響極顯著。影響薏苡破碎率的主次因素為A>B>C，即動(dòng)靜盤間隙>進(jìn)料速度>動(dòng)盤轉(zhuǎn)速，其中動(dòng)靜盤間隙的影響作用也極顯著。

2.2 確定脫殼機(jī)械的最佳工作參數(shù)

由分析可知，動(dòng)靜盤間隙、進(jìn)料速度、動(dòng)盤轉(zhuǎn)速3個(gè)因素對(duì)脫殼率和破碎率影響的主次關(guān)系不同，為了兼顧各項(xiàng)性能指標(biāo)的得失，使動(dòng)靜磨盤式薏苡脫殼機(jī)構(gòu)的使用能達(dá)到更好的脫殼效果，需要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析，現(xiàn)通過加權(quán)綜合評(píng)分法的公式計(jì)算及分析，選出最優(yōu)組合。由于本次試驗(yàn)使用的數(shù)據(jù)以及分析都是在進(jìn)行1次脫殼試驗(yàn)之后得出來的，實(shí)際生產(chǎn)中，可以對(duì)薏苡進(jìn)行多次反復(fù)脫殼試驗(yàn)。但是一旦薏苡破碎，那就意味著損失浪費(fèi)，降低了農(nóng)民收入。所以考慮到這2項(xiàng)性能的重要程度，以100分作為總“權(quán)”，脫殼率占分為30分，破碎率占分為70分[10-12]。

加權(quán)綜合評(píng)分法最終可以求得最大值和最小值來進(jìn)行最優(yōu)值的選擇，而在本試驗(yàn)中，薏苡的脫殼率和破碎率2個(gè)衡量指標(biāo)的衡量標(biāo)準(zhǔn)卻不相同。薏苡的脫殼率越大越好，但薏苡的破碎率越小越好。所以為方便使用加權(quán)綜合評(píng)分法，現(xiàn)定義T1值=1-脫殼率，破碎率的值為T2。定義后，T1值和T2值為衡量脫殼機(jī)構(gòu)性能的指標(biāo)，而且兩者都是越小越好，可以使用加權(quán)綜合評(píng)分法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在多種分析方法中，極差分析是正交試驗(yàn)的一種常用分析方法。極差等于平均結(jié)果中最大值減去最小值得到的差，每個(gè)因素對(duì)脫殼指標(biāo)的影響都可以通過極差的計(jì)算得到，極差越大，因素對(duì)指標(biāo)的影響就越大，反之則越小，由此也可以得出每個(gè)因素對(duì)脫殼效果影響的主次順序。對(duì)綜合指標(biāo)進(jìn)行直觀分析，結(jié)果如表6所示。由直觀分析可知，影響綜合指標(biāo)的主次因素為A>B>C，即動(dòng)靜盤間隙>進(jìn)料速度>動(dòng)盤轉(zhuǎn)速，即最優(yōu)組合為A3B3C2。

雖然極差分析簡(jiǎn)單、直觀，但是由于其不能準(zhǔn)確地評(píng)估在試驗(yàn)過程中以及在結(jié)果測(cè)定時(shí)的誤差，所以需要用方差分析來彌補(bǔ)極差分析的不足，二者共同對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。由表6綜合評(píng)分直觀分析結(jié)果可知，分析結(jié)果與方差分析的結(jié)果一致，影響綜合指標(biāo)的主次因素依次為A>B>C，即動(dòng)靜盤間隙>進(jìn)料速度>動(dòng)盤轉(zhuǎn)速。最優(yōu)組合為A3B3C2，即動(dòng)靜盤間隙10 mm，進(jìn)料速度330 kg/h，動(dòng)盤轉(zhuǎn)速為1 120 r/min。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過試驗(yàn)和分析，薏苡脫殼試驗(yàn)臺(tái)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和最佳工作參數(shù)已經(jīng)確定。現(xiàn)將組合均調(diào)為最優(yōu)，即在優(yōu)化后的靜盤上將運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)至A3B3C2進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示脫殼試驗(yàn)臺(tái)調(diào)整到最佳參數(shù)后，試驗(yàn)效果很好，脫殼率為89.31%，破碎率為2.09%。

3 結(jié)論

隨著動(dòng)靜盤間隙的增加，薏苡的脫殼率和破碎率均呈下降趨勢(shì)；隨著進(jìn)料速度的增加，薏苡的脫殼率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，薏苡的破碎率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；隨著動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的變化，薏苡的脫殼率變化并不顯著，所以無需對(duì)動(dòng)盤轉(zhuǎn)速與脫殼率之間的關(guān)系進(jìn)行研究。但是隨著動(dòng)盤轉(zhuǎn)速的變化，薏苡的破碎率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

通過正交試驗(yàn)以及方差分析、加權(quán)綜合評(píng)分法分析可得，影響薏苡破碎率的主次因素依次為：A>B>C，即動(dòng)靜盤間隙>進(jìn)料速度>動(dòng)盤轉(zhuǎn)速；影響薏苡脫殼率的主次因素依次為：A>B>C，即動(dòng)靜盤間隙>進(jìn)料速度>動(dòng)盤轉(zhuǎn)速。動(dòng)靜磨盤式薏苡脫殼機(jī)構(gòu)的最優(yōu)方案為A3B3C2，即動(dòng)靜盤間隙為10 mm，進(jìn)料速度為330 kg/h，動(dòng)盤轉(zhuǎn)速為1 120 r/min。

研究表明，影響薏苡脫殼效果的因素眾多，且影響的程度都不一樣，試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，以確保脫殼設(shè)備的工作性能和脫殼效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃亨履，陸 平，朱玉興，等. 中國(guó)薏苡的生態(tài)型、多樣性及利用價(jià)值[J]. 作物品種資源，1995（4）：4-8.

[2]中國(guó)醫(yī)學(xué)院藥用植物資源開發(fā)研究所. 中國(guó)藥用植物栽培學(xué)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1991：984-985.

[3]張喜瑞. 福建薏苡農(nóng)藝性狀、淀粉微結(jié)構(gòu)及發(fā)芽前后薏苡仁多糖的比較研究[D]. 福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2011.

[4]趙曉明. 薏苡[M]. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2000：60-61.

[5]Kayashita J，Shimaoka I，Nakajoh M，et al.Muscle hypertrophy in rats fed on a buck-wheat protein extract[J]. Biosci Biotechnol andBiochem，1999，63（7）：1242-1245.

[6]Tung L，Jason C，Knapp R. Not ching and freezing effect on macadamia nut kernel recovery[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，1998，41（10）：43-52.

[7]Lee M Y，Lin H Y，Cheng F. Isolation and characterization of new lactam compounds that inhibit lung and colon cancer cells from adlay （Coix lachryma-jobi L.var. ma-yuen Stapf） bran[J]. Food and Chemical Toxicology，2008（46）：1933-1939.

[8]趙小廣，宗 力. 堅(jiān)果類物料脫殼技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 新疆農(nóng)機(jī)化，2005（6）：29-32.

[9]鄧振偉，于 萍，陳 玲. SPSS軟件在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果分析中的應(yīng)用[J]. 電腦學(xué)習(xí)，2009（5）：15-17.

[10]王申瑩. 甜菜機(jī)械化收獲自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究生院，2014.

[11]施麗莉，胡志超，江家伍，等. 動(dòng)靜磨盤式薏苡脫殼試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36（2）：88-91.

[12]高雪梅. 打擊揉搓式花生脫殼試驗(yàn)研究與關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究生院，2012.