擠壓式核桃破殼機的正交試驗研究

趙奎鵬，鄭甲紅，王亞妮，閆　茹，徐童非

(1.陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021；2.陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所，陜西 咸陽　712000)

?

擠壓式核桃破殼機的正交試驗研究

趙奎鵬1，鄭甲紅1，王亞妮2，閆茹1，徐童非1

(1.陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021；2.陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所，陜西 咸陽712000)

摘要：為了研究自制擠壓式核桃破殼機的最優(yōu)工作參數(shù)，選用含水率、彈簧剛度、擠壓行程3個因素進行正交試驗，并且進行了驗證試驗。通過試驗，確定了擠壓式核桃破殼機的最佳工作條件為含水率23%、彈簧剛度13.1N/mm、擠壓行程10mm，在最優(yōu)條件下的驗證結(jié)果綜合評價值為2.73左右。

關(guān)鍵詞：核桃；破殼機；擠壓式；正交試驗

0引言

核桃又稱胡桃，有抗氧化之“王”的稱號，與扁桃、腰果、榛子并稱為世界著名的“四大干果”。其既可以生食、炒食，又可以榨油、配制糕點、糖果等，不僅味美，而且營養(yǎng)價值很高，被譽為“萬歲子”“長壽果”。常食用核桃有補腦、美容、治療膽石癥、神經(jīng)衰落的功效。近年來，我國核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)量更是大幅提高。 我國的核桃仁品質(zhì)好，在國際上聲譽很高，出口量約占世界核桃市場的40%～50%；但出口的核桃?guī)缀醵家栽闲问剑斐珊颂业母郊又档汀：颂疑罴庸こ跗诰褪呛颂移茪ぃ淙∪使に噰乐刂萍s著核桃繼續(xù)深加工及核桃在種植產(chǎn)區(qū)的加工轉(zhuǎn)化，是一項必須要解決的技術(shù)瓶頸。目前，核桃破殼取仁主要由人工完成，生產(chǎn)率低、成本高、勞動量大、衛(wèi)生條件差。同時，由于敲擊的力度不易控制，破殼時核桃仁破碎率高，降低了核桃的市場附加值。

我國的核桃破殼機械也有所發(fā)展，但還處于初步發(fā)展階段，幾乎都存在各種各樣的不足之處，如破殼不干凈、破殼率低、核桃仁破碎及高路仁率低，主要表現(xiàn)在破殼率和高路仁率不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。因此，實現(xiàn)機械化加工、解放生產(chǎn)力、提高效率、提高核桃加工品質(zhì)及出口率是非常值得關(guān)注的問題。核桃機械破殼為核桃的深加工奠定了基礎(chǔ)，有利于提高核桃附加值。

針對上述問題，筆者設計制造了擠壓式核桃破殼機，并且進行了試驗研究。同時，選取含水率、彈簧剛度、擠壓行程3個關(guān)鍵因素[1-5]進行正交試驗，以得到核桃破殼的最好工作參數(shù)，為核桃破殼提供相關(guān)數(shù)據(jù)理論。

1試驗材料與方法

1.1試驗設備及材料

試驗所使用的設備包括擠壓式核桃破殼機(自制)，紅外線快速水分測試儀(SFY-60型)、電子天平(JM2.2)及電子卡尺(精度0.01mm)等。

擠壓式核桃破殼機主要包括擠壓裝置、機架、進料口及滾子等裝置，如圖1所示。工作時，核桃通過進料口落到滾子的凹槽里，隨著滾子的轉(zhuǎn)動，擠壓板對核桃進行擠壓破殼；核桃破殼擠壓行程和擠壓彈簧剛度通過擠壓裝置進行調(diào)節(jié)；破殼后的核桃在擠壓式破殼機的下蓋中間落下，完成破殼。

目前，很多相關(guān)核桃破殼方面的論文表明：其中的試驗大都采用的新疆核桃進行研究，對陜南核桃涉及很少。為此，選用陜南商洛核桃作為試驗材料(購于西安市河址西農(nóng)貿(mào)市場)。

1.2試驗指標

采用加權(quán)評分法將3個指標進行綜合計算，得出綜合評價值Q作為試驗指標。3個指標分別為：一是破殼率，指核桃大部分、完全被擠壓破殼總數(shù)所占總核桃個數(shù)比例，用P表示；二是高路仁率，指1/8仁及以上的核桃仁質(zhì)量所占的總質(zhì)量的比重，用G表示；三是整仁率，指完整的核桃仁質(zhì)量所占總核桃仁質(zhì)量的比重，用Z表示。公式為

式中KP—每組試驗中的大部分及完全被擠壓破殼的核桃個數(shù)；

KZ—每組試驗中核桃總數(shù)；

Rg—每組試驗中所得到的1/8仁及以上的核桃仁質(zhì)量；

Rz—每組試驗中所得到核桃仁的總質(zhì)量；

Zg—每組試驗中所得到完整的核桃仁質(zhì)量；

Q—核桃評價指標。

破殼率P、高路仁率G、整仁率Z的取值范圍都為0～1，所以核桃評價指標Q的取值范圍為0～3。P、G、Z越大，則Q就越大，核桃的破殼狀況就越好；同時，Q考慮到了核桃破殼情況、高路仁情況及整仁情況，所以將Q作為評價指標。

1.擠壓裝置　2.擠壓板　3.軸　4.進料口

1.3試驗方法

陜南商洛核桃的長徑、短徑和棱長比較接近，圓度較高接近于圓形。由于核桃的尺寸差別較大，選擇了長徑尺寸范圍為34～37mm的陜南商洛核桃。

首先，對核桃的物理特性參數(shù)進行測量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，為進一步破殼提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

其次，對核桃進行不同彈簧剛度的單因素試驗，以確定彈簧剛度對破殼的影響，為進一步正交試驗的變量選取提供了試驗依據(jù)。

最后，對核桃進行浸泡，使其達到規(guī)定的含水率。在相應的含水率下，進行不同擠壓行程、彈簧剛度的核桃破殼的正交試驗。不考慮交互作用，研究各個因素和破殼效果之間的關(guān)系，并優(yōu)選出最佳工作參數(shù)。

以綜合評價值Q為試驗指標，考慮到含水率、彈簧剛度、擠壓行程等因素對破殼效果影響較大，所以選擇這3個因素進行L9(34)正交試驗。正交試驗共需要進行9組試驗，每組選用20個核桃進行破殼試驗。試驗因素水平表如表1所示。

表1　試驗因素水平表

2試驗結(jié)果及分析

2.1核桃物理特性參數(shù)

本試驗采用尺寸大小范圍為34～37mm的陜南商洛核桃，隨機取150顆核桃進行殼厚、間隙的測量。

核桃殼的厚度范圍為1.31～2.48mm，其極差為1.17mm。其中，厚度在1.4～1.8mm之間的核桃占86.1%，厚度在1.3～2.2mm之間的核桃占93.3%，厚度在1.31～2.4mm之間的核桃占97.1%。

核桃殼仁間隙范圍為0.5～1.98mm，極差為1.48mm。其中，間隙在1.02～1.62mm范圍內(nèi)的核桃占62.85%，間隙在0.7～1.8mm范圍內(nèi)的核桃占81.32%，間隙在0.5～1.90mm范圍內(nèi)核桃占96.53%。具體的核桃物理參數(shù)如表2所示。

表2　物理特性參數(shù)表

2.2彈簧剛度單因素試驗

當核桃含水率為15%、擠壓行程為15mm時，選取9.1、11.2、13.1、15.5、17.6N/mm這5個彈簧剛度進行試驗，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：彈簧剛度小于等于15.5N/mm時，破殼效果越來越好；彈簧剛度大于15.5N/mm時，破殼效果反而變差；彈簧剛度為15.5N/mm時，效果最好。

彈簧剛度太小時，核桃破殼不完全，甚至核桃殼只出現(xiàn)裂縫而未打開，整仁率相應也會受到影響，核桃效果不好；彈簧剛度太大時，核桃殼和核桃仁都被擠壓破碎，核桃破殼效果也會降低。

根據(jù)剛度試驗，本文選取了彈簧剛度為13.1、15.5、17.6N/mm等3個量值，進一步進行正交試驗。

圖2　彈簧剛度對核桃破殼總值影響圖

2.3正交試驗

根據(jù)核桃物理參數(shù)試驗和彈簧剛度單因素試驗的結(jié)果設計了正交試驗，選用含水率、彈簧剛度、擠壓行程為試驗因素進行正交試驗。試驗方案設計和試驗結(jié)果如表3所示。

由表3的直觀分析可以看出：影響破殼效果Q的因素主次順序為A含水率因素、C擠壓行程因素、B彈簧剛度因素。同樣，彈簧剛度單因素試驗中也得到了驗證：不同彈簧剛度破殼效果破殼效果差別并不大，所以彈簧剛度影響率最小。在Kij值中，K13、K21、K32的值相對最大，所以破殼效果最好的條件為A3B1C2。

表3　正交試驗設計與結(jié)果

2.3.1方差分析

本試驗為3因素3水平的正交試驗，不考慮交互作用，經(jīng)過分析得出如表4所示的結(jié)果。

表4　 方差分析表

續(xù)表4

選取a=0.05，#表示不顯著，**表示顯著。

由表4方差分析[6-8]可知：A含水率因素對核桃破殼影響很顯著，B彈簧剛度因素、C擠壓行程因素對核桃破殼的影響顯著性不高。

2.3.2效應曲線圖

因素效應曲線圖如圖3所示。由圖3可以看出：破殼效果隨著A含水率因素增大不斷變好，當含水率為23%時，核桃破殼效果最好；核桃破殼效果隨著B彈簧剛度因素、C擠壓行程因素的變化基本變化不大。由圖3無法得知當含水率更高時其破殼效果如何。本文在驗證試驗中進一步進行了試驗。

2.4驗證試驗

根據(jù)正交試驗所得的最好的因素條件為A3B1C2，即含水率23%、彈簧剛度13.1N/mm、擠壓行程10mm。因此，進行了3組最優(yōu)條件驗證試驗和3組含水率驗證試驗。試驗結(jié)果如表5所示。

圖3　因素效應曲線圖

組數(shù)含水率A/%彈簧剛度B/N·mm-1擠壓行程C/mm破殼率/%高路仁率/%整仁率/%總值1002313.11010098.2674.632.728922313.11010096.4976.422.729132313.11010099.0370.872.699042713.1102084.3239.861.441853113.1102078.435.801.342063513.110089.0341.981.3101

由表5和表3正交試驗的結(jié)果可知:兩者結(jié)果基本一致,即含水率23%、彈簧剛度13.1N/mm、擠壓行程10mm可以作為最佳的工作參數(shù)；隨著含水率增加，破殼效果并沒有變好，反而變差；在含水率為23%時，破殼效果相對較好。

3結(jié)論

1)采用擠壓式核桃破殼機進行核桃破殼，提高了破殼率和整仁率，破殼性能較好。

2)本試驗首次使用了陜南商洛核桃進行試驗，且對核桃的物理參數(shù)進行了測量，其殼厚約1.65mm，間隙約1.25mm。

3)由彈簧剛度單因素試驗可知：當彈簧剛度為15.5N/mm時，核桃破殼相對較好，但效果差別不太明顯。

4)根據(jù)正交試驗和驗證試驗的結(jié)果，確定了影響破殼性能的因素主次順序和擠壓式核桃破殼機的最佳工作參數(shù)為含水率23%、擠壓行程10mm、彈簧剛度13.1N/mm。試驗結(jié)果表明：高路仁率約為97%，整仁率達76%左右。

5)試驗只是針對陜南商洛核桃品種進行的試驗，對于其他品種核桃還需進一步試驗研究。

參考文獻：

[1]張宏，馬巖.基于遺傳BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的核桃破裂功預測模型[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(18):78-84.

[2]李忠新，楊軍.核桃破殼取仁工藝及關(guān)鍵設備[J].農(nóng)機化研究,2008(12):28-32.

[3]史建新,趙海軍,辛動軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2005,21(3):185-188.

[4]高警，閆茹，鄭甲紅,等.對影響核桃破殼力大小因素的探究[J].農(nóng)機化研究,2014，36(9):186-189.

[5]董詩韓,史建新.多輥擠壓式核桃破殼機的設計與試驗[J].新疆農(nóng)業(yè)大學學報,2011,34(1):62-65.

[6]Ebubekir Altuntas,Yakup zkan.Physical and mechanical properties of some walnut (Juglans regia L.) cultivars[J].International Journal of Food Engineering,2008,4(4): 10-16．

[7]鄭少華，姜奉化.實驗設計與數(shù)據(jù)處理[M].北京：中國建材工業(yè)出版社,2004：169-173.

[8]邱軼兵，張文麗.試驗設計與數(shù)據(jù)處理[M].合肥：中國科學技術(shù)大學出版社,2008:101-150.

[9]張彥斌，劉洋.核桃剝殼取仁機的設計與試驗研究[J].農(nóng)機化研究,2014,36(4):132-137.

[10]崔寬波，李忠新.6TH-600型核桃破殼加工成套設備優(yōu)化研究[J].農(nóng)機化研究,2013,35(9):159-162.

[11]韓本勇，陳朝銀. 核桃破殼取仁機械的研發(fā)動態(tài)[J].農(nóng)業(yè)機械,2011(1)：151-155.

[12]劉奎，李忠新. 核桃破殼裝置的發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2014,8(8):55-57.

[13]周軍，史建新.氣爆式核桃破殼有限元力學分析[J].農(nóng)機化研究,2014,36(12):65-69.

[14]吳進.核桃仁切仁機的設計與試驗研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學,2013.

[15]李忠新，劉奎,楊莉玲,等.錐籃式核桃破殼裝置設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2012(10):146-152.

[16]鐘海雁,李忠海,袁列江,等.核桃生產(chǎn)加工利用研究的現(xiàn)狀與前景[J].食品與機械,2002(4):4-6.

[17]Faroogh Sharifian,Mohammadali Haddad Derafshi.Mechanical behavior of walnut under cracking conditions[J].Journal of Applied Sciences,2008,8(5) : 886-890．

[18]Sezai E,Mazhar K,Ismail O,et al.Comparison of some physical-mechanical nut and kernel properties of two walnut (Juglans regia L.) cultivars[J].Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-Napoca,2011,39(2):227-231．

Orthogonal Experiment Study of Walnut Shell Breaking Machine with Extrusion

Zhao Kuipeng1， Zheng Jiahong1， Wang Yani2， Yan Ru1， Xu Tongfei1

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xianyang 710021, China； 2.Shaanxi Institution of Agricultural Mechanism,Xianyang 712000，China)

Abstract：In order to research the best working parameters of walnut shell breaking machine with extrusion.Choosing the moisture content、spring stiffness、squeeze length to have an orthogonal test,then do an validation experiment.Determined the best working parameters for the walnut shell breaking machine with extrusion:the moisture content 23%、spring stiffness 13.1N/mm、squeeze length 10mm.With the best parameters we have tests,and the comprehensive value evaluation result is around 2.73.

Key words：walnut; shell breaking machine; extrusion type; the orthogonal test

文章編號：1003-188X(2016)02-0153-05

中圖分類號：S226.4

文獻標識碼：A

作者簡介：趙奎鵬(1990-)，男，山東夏津人，碩士研究生，(E-mail)1149248926@qq.com。通訊作者：鄭甲紅(1963-)，男，陜西武功人，教授。

基金項目：陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化項目(14JF003)；陜西省教育廳科學研究計劃項目(2013JK1041)

收稿日期：2015-02-02