基于響應(yīng)面分析法的輥?zhàn)邮介蛔悠茪C(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

王喜印，許 諾，李 齊，于東林*

(1.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林石化公司 合成樹脂廠，吉林 吉林 132000)

作為世界四大干果(核桃、杏仁、榛子、腰果)之一的榛子，是國際上暢銷的名貴干果，并享有“堅(jiān)果之王”的美譽(yù)[1]，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)90年代東北地區(qū)約有榛子林377.8萬畝，年產(chǎn)榛子8 600萬公斤以上[2].

我國是從20世紀(jì)后期開始對破殼機(jī)械開始研發(fā)，且發(fā)展較為緩慢，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國榛子破殼機(jī)的工作效率可以達(dá)到75%左右.為了進(jìn)一步提高脫殼的效率，減小破仁率，設(shè)計(jì)一種刀輥式脫殼裝置，通過理論計(jì)算得出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)，為現(xiàn)在國內(nèi)市場提供了一種制作最新刀輥結(jié)構(gòu)的方法.

1 刀輥結(jié)構(gòu)

在榛子壓裂箱中加入輥?zhàn)樱褂谜邔㈤蛔訌膲毫严淇诜湃耄ㄟ^刀輥的工作，進(jìn)行第一步松殼，結(jié)束后，榛子會從下部出料口中送出[3].榛子壓裂箱整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，刀輥具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 榛子壓裂箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 刀輥結(jié)構(gòu)示意圖

2 刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

作為脫殼裝置中至關(guān)重要的部件，刀輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了最終破殼效果.刀輥脫殼主要靠刀輥?zhàn)陨磙D(zhuǎn)速、刀輥的直徑大小、刀輥間隙三者決定.根據(jù)工作原理，榛子從進(jìn)料口進(jìn)入，因?yàn)橹亓ψ饔茫归蛔舆M(jìn)入脫殼室，在脫殼室中會受到轉(zhuǎn)動(dòng)刀輥的撞擊，擠壓和剪切力的同時(shí)作用，導(dǎo)致榛子發(fā)生破殼，刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)支持，電動(dòng)機(jī)配有變頻器，可以控制刀輥的轉(zhuǎn)動(dòng)[4].

(1)取榛子大小為15 mm，彈性模量為120 MPa，破殼榛子大約需要8～12 N的力，以刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥間隙、刀輥直徑進(jìn)行單因素試驗(yàn).

(2)根據(jù)中心組合設(shè)計(jì)理論，結(jié)合單因素試驗(yàn)的結(jié)論進(jìn)行分析，選擇刀輥轉(zhuǎn)速、刀輥間隙、刀輥直徑為影響因素，以脫殼率和破仁率為響應(yīng)值[5].

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 不同刀輥轉(zhuǎn)速對榛子脫殼的影響

取刀輥直徑為180 mm，刀輥間隙為13 mm，刀輥轉(zhuǎn)速為80、120、140、160、180、220 r·min-1，不同轉(zhuǎn)速條件下榛子的脫殼率和破仁率如圖3所示，從圖可以看出，脫殼率和破仁率與刀輥轉(zhuǎn)速呈非線性關(guān)系，所以刀輥轉(zhuǎn)速選160～220 r·min-1適宜.

刀輥轉(zhuǎn)速/(r·min-1)圖3 不同刀輥轉(zhuǎn)速對脫殼效果的影響

2.2.2 不同刀輥直徑對榛子脫殼的影響

取刀輥轉(zhuǎn)速為180 r·min-1，刀輥間隙為13 r·min-1，在刀輥直徑為176、178、180、182、184、186、188 mm條件下，榛子脫殼率與破仁率如圖4所示，從圖可以看出，脫殼率和破仁率與刀輥直徑呈非線性關(guān)系，所以刀輥轉(zhuǎn)速選182～186 min適宜.

刀輥直徑/mm圖4 不同刀輥直徑對脫殼效果的影響

2.2.3 不同刀輥間隙對榛子脫殼的影響

取刀輥轉(zhuǎn)速為180 r·min-1，刀輥直徑為184 mm，在刀輥間隙為8.8、9.8、10.8、11.8、12.8、13.8 mm條件下，榛子脫殼率與破仁率如圖5所示，從圖可以看出，脫殼率和破仁率與刀輥直徑間隙呈非線性關(guān)系，所以刀輥間隙選9～13 mm適宜.

刀輥間隙/mm圖5 不同刀輥間隙對脫殼效果的影響

2.3 組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)

2.3.1 脫殼率的響應(yīng)面分析

根據(jù)單因素測試的結(jié)果，做出脫殼率響應(yīng)面圖，如圖6所示.

圖6 影響脫殼率各因素的響應(yīng)面分析

從圖6中可以看出，在試驗(yàn)的范圍內(nèi)，刀輥直徑不變時(shí)，增大刀輥轉(zhuǎn)速和減小刀輥間隙可以提高榛子的脫殼率；當(dāng)?shù)遁侀g隙不變時(shí)，增大刀輥轉(zhuǎn)速或刀輥直徑，可以提高脫殼率；當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著刀輥直徑的增加，脫殼率先增大后減小.

2.3.2 破仁率的響應(yīng)面分析

根據(jù)單因素測試的結(jié)果，做出破仁率響應(yīng)面圖，如圖7所示.

圖7 影響破仁率各因素的響應(yīng)面分析

從圖7中可以看出，在試驗(yàn)的范圍內(nèi)，刀輥直徑不變時(shí)，減小刀輥轉(zhuǎn)速和提高刀輥間隙可以降低榛子的破仁率；當(dāng)?shù)遁侀g隙不變時(shí)，減小刀輥轉(zhuǎn)速和刀輥直徑，可以降低破仁率；當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速不變時(shí)，減小刀輥直徑或增大刀輥間隙可以降低破仁率[6].

3 效果分析

按照中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案結(jié)果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示.

由圖9可知，當(dāng)模型P值小于0.000 1時(shí)，回歸方程的檢驗(yàn)顯著，擬合檢驗(yàn)的失敗F=2.55則不顯著，表明殘余誤差是由隨機(jī)誤差引起的.該模型可用于分析和預(yù)測榛子的脫殼率和破仁率[7].

圖8 中心組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 脫殼率方差分析

破仁率方差分析如圖10所示.

圖10 破仁率方差分析

由圖10可知,為了讓結(jié)果具有普遍性，使榛子破殼機(jī)達(dá)到最大工作效率，在相同的測試條件下，重復(fù)進(jìn)行了3次試驗(yàn)[8]，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 優(yōu)化方案驗(yàn)證

根據(jù)上述數(shù)據(jù)得出榛子破殼機(jī)的脫殼率[9]、破仁率的偏離參考點(diǎn)值，如圖11所示.

圖11 脫殼率，破仁率偏離參考點(diǎn)值

參數(shù)響應(yīng)面分析結(jié)果表明，當(dāng)?shù)遁伒霓D(zhuǎn)速為180 r·min-1，刀輥的直徑為181 mm，刀輥的間隙為11.2 mm時(shí)，榛子破殼機(jī)的脫殼率為93.35%，破仁率為7.69%[10].

4 結(jié) 論

(1) 采用單因素試驗(yàn)方法獲得各結(jié)構(gòu)參數(shù)對脫殼率和破仁率的影響，采用響應(yīng)面法對刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出試驗(yàn)范圍內(nèi)破殼率的值.

(2) 根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)，判斷出各影響因素對榛子脫殼率的影響強(qiáng)度為：刀輥直徑>刀輥間隙>刀輥轉(zhuǎn)速.

(3) 使用design expert軟件對模型進(jìn)行優(yōu)化分析，得出當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速為180 r·min-1，刀輥直徑為181 mm，刀輥間隙為11.2 mm時(shí)，榛子破殼機(jī)的脫殼率為93.35%，破仁率為7.69%[11].