薏苡脱壳机关键部件作业参数优化与试验

王建楠，刘敏基，曹明珠，颜建春，彭宝良，胡志超，谢焕雄



薏苡脱壳机关键部件作业参数优化与试验

王建楠，刘敏基，曹明珠，颜建春，彭宝良，胡志超，谢焕雄※

（农业部南京农业机械化研究所，南京 210014）

针对薏苡脱壳设备脱净率差、破碎率高，相关工艺与装备研究几近空白的现状，该文结合薏苡物料特性，运用中心组合试验设计理论开展关键部件作业参数试验与优化，重点研究薏苡脱壳机脱壳仓作业关键参数中动盘转速、动静磨盘间隙、静盘工作面宽度对脱净率、破碎率的影响规律，并以脱净率、破碎率为响应指标进行多目标优化。首先对主产区主要薏苡品种物料特性进行研究，并进行与脱壳相关的物理参数测定，然后采用二次正交旋转组合试验方法设计试验并用Design-Expert进行数据处理，建立脱净率、破碎率的回归数学模型并进行方差分析。分析得出影响薏苡脱壳机脱净率的主次因素依次为：动盘转速＞静盘工作面宽度＞动静磨盘间隙；影响破碎率的主次因素依次为：静盘工作面宽度＞动静磨盘间隙＞动盘转速。通过响应曲面方法分析各因素交互作用对脱净率、破碎率的影响，并根据优化目标的重要程度（脱净率较破碎率重要）对回归模型进行多目标优化，得出薏苡脱壳机关键部件最佳作业参数组合为：动盘转速1 076.02 r/min，动静磨盘间隙4.91 mm，静盘工作面宽度7.63 mm。此时，脱壳机脱净率最高、破碎率最低，其值分别为50.49%、3.02%。将优化参数在薏苡脱壳设备上开展验证及批量化流水加工作业，流水加工作业脱净率达51.1%、破碎率3.6%，设备作业质量大幅提升，达到了较为理想的效果。该研究可为提升薏苡脱壳机作业质量提供参考。

农作物；优化；脱壳机；薏苡；作业参数；物料特性；关键部件；响应曲面法

0 引 言

薏苡（）是禾本科植物，其成熟种仁称为薏苡仁，又名薏米、薏仁、苡仁，在中国有2 500多年栽培历史[1-3]。薏仁是一种常用中药，也是重要的药、食兼用农作物，其富含蛋白质、多种氨基酸、维生素、矿物质以及对人体有益的油酸、亚油酸等，其营养价值在禾本科植物中居第一位，种植面积在药用作物中最大[4]，主要分布在贵州、云南等省[5-6]。

薏苡脱壳加工是薏仁药用、食用的必不可少的重要环节，脱壳设备作业质量是影响薏仁薏仁品质及商品化的关键。长期以来，受农业发展重点方向及科研经费投入的制约，薏苡等小宗作物的生产机械化问题未引起关注和重视，致使薏苡脱壳加工技术、工艺、装备方面的研究几乎空白，薏苡脱壳加工常采用其他作物通用加工设备，而薏苡外形不规则、外壳坚实、薏仁柔韧[7-8]的特性致使通用设备难以满足脱壳质量要求，以致脱净率低（约35%）、破碎率高（约10%甚至更高），严重影响薏苡仁品质，已成为制约该产业健康发展的主要技术瓶颈之一，急需针对脱壳关键技术难题进行突破。近年来，部分科研机构及学者虽开展了薏苡相关的科学研究，但多集中在薏苡育种、栽培、病虫害防治及功能成分提取等方面[9-12]，薏苡脱壳加工相关技术装备方面研究报道少之甚少，文献仅见胡志刚、施丽莉等[13-15]开展了薏苡脱壳相关设备关键部件的说明介绍及有限元分析，但未结合薏苡物理特性、作业关键参数进行综合研究与优化。

针对上述问题，本文开展薏苡脱壳机作业质量提升研究，结合薏苡物理特性，采用二次正交旋转组合设计试验及响应曲面分析方法，开展薏苡脱壳关键部件研究及参数优化，探明薏苡物料特性、脱壳关键部件最佳作业参数，以期为提高薏苡脱壳设备作业质量、解决薏苡脱壳设备关键技术问题提供参考。

1 薏苡脱壳机工作原理

1.1 工作原理

薏苡脱壳设备由机架、脱壳仓、振动筛、沙克龙、风机等装置组成，总体结构如图1所示。脱壳过程如下：薏苡由提升机进入分料器3，经分料器3匀料后进入脱壳仓2进行脱壳，脱壳后的薏仁、薏苡壳、薏苡混合物经过初级振动筛9向后输送，输送过程中吸风罩8在风机5的作用下产生较大的负压，在此负压作用下将混合物中比重最轻的薏苡壳吸出并经由沙克龙6沉降后由出壳口13排出，薏仁及未脱的薏苡由初级振动筛9继续向后输送经导料口10至二级振动筛（圆孔筛），由于脱出的薏仁尺寸较小，在二级振动筛11的作用下完成薏仁与薏苡的筛分，脱好的薏仁经14排出，未脱薏苡经15排出，完成脱壳过程。

1.脱壳仓电机 2.脱壳仓 3.分料器 4.机架 5.风机 6.沙克龙 7.调节风门 8.吸风罩 9.初级振动筛 10.导料口 11.二级振动筛 12.驱动电机 13.出壳口 14.薏仁成品出口 15.未脱壳薏苡出口

脱壳仓是薏苡脱壳设备的核心部件，是影响作业质量的关键，结构如图2所示。其主要由进料斗1、静盘安装座4、静盘固定座6、静盘5、动盘7、动盘固定座8、动盘安装轴9、带轮10、料仓3、出料口11等组成。脱壳过程如下：薏苡由提升机经料斗1进入料仓3，在高速旋转的动盘7的离心作用下被径向甩出，甩出过程中经静盘5及动盘7的间隙，动盘、静盘材质为刚玉（Al2O3）材料的砂轮，薏苡外壳在此间隙中受动盘及静盘的摩擦挤压实现薏苡壳破裂、薏仁脱出，完成脱壳过程。

1.进料斗 2.调节手柄 3.料仓 4.静盘安装座 5.静盘 6.静盘固定座 7.动盘 8.动盘支承座 9.动盘安装轴 10.带轮 11.出料口

1.Feed hopper 2.Adjusting handle 3.Hopper 4.Installation seat of stationary plate 5.Stationary plate 6.Fixing pedestal of stationary plate 7.Rotary plate 8.Support of rotary plate 9.Fixed shaft of rotary plate 10.Pulley 11.Exit of materials

注：为动静磨盘间隙，mm；为静盘工作面宽度，mm。

Note:is distance between rotary plate and stationary plate, mm;is working face width of stationary plate, mm.

图2 脱壳仓结构图

Fig.2 Sketch map of huller

1.2 作业质量影响参数

脱净率、破碎率是薏苡脱壳设备作业质量的主要衡量指标。由上述工作原理可知，薏苡脱壳作业质量主要影响参数有：动盘转速、动静磨盘间隙、静盘工作面宽度。其中动盘转速、动静磨盘间隙为设备作业参数，静盘工作面宽度为设备结构参数，最优参数组合是薏苡脱壳设备作业质量达到最佳的关键。因此，需通过试验研究并优化上述关键运动参数及结构参数，提高薏苡脱壳设备作业质量。

2 材料与方法

2.1 试验仪器与设备

为探明脱壳仓最佳作业参数组合，本研究将薏苡静盘安装型式由不可调的固定连接方式改为螺旋连接安装，即通过调节手柄旋转静盘以实现动静磨盘间隙方便可调，通过变频器对动盘转速进行调节，并设计不同工作面宽度的静盘。

试验所需仪器设备：游标卡尺（精度0.1 mm）、电子天平（测量精度1 g）、UTM6503型电子万能试验机（精度等级0.5，含夹具若干）1台、1台福禄克930转速表、1台施耐德ATV12H075M2变频器、202-2型恒温干燥箱、自制斜面仪等。

从上面的分析可以看出，语法隐喻与词汇转换之间无直接联系，并非所有词性转换都是语法隐喻。此外，判断是否存在语法隐喻应当有两个以上句子进行比较，如例[2]、[5]、[6]。单独看例[3]、[4]则难以判断。

2.2 试验材料

以贵州兴仁县兴仁小白壳为试验对象，其形状呈不规则的锤锥形，个体尺寸大小不一，如图3所示。本试验随机选取200粒作为样本，测量与脱壳关系密切的厚度方向尺寸、含水率、挤压破碎力等，并进行统计分析[16-18]：其厚度尺寸≤5mm占25%，5＜≤5.5占58%，其余为厚度＞5.5的籽粒；薏苡挤压破碎力[19]分布范围为45 N≤≤95 N，其中约60%的薏苡挤压破碎力在65 N左右；薏苡带壳千粒质量86.5 g，壳、仁质量所占的比例为1∶2.5；参照GB/T 20264-2006规定，测定薏苡外壳、薏仁的含水率分别为11.6%、12.7%；采用自制斜面仪器（如图4所示），以不锈钢板为测试板材质测量薏苡自流角，测量时将单个薏苡颗粒放在斜面上，缓慢摇动手柄使斜板倾角逐渐增大，当薏苡颗粒刚开始向下滚动时，用量角仪测量该倾角即为自流角，测量重复50次取均值，测得薏苡自流角为14.5°[20]。

注：δ为厚度，l为长度。

2.3 试验响应参数

以薏苡脱壳后的脱净率、破碎率为脱壳作业质量考核指标，由于目前薏苡脱壳设备作业质量相关标准空白，其作业质量评定参照中华人民共和国行业标准花生脱壳机作业质量（NY/T 994-2006）开展薏苡脱壳试验及工艺参数优化。试验采用水平振动喂料器匀速喂料，每次试验重复3次，取平均值。

1.支架 2.提升绳 3.紧固螺钉 4.测试板 5.安装架 6.铰接销钉 7.底座 8.手柄 9.摇臂 10.转轴

式中w为完整薏仁质量，g；p为破碎薏仁质量，g；s为损伤薏仁质量，g；b为未剥开薏苡的薏仁质量，g。

2.4 试验设计

为确定参数最佳组合，根据单因素试验结果，采用二次正交旋转组合设计试验方法[21-24]，开展三因素三水平试验，共计17组，试验因素及编码水平如表1所示。

在Design-Expert中，按照中心组合响应曲面设计（central composite design，CCD）试验方案，试验结果见表2[25-26]。对表2结果进行分析并分别建立脱净率、破碎率与各因素之间关系的数学模型，同时采用响应面分析法，考察两因素间交互作用效应。

表1 因素水平编码表

3 结果与分析

试验方案与结果如表2所示，根据试验结果对响应参数进行分析并建立数学模型。

3.1 脱净率

1）脱净率的回归结果分析

根据表2试验结果得到脱净率的编码值简化回归数学模型为：

采用逐步回归法对表2结果进行脱净率的三元二次回归分级及方差分析，结果见表3。

表2 试验设计方案及结果

表3 脱净率方差分析

注：*（<0.05）为显著，**（<0.01）为极显著，下同。

Note: *（<0.05）means significant, **（<0.01）means highly significant, the same below.

回归方程中，系数绝对值大小决定该因素对脱净率的影响大小，因此可知各因素对脱净率的影响大小次序依次为。

2）脱净率与各参数响应曲面分析

根据表2试验数据，各因素对脱净率响应曲面如图5所示，根据图中等高线可判定二者交互效应的强弱[27-33]，交互强弱的顺序依次为：动盘转速与动静磨盘间隙（）、动静磨盘间隙与静盘工作面宽度（），这与表3方差分析结果一致。

由图5a可知动静磨盘间隙和静盘工作面宽度存在交互作用。当动盘转速处于0水平时，脱净率随动静磨盘间隙增大先增至最大后逐渐减小，这是因为动静磨盘间隙增大并与薏苡厚度尺寸相当时，薏苡外壳受到较为理想的挤压力而实现较好的破壳，薏仁较好的脱出，当增大到一定值时，动盘对薏苡的有效接触减少，致使摩擦挤压力减小，脱净率随之降低；脱净率随静盘工作面宽度增大逐渐增大，这是因为动盘工作面宽度直接决定薏苡脱壳过程中的摩擦及挤压时间，动盘工作面越大，摩擦挤压时间越长，脱壳时间越长，脱净率会随之越高。

注：响应面试验因素、水平见表1，响应值见表2，下同。

由图5b可知，动静磨盘间隙与动盘转速存在交互作用。在动静磨盘间隙处于0水平时，脱净率在动盘转速处于低水平时增加较为明显，在动盘转速处于高水平时增速较缓，主要是因为动盘转速较低时，较低的转速能保持薏苡外壳与动盘有充足的摩擦挤压时间以实现脱壳，当动盘转速较高时，薏苡容易在动盘离心力的作用下被快速甩出，薏仁被脱出的概率大大降低。同时，由表3可知，动盘转速与静盘工作面宽度（）交互作用不显著。

由图5响应曲面亦可看出，动盘转速和动静磨盘间隙变化时，脱净率变化幅度较大，静盘工作面宽度和动静磨盘间隙变化时脱净率变化幅度相对较小，这说明动盘转速、动静磨盘间隙交互作用是各交互作用中对脱净率的主要影响因素，这与回归方程分析结果一致。

3.2 破碎率

1）破碎率的回归结果分析

同理，根据表2结果进行三元二次回归分析及方差分析可得破碎率的回归数学模型为：

方差分析结果见表4，分析结果可知，模型的值极显著、失拟项不显著、模型的修正系数2=0.983 5，说明所得回归数学模型与实际结果拟合精度高，可用此模型对破碎率进行分析和预测。

回归方程中，系数绝对值大小决定该因素对破碎率的影响大小，因此可知各因素对破碎率的影响大小次序依次为：。

表4 破碎率数学模型方差分析

2）破碎率与各参数响应曲面分析

根据试验数据，各因素对破碎率响应曲面如图6所示。据响应曲面图可判断动盘转速、动静磨盘间隙、静盘工作面宽度任意二者交互作用对破损率影响均较明显，且交互作用强到弱的顺序为：动盘转速与静盘工作面宽度（）、动盘转速与动静磨盘间隙（）、动静磨盘间隙与静盘工作面宽度（），这与表4方差分析结果一致。

由图6a可知，当静盘工作面宽度处于0水平时，破碎率随动静磨盘间隙增加先减小后增大，且在动盘转速处于低水平时破碎率波动范围较大，在高水平时波动范围较小；破碎率在动静磨盘间隙处于低水平时随动盘转速增大逐渐增大，在动静磨盘间隙处于高水平时先略减小后又增大。这主要是因为在动静磨盘间隙较小时，薏苡在随动盘甩出的过程中在间隙中受到较大的摩擦及挤压力，破碎率较高；随着动静磨盘间隙增大到与薏苡厚度方向尺寸相当时，此时薏苡外壳受动盘与静盘挤压力恰使薏苡外壳破裂薏仁脱出，破碎率也随之降低；当动静磨盘间隙持续增加时，此时随动盘的高速旋转多个薏苡同时进入间隙，摩擦挤压变得杂乱无序，多个薏苡同时被摩擦挤压脱壳，破碎率随之增加。破碎率随动盘转速增加逐渐增大，这主要是因为动盘转速越大，薏苡受到摩擦挤压越显著，薏仁较易被脱出且易收到后续的挤压揉搓产生破碎。

图6 各因素交互作用对破碎率的响应曲面

由图6b可知，当动静磨盘间隙处于0水平时，破碎率随静盘工作面宽度增加而逐渐增大，在动盘转速处于低水平时破碎率变化较小，动盘转速处于高水平时破碎率增加较为显著；破碎率随动盘转速增加先减小后增大，在静盘工作面宽度处于较低水平时变化较小。这主要是因为静盘工作面的宽度决定了薏苡脱壳过程中薏苡外壳及薏仁受摩擦挤压的时间，当静盘工作面宽度增加时，在薏仁脱出后易受到后续薏苡碎壳与薏仁、薏仁与工作面、以及薏仁之间的相互摩擦及挤压，显见这种挤压对薏苡脱壳是无益的，薏仁此过程易破碎，破碎率随之增加。图6b亦可看出动盘转速处于零水平、静盘工作面宽度处于低水平时破碎率达到最低。

由图6c可知，当动盘转速处于0水平，静盘工作面宽度、动静磨盘间隙处于低水平时，破碎率达到最小值；在静盘工作面宽度处于低水平时，破碎率随动静磨盘间隙增加逐渐增大，静盘工作面宽度处于高水平时，破碎率先略减小后又增大；破碎率随静盘工作面宽度增加而逐渐增大，且在动静磨盘间隙处于低水平时，破碎率增加较为明显，动静磨盘间隙处于高水平时，破碎率变化幅度相对较小。这主要是因为动静磨盘间隙增大至一定值后，薏苡在高速旋转的动盘的带动作用下，难以受到动盘的摩擦而容易从动静磨盘间隙快速脱离难以实现脱壳致使破碎率下降。但当动静磨盘间隙在一定水平时，工作面宽度增加使脱出的薏仁与静盘作用时间变长，破碎率增加。

从图6中响应曲面及等高线图亦可看出，当动盘转速、静盘工作面宽度变化时，破碎率变化幅度较大；当动盘转速与动静磨盘间隙变化时，破碎率变化幅度次之；当动静磨盘间隙、静盘工作面宽度变化时，破碎率变化幅度较小。这说明动盘转速与静盘工作面宽度交互作用对破碎率影响最大，动静磨盘间隙与静盘工作面宽度交互作用对破碎率影响最小，这与这与回归方程分析结果一致。

4 参数优化

综合上述分析，为使薏苡脱壳机作业质量达到最佳，需使脱净率达到最大，同时破碎率达到最低。根据薏苡设备作业质量脱净率较低的现状，期望通过优化最大幅度提升设备脱净率，为此建立脱净率、破碎率双目标函数的数学模型，并将优化求解方程中的脱净率的重要性设置为最大（5个“+”），破碎率次之（4个“+”），在以上情况下进行求解。目标函数如下：

脱净率最大、破碎率最小时最优解为：= 1 076.02 r/min，=4.91 mm，=7.63 mm。此时，脱净率为50.49%，破碎率为3.02%。2017年11月10日，根据优化结果及试验的可操作性，将动盘转速、动静磨盘间隙分别调整为1 080 r/min、4.9 mm，设计并试制工作面宽度为7.6 mm的静盘，在此条件下进行试验验证，此时薏苡脱净率为52.75%、破碎率为3.12%，验证试验进一步说明优化结果具有较高可信度，本研究模型可靠。

为进一步检验上述优化试验结果的实际应用效果，将设备参数固化为最优解，并在该参数下开展贵州兴仁县兴仁小白壳薏苡脱壳连续流水作业，累计加工量不低于5 t，待设备作业连续稳定时按照试验标准随机取样进行脱净率及破碎率检验。检验结果表明脱净率由原设备的33.8%提升至51.1%（增幅51.2%），破碎率由9.7%降至3.6%（降幅62.9%），作业质量较改进前大幅改善，可较好应用于生产实际。

5 结 论

1）研究了兴仁小白壳薏苡与脱壳作业质量相关的薏苡物理特性。其形状呈不规则的锤锥形，厚度尺寸≤5 mm占25%，5＜≤5.5占58%，其余为厚度＞5.5的籽粒；薏苡带壳千粒质量86.5 g，壳、仁质量所占的比例为1∶2.5，其含水率分别为11.6%、12.7%；薏苡挤压破碎力分布范围为45 N≤≤95 N，约60%的薏苡挤压破碎力在65 N左右；薏苡自流角14.5°。

2）根据中心组合响应曲面试验设计方案进行试验，采用响应曲面分析法对试验结果进行了分析，采用多目标优化分析对各参数进行了优化，通过优化得到脱净率最大、破碎率最小的最优解为：动盘转速1 076.02 r/min、动静磨盘间隙4.91 mm、静盘工作面宽度7.63 mm。在此最优解条件下脱净率为50.49%、破碎率为3.02%。

3）验证试验结果与优化结果基本一致，将优化后参数应用于薏苡脱壳设备上进行生产实证，脱净率可达51.1%、破碎率3.6%，表明优化参数可满足薏苡脱壳作业实际生产要求。

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Working parameter optimization and experiment of key components ofsheller

Wang Jiannan, Liu Minji, Cao Mingzhu, Yan Jianchun, Peng Baoliang, Hu Zhichao, Xie Huanxiong※

(210014,)

In order to improve the shelling rate and reduce the breakage rate, the central composite experiments were conducted to optimize the working parameters. Firstly, the physical properties ofwere studied, and the study object was “White shell” planted widely in Guizhou Province, the shape of which was irregular, and the thousand kernel weight was 86.5g. Proportion of thickness≤5 mm was 25%, 5＜≤5.5 was 58%, and others were＞5.5. The weight ratio of shell and kernel was 1:2.5. The moisture content of shell and kernel was 11.6% and 12.7% respectively. The crushing force ofwas 45 N≤≤95 N, 60% of which was about 65 N. The flow angle oftested by inclined surface device was 14.5°. Based on composite experiment methods of quadratic orthogonal rotation, the effects of key components’ main working parameters ofsheller on shelling rate and breakage rate were analyzed, the parameters include rotation speed of rotary plate, distance between rotary and stationary plate, working face width of stationary plate, and the data were analyzed based on the Design-Expert software. The mathematical regression models of shelling rate and breakage rate were built, and corresponding variance analysis were conducted. A regression equation of the relationship between variation coefficient of 3 main working parameters was obtained. Through the analysis of variance, the results showed that the most influential factor for shelling rate was the rotation speed of rotary plate, and the minimum impact factor was the distance between rotary and stationary plate; regarding to the breakage rate, the most influential factor was working face width of stationary plate, and the minimum impact factor was the rotation speed of rotary plate. The response surface method was utilized to analyze the effects of factors’ interaction on shelling rate and breakage rate, and the multi-objective optimizations were conducted for the regression models to obtain the working parameters for the best shelling rate and the lowest breakage rate. The optimal combination working parameters of key components ofsheller were the speed of rotary plate was 1 076.02 r/min,the distance between rotary and stationary plate is 4.91 mm, and the working face width of stationary plate of 7.63 mm. Under the condition of the optimal combination working parameters, the shelling rate and breakage rate was 50.49% and 3.02%, respectively. The production verification test was conducted in factory. With the optimal parameters of, the shelling rate was improved greatly, and the shelling rate and breakage rate was 51.1% and 3.6%, respectively, which close to the results obtained from the previous model. The study provides the scientific basis for key components’ working parameters optimization ofsheller.

crops; optimization; sheller;; working parameters; physical properties; key component; response surface methodology

王建楠，刘敏基，曹明珠，颜建春，彭宝良，胡志超，谢焕雄. 薏苡脱壳机关键部件作业参数优化与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：288－295. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.035 http://www.tcsae.org

Wang Jiannan, Liu Minji, Cao Mingzhu, Yan Jianchun, Peng Baoliang, Hu Zhichao, Xie Huanxiong. Working parameter optimization and experiment of key components ofsheller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 288－295. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.035 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.035

S226

A

1002-6819(2018)-13-0288-08

2018-3-22

2018-5-10

中国农科院创新工程农产品分级与贮藏团队、公益性行业（农业）科研专项经费（201303069）联合支持。

王建楠，男，河南潢川人，副研究员，主要从事农产品加工技术装备研究。Email：wjnsunrise@126.com

谢焕雄，男，广西浦北人，研究员，硕士生导师，主要从事农产品加工技术与装备的研究。Email：nfzhongzi@163.com

中国农业工程学会高级会员：谢焕雄（E041200496S）。