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碾搓式橡胶果脱壳试验

2017-07-05何晓帆范海燕

食品与机械 2017年4期
关键词:脱壳板面橡胶

何晓帆 - 王 涛 范海燕 - 吴 迪

(海南大学机电工程学院,海南 海口 570228)

碾搓式橡胶果脱壳试验

何晓帆HEXiao-fan王 涛WANGTao范海燕FANHai-yan吴 迪WUDi

(海南大学机电工程学院,海南 海口 570228)

为研究橡胶果脱壳效率随相关参数的变化规律,确定最佳脱壳条件,根据碾搓原理研制了橡胶果脱壳试验机。通过单因素试验和正交试验,分析不同的挤压压力、摩擦速度和摩擦材料对脱壳率指标的影响规律及机器的最佳工作参数。结果表明:随着摩擦速度增大,脱壳率先增大后降低;随着挤压压力的增加,脱壳率线性增加;摩擦材料依次取钢板、塑料板、木板、橡胶板时,脱壳率逐渐降低。对橡胶果脱壳率的影响因素从大到小依次为挤压压力、摩擦材料、摩擦速度。当挤压压力为700 N、摩擦速度为46 mm/s、摩擦材料为钢板时,橡胶果的脱壳率达到81.8%。研究结果可为橡胶果脱壳机的整体设计提供试验依据。

橡胶果;脱壳率;碾搓

橡胶树广泛种植于中国南方地区,橡胶果是橡胶树的种子,由种壳和种仁组成,种仁含油率约50%[1]。橡胶果油是一种保健食用油,其理化性质与大豆油相近,脂肪酸组成中不饱和脂肪酸占80%以上,具有很高的营养价值[2]。橡胶果也是一种重要的工业原料,可用于油漆工业等[3]。D Balköse等[4]提出橡胶果油还是制造金属香皂的优质原始材料。橡胶籽壳是生产高品质木塑产品、果壳级活性炭等的优质原料。开发橡胶果资源对解决中国蛋白饲料短缺和实现资源综合利用具有重要意义。

目前中国橡胶果脱壳机械普遍采用辊子挤压[5]和离心撞击[6]2种方法,但都存在脱壳效率低,果仁损伤率大等问题,导致国内丰富的橡胶果资源没有得到充分利用。因此,急需研制针对橡胶果的高效脱壳机械,而确定机械脱壳部分的最佳工作参数则是其基础。国内外对各类坚果脱壳机器的试验研究较详尽,但对橡胶果脱壳机的工作参数试验却显得不足。李君等[7]曾利用挤压剪切原理设计一款刀豆脱壳机构,并对其进行正交试验研究得到双辊转速为25 r/min、双辊材料为橡胶、双辊间隙为18 mm为最佳工作参数。Oluwole等[8]将含水率、叶轮槽角度和数量作为变量研究离心式花生脱壳机的性能。张黎骅等[9]利用单因素试验和二次回归正交试验得到了滚筒-栅条式银杏脱壳机结构的最佳工作参数并进行优化。阮竞兰等[10]通过试验研究稻谷脱壳率与辊压、快辊线速、流量等因素的关系,提高了胶辊砻谷机的工艺性能。中国学者对银杏[11]、葵花籽[12]等都进行过碾搓式脱壳试验的研究,结果显示碾搓式脱壳的效率较高,果仁损伤率小。所以将碾搓原理运用到橡胶果脱壳机械上可能会带来较好的效果。为此,基于对以上学者研究的分析,设计一款碾搓式橡胶果脱壳试验机,并通过试验找出其最佳工作参数,旨在为后续高效橡胶果脱壳机的设计提供重要数据。

1 橡胶果脱壳试验机的设计

橡胶果脱壳试验机的总体结构见图1。摩擦槽可在千斤顶的作用下沿导柱上升。摩擦板由电机带动,并在齿轮齿条等传动部件和限位开关等电器元件的作用下做往复直线运动,对放置于摩擦槽中的橡胶果进行碾搓。压力传感器和电机调速器测得挤压压力和电机转速。摩擦板通过两个角码固定,方便摩擦板面材料的更换。试验机的具体配置参数:电动机为7IK400RGU-CF型;滑块为HGH-30CA型;导轨为HGR-30R型;齿轮齿条模数为2.5,齿轮齿数为40;联轴器为DJM03型。

1. 配电箱 2. 单相电机 3. 电机调速器 4. 导轨 5. 行程开关 6. 止推环 7. 摩擦槽 8. 液压千金顶 9. 橡胶果 10. 摩擦板 11. 齿条 12. 齿条座 13. 压力数值显示器 14. 滑块 15. 机架 16. 压力传感器 17. 齿轮 18. 凸缘联轴器

图1 橡胶果脱壳试验机

Figure 1 Rubber fruit shelling test machine

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

本次试验所需的橡胶果于2015年4月取自海南省儋州市橡胶林,去外壳,橡胶果子粒经过自然风干1年,测得含水率约为12.5%;

电子秤:YHC-A6型,精度0.1 g,上海实润实业有限公司;

电子数字显示游标卡尺:ZH7438型,规格0~200 mm,精度0.01 mm,桂林量具刀具有限公司;

由于试验属于平板碾搓,因此橡胶果自然放置和滚动时的高度需要保持一致。但橡胶果并非球体而呈现卵圆形[13],自然放置与滚动时的高度分别是其高和宽,所以先通过电子数字显示游标卡尺测量其高宽并据此将其分成5组(极差为1 mm),分组见表1。每次试验都选取同一组的10个橡胶果,避免每次试验橡胶果尺寸差异过大影响试验结果的准确性。

表1 根据橡胶果尺寸的分组Table 1 Grouped according to the size of rubber seeds

2.2 试验指标

根据试验目的和实际生产的需要,以橡胶果的脱壳率作为试验结果的主要评价指标。脱壳率按式(1)计算:

(1)

式中:

T——橡胶果的脱壳率,%;

M1——放入的橡胶果总质量,g;

M2——未脱壳橡胶果质量,g。

2.3 试验方法

2.3.1 单因素试验

(1) 电机转速试验:固定参数为挤压压力700 N,摩擦板面材料为钢板;变量为电机转速,分别设置为175,350,525,700,875,1 050 r/min;脱壳率为评价指标。根据电机转速与摩擦板摩擦速度之间的公式:

(2)

式中:

d——齿轮分度圆直径,d=100 mm;

n——电机转速,r/min;

40——电机上减速机减速比。

则对应的摩擦板摩擦速度分别为23,46,69,92,115,138 mm/s。

(2) 摩擦板面材料试验:固定参数为挤压压力700 N,电机转速350 r/min;变量为摩擦板面材料,分别设置为橡胶板、钢板、塑料板、木板;脱壳率为评价指标。

(3) 挤压压力试验:固定参数为电机转速350 r/min,摩擦板面材料为钢板;变量为挤压压力,分别设置为200,300,400,500,600,700 N;脱壳率为评价指标。

2.3.2 正交试验 综合单因素试验结果,选取摩擦板面材料、摩擦速度和挤压压力为影响因素,每个因素有4个水平,采用节选的L16(45)正交试验表设计试验,并以脱壳率为评价指标。

2.4 试验主要过程

每次试验前先测量将放入的橡胶果总质量,千斤顶降至最低,将橡胶果放入摩擦槽中,然后利用千斤顶升起摩擦槽使得胶果被压紧在摩擦板与摩擦槽之间,直到压力示数达到条件数值加上压紧前示数时启动电机。摩擦板左右往复摩擦两个来回后停止电机,测量未脱壳的橡胶果质量。代入式(1)计算脱壳率。相同条件下试验进行5次,结果取其平均值,每次试验样本为10个同组的橡胶果。

3 试验结果与讨论

3.1 单因素试验结果与分析

通过控制变量法,取挤压压力为700 N,板面材料为钢板时,研究摩擦速度对橡胶果脱壳率的影响,结果见图2。由图2可知,随着摩擦板摩擦速度增大,脱壳率呈现先增大后降低的趋势。可能是,虽然摩擦速度增加带给橡胶果的动能增加,但在运动行程相同的情况下,碾搓的时间也减少了。两个因素综合的情况下呈现这种趋势。曲线后半段下降明显表明碾搓时间对脱壳率的影响较大。

取挤压压力为700 N,摩擦速度为46 mm/s时,研究摩擦板面材料对脱壳率的影响。结果表明:摩擦板面材料为橡胶时对应的脱壳率为41.7%,木板时为59.1%,塑料板时为70.8%,钢板时为81.8%。原因可能是摩擦板面材料的硬度由大到小依次是钢板、塑料板、木板、橡胶板。在相同的挤压压力下,材质硬的变形小,与橡胶果的接触面积小,对橡胶果的压应力大,所以脱壳率高。与此同时,不同摩擦板面材料,对应不同的摩擦系数也是一个原因。何焯亮等[14]在橡胶籽壳破碎试验中也发现相似的结果。

取摩擦速度为46 mm/s,摩擦板面为钢板。研究不同挤压压力对橡胶果脱壳率的影响,结果见图3。由图3可知,挤压压力与脱壳率呈现出良好的线性关系。挤压压力越大,脱壳率越高。但试验表明压力不宜超过700 N,否则易损伤果仁。

图2 摩擦速度对脱壳率的影响Figure 2 Effect of friction speed on the hulling rate

图3 挤压压力对脱壳率的影响Figure 3 Effect of extrusion pressure on the hulling rate

3.2 正交试验结果与分析

根据单因素试验结果,采用L16(45)正交试验因素与水平见表2。按照正交表的各试验号进行试验,将试验结果填入表中并进行极差分析,见表3。

由表3可知,对于橡胶果壳脱壳率的主要影响因素从大到小依次为挤压压力、摩擦板面材料、摩擦板摩擦速度。橡胶果壳最高脱壳率组合为A2B2C4,即板面材料为钢板,摩擦速度为46 mm/s,压力为700 N时脱壳率最大。这个组合在16个试验点中没有出现,现增加最优组合的脱壳率试验,结果脱壳率为81.8%。

表2 试验因素与水平Table 2 Factors and levels of test

表3 橡胶果脱壳正交试验结果的极差分析Table 3 Range analysis of rubber fruit shell orthogonal test results

原因可归结为:① 由于钢板较硬,在压力作用下变形较小,与橡胶果壳的接触面积较小,对橡胶果壳的压应力较大,所以橡胶果在钢板下的脱壳率较高。而橡胶板最软,形变最大,所以第1列(板面材料)中A1和A2所得结果的平均值差别较大。此外板面材料的不同也会引起摩擦系数的变化,木板的摩擦系数大于钢板,但是综合考虑选择强度较高的钢板较为合适;② 摩擦速度越大带给橡胶果的能量越多,但是相同行程下碾搓时间也会变短。从节约能量和增加机器寿命角度考虑,可以适当降低摩擦速度,但摩擦速度不能过低,以免脱壳时间过长。取46 mm/s左右较为合适;③ 压力越大,脱壳率越高,是因为压力越大,作用在橡胶果壳上的压应力越大,而且摩擦力也会增加,所以该因素对脱壳率的影响最大。但压力不能过大,否则将损伤果仁。取700 N较为合适。

4 结论

(1) 随着摩擦板摩擦速度增大,脱壳率呈现先增大后降低的趋势。挤压压力越大脱壳率越高,二者呈现较好的线性关系。但压力不能过大,以免损伤果仁,不利于后续橡胶果仁价值的利用。摩擦板面材料为钢板时的脱壳率明显高于其他3种材料,进一步优化设计脱壳机时应使用硬度较高的钢板或更高硬度的材料进行碾搓。也可在摩擦表面增加花纹以增大摩擦系数。

(2) 对于橡胶果壳脱壳率的主要影响因素从大到小依次为挤压压力、摩擦板面材料、摩擦板摩擦速度。橡胶果壳最高脱壳率组合为摩擦板面材料为钢板,摩擦速度46 mm/s,挤压压力700 N,该条件下脱壳率为81.8%。

(3) 试验结果为后续研制高效率的橡胶果脱壳机械提供基础数据。由于机器设计优化后面向工业生产,所以本次试验未将橡胶果本身的尺寸大小和球度等作为影响因素,而是统一面向各种物理特性的橡胶果。对于本试验未涉及到的影响因素,可在后续的研究中加以补充。

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Experimental Study on Extrusion-grind Rubber Fruit Shell

(InstituteofElectricalandMechanicalEngineering,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China)

In order to research the change rules of rubber fruit shelling efficiency with the related parameters and determine the optimum conditions of shelling efficiency, a rubber fruit shelling test machine was developed according to the principle of extrusion-grind. By using the single factor and orthogonal tests to analyze the influence rules of shelling rate with different extrusion pressures, friction velocity and material, and the optimal operating parameters of the machine was found. The results were as follows. With the increase of friction velocity, shelling rate firstly increased and then decreased, and it increased linearly with the increase of extrusion pressure. Moreover, it was also found that the shelling rate gradually reduced, when friction material were steel, plastic, wood, rubber. The influence factors of rubber fruit shelling rate from high to low in order were extrusion pressure, friction material, friction velocity. When it worded with extrusion pressure at 700 N, friction speed at 46 mm/s, with steel friction material, the shelling rate reached 81.8%. The results could provide test bases for the whole design of rubber fruit sheller.

rubber fruit; shelling rate; extrusion-grind

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.04.020

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