陆 荣 ，刘志侠 ，高连兴 ，杨德旭

(1.沈阳农业大学 工程学院，沈阳 110161；2.辽宁生态工程职业学院，沈阳 110122)

花生是世界重要油料作物[1-3]，对世界粮食及食用油安全具有重要意义[4-6]。然而，花生是地上开花、地下结果的荚果类作物，不能直接收获花生果仁，因而用于榨油、食品加工和种子等的花生需先进行脱壳，但机械脱壳造成的果仁破损率普遍高于6%[7-10]。美国于20世纪初开始研究花生脱壳机并应用[11-16]，中国从20世纪50年代后期开始研究与应用[17-21]，商用花生脱壳机技术相对成熟，但是适于科研和品质检验的专用样本花生脱壳机研究进展相对缓慢。高连兴等[22-24]先后进行了锥滚筒脱壳原理、三滚式小区花生脱壳机、立式薄层花生脱壳装置和直立锥滚筒小区花生脱壳机等研究，但目前尚未有实用化的小区花生脱壳机应用。本研究在已有的直立锥滚筒小区花生脱壳机设计与试验[24]基础上，针对脱壳试验过程中发现的新问题及其理论分析结果，重新进行了主要参数的优化和新样机的验证试验。

1 总体结构原理及主要参数

立锥式小区花生脱壳装置及整机总体构成如图1，主要由花生荚果喂入装置、立锥式脱壳装置、气吸清选装置、电机、减速传动装置和组合式机架等构成。因整机呈直立状态，花生荚果的喂入、脱壳和清选等装置绕同一垂直轴自上而下顺序连接。脱壳装置主要由喂料斗、喂入量调节板、均布锥、均布导流片、立锥式脱壳滚筒（简称锥滚筒）及脱壳筋、立锥式凹板（简称锥凹板）、脱壳间隙调整连接盘、上盖和脱壳仓等构成。花生脱壳装置工作原理如图2，喂料斗中的花生荚果经过喂入量调节板落入到由均布锥、锥凹板筛上沿和脱壳机上盖构成的喂入室，在自身重力和均料锥及导流片作用下，均匀进入锥滚筒和锥凹板间的锥环形脱壳间隙上部；电机通过传动系统驱动锥滚筒旋转时，脱壳间隙中较大花生荚果开始受到脱壳作用，而较小花生荚果则继续向脱壳间隙较小的下部运动，在较小脱壳间隙处进行脱壳；由于脱壳棱筋随锥滚筒转动并呈螺旋线排列，对花生荚果施加脱壳作用的同时，也控制花生荚果沿轴向下移，从而防止花生荚果充满脱壳间隙，受到过大挤压作用。在部分花生完成脱壳、花生壳和果仁透过锥凹板后，喂入室的花生荚果再陆续进入脱壳间隙，从而实现花生荚果均布喂入与自调，减轻脱壳过程的花生挤压作用，降低花生脱壳损伤率。立锥式小区花生脱壳装置主要结构参数如图3，主要包括凹板筛半锥角α、脱壳棱筋螺旋升角（简称棱筋升角）β、锥环形脱壳间隙t1，t2及均料锥叶片数等。

图1 立锥式小区花生脱壳装置及整机结构Figure 1 Structural of peanut sheller with vertical tapered drum

2 脱壳装置参数优化及对比

已经完成的初步试验[33]表明，直立锥滚筒花生脱壳机具有显著特点：脱壳间隙利用率高、脱壳效率高；花生荚果绕垂直轴向下呈螺旋线运动、形成薄层流动脱壳；大、小花生荚果顺序脱壳，提高了花生脱净率并减轻脱壳损伤；喂入量对花生脱壳损伤和脱净率影响不显著，花生脱壳具有良好的自洁性能。直立锥式花生脱壳装置可满足小区花生批次数量多、花生脱壳量小、要求脱壳损伤和损失少、每次脱壳不能混杂、脱壳后清理方便等要求。但试验反应出的问题为：花生荚果轴向下移较慢，锥环形脱壳间隙上部脱壳强度较小，脱壳损伤尚未达到预期水平等。本研究针对上述问题，对脱壳装置关键部件进一步优化。

图2 立锥式小区花生脱壳装置工作原理Figure 2 Principle of plot vertical tapered sheller

图3 立锥式脱壳装置主要参数Figure 3 Parameters of shelling device

2.1 锥凹板结构参数的优化

锥凹板结构参数包括半锥角和结构尺寸。分析文献“直立锥式小区花生脱壳机设计与试验”[24]，其选取的花生荚果与锥凹板摩擦角24°，其对应的摩擦系数是没有外力作用的单层花生荚果与凹板筛摩擦系数，为一种理想摩擦状态。但实际脱壳过程中，喂入锥环形脱壳间隙、特别上部脱壳间隙中的花生荚果，较少能够沿锥凹板的单层喂入，花生荚果不仅与锥凹板接触，荚果之间也存在接触和摩擦，同时花生荚果也受到锥滚筒及其脱壳棱筋的挤搓和摩擦等作用。综合考虑各种摩擦关系，修正花生荚果与脱壳装置的综合摩擦角为φ=60°。根据式（1）初步计算锥凹板半锥角α为30°。

式中：α为锥凹板分锥度的半角（°）；μ为花生荚果与锥凹板和锥滚筒、花生荚果之间综合摩擦系数；φ为摩擦系数μ对应的摩擦角（°）。

锥凹板套装于锥滚筒外并形成相对运动的脱壳机构。为有效减小大花生荚果损伤并使小花生荚果脱壳，锥凹板栅隙随着脱壳间隙渐小而相应地变小，选取锥凹板上端和下端直径为480mm和140mm，高为300mm。选用圆钢筋为栅条按一定缝隙焊合成锥凹板。根据计算公式[24]：

式中：dp为花生荚果直径（mm）；dk为花生果仁直径（mm）；t为锥凹板栅隙（mm）。

选取锥凹板栅条直径为10mm，锥凹板栅条之间的上间隙为7～10mm、下间隙为6～9mm，一组4个级别的锥凹板，每个级别的栅隙相差1mm，可根据花生品种等荚果情况选用和及时更换。

2.2 脱壳棱筋参数的优化

锥滚筒上的脱壳棱筋直接对花生荚果施加作用，棱筋升角β既影响到荚果受力方向和大小，也控制脱壳间隙内物料的运动方向和速度。根据陆荣等[24]的研究，脱壳间隙中的花生荚果在自身重力、受到的向心力和摩擦力等作用下，以其能够沿轴向下滑为极限条件，得到β与锥凹板半锥角α、滚筒转速n、荚果与脱壳装置综合摩擦系数μ之间的关系为：

式中：m为花生荚果质量（g）；FJ为荚果所受脱壳棱筋的冲击力（N）。

棱筋升角β影响因素较为复杂，为利于充分脱壳，减小脱壳时花生荚果在脱壳间隙中的轴向下移速度，同时借鉴已有的初步试验结果，选取脱壳棱筋的螺旋升角β为45°。为减轻脱壳过程中对花生荚果的作用频率，将脱壳棱筋从6根减少至4根。脱壳棱筋仍采用柔性A型V带。

2.3 脱壳间隙与锥滚筒结构参数优化

环锥形脱壳间隙上大下小，顶部能容纳2～3层花生荚果，底部仅使单层果仁通过。在脱壳棱筋的导向作用下，方向随机的多层荚果在下落过程中方向逐渐向棱筋及筛条方向转变，逐渐形成薄层顺向脱壳。经过初期试验结果，选取最小脱壳间隙（即底部脱壳间隙）t1为10mm。为提高脱壳区间上部的脱壳效率，锥滚筒顶部棱筋处与锥凹板栅条间的法向距离（即顶部脱壳间隙）t2取3倍于t1，即30mm。为使花生荚果能够有效喂入至脱壳间隙中，锥滚筒高度需小于锥凹板高度，选取锥滚筒上端与下端直径为360mm和120mm，高为250mm。为适应不同品种，设计5种锥凹板及锥滚筒参数系列，底部脱壳间隙分别为8，9，10，12，14mm，顶部脱壳间隙分别为24，27，30，36，42mm。

2.4 均料锥的优化

均料锥起到使喂入的花生荚果顺利导入到脱壳室的作用。均料锥由薄钢板焊合而成，通过螺钉固定在锥滚筒上部，锥顶角为120°，锥面上均匀分布曲线形导流叶片。在滚筒旋转时带动均料锥等角速度旋转，花生荚果在接触均料锥叶片的瞬间获得很大的线速度从而偏离原始下路路径，弹至上盖内壁再落入脱壳室，部分荚果会落入脱壳室外而未能脱壳，严重降低脱净率，因此将导流叶片由原来的6个减少到4个，既起到引导荚果落入的作用又减少荚果飞溅。脱壳装置优化前和优化后的结构对比见图4，主要参数值对比见表1。

图4 脱壳装置优化前与优化后结构对比Figure 4 Main parts structures of sheller device before and after optimization

表1 优化前和优化后的主要参数值Table 1 Values of main parameters before and after optimization

3 优化后的脱壳装置性能试验

3.1 脱壳装置及整机试验样机

本研究研制的立锥式小区花生脱壳装置及脱壳机整机样机如图5，为了观察花生脱壳过程、特别花生荚果及其脱出物各种成分的运动规律，在脱壳装置的脱壳仓上开有透视口，可进行人工观示也可应用高速摄影仪进行观察。

3.2 试验设备及方法

除研制的脱壳装置样机外，主要试验设备有加拿大MREL公司生产的MotionMeter 1140-0002 500型高速图像采集仪、深圳市冠亚电子科技有限公司生产的SFY60型红外线快速水分测定仪以及DT2236型数显转数表、HT1000F型变频器和双杰牌电子秤等。试验在沈阳农业大学工程学院物料试验室进行，为提高试验结果对比性，新样机试验仍以辽宁省铁岭市昌图县付家镇主栽的“四粒红”品种为试验对象，进行脱壳试验。经粗略清选，选取长度为32～34mm，直径为8～12mm的花生荚果，试验时花生果仁含水率为9%～11%。结合小区花生脱壳量小、批次多的特点，每次试验的花生荚果总量约5kg，花生荚果喂入到喂料斗中，通过喂料调节板控制流量约0．5kg·s-1水平，调整最小脱壳间隙为8mm。脱壳试验过程中，观察花生荚果以及果仁等脱出物运动状况，同时用高速图像采集仪进行记录。每组脱壳试验结束后，分别挑选并计算脱壳果仁总质量、破损仁质量、未脱壳荚果质量，最后算得脱壳后的脱净率（y1）和破损率（y2）。为考察脱壳关键部件结构及参数对花生脱壳性能影响，以花生果仁损伤率和一次脱净率为试验指标，选取锥滚筒转速n、锥凹板半锥角α和棱筋升角β为主要试验因素。根据Box-Behnken Design（BBD）中心组合试验设计原理，进行三因素三水平因素编码（表3）。考虑试验因素间的交互影响，采用响应面分析法（RSM）进行试验设计与分析。

图5 优化后的立锥式小区花生脱壳机Figure 5 Plot peanut sheller with vertical tapered drum

表3 试验因素编码值Table 3 Factors and levels of test

3.3 试验结果与分析

脱壳前后的物料如图6，分选后损伤的花生果仁形态有果仁两瓣，和轻微子叶损伤（图7）。试验结果见表4，表中A、B、C代表试验因素锥滚筒转速n、锥凹板半锥角α和棱筋升角β，下方为因素编码值。

图6 四粒红脱壳前后物料Figure 6 The material after shelling—Silihong

图7 果仁损伤形态Figure 7 Damage kernel

3.3.1 脱净率及影响分析 经脱净率方差分析可知，脱净率模型p＜0.0001，表明脱净率与各因素回归方程的关系极为显著。脱净率与试验因素的回归关系为：

由图8可知，棱筋升角不变时，脱净率随转速的增大而增大，随半锥角的减小而增大后又减小；锥凹板半锥角不变时，脱净率随滚筒转速的增大而增大，随棱筋升角增加先增大后降低；在滚筒转速不变时，脱净率随着锥凹板半锥角和棱筋升角的增大先增大后降低。

3.3.2 破损率及影响因素分析 经脱净率方差分析可知，破损率模型p＜0.0001，说明破损率与各因素回归方程的关系极为显著。破损率与试验因素的回归关系为：

由图9可知，锥凹板半锥角不变时，破损率随滚筒转速的降低及棱筋升角增加而降低；在滚筒转速不变时，破损率随着锥凹板半锥角的增加而降低，随棱筋升角的增加而降低；棱筋升角不变时，破损率随滚筒转速降低及锥凹板半锥角增大而降低。

表4 试验方案与结果Table 4 Results of orthogonal experiment and analysis

图8 各试验因素对脱净率的影响Figure 8 Impact of test factors on removal rate

图9 试验因素作用对损伤率的影响Figure 9 Impact of test factors on breakage rate

3.4 工作参数优化

根据以上试验结果，以脱净率最大、破损率最小为优化目标，对相关脱壳参数进行优化，得到锥凹板花生脱壳机最佳性能参数为转速323.91 r·min-1、锥凹板半锥角为30°、棱筋升角为44.32°，此时花生脱净率为97.27%，破损率为2.20%。将优化后参数圆整为转速320r·min-1、锥凹板半锥角30°、棱筋升角45°，选择相应锥滚筒和锥凹板进行验证试验，重复3次，试验结果见表5。花生脱净率均值为97.34%，破损率均值为2.27%，验证试验的指标均值与优化预测值差异较小，结果优于行业标准[25]，达到比较满意程度。

表5 验证试验结果Table 5 Results of verification test

4 讨论与结论

专用于花生科研和花生品质检验的小型花生脱壳装置每次脱壳量小，但要求很高，包括对样本花生的精准脱壳，脱壳过程禁止样本混杂，以及减少种子资源浪费等。国内外的榨油、食品加工和种用的商用脱壳机技术虽已成熟，但主要以大型、卧式、多滚筒分级脱壳为主，脱壳效率高且果仁损伤率尚可接受，但不适宜科研和检验等样本花生脱壳。根据批次多、量小、要求高的科研和品质检验样本花生脱壳要求与特点，在初步研制的直立式锥滚筒小区花生脱壳样机及试验基础上，本研究进行了立锥式小区花生脱壳装置的优化与试验。

本研究针对直立式锥滚筒小区花生脱壳机存在的问题进行了综合分析并对脱壳装置主要结构进行了优化。优化后的锥凹板半锥角半角α为30°、脱壳棱筋螺旋升角β为45°、均布锥叶片为4个。在参数优化基础上研制新脱壳装置样机，以破损率和脱净率为指标，四粒红花生品种为试验对象，在0.5kg·s-1的喂入量、最小脱壳间隙为8mm条件下，以优化后的锥凹板半锥角、锥滚筒棱筋升角和锥滚筒转速为因素进行验证试验，并进行了响应面分析及双目标优化。研究结果表明，当脱壳滚筒转速为320r·min-1、锥凹板半锥角为30°、棱筋升角为45°时脱壳综合指标最优，脱净率为97．34%，破损率为2．27%，显著地降低花生果仁损伤率，并提高花生脱净率。由于具有自调喂入量、层流脱壳和花生荚果大小的自适应性等特点，优化后的立锥式小区滚筒脱壳装置可较好地满足小区样本花生脱壳要求。因试验条件和时间的限制，本研究仅为初步探索，有必要针对不同的花生品种、脱壳棱筋材料和结构、锥凹版结构型式等多种因素，进行更为深入的研究。