全 文 ：包装与机械
2013年第24期
Vol . 34 , No . 24 , 2013
锥盘式刀豆脱壳机性能参数实验研究
李 君1，2，陆华忠1，2，*，杨 洲1，2，胡泽涵1
（1.华南农业大学工程学院，广东广州 510642；
2.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术，教育部重点实验室，广东广州 510642）
摘 要：采用响应面分析法对锥盘式刀豆脱壳机进行实验研究，建立了脱壳性能指标与各实验因素之间的回归模型。
回归模型的显著性检验结果表明，锥盘转速、出料口间隙对于剥净率和损伤率具有显著的影响，输送带速对剥净率和
损伤率影响不显著。对剥净率和损伤率的影响程度：锥盘转速＞出料口间隙＞输送带速。减小出料口间隙或增加锥盘
转速有利于提高刀豆的剥净率，增大出料口间隙或减小锥盘转速能够降低刀豆的损伤率。优化得到最佳脱壳作业参
数条件：输送带速为66.67mm/s、出料口间隙为17.5mm和锥盘转速为6.1r/s。优化条件下的实验结果与预测值接近，
剥净率为96.90%、损伤率为0.34%，验证了优化后的预测模型的正确性。为锥盘式刀豆脱壳机结构优化提供理论
依据。
关键词：刀豆，脱壳机，响应面分析法，优化
Experimental study on performance parameters of
conical Canavalia cracker
LI Jun1，2，LU Hua-zhong1，2，*，YANG Zhou1，2，HU Ze-han1
（1.College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China；
2.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment，Ministry of Education，
South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）
Abstract：The response surface methodology was used to design the experiments of the conical Canavalia
cracker. The relationship model was obtained to describe the individual and cumulative effect of independent
variables on the shelling performance response. The results of variance analysis showed that the cone speed
and delivery gap had significant impacts on the shelling efficiency and percentage damage. The feeding
speed had no influence statistically. The results illustrated that the cone speed made the strongest unique
contribution to the shelling efficiency and percentage damage，followed by the delivery gap and feeding
speed，respectively. It revealed that decreasing delivery gap or increasing cone speed resulted in increases in
shelling efficiency up to a certain limit. The results also indicated a significant decrease in percentage damage
with the increase of delivery gap or decreasing of cone speed. With optimization analysis，it was found that the
best operation conditions were at feeding speed of 66.67mm/s，delivery gap of 17.5mm and cone speed of
6.1r/s. The following test confirmed that the optimized prediction model was correct and obtained shelling
efficiency of 96.90% and percentage damage of 0.34%. The research results can offer important references for
the structure optimization of conical cracker for Canavalia.
Key words：Canavalia；cracker；response surface methodology；optimization
中图分类号：TS203 文献标识码：A 文 章 编 号：1002-0306（2013）24-0317-05
收稿日期：2013－06－21 * 通讯联系人
作者简介：李君（1978－），男，博士，副教授，研究方向：现代农业装备
与机械化。
基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金资助项目（CARS-33-13）。
刀豆为豆科刀豆属的栽培亚种，外形呈长条型
且硬荚，具有良好的药用和经济价值。近年来，随着
间套种技术在我国的广泛推广，刀豆的栽培面积增
长迅速，产业化前景广阔。目前，刀豆脱壳处理环节
依靠人工完成，劳动强度大，生产效率低下，难以满
足产业发展的要求，迫切需要发展与深加工相配套
的机械化脱壳装备。
国内外学者对带壳物料的脱壳方法与加工设备
开展了大量的设计与实验研究[1-10]。豆类脱壳机普遍
采用挤压法原理进行脱壳，豆籽在通过脱壳轧辊对
的间隙时因受到挤压而破壳挤出，挤压法适用于新
鲜软荚豆类物料[11]。刀豆荚壳坚韧且纵脊面结合力
大，挤压法无法使籽粒发生移动来撑开荚壳。为此，
陆华忠等[12]利用挤压和剪切复合产生撕搓效应的原
理，设计了一种齿形轧辊式刀豆脱壳机，工作时齿
形轧辊对反向转动并相互啮合，齿顶面、齿廓面与齿
槽表面共同形成一个由外到里逐渐减小的脱壳腔，
317
DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2013.24.081
Science and Technology of Food Industry 包装与机械
2013年第24期
使进入脱壳腔的刀豆荚果受挤搓而脱壳。实验结果
表明，齿形轧辊式刀豆脱壳机的脱壳效果良好，最佳
作业参数条件：刀豆品种为矮生刀豆、双辊转速
为25r/min、双辊间隙为18mm、辊面材料为橡胶[13]。立
式锥体脱壳结构具备有效利用面积高、生产率高的
特点，在花生脱壳加工中已经开始应用。石怀荣等[14]
基于螺旋运动送进、挤压碰撞渐进受力而使花生壳
体破碎的原理，设计出一种具有螺旋锥体式碎壳腔
型的花生碎壳机构，并构建了碎壳选择过程函数与
碎壳过程函数。刘明国[15]设计了一种倒锥形滚筒结
构的立式锥体花生脱壳机，锥形滚筒上安装有螺旋
橡胶筋条，筋条通过螺旋作用推动花生做向下螺旋
运动，实验表明机器的损伤率低、生产率高。陆华
忠等[16]设计了一种锥盘式刀豆脱壳机，通过挤压力、
摩擦力与剪切力的共同作用进行脱壳加工。
本文采用响应面分析法，对锥盘式刀豆脱壳机
进行性能参数实验研究，分析主要实验因素对脱壳
性能指标的影响关系以及实验因素之间的交互作
用，建立性能指标与各实验因素之间的关系方程，为
提高刀豆脱壳机的剥净率和降低损伤率提供理论
依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
矮生刀豆（Canavalia ensiformis） 取自华南农业
大学实验田，同一批储存样本，剔除杂质及破裂和未
达破壳干燥程度的荚果，整齐度较高。脱壳前将刀豆
按厚度进行分级，级差为2mm，含水率为17.6%。
DHG-9030（A）101-0A（S）型电热恒温鼓风干燥
箱 上海索谱仪器有限公司；ALC-210.3型电子天平
量程210g，测量精度1mg，北京赛多利斯仪器系统
有限公司；游标卡尺 测量精度0.02mm；锥盘式刀豆
脱壳机 华南农业大学自制；主电动机Y80M2-4，
380V，0.75kW，23.2r/s；V带减速比7∶2；变频器YQ3000；
轴流风机EG-2A-2，0.18kW，46.7r/s，600~940m3/h；输
送带电动机5IK90RGU-CF，0.09kW，220V，调速范围
1.5~22.5r/s。
1.2 锥盘式脱壳机工作原理
锥盘式刀豆脱壳机包括喂料斗、上（定）锥型盘、
下（动）锥型盘、传动转盘、主轴、筛网、集料板、轴流
风机、主电动机、机架和输送带等，见图1。上、下锥型
盘结构如图2和图3所示。上锥型盘固定在机架上，下
锥型盘在传动转盘与减速V带的带动下进行旋转运
动，锥角大小的不同促使两锥型盘组成的脱壳区域
由上往下逐渐变窄。上、下锥型盘的内、外锥面均匀
分布有肋条，肋条将盘间空隙分成若干脱壳腔体，用
于撞击、挤压和撕搓物料。随着下锥盘的旋转，脱壳
腔体沿锥盘纬圆方向的宽度会周期性交错变小。
工作时，输送带将刀豆荚果送至脱壳机上部，使
其顺着斜置的导料板落入喂料口，进入两锥型盘间
的脱壳区域后，在自身重力、转盘提供的向心力作用
下，豆荚沿着锥型盘的脱壳区域自锥盘素线向下滑
动，下落过程中还受到锥面、肋条的摩擦力、挤压力
和剪切冲击力。脱壳后的豆仁与荚壳从锥型盘底部
的出料口落至筛网上，豆仁透过筛网进入集料板，荚
壳在轴流式风机的作用下从一侧分离出来。
1.3 实验方法
1.3.1 实验因素与指标 选取输送带速、出料口间
隙和锥盘转速作为实验因素，以剥净率和损伤率为
脱壳效果的实验指标。参照NY/T 994-2006[17]，实验
指标的计算公式为：
B（%）= WW+WP+WS
WW+WP+WS+WB
×100 式（1）
S（%）= WS
WW+WP+WS
×100 式（2）
图1 锥盘式脱壳机结构
Fig.1 Structure of conical cracker
注：1.轴流风机，2.六角螺栓，3.角钢，4.电机带轮，5.六角螺栓，
6.六角螺母，7.垫片，8.主电动机，9.机架，10.上锥型盘，11.下锥
型盘，12.主轴，13.深沟球轴承，14.六角螺栓，15.垫片，16.传动
转盘，17.转盘带轮，18.斜锥滚子轴承，19.筛网，20.集料板。
1
2
3
4
5
6
7
8 9 10 11 12
13
14
15
16
17
18
19
20
图2 上锥型盘
Fig.2 The top cone
注：1.喂料斗，2.肋条，3.锥型面。
覫412
覫10
10
1
2
3
120°
65°
40
0
30
0
5
图3 下锥型盘
Fig.3 The bottom cone
注：1.锥型面，2.肋条，3.轴承套。
覫300
覫386
65°
60°
1
2
3
覫40
覫55
覫86
30
0
240
3
10 2
0
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包装与机械
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Vol . 34 , No . 24 , 2013
差异来源 平方和 自由度 均方和 F值 p值 显著性
模型 948.63 9 105.40 7.90 0.0005 **
X1 17.22 1 17.22 1.29 0.2766
X2 233.48 1 233.48 17.49 0.0011 **
X3 519.01 1 519.01 38.88 <0.0001 **
X1X2 31.50 1 31.50 2.36 0.1485
X1X3 2.42 1 2.42 0.18 0.6773
X2X3 77.97 1 77.97 5.84 0.0311 *
X12 0.52 1 0.52 0.04 0.8465
X22 22.25 1 22.25 1.67 0.2192
X32 44.59 1 44.59 3.34 0.0906
残差 173.54 13 13.35
失拟值 28.46 5 5.69 0.31 0.8913
纯误差 145.08 8 18.13
总变异 1122.17 22
表3 剥净率的方差分析
Table 3 Variance analysis of shelling efficiency
注：p<0.01为极显著，用**表示；p<0.05为显著，用*表示；表4同。
式中，B—剥净率，%；S—损伤率，%；WW—完整
豆仁质量，g；WP—破碎豆仁质量，g；WS—损伤豆仁质
量，g；WB—未剥开刀豆荚果的豆仁质量，g。
1.3.2 实验设计与数据处理 为全面地分析各因素
的影响，减少实验次数，选用二次回归正交实验。对
于实验的安排，采用中心组合设计理论。根据锥盘式
刀豆脱壳机的实际情况和预实验效果，确定实验因
素和水平如表1所示。每次实验均采用20条刀豆荚果
进行脱壳实验，每个处理重复3次，取平均值。将实验
方案中（表2）的实验号按照随机抽取的方法安排实
验顺序，重复实验完成后将实验区内荚果和豆仁进
行整理，分别称量完整豆仁质量、破碎豆仁质量、损
伤豆仁质量和未剥开豆荚的豆仁质量，按照实验指
标的计算方法对本组实验的剥净率和损伤率进行计
算。调节实验因素值进行下一组实验，直至全部实验
完成。锥盘转速通过改变变频器的工作频率来调节
主电动机转速实现，输送带速采用调速器调整输送
带电动机转速的方式，出料口间隙通过调整上锥盘
导向螺栓的弹簧压缩量来实现。
1.3.3 统计分析与参数优化 采用Design-Expert 8.0
进行回归显著性分析、响应面曲线绘制以及实验参
数组合优化。软件寻优方法为期望函数法，约束条件
中各实验因素的水平值取值范围[-1.682，1.682]，在
剥净率和损伤率同等重要的基础上，要求响应值剥
净率最大化和损伤率最小化，进而找到最佳脱壳工
艺参数组合。
2 结果与分析
2.1 实验因素对脱壳性能指标的影响关系
二次回归正交实验结果如表2所示。
利用响应面分析方法，对表2进行统计分析，可
得刀豆剥净率、损伤率的回归方程分别为：
Y1=80.94 +1.12X1 -4.13X2 +6.16X3 -1.98X1X2 -
0.55X1X3+3.12X2X3-0.18X12+1.18X22+1.68X32 式（3）
Y2 =3.92 +0.24X1 -0.75X2 +0.81X3 -0.94X1X2 +
0.57X1X3-0.34X2X3-1.08X12+0.50X22-0.56X32 式（4）
对方程和回归系数进行统计检验，结果如表3和
表4所示。剥净率Y1方程显著性检验F=7.90，p=0.0005，
失拟性检验F=0.31为不显著，决定系数R2=0.8454；损
伤率Y2方程显著性检验F=12.61，p＜0.0001，失拟性检
验F=3.23为不显著，决定系数R2=0.8972。说明在实验
范围内，预测值与实测值拟合较好，可用此两模型对
剥净率和损伤率进行分析和预测。由于方程是经过
无量纲线性编码代换后所得，方程中各个回归项系
数已经标准化，因此，可通过直接比较其绝对值的大
小来判断因子的重要性。从线性项看，对剥净率的影
响程度X3→X2→X1依次递减，对损伤率的影响程度
X3→X2→X1依次递减。通过数学模型的回归系数显
著性实验可看出，锥盘转速、出料口间隙对于剥净率
和损伤率均具有极显著的影响，输送带速对剥净率
因素
水平
-1.682 -1 0 1 1.682
X1输送带速（mm/s） 57.83 75.00 100.00 125.00 142.17
X2出料口间隙（mm） 15.00 15.81 17.00 18.19 19.00
X3锥盘转速（r/s） 3.33 3.90 4.73 5.57 6.13
表1 实验因素与水平表
Table 1 Factors and levels of test table
实验号
因素 指标
X1 X2 X3
Y1剥净率
（%）
Y2损伤率
（%）
1 -1 -1 -1 79.24 2.03
2 -1 -1 1 89.12 2.45
3 -1 1 -1 70.04 1.72
4 -1 1 1 88.87 2.52
5 1 -1 -1 87.87 2.90
6 1 -1 1 92.02 7.34
7 1 1 -1 67.20 0.56
8 1 1 1 87.37 1.93
9 -1.682 0 0 79.28 1.21
10 1.682 0 0 84.12 0.78
11 0 -1.682 0 92.00 6.12
12 0 1.682 0 79.11 4.80
13 0 0 -1.682 77.69 1.23
14 0 0 1.682 96.20 3.66
15 0 0 0 81.17 3.48
16 0 0 0 83.66 4.36
17 0 0 0 82.02 4.76
18 0 0 0 84.32 3.90
19 0 0 0 77.47 3.05
20 0 0 0 77.20 4.23
21 0 0 0 88.83 3.93
22 0 0 0 77.07 3.99
23 0 0 0 76.27 3.52
表2 正交实验结果
Table 2 Results of orthogonal test
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差异来源 平方和 自由度 均方和 F值 p值 显著性
模型 55.58 9 6.18 12.61 <0.0001 **
X1 0.79 1 0.79 1.61 0.2274
X2 7.63 1 7.63 15.57 0.0017 **
X3 9.05 1 9.05 18.48 0.0009 **
X1X2 7.03 1 7.03 14.36 0.0023 **
X1X3 2.62 1 2.62 5.35 0.0377 *
X2X3 0.90 1 0.90 1.84 0.1977
X12 18.49 1 18.49 37.75 <0.0001 **
X22 3.95 1 3.95 8.06 0.0139 *
X32 5.07 1 5.07 10.36 0.0067 **
残差 6.37 13 0.49
失拟值 4.26 5 0.85 3.23 0.0685
纯误差 2.11 8 0.26
总变异 61.94 22
表4 损伤率的方差分析
Table 4 Variance analysis of percentage damage
和损伤率均影响不显著。锥盘转速与出料口间隙的
交互项对剥净率有显著的影响。出料口间隙与输送
带速的交互项、输送带速二次项、锥盘转速二次项对
损伤率均具有极显著的影响，输送带速与锥盘转速
的交互项、出料口间隙二次项对损伤率均具有显著
的影响，说明各因素与损伤率之间既存在二次非线
性关系，也存在交互作用。
根据实验数据作响应面图，分析输送带速、出料
口间隙和锥盘转速对刀豆脱壳率和损伤率的影响以
及影响显著交互项之间的交互效应。
由图4可知，在实验范围内，在输送带速为零水
平时，要保持相同的剥净率，若增大出料口间隙，则
相应的锥盘转速也要增加。说明前者对剥净率起抑
制作用，后者起促进作用。减小出料口间隙和增加锥
盘转速均有助于提高刀豆的剥净率。
由图5（a）可知，在实验范围内，在锥盘转速为零
水平的情况下，当出料口间隙在（-1.682，0）水平、输
送带速在（-1.682，0）水平区间内时，损伤率随着出
料口间隙的增大先减小后略有增加，但随着输送带
速的增大而增加。而当出料口间隙在（0，1.682）水
平、输送带速在（0，1.682）水平区间内时，损伤率随
着出料口间隙和输送带速的增大而减小。可知，增大
出料口间隙有助于减小刀豆的损伤率。
由图5（b）可知，在实验范围内，在出料口间隙为
零水平时，在不同水平的锥盘转速条件下，随着输送
带速的增大，损伤率呈先增加后减小的趋势。而在不
同水平的输送带速条件下，损伤率随着锥盘转速的
增大呈现先快速增加后趋于平缓的趋势。因此，降低
锥盘转速有助于减小刀豆的损伤率。
2.2 实验参数优化与验证
考虑到剥净率和损伤率的重要性，设重要程度
均为5，采用Design-Expert软件进行优化分析，可得
参数优化结果：当输送带速为-1.32（66.83mm/s）、出
料口间隙为0.39（17.46mm）和锥盘转速为1.65（6.11r/s）
时，最佳指标条件的预测值为剥净率96.66%、损伤率
0.32%。
为保证生产应用中脱壳机作业参数调整与操作
的可行性，将锥盘式刀豆脱壳机的最佳参数组合修
正为输送带速为66.67mm/s，出料口间隙为17.5mm，
锥盘转速为6.1r/s，在此条件下进行实验验证，3次重
复后得到指标的实验平均值：剥净率96.90%（实验结
果分别为95.8%，97.52%和97.31%），损伤率0.34%
（实验结果分别为0.28%，0.39%和0.35%）。优化工艺
条件下的预测值和实验平均值接近，可认为优化后
的预测模型是正确的。
3 结论
3.1 通过二次正交旋转组合回归实验设计方法建
立了实验指标与影响因素之间的回归数学模型，结
图5 各因素交互作用对损伤率的影响
Fig.5 Interactions between different parameters on
percentage damage
注：a：Y2=f（X1，X2，0）；b：Y2=f（X1，0，X3）。
损
伤
率
（
%）
X2：出料口间隙 X1：输送带速-1.68
a
损
伤
率
（
%）
b
-2
8
6
4
2
0
-0.84
0.00
0.84
1.68
-1.68
-0.84
0.00
0.84
1.68
-2
8
6
4
2
0
-4
X3：锥盘转速 X1：输送带速-1.68
-0.84
0.00
0.84
1.68
-1.68
-0.84
0.00
0.84
1.68
图4 剥净率响应面
Fig.4 The response curves of shelling efficiency
注：Y1=f（0，X2，X3）。
110
剥
净
率
（
%）
X2：出料口间隙
1.68
100
90
80
70
60
-1.68
-0.84
0.00
0.84
-1.68
-0.84
0.00
0.84
1.68
X3：锥盘转速
（下转第350页）
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Science and Technology of Food Industry 营养与保健
2013年第24期
果表明锥盘式刀豆脱壳机对含水率17.6%的矮生刀
豆进行脱壳时，剥净率范围为67.20%～96.20%，损伤
率范围为0.56%～7.34%。
3.2 对剥净率和损伤率的影响强度由锥盘转速→
出料口间隙→输送带速依次递减。锥盘转速、出料口
间隙对于剥净率和损伤率具有极显著的影响，输送带
速对剥净率和损伤率影响不显著。减小出料口间隙
和增加锥盘转速有助于提高刀豆的剥净率，增大出料
口间隙和降低锥盘转速有助于减小刀豆的损伤率。
3.3 按响应值剥净率最大化和损伤率最小化进行
优化，得到最佳脱壳工艺参数组合：输送带速为
66.67mm/s、出料口间隙为17.5mm和锥盘转速为
6.1r/s，优化工艺条件下对应的指标实验值：剥净率为
96.90%、损伤率为0.34%，与预测值误差很小。结果证
明了优化后得到的预测模型和工艺条件的可行性，
为刀豆脱壳机的改进设计以及生产加工提供了理论
依据。
参考文献
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况，本研究为其高效高值利用提供了科学依据。有关
高含量DHA/EPA甘油三酯型鱼油调节大鼠脂质代谢
的机理尚在进一步研究中。
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