食用檳榔切片機(jī)的設(shè)計(jì)

陳陽 陳致水

摘要：目前檳榔（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．）的切片主要依靠手工操作，加工效率低下，產(chǎn)業(yè)得不到很好發(fā)展，究其原因是檳榔的果肉纖維與種子的連接層致密，分離很困難。設(shè)計(jì)了一臺(tái)將檳榔果肉均勻切片，并盡可能保持種子完好，且能實(shí)現(xiàn)種子果肉與種子自動(dòng)分離的切片機(jī)，重點(diǎn)分析了關(guān)鍵部件及其參數(shù)。檳榔切片機(jī)的成功應(yīng)用可有效解決檳榔收獲后的加工問題，提高中國檳榔主產(chǎn)區(qū)農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入和種植檳榔的積極性，促進(jìn)當(dāng)?shù)貦壚飘a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：檳榔（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．）；切片機(jī)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：ＴＳ２５５．３５；Ｓ７９２．９１文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０12）16－3615-04

Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｄｉｂｌｅ Ａｒｅｃａ Ｓｌｉｃｅｒ

ＣＨＥＮ Ｙａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｚｈｉ－ｓｈｕｉ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｉｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｉｋｏｕ ５７０２２８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｒｅｃａ（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．） ｗａｓ ｍａｉｎｌｙ ｓｌｉｃｅｄ ｍａｎｕａｌｌｙ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， ｗｈｉｃｈ ｂｌｏｃｋｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｒｅｃａ ｉｎｄｕｓｔｒｙ． Ｔｈｅ ｄｅｎｓｅ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｌｅｓｈ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｓｅｅｄ ｗａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｏｆ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ． Ａ ｓｌｉｃｅｒ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｓｌｉｃｅ ｔｈｅ ａｒｅｃａ ｆｌｅｓｈ ｅｑｕａｂｌｙ ｗｈｉｌｅ ｋｅｅｐｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｅｄｓ ｉｎｔａｃｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｅｓｈ ａｎｄ ｓｅｅｄ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｅｃａ ｓｌｉｃｅｒ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ａｒｅｃａ ｐｏｓｔ－ｈａｒｖｅｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｉｍｐｒｏｖｅ ｆａｒｍｅｒｓ ｉｎｃｏｍｅ ｉｎ ｍａｉｎ ａｒｅｃａ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏｃａｌ ａｒｅｃａ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｒｅｃａ（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．）； ｓｌｉｃｅｒ； ｄｅｓｉｇｎ

檳榔（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．）為棕櫚科常綠喬木，是中國四大南藥之一。檳榔全身都是寶，其有效成分主要為檳榔堿，具有固齒殺菌、健胃驅(qū)寒、消化積食、去水腫以及驅(qū)蟲等功能。完整的檳榔果實(shí)干制品稱為榔干，是中國海南、湖南、云南等地群眾咀嚼用嗜好品。目前中國國內(nèi)檳榔干果市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)，規(guī)模化的檳榔加工已成為擴(kuò)大檳榔種植面積、增加農(nóng)民收入的重要手段［１］。

利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)改進(jìn)檳榔的加工工藝是一種突破，加工后的檳榔果干可供人們?cè)谒募鞠碛茫诟懈?，便于保存；提煉出的檳榔精華可制成藥物用于治療疾病，又可作養(yǎng)生的補(bǔ)品，是居家旅行的必備良藥。隨著人們對(duì)檳榔認(rèn)識(shí)的逐步拓展，檳榔這一熱帶果品正逐步走向市場(chǎng)，并深受人們的喜愛，但其加工過程大多仍采用較為傳統(tǒng)的工序，對(duì)檳榔進(jìn)行切片去核這一部分還是以手工刀切為主。因檳榔果肉的纖維與其種子的連接非常緊密，且檳榔果實(shí)體積小巧，使得切片去核這一工序尤為困難和耗時(shí)。因此，目前在檳榔食用加工這一領(lǐng)域，生產(chǎn)率還比較低下，尚存在很大的發(fā)展空間。聯(lián)系目前檳榔果實(shí)在食品領(lǐng)域加工的生產(chǎn)現(xiàn)狀，可以得出一個(gè)結(jié)論，就是檳榔的果肉纖維與種子的分離困難是導(dǎo)致其生產(chǎn)滯后的一大主要原因。當(dāng)然，這也為目前的努力提供了方向。如何更好地把檳榔果實(shí)的種子和包裹種子的纖維組織分開，以便能充分利用檳榔的有效成分，并且能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化的生產(chǎn)是研究的主要方向。如果這一研究成果得以實(shí)現(xiàn)，其將成為檳榔加工史上的一大突破性飛躍，將使檳榔的加工工藝邁上一個(gè)新臺(tái)階。

１工作原理與總體結(jié)構(gòu)

１．１總體結(jié)構(gòu)

檳榔切片機(jī)由料斗、托盤、組合刀盤、沖頭等組成，其結(jié)構(gòu)見圖１。

１．２工作原理

將檳榔從送料斗送進(jìn)來后，放在固定成型刀具上用沖頭沖壓，沖頭可由氣缸控制，從上至下做沖壓動(dòng)作切分檳榔，切完后果肉與種子順著刀形分別進(jìn)入各自的出料裝置。

２主要工作部件及其參數(shù)的確定

２．１檳榔切片機(jī)單個(gè)刀具的設(shè)計(jì)

圖２為果肉與種子自動(dòng)分離式刀具的結(jié)構(gòu)，檳榔經(jīng)過這樣的刀具切分后，果肉會(huì)分成４瓣，球形種子也會(huì)與果肉分離，圖３和圖４分別模擬了切片后果肉的形狀和種子的效果。

２．１．１刀具承受總壓力的計(jì)算刀具承受的總壓力Ｆｄ為檳榔的重力Ｇｂ與沖頭沖壓時(shí)的沖壓力Ｆｃ之和，即Ｆｄ＝Ｇｂ＋Ｆｃ，通過查閱檳榔結(jié)構(gòu)相關(guān)資料和采樣統(tǒng)計(jì)得到，檳榔按照體積和質(zhì)量可分為大、中、?。硞€(gè)等級(jí)。大、中、小級(jí)別的檳榔質(zhì)量分別為大于８０小于等于１２０、大于５０小于等于８０、大于３０小于等于５０ ｇ。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)算，切分單個(gè)檳榔的平均沖壓力為１５０.0 Ｎ。且在計(jì)算Ｆｄ時(shí)，Ｇｂ應(yīng)取各種級(jí)別檳榔的最大重量，切大號(hào)檳榔的刀具應(yīng)能承受的壓力為Ｆｄ１＝（１．２＋１５０.0）Ｎ＝１５１．２ Ｎ；切中號(hào)檳榔的刀具應(yīng)能承受的壓力為Ｆｄ2＝（０．８＋１５０.0）Ｎ＝１５０．８ Ｎ；切小號(hào)檳榔的刀具應(yīng)能承受的壓力為Ｆｄ3＝（０．５＋１５０.0）Ｎ＝１５０．５ Ｎ。由此可知，刀具承受的總壓力大致為１５０ Ｎ。

２．１．２刀具尺寸的計(jì)算為提高切分的精確度，設(shè)計(jì)出３種更為合理科學(xué)的與檳榔等級(jí)對(duì)應(yīng)的刀具。通過查閱檳榔的相關(guān)資料可知，檳榔一般分為３類，按果實(shí)橫徑分為短（＜２０ ｍｍ）、中（２０～４０ ｍｍ）、長(zhǎng)（＞４０ ｍｍ）；按果實(shí)縱徑分為短（＜３０ ｍｍ）、中（３０～６０ ｍｍ）、長(zhǎng)（＞６０ ｍｍ）；用游標(biāo)卡尺測(cè)量每粒種子的縱徑作為種子長(zhǎng)度，計(jì)算平均值，按種子長(zhǎng)度分為短（＜１５ ｍｍ）、中（１５～３５ ｍｍ）、長(zhǎng)（＞３５ ｍｍ）。

為確保在沖頭沖壓時(shí)，檳榔能保持穩(wěn)定，需要增加刀具的外筒長(zhǎng)度，如圖５所示，△ｈ即為增加的刀筒長(zhǎng)。

△ｈ≥1/2 h檳榔時(shí)，才可使檳榔在切壓過程中重心保持穩(wěn)定，確定△ｈ為６０ ｍｍ。

根據(jù)圖５刀具外筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)刀具應(yīng)計(jì)算的參數(shù)有刀具總長(zhǎng)ｈ、增加的刀筒長(zhǎng)△ｈ、刀片部分的長(zhǎng)度ｈ刀，滿足ｈ＝△ｈ＋ｈ刀，刀具圓柱筒外徑ｄ外、刀具圓柱筒內(nèi)徑ｄ內(nèi)。

根據(jù)檳榔果肉和種子的不同尺寸，可計(jì)算出３種型號(hào)的刀具。大刀尺寸為ｈ＝１４０ ｍｍ，△ｈ＝６０ ｍｍ，ｈ刀＝８０ ｍｍ，ｄ外＝６０ ｍｍ，ｄ內(nèi)＝３５ ｍｍ；中刀尺寸為ｄ外＝４０ ｍｍ，ｄ內(nèi)＝２５ ｍｍ；小刀尺寸為ｄ外＝２０ ｍｍ，ｄ內(nèi)＝１５ ｍｍ。此外，考慮到加工的方便，中刀和小刀的其他尺寸設(shè)計(jì)成與大刀的一樣。

２．２組合刀盤的設(shè)計(jì)

為提高切片效率，將３種型號(hào)的刀具并排組合成一套刀具，材料為不銹鋼１Ｃｒ１８Ｎｉ９，刀筒之間用鋼板焊接而成（圖６），進(jìn)料口用３種對(duì)應(yīng)型號(hào)的進(jìn)料管道分別往３種刀具上送入３種等級(jí)的檳榔，同時(shí)進(jìn)行切片作業(yè)。

為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，又將由３種型號(hào)組成的一套刀具制成相同的６套分布于同一圓周上，用鋼板焊連形成一個(gè)整體式的組合刀具盤（圖７）。在切片過程中，位于同一水平面上的６套刀具隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，以同一軸心按規(guī)律旋轉(zhuǎn)至沖頭正下方接受沖壓。

２．３切片機(jī)的沖頭設(shè)計(jì)

沖頭采用圖８所示的結(jié)構(gòu)。

２．３．１沖頭的材料和具體結(jié)構(gòu)形式?jīng)_頭的材料選用不銹鋼１Ｃｒ１８Ｎｉ９，由前面可知，沖頭的結(jié)構(gòu)和尺寸取決于刀具的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，組合刀具由大刀、中刀、小刀３種刀組合而成，則沖頭應(yīng)與之對(duì)應(yīng)有大沖頭、中沖頭、小沖頭。

２．３．２沖頭的工作行程ｈ沖結(jié)合切刀結(jié)構(gòu)形式和切刀尺寸可知，沖頭工作行程ｈ沖應(yīng)為沖頭上極限位置到刀具起切位置的距離（圖９），即ｈ沖＝Ｌ1＋△ｈ，Ｌ1為沖頭在上極限位置時(shí)與刀具的垂直距離，根據(jù)需要設(shè)定為７５ ｍｍ即可；△ｈ為增加的刀筒長(zhǎng)（圖５）。經(jīng)計(jì)算得，ｈ沖＝（７５＋６０） ｍｍ＝１３５ ｍｍ。

２．３．３沖頭工作部分尺寸的計(jì)算沖頭總長(zhǎng)度為Ｌ、仿形弧度為Ｒ仿、直徑為ｄ。大沖頭的ｄ大沖＝５８ ｍｍ，Ｌ大沖＝７０ ｍｍ，Ｒ仿大沖＝１００ ｍｍ，要求沖頭外形美觀，則將３種沖頭的總長(zhǎng)度Ｌ設(shè)計(jì)成同一種規(guī)格，即都為７０ ｍｍ。中沖頭的ｄ中沖＝３８ ｍｍ，Ｌ中沖＝７０ ｍｍ，Ｒ仿中沖＝７６ ｍｍ；小沖頭的ｄ小沖＝１８ ｍｍ，Ｌ小沖＝７０ ｍｍ，Ｒ仿小沖＝３０ ｍｍ。

２．４組合刀具的盤連軸設(shè)計(jì)

檳榔切片過程中，刀盤旋轉(zhuǎn)由伺服電機(jī)提供動(dòng)力和控制旋轉(zhuǎn)速度，使軸每１／６周定點(diǎn)停止。軸在旋轉(zhuǎn)過程中始終和刀盤是一個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的整體，既要承受刀盤的重力和沖頭沖壓檳榔時(shí)對(duì)刀盤的沖壓力，又要承受電機(jī)對(duì)軸的扭轉(zhuǎn)力。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇都要滿足一定的力學(xué)要求。

２．５進(jìn)料裝置的設(shè)計(jì)

通過切刀尺寸計(jì)算和組合刀具盤的設(shè)計(jì)計(jì)算可知，設(shè)計(jì)的主要思路之一是，檳榔的切片工序是用３種型號(hào)的切刀對(duì)應(yīng)切分３種等級(jí)的檳榔。因此，進(jìn)料裝置也相應(yīng)地設(shè)計(jì)成由３種對(duì)應(yīng)型號(hào)的進(jìn)料管道組成一套進(jìn)料裝置，一一對(duì)應(yīng)送料。

２．５．１進(jìn)料管道的材料和尺寸計(jì)算材料選用不銹鋼３０６，將進(jìn)料管設(shè)計(jì)成３類，分別按管徑的粗細(xì)稱作大管、中管、小管，與前面的大刀、中刀、小刀的刀筒直徑對(duì)應(yīng)。３種管道的管徑不同，其余參量均相同，用薄鋼板將之并排焊接而成。大管管徑ｄ大＝８０ ｍｍ，中管管徑ｄ中＝６０ ｍｍ，小管管徑ｄ?。剑常?ｍｍ（圖１０）。

２．５．２下料定量方案的設(shè)計(jì)對(duì)每種等級(jí)的檳榔切片只能單個(gè)進(jìn)行，這就要求下料時(shí)能夠使檳榔一個(gè)個(gè)地被送到刀具上。為此，采用兩個(gè)雙作用氣缸在一個(gè)控制器下做一進(jìn)一退的交替運(yùn)動(dòng)。如圖１１所示，Ａ缸位于上端，Ｂ缸位于下端，檳榔被Ｂ氣缸的活塞桿攔住。啟動(dòng)信號(hào)使氣缸Ａ的活塞桿伸出，氣缸Ｂ的活塞桿收縮，檳榔滾入對(duì)應(yīng)的刀具筒內(nèi)。

３結(jié)論

在完成對(duì)樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造后，對(duì)其檳榔切片性能進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)所采用的檳榔是采摘自海南省三亞市和陵水縣一帶的檳榔園。現(xiàn)場(chǎng)的大量切片試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器能夠有效地把檳榔均勻切成４瓣，并且完好地與種子分離，完好率可以達(dá)到７５％以上，而對(duì)于一小部分形狀怪異的檳榔，切完后，果肉當(dāng)中會(huì)含有部分切碎的種子，而對(duì)于這一部分的檳榔，可以事先通過篩選進(jìn)行分離，這樣的話，切片的效果會(huì)更好，完好率也會(huì)大為提高。

實(shí)現(xiàn)檳榔工業(yè)的自動(dòng)化是時(shí)代的需求和人類發(fā)展的必然，采用機(jī)器代替人工進(jìn)行檳榔的切片操作是行之有效的途徑，它既能提高加工質(zhì)量，又能明顯減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，從而大大降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因而，檳榔切片機(jī)的設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了檳榔加工的自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率，而且充分利用了檳榔的有效成分，為檳榔加工領(lǐng)域注入了一股新動(dòng)力，有著美好的應(yīng)用前景。

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