揉搓式豌豆脫皮機(jī)研究與設(shè)計(jì)

潘光杰 孫傳祝 張志杉 薛立橋

（山東理工大學(xué)精密制造與特種加工省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 淄博 255091）

揉搓式豌豆脫皮機(jī)研究與設(shè)計(jì)

潘光杰 孫傳祝 張志杉 薛立橋

（山東理工大學(xué)精密制造與特種加工省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 淄博 255091）

針對(duì)現(xiàn)有豌豆脫皮設(shè)備存在的脫皮率低、產(chǎn)量小，難以滿足規(guī)模企業(yè)生產(chǎn)要求等問題，對(duì)豌豆脫皮技術(shù)原理與方法進(jìn)行分析與研究，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種揉搓式豌豆脫皮機(jī)。介紹該脫皮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理，通過設(shè)計(jì)計(jì)算與分析，確定脫皮機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，分析影響豌豆脫皮質(zhì)量的因素。設(shè)計(jì)后的豌豆脫皮機(jī)脫皮方便、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、預(yù)期產(chǎn)量較大。

揉搓；脫皮機(jī)；豌豆；設(shè)計(jì)

豌豆又名荷蘭豆，是一種低脂肪、高蛋白的食物［1］。由于它價(jià)格低廉且加工與食用方式多樣，而逐漸受到人們的青睞。豌豆是中國(guó)重要的食用豆類之一，具有蔬菜、糧食、飼料和醫(yī)藥等多種用途，也是當(dāng)前中國(guó)粉絲生產(chǎn)行業(yè)的主要原料。在豌豆組織構(gòu)成方面，豌豆干物質(zhì)［2］主要由淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素和脂類所組成，其中豌豆淀粉除用于紡織、輕化、醫(yī)藥等工業(yè)外，它在食品中的重要用途是用來替代價(jià)格相對(duì)較高的綠豆淀粉加工粉絲和粉皮等。

目前，通常采用傳統(tǒng)的酸漿沉淀法［3］提取淀粉。這種方法將原料浸泡一定時(shí)間后便直接帶皮粉碎，造成后續(xù)的脫渣工序變得麻煩，并且粉碎后的豆皮極大地影響了淀粉質(zhì)量進(jìn)而降低了粉絲質(zhì)量。因此，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)粉絲的關(guān)鍵技術(shù)是將豌豆預(yù)先脫皮，以便于改進(jìn)粉絲生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)率。在豆類脫皮機(jī)械研究領(lǐng)域，周玉林等［4］基于對(duì)大豆物理特性的分析，利用大豆皮在超干狀態(tài)下，受拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用易破裂的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種大豆脫皮機(jī)，其脫皮裝置的壓力頭對(duì)大豆施加一定壓力，并且該壓力頭具有與壓力方向相垂直的速度，當(dāng)其應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時(shí)實(shí)現(xiàn)皮殼破裂與子葉脫離，該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、可靠，平均脫皮率達(dá)92%～98%，但受脫皮裝置限制，生產(chǎn)率較低。黃和祥［5］設(shè)計(jì)了一種豌豆剝殼機(jī)械，使豌豆依靠重力作用進(jìn)入由兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速不同的膠輥所構(gòu)成的剝殼工作區(qū)域，由于兩膠輥的線速度差而產(chǎn)生一對(duì)摩擦剪切力實(shí)現(xiàn)豌豆剝殼，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但受膠輥數(shù)量限制只能實(shí)現(xiàn)單次碾搓，因此無法保證實(shí)際生產(chǎn)對(duì)剝殼率和生產(chǎn)率的要求。

隨著豌豆需求量的日益增大，豆類淀粉行業(yè)急需一種能夠方便地將豌豆皮去除，且脫皮效果好的設(shè)備，以提高淀粉及粉絲的質(zhì)量。目前，常用的脫皮方法有借助粗糙面碾搓作用的碾搓法、借助打板高速撞擊作用的撞擊法、借助銳利面剪切作用的剪切法以及借助軋輥擠壓作用的擠壓法等［6］。本試驗(yàn)根據(jù)豌豆自身的特性及脫皮率、生產(chǎn)率等要求，采用碾搓法設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、實(shí)用、生產(chǎn)率高的揉搓式豌豆脫皮機(jī)。

1 結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

1.1 脫皮機(jī)理分析

豌豆經(jīng)適宜溫度水浸泡后送入脫皮區(qū)域（即彈性揉搓爪與滾筒之間的楔形空間）后，豌豆受到來自揉搓爪與滾筒之間的正壓力和摩擦力的共同作用。此作用主要由F1、F2組成的一對(duì)摩擦剪切力引起（見圖1），它們的產(chǎn)生及大小取決于揉搓爪與滾筒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及壓縮量等的變化。設(shè)任一位置A點(diǎn)揉搓爪的曲率半徑為r，滾筒的半徑為R，R＞r且滾筒中心O1與揉搓爪的曲率中心O2不重合，其偏心距為e。由此形成的楔形空間，加強(qiáng)了對(duì)豌豆的揉搓 效果。

圖1 脫皮原理分析簡(jiǎn)圖Figure 1 The diagram of peeling principle analysis

楔形空間內(nèi)A點(diǎn)的徑向間隙l為

則豌豆壓縮量Y為

式中：

d—— 豌豆直徑，m；

θ，α—— 位置角，°。

1.2 主要結(jié)構(gòu)

揉搓式豌豆脫皮機(jī)主要由行星傳動(dòng)裝置、內(nèi)壁設(shè)有螺旋狀棱骨的滾筒、鏈傳動(dòng)裝置、進(jìn)料斗、出料口及減速電機(jī)等組成（見圖2）。豌豆由進(jìn)料斗進(jìn)入滾筒后，在工作區(qū)域隨著滾筒、行星架、揉搓輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，其位置連續(xù)變化并作行星運(yùn)動(dòng)，同時(shí)壓縮量也在不斷變化。由于揉搓輥與滾筒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得夾在兩者之間的豌豆受到多次擠壓揉搓，最終因摩擦剪切力實(shí)現(xiàn)揉搓脫皮，脫皮后的豌豆由出料口進(jìn)入分離裝置。

圖2 揉搓式豌豆脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 2 The structure diagram of the knead－style peas peeling machine

驅(qū)動(dòng)裝置包括功率不同的兩臺(tái)減速電機(jī)，大功率減速電機(jī)與行星傳動(dòng)裝置的主軸連接，該主軸空套支承在固定的太陽(yáng)輪中心孔及右端軸承孔內(nèi)，兩行星架均固定在主軸上。行星軸兩端分別支承在兩行星架上，左端穿過行星架后，還裝有行星輪與太陽(yáng)輪嚙合。小功率減速電機(jī)聯(lián)接的傳動(dòng)軸上裝有鏈輪，通過鏈條與另一托輥同軸固定的鏈輪共同連接構(gòu)成鏈傳動(dòng)裝置。滾筒呈兩端敞開、內(nèi)表面設(shè)有棱骨的圓筒狀，在靠近進(jìn)料斗一端聯(lián)接有擋料板，外圓兩端通過滾輪承托在托輥上。行星軸的中部裝有揉搓輥，各揉搓輥圓周布置有彈性揉搓爪（見圖3），其彈性可以通過調(diào)整揉搓爪的材料及形狀確定。

圖3 揉搓輥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 3 The structure diagram of knead roller

1.3 工作原理

大功率減速電機(jī)在驅(qū)動(dòng)主軸及兩行星架、并帶動(dòng)行星軸和揉搓輥公轉(zhuǎn)的同時(shí)，行星軸和揉搓輥在行星輪與固定太陽(yáng)輪嚙合力的作用下，還做與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向相同的自轉(zhuǎn)。滾筒通過鏈傳動(dòng)裝置在小功率減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，朝著與行星架轉(zhuǎn)向相反的方向旋轉(zhuǎn)。打開進(jìn)料閘門，浸泡后的濕豌豆經(jīng)進(jìn)料斗進(jìn)入滾筒內(nèi)腔，由于與滾筒內(nèi)壁之間的摩擦力及物料自身離心力的作用，隨著滾筒壁向上做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于滾筒的旋轉(zhuǎn)方向與行星架、揉搓輥的旋轉(zhuǎn)方向相反，揉搓輥在對(duì)豌豆進(jìn)行反復(fù)揉搓的同時(shí)，將豌豆向相反方向抬起。與此同時(shí)，在整個(gè)揉搓過程中還伴隨著物料由自身重力造成的塌落現(xiàn)象。物料經(jīng)某個(gè)揉搓輥的揉搓作用后，分成左右兩部分，由于揉搓輥沿螺旋線分布，物料在經(jīng)過揉搓輥循環(huán)揉搓的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了向出料口方向的軸向輸送。除此之外，當(dāng)物料上升到一定高度，將沿著棱骨的方向下落，這對(duì)物料的軸向輸送起到了輔助作用。最后，依靠靠近出料口的最末揉搓輥的推移，物料間斷性地經(jīng)出料口流出。

1.4 特點(diǎn)

（1）行星架、揉搓輥與滾筒的轉(zhuǎn)速可通過兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置單獨(dú)調(diào)整，以得到較佳的揉搓效果。

（2）揉搓輥在隨著行星架公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著行星軸做旋轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相同的自轉(zhuǎn)，并且該轉(zhuǎn)向與滾筒的旋轉(zhuǎn)方向相反，加大了揉搓輥與滾筒之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，從而可以提高豌豆的脫皮效果。

（3）單條行星軸上的揉搓輥在軸上以等間距方式布置，而各行星軸上的起始揉搓輥順著行星架的旋轉(zhuǎn)方向在軸向間隔一個(gè)相等距離，因此所有揉搓輥便按照前后順序構(gòu)成了一條螺旋線，以便將物料朝著出料口軸向推移。

（4）合理配置滾筒轉(zhuǎn)向與滾筒內(nèi)壁棱骨的旋向，使得棱骨不僅能提高揉搓效果，還能產(chǎn)生對(duì)物料的輔助輸送作用。

（5）主軸貫穿滾筒兩端，同步驅(qū)動(dòng)兩個(gè)行星架，避免了由于揉搓阻力造成的各行星軸的扭曲。

（6）可根據(jù)豌豆的特性不同設(shè)定揉搓輥的數(shù)量，在保證良好的揉搓效果的同時(shí)，避免揉搓輥過少或冗余。

2 豌豆脫皮機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

影響豌豆脫皮質(zhì)量的因素很多：① 豌豆自身因素，包括品種、水分、籽粒大小、均勻度、飽滿程度、浸泡時(shí)間、浸泡水溫等；② 脫皮機(jī)參數(shù)，包括行星架、揉搓輥和滾筒的絕對(duì)轉(zhuǎn)速及相對(duì)轉(zhuǎn)速等。因此，應(yīng)根據(jù)豌豆淀粉生產(chǎn)企業(yè)所用原料的特點(diǎn)，對(duì)脫皮機(jī)各參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)地設(shè)計(jì)計(jì)算，才能得到較佳的脫皮效果。

2.1 功率計(jì)算

2.1.1 驅(qū)動(dòng)滾筒所需功率 脫皮過程中，驅(qū)動(dòng)滾筒所需的功率是在不斷變化的，當(dāng)有兩排揉搓輥處于工作狀態(tài)時(shí)其驅(qū)動(dòng)功率最大。此時(shí)，滾筒與揉搓輥之間的切向力Fq由兩排揉搓輥的揉搓力和另一排揉搓輥與滾筒之間的摩擦力兩部分組成，即Fq為

式中：

Frd—— 單排揉搓輥的揉搓力，N；

μ—— 摩擦系數(shù)，取μ＝0.1；

Ny——單排揉搓輥與滾筒之間的正壓力，N。

初步確定滾筒各有關(guān)參數(shù)后計(jì)算得，驅(qū)動(dòng)滾筒所需功率Pt≈0.31kW。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)主軸所需功率 由結(jié)構(gòu)分析可知，驅(qū)動(dòng)主軸所需的總功率Pz應(yīng)包括驅(qū)動(dòng)行星架回轉(zhuǎn)所需功率Pj、驅(qū)動(dòng)揉搓輥回轉(zhuǎn)所需功率Pr和揉搓輥抬高物料所需功率Pl。則根據(jù)上述受力分析，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算得：

Pz＝Pj＋Pr＋Pl＝ 0.881＋0.508＋0.809 ≈2.20（kW）

2.1.3 電動(dòng)機(jī)選用 本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置選用擺線針輪減速電機(jī)。由于本脫皮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在一定的載荷不穩(wěn)定性，并考慮到相應(yīng)的功率儲(chǔ)備，選用兩臺(tái)減速電機(jī)配備的電動(dòng)機(jī)分別為Y132S1－6和 Y90S－6，功率分別為3.0，0.75kW。

2.2 生產(chǎn)率計(jì)算

豌豆在一定水溫下浸泡至較佳的脫皮狀態(tài)后，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得干豌豆和濕豌豆的密度分別為ρ干＝835.0kg/m3和ρ濕＝700.6kg/m3。所測(cè)密度為松散狀態(tài)下的豌豆密度，即所測(cè)豌豆體積包括豌豆之間空隙的體積。

脫皮率達(dá)到要求的豌豆經(jīng)最后一個(gè)揉搓輥的推移作用脫離滾筒，進(jìn)入出料口，因此單位時(shí)間內(nèi)揉搓輥推移物料的次數(shù)與單個(gè)揉搓輥軸向推移物料質(zhì)量的乘積即為脫皮機(jī)生產(chǎn)率。由此計(jì)算得該揉搓式豌豆脫皮機(jī)的干、濕豌豆生產(chǎn)率分別為A干＝1 728.3kg/h，A濕＝3 697.8kg/h。

3 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種揉搓式豌豆脫皮機(jī)，其基本原理是利用行星架、揉搓輥在滾筒內(nèi)相對(duì)于滾筒轉(zhuǎn)向相反的公轉(zhuǎn)和揉搓輥的自轉(zhuǎn)，將夾在滾筒與揉搓輥之間的豌豆進(jìn)行反復(fù)揉搓。同時(shí)，采用在揉搓輥上設(shè)置彈性揉搓爪、在滾筒內(nèi)壁設(shè)置棱骨等措施，以提高脫皮效果；采用將揉搓輥按螺旋狀排列的方式，以實(shí)現(xiàn)物料的軸向輸送。設(shè)計(jì)后的豌豆脫皮機(jī)，解決了傳統(tǒng)的豌豆脫皮設(shè)備生產(chǎn)率和脫皮率低下的問題。不過，本設(shè)備只能對(duì)浸泡后的豌豆實(shí)施脫皮，而脫皮后的胚、皮分離技術(shù)和設(shè)備有待于進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)。

1 崔再興，李玲.豌豆的特征特性及開發(fā)利用價(jià)值［J］.雜糧作物，2010，30（2）：154～155.

2 李兆豐，顧正彪，洪雁.豌豆淀粉的研究進(jìn)展［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2003，29（10）：70～74.

3 王德培.綠豆和豌豆淀粉的分離方法及其品質(zhì)特性［J］.仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，9（2）：93～97.

4 周玉林，夏韌毅.大豆脫皮機(jī)原理［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，19（3）：72～74.

5 黃和祥.豌豆剝殼機(jī)械的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2005，124（2）：109～110.

6 張林泉，龔麗.剝殼機(jī)具的現(xiàn)狀及效果改進(jìn)方法的探討［J］.食品與機(jī)械，2006，22（4）：72～74.

Research and design on knead－style peeling machine of pea

PAN Guang－jie SUN Chuan－zhu ZHANG Zhi－shanXUE Li－qiao

（Shandong Provincial Key Laboratory of Precision Manufacturing and Non－traditional Machining，Shandong University of Technology，Zibo，Shandong255091，China）

In allusion to the available peas peeling equipment exist the problems that low peeling rate，small production，difficult to meet large－scale production requirements and so on，the principle and method of peas peeling technology were analyzed and studied.On this basis，designed a kind of knead type peas peeling machine.This text introduced the construction and characteristics about the peeling machine.Through the design calculation and analysis，the overall structure of the peeling machine was determined and the influence factors of peeling quality were analyzed.The designed peas peeling machine is peeling convenient，structure is relatively simple，expected output is bigger.

knead；peeling machine；pea；design

10.3969 /j.issn.1003－5788.2012.04.040

潘光杰（1990－），男，山東理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)在讀本科生。E－mail：pgj1990＠126.com。

孫傳祝

2012－02－17