椰子滾切式剝衣機(jī)的設(shè)計(jì)

張浩棟 張 燕 梁 棟

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228）

椰子屬棕櫚科椰子屬單子葉多年生常綠喬木，是一種典型的熱帶木本油料作物［1］。椰衣表皮厚1～2mm，它是由革質(zhì)粗纖維組成，強(qiáng)度大，韌性強(qiáng)，木質(zhì)素含量較高［2］。椰衣纖維堅(jiān)韌而富有彈性，耐腐蝕，具有較高商業(yè)價(jià)值［3］。目前海南省有椰子加工企業(yè)近300家，但是大部分企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)薄弱，產(chǎn)品加工的機(jī)械化水平較低，難以提高經(jīng)濟(jì)效益和資源利用率［4］。

對此，國內(nèi)外很多相關(guān)機(jī)構(gòu)和人員都在從事這方面的研究，也取得了一些成果。比如，有用三角錐型齒剝殼機(jī)構(gòu)以拉扯方式將椰皮撕裂后，又改用高速旋轉(zhuǎn)的盤刀以切削方式對椰皮進(jìn)行破壞的剝衣機(jī)，剝衣率僅為57．3%［5］；有利用高速旋轉(zhuǎn)盤刀切削破壞椰衣，殘余的果皮纖維再通過旋轉(zhuǎn)的網(wǎng)絲輪加以去除的旋切式剝衣機(jī)和基于對椰子的幾何、物理機(jī)械特性的研究后用帶釘齒的雙齒輥并壓框?qū)崿F(xiàn)剝衣的新式設(shè)計(jì)剝衣機(jī)，剝衣率都約為85%［3］，但剝殼后椰衣纖維被嚴(yán)重破壞，產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值減少；有利用六角刀具扎入椰衣旋轉(zhuǎn)剝開椰衣的自動(dòng)剝衣機(jī)［6］，但是裝夾椰子操作復(fù)雜，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

以上的椰子剝衣機(jī)，雖然都實(shí)現(xiàn)了對椰衣的剝除，但剝衣效果差異較大，都有不同程度的缺陷，相對市場化還有很遠(yuǎn)的距離。所以海南的大部分椰子產(chǎn)品還是采用傳統(tǒng)的手工或者半手工的方式加工，這種方式工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、安全性差，極大地制約了椰子產(chǎn)業(yè)化、商品化的發(fā)展［7］。研究設(shè)計(jì)一種綜合考慮上述諸多剝衣缺陷的新型高效剝衣機(jī)是椰子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的急需解決的問題。

1 剝衣方法、剝衣原理及工作過程

1．1 剝衣方法

目前國內(nèi)外椰子剝衣機(jī)的研究成果主要集中在機(jī)械剝衣上，并配以電動(dòng)或者液壓系統(tǒng)以提高工作效率。這些剝衣機(jī)械刀具運(yùn)轉(zhuǎn)方法大體分為3 類，其中基本以旋轉(zhuǎn)切削為主，運(yùn)動(dòng)曲線比較規(guī)則。由于椰子并非標(biāo)準(zhǔn)球形，所以椰子切削受力不均，椰子剝殼率和內(nèi)果損傷率提高不大。其次刀具以雙齒輥式多次撕扯切削，很容易破壞椰衣纖維；而且刀具以扎入式旋轉(zhuǎn)的方法剝衣，椰子需裝夾固定，生產(chǎn)效率較低。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)釘板滾切式揉搓剝衣的新型方法，椰子的大小不同落入釘板的位置則不同，然后還以高壓空氣吹掃作為輔助剝衣，綜合有效地解決了上述剝衣方法中出現(xiàn)的問題和缺陷。

1．2 剝衣原理

起初投入的椰子落在傾斜的剝衣頂板上，由刀片接觸支撐，然后左側(cè)豎直釘板沿X 向運(yùn)動(dòng)適當(dāng)距離使刀片扎入椰子，右側(cè)傾斜釘板沿Y 向運(yùn)動(dòng)使兩個(gè)釘板上的刀片滾切揉搓椰子，Y 向移動(dòng)超過普通椰子半周的適當(dāng)距離。然后返回，并且右側(cè)傾斜頂板可以根據(jù)剝衣效果適當(dāng)重復(fù)Y 向的移動(dòng)，期間扎入椰衣的刀片便會(huì)如人工剝衣一樣把椰衣撬開剝除。由于椰衣纖維的連著性，所以沒有被刀片扎到的小部分椰衣也會(huì)被連帶撕掉。同時(shí)氣道中吹出高壓氣體將椰子上面粘連的一些纖維碎屑吹掃干凈，達(dá)到輔助剝衣的效果。之后左側(cè)釘板退回適當(dāng)?shù)木嚯x，椰子靠重力落下，離開剝衣釘板?；畎逶趶椈傻淖饔孟聫?fù)位，把刀片上可能纏裹的椰衣纖維推離刀片，和高壓氣體協(xié)同保持刀片潔凈干燥不被腐蝕，以利于下一個(gè)剝衣過程。工作原理示意圖見圖1。

圖1 剝衣原理示意圖Figure1 Principle of stripping

1．3 工作過程

當(dāng)椰子剝衣機(jī)開始工作時(shí)，首先開啟高壓空氣把剝衣釘板吹掃干凈，之后椰子從上方投入兩個(gè)剝衣釘板之間，然后通過伺服電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)及螺桿的傳動(dòng)，使得左側(cè)豎直釘板和右側(cè)傾斜釘板依次移動(dòng)。椰子被剝除干凈后，左側(cè)的剝衣釘板退回。光滑的椰子落到過濾網(wǎng)上，滾落下來，方便工人收集。被剝除的椰衣會(huì)透過過濾網(wǎng)落入下面的皮屑收集箱中，保證了操作車間的整潔。然后兩個(gè)釘板復(fù)位，進(jìn)入下一個(gè)剝衣過程。這樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)剝衣過程，較高的實(shí)現(xiàn)了椰子剝衣的要求，是一種質(zhì)量、效率都較高的可行方案。具體剝衣的工作過程見圖2。

圖2 剝衣機(jī)的工作過程Figure2 Work process of decorticator

2 椰子剝衣機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及功能

2．1 基本結(jié)構(gòu)

剝衣機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖見圖3。

圖3 剝衣機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖Figure3 Decorticator’s structure diagram

2．2 剝衣釘板

剝衣釘板部分主要包括釘板、兩側(cè)護(hù)板、刀片、活板、內(nèi)孔氣道、擋塊。釘板大小約50cm×50cm。釘板由鋼板加工而成，工作表面鑲?cè)胩刂频牡镀?。釘板前邊用彈簧?lián)接活板，活板中間開有高壓氣道，表面開有氣孔。孔與孔之間、刀片與刀片之間都間隔3cm 左右。釘板背面上接絲杠裝置，活板下邊接高壓送氣裝置。當(dāng)切削完畢，椰子離開釘板，活板通過彈簧彈力復(fù)位，把少量纏裹在刀片上的椰衣纖維推離刀片，然后由高壓氣體吹掃干凈。

剝衣釘板兩側(cè)有護(hù)板，以防止椰子或椰衣碎片意外飛出。護(hù)板上有擋塊，調(diào)整擋塊位置，可以限定活板活動(dòng)范圍，進(jìn)而決定刀片剝衣時(shí)的切入深度。為了縮減釘板的大小和行程，兩塊頂板錯(cuò)開放在機(jī)架上，并且為了釘板運(yùn)行平穩(wěn)，頂板的底部連有滑塊，可以在機(jī)架的滑軌上滑動(dòng)。同時(shí)為了最大面積的接觸剝除椰衣，左側(cè)釘板豎直放置，右側(cè)釘板傾斜放置，并且傾斜角度可以通過后邊的斜度調(diào)節(jié)旋鈕適當(dāng)調(diào)節(jié)，與護(hù)板的擋塊配合，可以滿足不同品種、形狀差異較大的椰子剝衣。剝衣釘板主視圖見圖4（圖中結(jié)構(gòu)組成未按實(shí)物比例畫出）。

圖4 釘板位置及結(jié)構(gòu)簡圖Figure4 Board’s location and structure diagram

2．3 刀片

剝衣釘板上的刀片，設(shè)計(jì)為劍尖型，寬1cm 左右，高10cm 左右，這樣可以方便活板的調(diào)節(jié)且兼顧了刀片的強(qiáng)度。刀片形狀見圖5。

圖5 刀片形狀Figure5 The shape of the blade

2．4 絲桿過載保護(hù)裝置

由于椰衣和椰殼的硬度有一定差距，所以伺服電動(dòng)機(jī)和絲杠之間由過載保護(hù)裝置聯(lián)接，從而保證椰果不被損壞和剝衣機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)從左到右由螺旋形端面齒傳遞，過載時(shí)扭矩增大將克服彈簧彈力使保護(hù)裝置左右分離［8］。工作原理圖見圖6。

圖6 過載保護(hù)裝置工作原理Figure6 Work principle of overload protecting device

2．5 高壓氣罐

高壓氣罐裝于機(jī)架下部，以節(jié)省空間，為釘板提供高壓空氣，從而把未被剝除干凈的皮屑吹除掉，同時(shí)與活板協(xié)同作用，保證刀具的干燥和光潔，以利于不間斷切削。

2．6 其它

剝衣釘板下部裝有過濾網(wǎng)和皮屑收集箱，以實(shí)現(xiàn)椰子和椰衣的分離收集。

傾斜頂板后邊裝有斜度調(diào)節(jié)旋鈕，可以根據(jù)加工椰子的品種差異造成的形狀和硬度不同，手動(dòng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到最佳剝衣面積。

3 主要技術(shù)參數(shù)

利用機(jī)械和電動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制工作，該設(shè)備配備總動(dòng)力為3kW。對由于椰子品種差異和含水量造成的形狀、硬度不同的，本椰子剝衣機(jī)均能調(diào)整適用。根據(jù)工人操作的熟練度，該剝衣機(jī)每小時(shí)可剝衣280～350個(gè)。其中一次剝衣率在90%以上，椰果損傷率在5%以內(nèi)，剝衣干凈，并最大程度保證了椰衣纖維的完整性。

4 結(jié)束語

基于海南椰子剝衣的需求，提出了一種新型剝衣機(jī)的設(shè)計(jì)，其中著重介紹了椰子的剝衣原理及主要結(jié)構(gòu)和部分部件的設(shè)計(jì)。由于結(jié)合機(jī)械剝衣和高壓氣體輔助剝衣，可以達(dá)到較好的剝衣效果。仿照手工剝衣的設(shè)計(jì)，使本椰子剝衣機(jī)能降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、有效緩解勞動(dòng)力緊缺、提高工人勞動(dòng)安全性。使椰子剝衣更加干凈有效、極大地降低生產(chǎn)成本，為后續(xù)的椰子加工提供足夠的原材料，使椰子加工的產(chǎn)業(yè)化、自動(dòng)化程度加大，帶動(dòng)椰子企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)椰子的種植生產(chǎn)和椰子食品的擴(kuò)展。不過，本剝衣機(jī)未能實(shí)現(xiàn)剝衣的全面自動(dòng)化，對操作工人來說還是有一定的工作強(qiáng)度；其次，本剝衣機(jī)也只是解決了椰子外衣的剝除問題，對于堅(jiān)硬椰殼的剝除還需更深的研究。

1 廖明保，潘友仙，黃文強(qiáng)．海南椰子產(chǎn)業(yè)的實(shí)證分析［J］．技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理研究，2005（6）：76～77．

2 李秀娟，李小慧．新鮮椰子的綜合加工［J］．食品科技，1999（1）：47～49．

3 王旺平，李詩龍，劉曉艷．椰子剝殼機(jī)的研制［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2011（7）：179～181．

4 夏秋瑜，李瑞，趙松林，等．椰子的利用價(jià)值及綜合加工技術(shù)［J］．中國熱帶農(nóng)業(yè)，2007（3）：37～38．

5 陳秀文，謝俊夫，陳和賢．椰子剝殼機(jī)構(gòu)之研制［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)刊，2006，15（3）：23～32．

6 肖仁鵬，馬鑫，劉四新，等．椰子自動(dòng)剝衣機(jī)的設(shè)計(jì)［J］．食品與機(jī)械，2012，28（1）：142～143．

7 梁棟．椰青加工技術(shù)的現(xiàn)狀及對策［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械，2009（18）：59～60．

8 賈亞洲．金屬切削機(jī)床概論［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：58～59．