香榧去皮機研制與應(yīng)用

曾松偉，喻衛(wèi)武，姬長英，葉邦宣，肖慶來

香榧去皮機研制與應(yīng)用

曾松偉1，2,3，喻衛(wèi)武2，姬長英1，葉邦宣4，肖慶來4

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031;2.浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；3.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測與信息技術(shù)研究重點實驗室，浙江 臨安 311300；4.浙江省松陽縣林業(yè)局，浙江 松陽323400）

香榧Torreya grandis‘Merrillii’青果外有一層假種皮，香榧果仁加工需要去除假種皮。果農(nóng)大多采用堆漚腐爛手工脫皮法去除假種皮，這不僅效率低且腐爛的假種皮無法再利用，另外，假種皮腐爛污液滲入果殼而污染果仁，從而降低香榧的品質(zhì)與商品價值。為了提高香榧加工效率并充分利用其經(jīng)濟價值，研制一種香榧自動去皮設(shè)備具有很好的應(yīng)用前景。在測量了香榧物理等外形特性參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套去香榧假種皮設(shè)備并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計分析，并對產(chǎn)自浙江省紹興市、嵊州市和臨安市等的帶皮鮮香榧進(jìn)行了去皮實驗。結(jié)果表明：該設(shè)備生產(chǎn)效率較高，去除假種皮率達(dá)98.5%以上，果殼破損率小于1.5%。結(jié)果還表明：去除假種皮效果與香榧成熟度、電機轉(zhuǎn)速以及撥打橡膠條與外壁間距等有關(guān)。圖6表2參25

經(jīng)濟林學(xué)；香榧；去皮；加工；去皮率

香榧是Torreya grandis ‘Merrillii’屬紅豆杉科Taxaceae世界稀有經(jīng)濟樹種。香榧種子營養(yǎng)豐富，脂肪酸以亞油酸和油酸為主，不飽和脂肪酸占脂肪酸總量約80%；其種仁蛋白質(zhì)含量高，含有17種氨基酸，19種礦物元素［1］，也是一種名貴中藥材［2］。香榧種子外有一層很厚的肉質(zhì)化假種皮，約占種子鮮質(zhì)量的50%~60%。曾發(fā)現(xiàn)該植物中存在抗腫瘤和抗艾滋病毒活性成分［3］，含二萜類成分［4］、揮發(fā)油等26種芳香物質(zhì)，從香榧假種皮可獲蒸餾油2.0~3.0 g·kg－1［5］。自從20世紀(jì)80年代以來，中國眾多農(nóng)林專家、學(xué)者對香榧生境條件、空間分布、栽培、病蟲害發(fā)生與防治、果品成分及品質(zhì)等進(jìn)行了研究與開發(fā)，但是對香榧去假種皮及后期炒制加工方面的研究較少。目前，采收后脫除香榧假種皮的方法大多采用堆漚腐爛手工脫皮法，但由于香榧的形狀不規(guī)則、尺寸差異較大、果皮結(jié)合緊密等原因，這種加工方式費事費力而且變黃甚至腐爛的假種皮可能無法再利用而一直被作為廢物丟棄，既浪費了資源，又造成了環(huán)境污染，甚至有時由于污液滲入果殼而污染果仁，從而降低香榧的品質(zhì)與商品價值。因此，需要掌握香榧青果的物質(zhì)特性和參數(shù)，掌握去皮機制，從而設(shè)計制造香榧去皮設(shè)備并進(jìn)行試驗分析。

1 香榧去皮機制

農(nóng)產(chǎn)果品常見去皮方法有基于常規(guī)堆漚預(yù)處理的手工［6］、化學(xué)堆漚［7－12］及機械等［13－25］方法。目前，中國現(xiàn)有的香榧機械脫青皮法的專利有：專利號為201020556869.1的滾動式手搖香榧剝皮機。該方法使香榧通過筒體上的投料窗口輸入到滾筒內(nèi)，利用手搖傳動機構(gòu)帶動滾筒旋轉(zhuǎn)，使香榧在筒體與裝在筒體內(nèi)壁上的魚鱗刮擦檔之間不斷翻滾、撞擊、摩擦與撕裂，最終使果皮分離。專利號為201020132373.1的香榧剝皮機香榧通過進(jìn)料口加到上磨盤和小磨盤之間，然后利用下磨盤的長條狀孔和上磨盤的長條突塊作切削運動，從而達(dá)到去皮目的，切削下來的假種皮經(jīng)過下磨盤的長條狀孔掉到機座上用人工清除。這2種方法都有一定缺陷，沒有綜合考慮香榧品種、形狀、尺寸、殼厚、成熟度及含水率等因素對去皮效果的影響。

在掌握香榧青果的物質(zhì)特性基礎(chǔ)上進(jìn)行去皮物性分析，結(jié)果顯示：如果只施加擠壓力，則香榧青果假種皮不易脫離，且施力位置對去皮效果影響較大，而擠壓力較大時又造成香榧青果破損。如果只施加剪切力，去皮效果也不理想。但通過試驗發(fā)現(xiàn)沿青香榧的徑向和軸向2個不同方向同時施加擠壓和剪切力，結(jié)果比較理想。為此，提出如圖1所示的香榧去假種皮原型機。該機由電機、機座、香榧進(jìn)料斗、剝皮滾筒、動力軸筒、出料斗和螺旋輸送葉片等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要部件如圖2~5所示。香榧剝皮機機架（1）底部的電動機（2）通過帶傳動將動力由小帶輪（4）傳遞給大帶輪（6）。大帶輪與動力轉(zhuǎn)軸（16）通過平鍵聯(lián)接。動力轉(zhuǎn)軸總成通過軸頭兩端的軸承支撐座（10）安裝在機架上，采用動聯(lián)接。動力轉(zhuǎn)軸的右端焊接螺旋葉片（5），左端焊接有撥打筋板（15），撥打橡膠條（9）通過螺釘與撥打筋板聯(lián)接。去皮籠（8）同樣采用螺栓連接與機架聯(lián)接，該為靜聯(lián)接。去皮籠采用焊接件，由內(nèi)凸環(huán)（13）、普通圓環(huán)

圖1 香榧去皮設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Peelers structure diagram of Torreya grandis ‘Merrillii’fruits

圖2 動力總成結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure diagram of power shaft roller

圖3 去皮筒結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structure diagram of peeling roller

圖4 普通圓環(huán)Figure 4 Ordinary ring

圖5 內(nèi)凸環(huán)Figure 5 Inner convex ring

（14）及鋼架焊接而成，保證了去皮籠在撞擊工作過程的可靠性。

當(dāng)鮮青香榧從進(jìn)料斗（7），向下落入到旋轉(zhuǎn)的動力轉(zhuǎn)軸上后，利用螺旋葉片產(chǎn)生的動能傳遞到安裝在動力轉(zhuǎn)軸上的3個獨立撥打橡膠上，香榧被均勻的向出口端推送，當(dāng)鮮青香榧被運送到撥打筋板處時，由于鮮青香榧尺寸大于撥打橡膠條與去皮圓環(huán)之間的間隙，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時帶動鮮青香榧沿切線方向運動，香榧流在去皮筒上的撥打橡膠條與圓環(huán)（14）及內(nèi)凸環(huán)（13）之間受到由角度差、速度差及每個撥打橡膠條與圓環(huán)之間的空間弧形三角工作區(qū)所產(chǎn)生的擠壓力、摩擦力、剪切力的共同作用下將鮮青香榧假種皮剝離，達(dá)到去皮目的。香榧在搓剝過程中不間斷螺旋前進(jìn)，使其立體旋轉(zhuǎn)翻滾，達(dá)到均勻剝皮目的。剝下的皮層通過環(huán)間隙排出機外，尚未被搓剝掉的香榧皮層繼續(xù)受到搓剝并被分離。在去皮籠內(nèi)部的間隔環(huán)由于內(nèi)部的凸臺，能夠有效地增加與青香榧的碰撞力度，可以更有效去皮。該過程中撥打橡膠條撥打力通過橡膠得到緩沖，可以有效地減少香榧的破損率。

經(jīng)過上面的推送、撥打的過程，已剝離的香榧及青皮最后通過出料斗（12）滑落出剝離滾筒，為了避免出料時香榧及青皮的彈跳、飛落出口處的出料擋板（11）可以起到有效的阻擋作用。

2 香榧去皮機結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

2.1 進(jìn)料斗設(shè)計

設(shè)計進(jìn)料斗的出口尺寸需要根據(jù)生產(chǎn)率Q＝2 000 kg·h－1的要求。在此，假設(shè)鮮青香榧果被連續(xù)喂入，且將鮮青香榧果近似看作圓柱體，進(jìn)料斗尺寸為長130.0 mm，寬110.0 mm，進(jìn)料斗深度450.0 mm，單顆鮮青香榧質(zhì)量（6.640+1.310）g。則鮮青香榧子從進(jìn)入到進(jìn)料斗出口所需的時間根據(jù)自由落體公式：

計算得出：t＝0.092 s。因此，香榧生產(chǎn)率：

代入數(shù)據(jù)得：mn＝0.014 90 m2，取m＝130.0 mm，取n＝110.0 mm。

式（1）式（2）中：Q為生產(chǎn)率（kg·h－1）；m為進(jìn)料斗出口長度（mm）；n為進(jìn)料斗出口寬度（mm）；h為進(jìn)料斗深度（mm）；t為香榧從進(jìn)入到排出進(jìn)料斗所需時間（s）；a為香榧長軸長（mm）；b為香榧短軸長（mm）；M為單顆香榧質(zhì)量（kg）；ψ為香榧充滿系數(shù)，一般取0.3~0.4；

2.2 動力軸筒轉(zhuǎn)速確定

動力軸筒是香榧去假種皮機的關(guān)鍵部件，其轉(zhuǎn)速、撥打橡膠條與去皮圓環(huán)之間的間隙大小是影響鮮青香榧去皮效果的關(guān)鍵因素。按Q＝2 000 kg·h－1，根據(jù)《農(nóng)產(chǎn)品加工機械與設(shè)備》的螺旋輸送生產(chǎn)率計算公式：

得：n≈70 r·min－1。

綜合考慮去皮率及結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定其轉(zhuǎn)速在80~100 r·min－1，可以通過驗證優(yōu)化確定。式（3）中：Q為生產(chǎn)率（kg·h－1），2 000 kg·h－1；n為轉(zhuǎn)速（r·min－1）；ρ為香榧密度（kg·m－3），取850 kg·m－3；D為螺旋葉片外徑（m），0.129 m；d為轉(zhuǎn)軸外徑（m），0.112 m；s為螺距（m），0.150 m；ψ為香榧充滿系數(shù)，一般取0.3~0.4。

2.3 動力轉(zhuǎn)軸外壁半徑確定

該半徑確定需滿足設(shè)備結(jié)構(gòu)安裝、生產(chǎn)率的要求以及保證香榧鮮青皮被剝離的時間充足，保證獲得較高的剝凈率，根據(jù)香榧物理參數(shù)和機器設(shè)備的其他參數(shù)，經(jīng)試驗后綜合考慮，取該半徑R=110.0 mm。在驗算動力轉(zhuǎn)軸半徑計算過程中作如下假設(shè)：①待剝離鮮青皮香榧由去皮籠帶入，并呈單層狀態(tài)均勻進(jìn)入青皮剝離區(qū)；②近似把香榧看作圓柱體；③物料被連續(xù)喂入，無間斷。

根據(jù)以上假設(shè)推導(dǎo)出去皮籠每轉(zhuǎn)一圈帶入到青皮剝離區(qū)域內(nèi)的香榧質(zhì)量為：

轉(zhuǎn)速取80 r·min－1時，按滿足生產(chǎn)率要求的條件驗證其半徑，則：Q＝60， q×n≈2 078?？梢姡c設(shè)計生產(chǎn)率相比，所選尺寸滿足其要求。式（4）中：q為動力轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)1周進(jìn)入到青皮脫皮區(qū)域的香榧質(zhì)量；d為香榧等值直徑，20.90 mm；S為螺旋輸送的螺距，0.15 m；λ為同樣尺寸的圓柱體體積和立方體體積之比，λ＝0.78；ρ為香榧密度，850 kg·m-3（不同地域差異較大）；n為轉(zhuǎn)速（r·min－1）；ψ為香榧充滿系數(shù)，一般取0.3~0.4。

2.4 動力轉(zhuǎn)軸長度確定

去皮籠應(yīng)有足夠的長度，以滿足青皮脫凈率和生產(chǎn)率的要求。由設(shè)計確定螺旋輸送區(qū)長度為150.0 mm，青皮剝離區(qū)長度由下式確定：設(shè)青皮香榧的長軸為a（m），短軸為b，軸筒長度為L（m），軸筒半徑為R（m），動力轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動速度為n（r·min－1），要求脫香榧青皮的生產(chǎn)率為Q（kg·h－1）。則香榧在轉(zhuǎn)軸上均勻且單層地布滿時青香榧的數(shù)量為：

由于剝皮區(qū)要足夠長，才能保證剝皮質(zhì)量，假設(shè)每顆香榧在工作區(qū)平均旋轉(zhuǎn)5圈就完成剝皮，則其生產(chǎn)率為：

由式（5）式（6）得：L≈900.0 mm。式（6）中：M為香榧平均質(zhì)量（kg·顆－1）。

2.5 撥打橡膠的選擇

綜合考慮不同地域香榧外形尺寸的差異及其物理特性，為了增加設(shè)備的通用性，該去皮設(shè)備在動力轉(zhuǎn)軸的筋板上外裝有環(huán)保型的撥打膠條，本機選取天然橡膠板，加工寬度為20.0 mm，厚度為8.0 mm的撥打橡膠條，長度與剝皮區(qū)域長度一致，安裝在籠外圓柱面上。

2.6 去皮籠的設(shè)計

機罩用螺栓與機架聯(lián)接，去皮籠采用焊接件，由內(nèi)凸臺間隔環(huán)、普通圓環(huán)及鋼架等組成。去皮籠半徑＝動力轉(zhuǎn)軸半徑（110.0 mm）＋撥打筋板及膠條高度（20.0 mm）＋去皮香榧直徑（13.5 mm）＝150.9 mm，取155.1 mm。經(jīng)過臺架試驗，間隔圓環(huán)可以采用圓鋼材料。間隔環(huán)間隙按尺寸最小的香榧不會從間隙中掉出去的原則確定，通過測量幾個浙江省香榧盛產(chǎn)區(qū)的脫去青皮香榧的尺寸，最小尺寸都在11.0 mm，按確定的圓環(huán)尺寸和滾筒長度計算取間隔環(huán)數(shù)量，而兩環(huán)實際間隙為9.0 mm。

2.7 傳動方式的確定

該設(shè)備采用帶傳動方式，用普通V帶傳動不僅能夠滿足工作要求，同時也能簡化設(shè)備，降低成本。另外，動力軸筒的工作速度應(yīng)該保持在一個合理的范圍內(nèi)，速度太快，香榧破損率高，速度太慢，會影響生產(chǎn)效率。綜合考慮，該設(shè)備動力裝置采用單相雙值電容異步電動機，由其帶動小帶輪，小帶輪驅(qū)動大帶輪，大帶輪帶動滾筒軸旋轉(zhuǎn)，該電動機的額定功率2.2 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 400 r·min－1。

3 香榧去皮試驗

3.1 試驗材料及方法

試驗香榧購于浙江省紹興市、嵊州市和臨安市，采收時間分別為9月15日、9月17日和9月20日。樣品共15.0 kg鮮香榧青果，即3地分別取樣5.0 kg。

首先，采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測量香榧青果外形尺寸，采用精度為0.001 g的電光分析天平測量其質(zhì)量。其次，3地香榧青果經(jīng)過后熟處理后，各篩選樣品500顆，利用香榧去皮原型設(shè)備分別對其進(jìn)行去皮試驗，試驗如圖6所示。

3.2 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3地樣品質(zhì)量范圍分別為 3.502～10.73 g，3.923～9.332 g，3.605～10.24 g；3地樣品長軸范圍分別為16.10～34.36 mm，26.60～37.10 mm，24.80～35.20 mm。其外形尺寸及質(zhì)量見表1，去皮指標(biāo)見表2。

從表1可以看出：各地樣品間的外形尺寸和質(zhì)量差異較大，長軸主要分布在28.0~31.0 mm，短軸主要分布在18.0~20.0 mm，斜軸主要分布在15.0~17.0 mm。嵊州香榧青果樣品外形飽滿，而紹興香榧青果樣品外形修長，臨安香榧青果矮壯。測量結(jié)果表明：在去皮設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計時需充分考慮不同地域香榧的外形尺寸參數(shù)的差異，以提高設(shè)備的通用性。

從表2可以看出：去皮后，香榧堅果基本沒有裂紋或其他破裂等影響后期加工品質(zhì)的缺陷存在，效果良好。香榧去皮率及其堅果完好率分別達(dá)到了96.0%和98.5%以上，損失率1.5%左右（考慮到僵果）。但3地香榧青果去皮效果有一定差異，這也許與采收時間及后熟處理有關(guān)。

圖6 香榧去皮實驗Figure 6 Peeled experiment

表1 香榧青果的外形尺寸Table 1 Physical statistic parameters of Torreya grandis‘Merrillii’

表2 去皮試驗指標(biāo)Table 2 Index of peeled experiment

4 討論

本研究首先對3個產(chǎn)區(qū)的香榧青果進(jìn)行了外形等參數(shù)測量，設(shè)計了一套去皮原型機械設(shè)備并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計分析，最后用產(chǎn)自浙江省紹興市、嵊州市和臨安市的15.0 kg香榧青果進(jìn)行了試驗。結(jié)果表明：去皮率達(dá)96.0%，香榧堅果完好率為98.5%，損失率1.5%左右，基本達(dá)到了設(shè)計要求。但也有不足之處，由于香榧假種皮有一定的黏附性，導(dǎo)致其在掉落過程中有少量黏附在設(shè)備外殼上，優(yōu)化時需要增加清潔功能和部件；另外，試驗發(fā)現(xiàn)：香榧青果去皮效果與香榧成熟度（含后熟）、電機轉(zhuǎn)速以及撥打橡膠條與外壁的間距有關(guān)。香榧青果成熟度好、電機轉(zhuǎn)速高或撥打橡膠條與外壁的間距小，則去皮率也高。但到一定程度時則會影響其破損率，因此，后期仍需進(jìn)一步改進(jìn)并優(yōu)化參數(shù)。

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A peeling machine for Torreya grandis‘Merrillii’nuts

ZENG Songwei1,2,3,YU Weiwu2,JI Changying1,YE Bangxuan4,XIAO Qinglai4
（1.College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,Jiangsu,China;2.School of Information Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;3.Zhejiang Provincial Key Caboratory of Forestry Intelligent Monitoring and Information Technology Research,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300, Zhejiang,China;4.Forest Enterprise of Songyang County,Songyang 323400,Zhejiang,China）

An aril on the outside of the Torreya grandis ‘Merrillii’fruit must be removed when processing the ‘Merrillii’nuts.At present,the T.grandis‘Merrillii’fruit is usually placed in rotten compost and peeled by hand.Since rotten aril cannot be reused,this is inefficient.In addition,decay allows aril liquid to seep into the shell producing spoiled nuts and reducing their quality and commercial value.Therefore,development of an automatic peeling device to improve T.grandis ‘Merrillii’production efficiency and make full use of its economic value,would be beneficial.Based on the physical parameters from three sources of T.grandis‘Merrillii’（Shaoxing,Shengzhou,and Lin’an）,and the data of stress and transmogrification obtained by experimentation of the locomotion and force.Peeling parts and equipment was designed and analyzed.A peeling experiment then showed a high production efficiency for this machine with a peeling rate over 98.5%and a breakage rate of less than 1.5%.Peeling efficiency depended on maturity of T.grandis‘Merrillii’,motor speed,and spacing between the peeling strips and the rings of the wall.［Ch,6 fig.2 tab.25 ref.］

cash forestry;Torreya grandis‘Merrillii’;peeling;processing;peeling rate

S667.7

A

2095-0756（2015）01-0133-07

浙 江 農(nóng) 林 大 學(xué) 學(xué) 報，2015，32（1）：133-139

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.01.020

2014-05-21；

2014-09-08

浙江省自然科學(xué)基金資助項目（LY13C200014）

曾松偉，副教授，從事農(nóng)業(yè)信息化與自動化、智能檢測與控制等研究。E-mail：zsw@zafu.edu.cn。通信作者：姬長英，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事機電一體化、農(nóng)業(yè)機器人和土壤機械等研究。E-mail:chyji@njau.edu.cn