小型鮮蓮子剝殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

朱亨銀，何金成，方文熙，葉大鵬，梁詩華

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福州350002）

小型鮮蓮子剝殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

朱亨銀，何金成，方文熙，葉大鵬，梁詩華

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福州350002）

由于現(xiàn)有鮮蓮子剝殼機(jī)的機(jī)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格和維護(hù)成本較高，故未能在普通蓮農(nóng)中推廣，大多數(shù)蓮農(nóng)仍采用手工加工。為了減輕廣大蓮農(nóng)勞動負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)新鮮蓮子機(jī)械化剝殼的普及，該文研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、適合普通蓮農(nóng)需求的低價(jià)位鮮蓮子剝殼機(jī)，其整機(jī)長×高×寬為756 mm×878 mm×412 mm，質(zhì)量為37 kg，制造成本約1 500元。測試了鮮蓮子外殼的切透力、仁堅(jiān)實(shí)度等機(jī)械特性，切透力平均值19.63 N、最大值25.8 N，蓮仁堅(jiān)實(shí)度平均值19.02 N、最大值23.27 N，此數(shù)據(jù)可為蓮子剝殼機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的確定提供參考依據(jù)。該機(jī)采用內(nèi)充式空穴分離排料、二步滾動正位、振動切割、滾壓脫殼的工作原理實(shí)現(xiàn)蓮子剝殼。通過對4種不同切割方案的剝殼試驗(yàn)對比，結(jié)果表明：配置齒面防滑壓板、具有滑切作用的懸掛式振動剝殼機(jī)構(gòu)的剝殼率和剝殼質(zhì)量均優(yōu)于其他方案，其剝殼率為 92%，整仁率100%，有輕微壓痕的小于10%，能滿足鮮蓮子的剝殼要求。

剝殼；設(shè)計(jì)；機(jī)械化；蓮子；機(jī)械特性

朱亨銀，何金成，方文熙，葉大鵬，梁詩華. 小型鮮蓮子剝殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(7)：28－35.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.004 http://www.tcsae.org

Zhu Hengyin, He Jincheng, Fang Wenxi, Ye Dapeng, Liang Shihua. Design and test of small fresh lotus seed sheller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 28－35. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.004 http://www.tcsae.org

0 引 言

蓮子是營養(yǎng)保健佳品，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高[1]。但蓮子生產(chǎn)的人工成本很高，在福建蓮子產(chǎn)區(qū)每千克干蓮仁人工成本超過80元，所以目前種植蓮子經(jīng)濟(jì)效益低，蓮農(nóng)生產(chǎn)積極性不高。采收后蓮子的剝殼、去膜、去芯等工序比較費(fèi)時(shí)，而且通常是當(dāng)天完成，否則會加大剝殼和去膜的難度，此外儲存時(shí)間過長也影響蓮子的品質(zhì)，因此機(jī)械化加工勢在必行。

蓮子剝殼機(jī)有鮮蓮子剝殼機(jī)和干殼蓮子剝殼機(jī)2類，前者主要在江西、浙江、福建的白蓮產(chǎn)區(qū)使用，后者主要用于湘蓮的紅蓮加工。鮮蓮子剝殼機(jī)的研究主要有鄭傳祥[2]設(shè)計(jì)的一種用高速轉(zhuǎn)刀對蓮子外殼切割、擠壓進(jìn)行脫殼的蓮子脫殼機(jī)，其切割通道入口端不能隨蓮子大小自動調(diào)節(jié)，因此需對蓮子大小分級。曹志強(qiáng)[3]發(fā)明的蓮子剝殼去膜一體機(jī)，能一次性完成剝殼去膜，效果良好，且近年來仍在不斷改進(jìn)，日漸完善，已在廣昌縣東盛機(jī)械廠生產(chǎn)，開始應(yīng)用于蓮子生產(chǎn)加工，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，調(diào)整維修困難，且傳送帶易損，需要經(jīng)常更換，價(jià)格高。徐諧慶等[4]在曹志強(qiáng)剝殼去膜一體機(jī)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種采用單邊機(jī)結(jié)構(gòu)的剝殼去皮一體機(jī)，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)器的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[3-4]蓮子均采用皮帶輸送、擋板間歇攔截分離、直線往復(fù)切割，傳動系統(tǒng)復(fù)雜，特點(diǎn)是集剝殼去膜于一體，整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，造價(jià)高；黃興元等[5-6]設(shè)計(jì)了滾切式鮮蓮子剝殼機(jī)，采用槽輪機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動形式，蓮子由搓輥轉(zhuǎn)動正位，當(dāng)蓮子輸送到切割機(jī)構(gòu)位置時(shí)停歇，用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)刀切割，然后輸送至脫殼輥再次停歇脫殼，割殼與脫殼分步進(jìn)行。此外還有王旺平也設(shè)計(jì)了新鮮蓮子剝皮去衣機(jī)[7]，吳傳宇等研究了擠壓式蓮子脫殼機(jī)理[8]，賴明全設(shè)計(jì)了全自動蓮子切殼剝殼機(jī)[9-10]，以及譚小年的擠振式蓮子脫殼機(jī)[11]等。余群等[12]、萬偉紅等[13]、鄒曉丹[14]綜述了蓮子剝殼技術(shù)的研究進(jìn)展。干殼蓮子剝殼機(jī)的工作機(jī)構(gòu)、剝殼原理均與鮮蓮子剝殼機(jī)有顯著差異，研究者主要有張永林等[15]設(shè)計(jì)的多聯(lián)輥刀式干蓮子剝殼機(jī)，采用由雙托輥和螺旋輥刀構(gòu)成的剝殼通道經(jīng)過多次旋切實(shí)現(xiàn)剝殼；楊振和[16]設(shè)計(jì)的采用尖齒破殼的多通道行星運(yùn)動剝殼機(jī)，提出點(diǎn)、線、面三步破殼剝殼工藝；王旺平等[17]設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)較簡單的 BK25型干蓮子剝殼機(jī)，也采用雙托輥和滾切刀構(gòu)成的剝殼通道；馬秋成等[18-19]設(shè)計(jì)了自適應(yīng)蓮子剝殼機(jī)。由于蓮子產(chǎn)區(qū)分布在亞洲少數(shù)國家，故蓮子剝殼機(jī)主要是國內(nèi)學(xué)者在研究，目前未見國外的研究報(bào)導(dǎo)，但國外對堅(jiān)果類剝殼的研究成果對殼蓮的加工有一定的參考價(jià)值[20-22]。本研究機(jī)型[23]與上述機(jī)型區(qū)別在于：采用內(nèi)充式喂料，排料輪空穴分離排料，強(qiáng)迫滾動銜接重力作用下自由滾動進(jìn)行二步蓮子正位，懸掛擺式振動切割，以主動輪帶動蓮子通過弧形切割通道并進(jìn)行碾壓脫殼，其優(yōu)點(diǎn)是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作可靠，使用維護(hù)方便。

在武夷山產(chǎn)區(qū)五夫鎮(zhèn)，種植面積達(dá)500多hm2。由于當(dāng)?shù)啬壳笆褂玫臇|盛機(jī)械廠生產(chǎn)的機(jī)型價(jià)格昂貴，售價(jià)2萬多元，故只有蓮子加工專業(yè)戶和合作社兩家購買。因其剝殼去膜一體，采用水槍去膜，而輸送帶是橡膠與纖維材質(zhì)，泡水后容易膨脹損壞，需要經(jīng)常更換，而且切割刀設(shè)計(jì)成一次性的，也需經(jīng)常更換，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高，因此未能在普通蓮農(nóng)中推廣使用。五夫鎮(zhèn)絕大部分蓮農(nóng)仍然靠婦女、老人日夜手工剝蓮子，蓮子手工加工是當(dāng)前蓮子擴(kuò)大生產(chǎn)與提高效益的制約因素。為了能在廣大蓮農(nóng)中推廣使用，普及機(jī)械化加工，本機(jī)型設(shè)計(jì)定位在低價(jià)位的鮮蓮子剝殼機(jī)，旨在滿足廣大蓮農(nóng)的需求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要參數(shù)與性能指標(biāo)

本機(jī)設(shè)計(jì)主要性能指標(biāo)如下：

處理量＞40 kg/h；1次剝殼率＞90%；蓮仁破損率＜3%；動力配備0. 25 kW；機(jī)型小，整機(jī)質(zhì)量不超過50 kg。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

鮮蓮子形狀近似橢球體，殼與仁之間存在微小空隙，一種有效的剝殼方法是：從蓮子赤道部位環(huán)切外殼一周，稍加滾壓即可脫殼[1,5]。根據(jù)上述的剝殼原理，必須完成3個(gè)工序：蓮子的逐粒排料、蓮子正位、切割去殼。本機(jī)主要包括內(nèi)充式排料器、滾槽、剝殼機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、機(jī)架等幾個(gè)部分，如圖 1所示。工作時(shí)蓮子通過料斗下部的側(cè)向出口從排料輪蓋的端面開口進(jìn)入排料器，在排料輪空穴作用下被逐粒分離后按照一定的時(shí)間間隔從排料器出口排出。進(jìn)入一傾斜設(shè)置的導(dǎo)向滾槽，在重力作用下，蓮子向下滾動并形成所需的水平狀態(tài)進(jìn)入剝殼機(jī)構(gòu)的切割通道，切割刀片在蓮子赤道處形成環(huán)切，經(jīng)滾壓脫殼排出。

圖1 蓮子剝殼機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖和樣機(jī)Fig.1 Schematic and prototype of lotus seed sheller

傳動機(jī)構(gòu)主驅(qū)動力由自帶渦輪蝸桿減速器的調(diào)速電機(jī)提供，經(jīng)減速后傳動至主動軸，驅(qū)動主動軸上的主動輪及小皮帶輪，經(jīng)皮帶傳動帶動排料輪旋轉(zhuǎn)。鑒于切割機(jī)構(gòu)的往復(fù)振動頻率遠(yuǎn)大于主動輪轉(zhuǎn)速，故采用價(jià)格便宜的風(fēng)扇電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，由電機(jī)軸末端的螺紋與偏心銷軸連接，偏心銷軸通過刀座長槽帶動割刀振動切割。

本設(shè)計(jì)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)型小，整機(jī)長×高×寬為756 mm×878 mm×412 mm，整機(jī)質(zhì)量為37 kg，整機(jī)成本約在1 500元以內(nèi)，不到現(xiàn)有剝殼去膜一體機(jī)的1/15。有利于在普通蓮農(nóng)中推廣應(yīng)用。

1.3 鮮蓮子的機(jī)械特性及幾何尺寸測試

了解鮮蓮子物理機(jī)械特性可避免在剝殼機(jī)設(shè)計(jì)中參數(shù)確定的盲目性。蓮子品種繁多，國內(nèi)已有學(xué)者對部分品種蓮子的物理機(jī)械特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，包括鮮蓮子幾何尺寸、密度、殼厚[24]，干蓮子密度、破殼力等[25-28]。國外雖有學(xué)者對其他堅(jiān)果類進(jìn)行物性研究[20,29-31]，但對蓮子物性的研究未見報(bào)道。

為了更好地適應(yīng)建蓮加工，以福建建寧和武夷山地區(qū)（中國蓮子主產(chǎn)區(qū)之一）的主要品種太空36號蓮子為樣本，針對與本設(shè)計(jì)密切相關(guān)的特性進(jìn)行測試：鮮蓮子的幾何尺寸、外殼的切透力、蓮仁堅(jiān)實(shí)度等，其中后 2項(xiàng)的測試尚未見報(bào)導(dǎo)。

試驗(yàn)用鮮蓮子外殼切透力和蓮仁堅(jiān)實(shí)度測試設(shè)備均采用英斯特朗萬能試驗(yàn)機(jī)（INSTRON, USA, Model 5543），試驗(yàn)控制方式為壓縮載荷，測頭進(jìn)給速度為20 mm/min，試驗(yàn)中止準(zhǔn)則為載荷掉落 15%時(shí)返回，載荷開始掉落表示切破蓮子殼瞬間，蓮子切透力即最大載荷值。

1）外殼的切透力試驗(yàn)。試驗(yàn)采用蓮子剝殼機(jī)樣機(jī)使用的刀片。

2）蓮仁堅(jiān)實(shí)度試驗(yàn)。堅(jiān)實(shí)度值為沖頭加壓的最大載荷。因?yàn)樯徣瘦^小，表1堅(jiān)實(shí)度測試采用直徑為2.2 mm沖頭。由于堅(jiān)實(shí)度常用直徑為5 mm沖頭測試，而不同直徑的沖頭結(jié)果不同，故表 1中另給出了蓮仁單位面積承壓能力（最大載荷與沖頭面積之比）。

3）幾何尺寸測量。測量了蓮子的長徑，赤道直徑、赤道處殼厚，蓮子赤道直徑取 2個(gè)相互垂直方向直徑的平均值，采用游標(biāo)卡尺測量。

樣本隨機(jī)選取太空36號蓮子100粒并進(jìn)行編號，先測量幾何尺寸，再做外殼的切透力試驗(yàn)，全部測完后，利用相同樣本剝殼進(jìn)行蓮仁堅(jiān)實(shí)度試驗(yàn)，剝一粒測一粒，以免蓮仁水分蒸發(fā)。實(shí)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1。

表1 鮮蓮子結(jié)構(gòu)尺寸及機(jī)械特性Table1 Structural dimensions and mechanical properties of fresh lotus seeds

表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可作為鮮蓮子剝殼機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)選擇的參考依據(jù)。

表中蓮仁堅(jiān)實(shí)度平均值為19.02 N，蓮子最大切透力為25.80 N，若給予適當(dāng)?shù)那型缚煽啃园踩禂?shù)，同時(shí)考慮到萬能機(jī)上蓮子是靜態(tài)加壓切割，而剝殼機(jī)上蓮子是在滾動中加壓切割，切割點(diǎn)所受刃口壓力作用的時(shí)間極短，應(yīng)適當(dāng)加大壓力，因此取切割刀壓力安全系數(shù)為1.1～1.4。設(shè)計(jì)中樣機(jī)刃口切割壓力取28～35 N較為合適。

蓮仁單位面積承壓能力與整仁率和剝殼質(zhì)量有關(guān)。切割后的蓮子受壓板與主動輪槽的碾壓力作用而脫殼，在本機(jī)設(shè)置的切割壓力為28～35 N的試驗(yàn)條件下，蓮仁未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，因此壓板壓力（也是切割壓力）是在蓮仁承壓能力的安全范圍內(nèi)，即壓板壓應(yīng)力小于蓮仁單位面積承壓能力。由于建蓮一般加工成白蓮子（去殼去膜），加工要求高，剝殼過程蓮仁要避免過度擠壓而出現(xiàn)明顯壓痕或損傷，否則烘干后會出現(xiàn)起皺、變形、變色，影響干蓮仁的品相和價(jià)格，因此壓板壓力若過大，容易使蓮仁表面產(chǎn)生塑性變形而產(chǎn)生壓痕。

橢球狀蓮子的長徑和赤道直徑與滾槽及主動輪槽的斷面的曲率半徑有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)滾槽及主動輪槽的斷面曲率半徑應(yīng)大于蓮子長軸方向的表面曲率半徑，使蓮子赤道可與槽底接觸，有利于滾動正位。蓮子的赤道直徑還與切割通道開度及其入口角度有關(guān)，入口角度應(yīng)小于蓮子在入口處的最大滑動靜摩擦角，以便于蓮子順利進(jìn)入切割通道。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及其工作原理

2.1 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證蓮子外殼被有效地環(huán)切，主動輪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不宜過快，同時(shí)考慮到剝殼機(jī)所需功率較小，故采用250 W蝸輪蝸桿減速器調(diào)速電機(jī)，其速比為15，輸出轉(zhuǎn)速 10～200 r/min可調(diào)，主動輪較為合適的速度是100 r/min左右。

蓮子由主動輪轉(zhuǎn)動推進(jìn)切割通道，切割通道的長度與剝殼速度、下料頻率相關(guān)。假設(shè)蓮子在切割通道內(nèi)沿壓板作勻速純滾動，根據(jù)運(yùn)動學(xué)原理可知，其速度瞬心在蓮子與壓板的接觸點(diǎn)，主動輪的輪槽底部的線速度是蓮子質(zhì)心前進(jìn)速度的 2倍，由于一個(gè)行程（等于壓板弧長）切割通道內(nèi)只允許通過一粒蓮子，因此一個(gè)行程主動輪至少要轉(zhuǎn)過壓板弧長的 2倍，才能避免通道中同時(shí)出現(xiàn) 2粒蓮子的情況。故理論上主動輪每轉(zhuǎn)所能剝蓮子的數(shù)量為

設(shè)計(jì)中必須根據(jù)k值確定主動輪與排料輪之間皮帶傳動的速比i以及排料輪上分離蓮子的缺口數(shù)量m。則皮帶傳動比為

式中L=θR為壓板弧長，θ為壓板圓心角，rad；Ry為壓板曲率半徑，mm；Rc為主動輪輪槽底部半徑，mm。本機(jī)設(shè)計(jì)Rc=120 mm，Ry=139 mm，θ=76°=1.33 rad，n=100 r/min，m=4。計(jì)算得i≥1.96，考慮到蓮子在切割通道存在打滑的可能，以及蓮子赤道圓度差異等因素，皮帶傳動比i應(yīng)大于此值，本機(jī)設(shè)計(jì)取i=2.3。則排料輪每小時(shí)排出蓮子的數(shù)量

本機(jī)試驗(yàn)用太空36號蓮子的單粒平均質(zhì)量為4.2 g，因此本機(jī)理論處理量為43.8 kg/h，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.2 排料器組成及其工作原理

2.2.1 排料器組成

采用內(nèi)充式供料、空穴分離的排料器（如圖2）。排料器由排料輪和排料輪蓋組成，排料輪蓋固定于機(jī)架上，排料輪沿周向均布有若干個(gè)缺口，與排料輪蓋組成只能容納一個(gè)蓮子的容腔。排料輪直徑的大小影響蓮子的分離和滾動正位效果，本機(jī)取排料輪中徑為144 mm。工作時(shí)在排料輪旋轉(zhuǎn)過程中容腔內(nèi)蓮子沿圓周上升，容腔外的其余蓮子受重力作用限制了爬升高度，并被排料輪蓋內(nèi)環(huán)（內(nèi)環(huán)下方約1/3是開口）的右端擋住，不能進(jìn)入環(huán)形通道，從而實(shí)現(xiàn)單粒蓮子分離。

圖2 排料器內(nèi)蓮子在不同位置受力圖Fig.2 Free-body diagram of lotus seed in discharge process

2.2.2 蓮子正位原理

實(shí)現(xiàn)蓮子正位的機(jī)構(gòu)涉及滾槽和排料器內(nèi)腔的環(huán)形通道。正位目的是使蓮子在進(jìn)入剝殼通道時(shí)保持長軸處于水平位置并垂直于切割刃口，以保證刃口切割在蓮子赤道位置。

1）正位原理

正位是通過滾動蓮子實(shí)現(xiàn)的，分 2個(gè)階段進(jìn)行。第一階段是強(qiáng)迫滾動：蓮子個(gè)體分離后在排料輪推動下沿環(huán)形通道作公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，促使蓮子長軸趨向水平擺正位置，到出口處經(jīng)緩沖后落入滾槽上端，這一過程蓮子在重力、摩擦力和離心力作用下被迫作滾動和滑動，2種運(yùn)動形式在不同區(qū)段互為轉(zhuǎn)換。第二階段是自由滾動：蓮子進(jìn)入滾槽后在重力作用下自由向下滾動，由于蓮子外形近似橢球，在外力作用下沿著赤道（短徑方向）滾動最省力，即避免因重心波動而消耗動能。無論蓮子初始狀態(tài)如何，只要有足夠長的滾道，蓮子最終都會趨向沿著赤道滾動，從而使其長軸處在水平狀態(tài)，然后進(jìn)入壓板與槽輪組成的切割通道，經(jīng)過刀片在蓮子赤道位置環(huán)切和壓板滾壓，實(shí)現(xiàn)蓮子剝殼。

2）蓮子正位的運(yùn)動學(xué)分析

蓮子在進(jìn)入剝殼機(jī)構(gòu)前的姿態(tài)是影響剝殼率和破碎率的重要因素之一。蓮子個(gè)體分離后進(jìn)入排料器的環(huán)形通道，在外力作用下做公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)、滑移的混合運(yùn)動。自轉(zhuǎn)可獲得正位，自轉(zhuǎn)方向取決于蓮子與容腔內(nèi)壁 2個(gè)接觸點(diǎn)的滑動摩擦力Ft和Fr對蓮子中心軸的合力矩方向。蓮子在各個(gè)運(yùn)動方式轉(zhuǎn)換點(diǎn)的受力如圖 2所示。蓮子的滾動摩擦力可忽略不計(jì)。根據(jù)平面力系平衡原理，在O1點(diǎn)蓮子的法向、切向的合力均為0。

法向合力：

切向合力：

式中Ft、Fr為蓮子所受接觸面的切向和徑向滑動摩擦力，N；Nt、Nr為蓮子所受接觸面的切向和徑向支承力，N；mg為蓮子所受重力，N；Fn=mω2R為蓮子所受離心力，N；R為蓮子質(zhì)心公轉(zhuǎn)半徑，m；ω為排料輪角速度，rad/s。

由于受上方蓮子的壓力，落入排料輪下方缺口的蓮子不轉(zhuǎn)動，在脫離上方蓮子后向O1點(diǎn)滾動時(shí)Ft＞Fr，做順時(shí)針自轉(zhuǎn)，當(dāng)蓮子上升到一定高度（第一轉(zhuǎn)換點(diǎn)O1）時(shí)，二力對蓮子軸心的轉(zhuǎn)矩大小相等方向相反，此時(shí)開始不自轉(zhuǎn)而沿外側(cè)柱面滑動，即Ft=Fr，假設(shè)各壁面與蓮子的摩擦系數(shù)相等，則有Nt=Nr，代入（3）、（4）式并整理得

考慮到＞ 0 ，則α1＜45°,經(jīng)三角變換后解得

蓮子沿環(huán)形通道向上滑移到第二個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)O2開始沿著通道內(nèi)側(cè)滾動。假設(shè)蓮子沿內(nèi)、外側(cè)滾動的質(zhì)心公轉(zhuǎn)半徑近似都等于R，則O2點(diǎn)的受力平衡方程為

法向合力

切向合力

同理，聯(lián)立（4）、（5）得

在O2到第3個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)O3區(qū)間內(nèi)，蓮子沿環(huán)形通道內(nèi)側(cè)滾動。根據(jù)受力平衡求得O3點(diǎn)位置角

過了O3點(diǎn)后蓮子又做滑移到O4點(diǎn)，在離心力的作用下與滾道內(nèi)側(cè)脫離接觸，滾到外壁，根據(jù)受力平衡求得O4點(diǎn)位置角

式（3）～（10）中α1、α2、α3、α4分別為蓮子運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)O1、O2、O3、O4相對X軸的角度。

過了O4以后輕貼外壁滑落至出口排出，經(jīng)橡膠片緩沖進(jìn)入滾槽。

通過上述計(jì)算分析，表明蓮子在環(huán)形通道內(nèi)存在滾動和滑動 2種運(yùn)動形式，由于蓮子運(yùn)動過程與容腔壁面有 2個(gè)接觸點(diǎn)，因此滑動摩擦力始終存在，而滑動摩擦力對蓮子質(zhì)心的力矩是蓮子運(yùn)動的阻力矩，根據(jù)能量最小原則（與上述正位原理相同），滑動摩擦力Ft和Fr作用在蓮子赤道位置時(shí)阻力矩最?。ㄗ枇Ρ圩疃蹋虼嘶瑒右灿写偈股徸于呄蛩綘顟B(tài)的作用。但滾動比滑動的正位效果好。

由式（8）、（9）可知，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)排料輪轉(zhuǎn)速n越高，滾動區(qū)間O2O3越小，正位效果就越差。當(dāng)n增大到一定數(shù)值后，蓮子在離心力作用下將始終沿著外壁運(yùn)動，但考慮到蓮子排出時(shí)掉落速度不能太快，因此宜選擇較低轉(zhuǎn)速n來增大O2O3區(qū)間。

本機(jī)的排料輪蓮子質(zhì)心公轉(zhuǎn)半徑R=0.067 m，轉(zhuǎn)速n=40 r/min，計(jì)算得

α1=?40.13°，α2=49.87°，α3=130.13°，α4=173.11°，O2O3區(qū)間圓弧為80.26°。

經(jīng)排料器初步正位的蓮子在出口處滑落，由緩沖橡膠片承接后，姿態(tài)可能發(fā)生一定的改變，進(jìn)入滾槽后還需要經(jīng)過自由滾動進(jìn)一步正位，滾槽長度與斜度的選取十分重要，從蓮子滾動效果來看，滾槽斜度取 8°、長度大于35 cm為宜。此外，蓮子分離過程要避免出現(xiàn)碎粒，否則會影響自由滾動甚至擁堵，但只要及時(shí)取走碎粒便可恢復(fù)正常作業(yè)。本設(shè)計(jì)的排料器一般不出現(xiàn)碎?，F(xiàn)象。

2.3 懸掛式振動剝殼機(jī)構(gòu)

剝殼機(jī)構(gòu)由電機(jī)、U形支架、壓板、懸掛式振動切割機(jī)構(gòu)等組成，如圖 3所示。工作時(shí)主動輪將蓮子推進(jìn)由壓板與主動輪組成的切割通道，經(jīng)刀片環(huán)切和主動輪滾壓實(shí)現(xiàn)脫殼。為保證環(huán)切的有效割痕達(dá)到一圈以上，取刀片刃口長度大于蓮子的赤道長度 15%左右。剝殼機(jī)構(gòu)是蓮子剝殼機(jī)的核心部件，根據(jù) 4種方案剝殼機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)對比結(jié)果，懸掛式振動剝殼機(jī)構(gòu)比較理想，其特點(diǎn)是刃口可相對于壓板作往復(fù)振動、形成滑切作用。假定蓮子在壓板上做單純滾動，其切割點(diǎn)正好是速度瞬心，刀片相對于壓板作往復(fù)振動時(shí)，就相當(dāng)于刀片對靜態(tài)的蓮子進(jìn)行有支撐的往復(fù)滑切，切割比較省力。蓮子環(huán)切效果與刀片滑切速度相關(guān)，滑切速度取決于刀片往復(fù)振動的頻率和振幅。由于風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動刀片往復(fù)振動的頻率固定，因此滑切速度就取決于振幅。振幅過小滑切速度太低，環(huán)切效果差，剝殼率低；振幅過大則切割機(jī)構(gòu)振動大，影響切割機(jī)構(gòu)乃至整機(jī)的工作狀況。本機(jī)取8 mm的振幅能夠較好地滿足要求。

圖3 剝殼機(jī)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic of shelling device

電機(jī)與切割機(jī)構(gòu)均安裝在U形支架上，U形支架的后端用銷軸鉸接于機(jī)架，并可繞銷軸上下擺動。U形支架前端下方焊有壓板，左右肩部分別固定有弧形導(dǎo)軌。U形支架靠近前端的左右兩側(cè)各有一個(gè)拉力彈簧與機(jī)架連接，以控制壓板的壓力。振動刀座左右肩部對應(yīng)裝有微型軸承與弧形導(dǎo)軌配合，刀座中線處開有一個(gè)長孔，長孔內(nèi)的微型軸承的內(nèi)孔套在由電機(jī)軸直接驅(qū)動的偏心銷軸上，形成偏心滑塊機(jī)構(gòu)，刀座中部上方的凸耳通過螺釘掛在拉力彈簧上，彈簧另一端與焊合在U形支架上的彈簧固定板連接，則刀座由左右導(dǎo)軌和彈簧拉力獲得定位。工作時(shí)電機(jī)通過偏心銷軸驅(qū)動刀座沿弧形導(dǎo)軌左右擺動。刀座上固定有弧形刃口的刀片，刃口穿過壓板之間長縫并凸出壓板下表面適當(dāng)高度（約0.7 mm），由于弧形導(dǎo)軌的限位作用，在跟隨壓板上下運(yùn)動時(shí)刃口凸出高度可保持改變，同時(shí)由于導(dǎo)軌弧線與壓板弧線同圓心，刀片作往復(fù)弧線運(yùn)動過程中刃口的凸出高度也始終保持不變。由于擺動中心與弧線圓心異側(cè)，因此擺長在往復(fù)振動過程是變化的，由彈簧的伸縮來實(shí)現(xiàn)。

切割通道的大小取決于壓板位置（如圖4），切割通道內(nèi)無蓮子時(shí)，由限位撐桿限制壓板的靜態(tài)開度，入口處開度及入口角δ的大小均對蓮子粒徑的適應(yīng)性和喂入的可靠性產(chǎn)生影響。δ應(yīng)小于蓮子在入口處的最大滑動靜摩擦角，否則蓮子會在入口處反彈回去，特別是遇到大粒蓮子時(shí)無法喂入而導(dǎo)致堵塞。所以適當(dāng)大小的靜態(tài)開度和入口角，可提高對不同粒徑蓮子的適應(yīng)性。此外還可以對主動輪的輪槽和壓板進(jìn)行增大摩擦系數(shù)的處理，使其最大滑動靜摩擦角增大，則入口角δ允許值增大，蓮子粒徑適應(yīng)范圍即可提高。

圖4 剝殼機(jī)構(gòu)入口的蓮子狀態(tài)Fig.4 Lotus seed state at inlet of shelling device

壓板全長可分為入口引導(dǎo)段、刃口段和碾壓段 3個(gè)部分，其作用分別為引導(dǎo)喂入、環(huán)切外殼和碾壓脫殼。為了防止刃口往復(fù)滑切時(shí)蓮子與壓板打滑，導(dǎo)致無法有效滑切，把壓板下表面的入口引導(dǎo)段和刃口段加工成齒條狀表面，以增加其摩擦力。

3 多種方案剝殼機(jī)構(gòu)性能對比試驗(yàn)

共有 4種方案進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：主動輪轉(zhuǎn)速100 r/min，壓板彈性壓力35 N，同一樣機(jī)刀片，每種剝殼方案試驗(yàn)4次，每次取50粒剛從蓮蓬上剝下來的鮮蓮子。4種方案都是以上述 U形支架為基本結(jié)構(gòu)，不同之處如下：

方案 A：刀片與壓板相對固定，蓮子沿壓板和刃口做純滾動，受穩(wěn)定的刃口壓力滾切。

方案B：在方案A基礎(chǔ)上加一電機(jī)驅(qū)動的偏心塊振動裝置，以10 Hz的頻率迫使整個(gè)切割機(jī)構(gòu)隨U形支架作上下微幅振動，壓板與刀片固接無相對運(yùn)動。

方案C：懸掛式振動剝殼機(jī)構(gòu)，刀片沿弧形切割通道相對于壓板作往復(fù)運(yùn)動，頻率8 Hz，壓板表面為光滑的不銹鋼板表面。

方案D：在方案C基礎(chǔ)上，壓板下表面用線切割加工成齒條狀以增大摩擦力，防止刃口往復(fù)滑切時(shí)蓮子與壓板打滑。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表中數(shù)據(jù)為4次試驗(yàn)平均值。方案B由于刀座振動產(chǎn)生波動切割，其壓力的波動影響了連貫割破能力，因此不如方案A 的剝殼率，并且對蓮仁的壓痕更明顯（上下振動慣性力作用）。方案C由于壓板摩擦力不夠，在刃口往復(fù)振動過程蓮子相對壓板存在來回滑移，形成不完全支撐切割，使滑切作用減弱，剝殼率明顯下降。方案D由于增加了壓板的摩擦力，蓮子與壓板不打滑，能夠有效夾持蓮子，使壓板接觸點(diǎn)處（純滾動的速度瞬心）蓮子質(zhì)點(diǎn)速度為 0，形成有支撐往復(fù)滑切，因此剝殼率高，是其中最有效的切割方案。

表2中數(shù)據(jù)為每次試驗(yàn)一次性加工的剝殼數(shù)。本機(jī)采用方案D設(shè)計(jì)，剝殼率為92%，整仁率為100%，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。切割后蓮殼與仁的分離另行處理，不在此贅述。

表2 不同方案蓮子剝殼試驗(yàn)結(jié)果Table2 Shelling results for different shelling methods

壓板與刃口對蓮子的壓力是影響剝殼質(zhì)量和剝殼率的重要因素。壓力過大蓮仁出現(xiàn)壓痕，壓力過小則剝殼率下降。蓮仁出現(xiàn)壓痕的原因之一是刃口太鈍，切入之前殼受刃口擠壓發(fā)生變形，其壓應(yīng)力透過外殼作用在仁上時(shí)，等效應(yīng)變區(qū)域?qū)ΨQ分布在切割線的兩側(cè)[28]，應(yīng)力超過仁表面的堅(jiān)實(shí)度而產(chǎn)生壓痕。其二是在碾壓階段，殼與仁分離過程中殼的切口邊緣對仁擠壓造成的壓痕，試驗(yàn)表明當(dāng)壓板壓力過大時(shí)蓮仁會產(chǎn)生約1～2 mm寬的凹痕，故在碾壓階段接觸表面加一層柔性材料對減輕壓痕有一定的效果。剝殼質(zhì)量和剝殼率是一對矛盾，因此要適當(dāng)選取切割壓力，壓應(yīng)力應(yīng)小于蓮仁單位面積承壓能力（參見表1）。對于往復(fù)振動的切割裝置，由于刃口滑切作用，可適當(dāng)降低刃口壓力，以減輕蓮仁的壓痕，提高剝殼質(zhì)量。蓮子剝殼質(zhì)量如圖5所示。

圖5 蓮子剝殼質(zhì)量Fig.5 Shelling quality of slight injury lotus seeds

4 結(jié) 論

1）采用樣機(jī)刀片測試蓮子殼的切透力平均值為19.63 N，最大值為25.80 N?？紤]到滾切時(shí)間短，實(shí)際切割壓力取28～35 N為宜。刃口鋒利時(shí)取小值，較鈍時(shí)取大值。

2）采用本設(shè)計(jì)內(nèi)充式排料機(jī)構(gòu)可以逐粒分離而不損傷蓮子，并有正位作用，且結(jié)構(gòu)簡單，對不同粒徑的鮮蓮子有較好的適應(yīng)性。

3）采用懸掛式振動剝殼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了刀片對蓮子的往復(fù)滑切和刃口高度的限制，剝殼率達(dá) 92%，整仁率100%，有輕微壓痕的小于10%。

4）通過4種切割方案性能試驗(yàn)對比，刀片相對壓板作弧線往復(fù)振動、且壓板下表面有防滑條紋的懸掛式振動切割的剝殼機(jī)構(gòu)剝殼率最高。

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Design and test of small fresh lotus seed sheller

Zhu Hengyin, He Jincheng, Fang Wenxi, Ye Dapeng, Liang Shihua
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou350002,China)

Lotus seeds have been manually shelled mostly, because conventional shelling equipment is complexly structured and high pieced, and generally it has a high operating cost and a low reliability, as well as is difficult to be popularized. In this study, a new lotus seed sheller with simple structure and easy operation was developed to improve the reliability, to popularize the shelling mechanization of fresh lotus seed, and to reduce the burden of the farmers. When the newly designed sheller is running, the lotus seeds in the hopper fall into the evenly distributed grooves of the discharge wheel and are discharged singly into the feeding chute. As rolling down from the chute under the action of gravity, the lotus seeds are then normally positioned and fed into the cutting channel at a position where the long axis of the seed is perpendicular to the cutting edge. An annulus cut is made at the equator of the seed with the use of a reciprocating cutting blade. Thereafter, the shell and the kernel of each seed are separated by rubbing the seed surface with the pressing plate and discharged. The cutting device is the primary working device in lotus seed shelling. A comparison study on the effects of shelling methods was conducted. The 4 shelling methods used were: 1) The cutting blade was fixed with the pressing plate; 2) The cutting blade was fixed with the pressing plate but vibrated; 3) The cutting blade reciprocated and the pressing plate had a smooth surface; 4) The cutting blade reciprocated and the pressing plate surface was non-slip. The testing results indicated that the shelling method using a reciprocating cutting blade and a non-slip pressing plate was superior to the others in both shelling rate and shelling quality, which resulted in a shelling rate of 92%, a whole kernel rate of 100%, and a percentage of kernels with slight injury of less than 10%. The shelling method with reciprocating cutting blade and non-slip pressing plate could meet the shelling requirements of fresh lotus seeds with an equatorial diameter ranging from 14 to 23 mm. In order to get a better understanding of the factors closely related to the lotus seed processing quality, the mechanical properties of fresh lotus seed were measured using a universal testing machine (Model 5543, INSTRON, United States of America) in College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, China. The test head moved at a speed of 20 mm/min and stopped when the pressing force dropped by 15%. The samples of 100 seeds from the variety TAIKONG36 were randomly selected and numbered. The cutting force was tested firstly using the prototype blade. Then the same samples were shelled and subjected to the kernel firmness measurement using a 2.2 mm test head. The kernel firmness of each seed was measured right after shelling to minimize the effect of seed moisture loss. The results showed that the average cutting force of the shell was 19.63 N with a maximum value of 25.80 N. The average kernel firmness was 19.02 N with a maximum value of 23.27 N. The average kernel firmness per unit area was 5.00 N/mm2with a maximum value of 6.12 N/mm2. Accordingly, the structure parameters and working parameters of the sheller were determined.

peeling; design; mechanization; lotus seed; mechanical properties

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.004

S226.4

A

1002-6819(2017)-07-0028-08

2016-07-14

2017-04-10

國家科技部科技支撐計(jì)劃子項(xiàng)目（2007BAD07B04）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016J0101）

朱亨銀，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后加工機(jī)械的設(shè)計(jì)與改進(jìn)研究。福州 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，350002。

Email：zhyli503@sina.com