組合式巴旦木脫青皮機(jī)設(shè)計(jì)研究

吐魯洪·吐爾迪,楊會(huì)民， 阿依木妮莎·拜克熱

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所, 烏魯木齊 830091)

0 引言

巴旦木是世界四大著名干果之一，又稱巴旦杏，學(xué)名扁桃(Amygdalus communis L.)，主要分布在美國(guó)、地中海地區(qū)，巴旦木在我國(guó)的分布十分有限，大面積巴旦木種植主要集中在中國(guó)新疆，而新疆主要分布在喀什地區(qū)莎車縣、英吉沙縣，這些地區(qū)具有發(fā)展巴旦木生產(chǎn)獨(dú)特的自然條件。巴旦木栽培在新疆已經(jīng)有1 300年多的歷史[1]，是我國(guó)具有地方特色的樹種。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織2010年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2]，世界范圍內(nèi)，巴旦木種植面積167.3萬(wàn)hm2，主要種植國(guó)家有美國(guó)(29萬(wàn)hm2)、西班牙、伊朗、摩洛哥、意大利、敘利亞、突尼斯、阿富汗、土耳其、阿爾及利亞及中國(guó)(1.2萬(wàn)hm2)等國(guó)，總產(chǎn)量251萬(wàn)t。其中，美國(guó)為141萬(wàn)t，占世界總產(chǎn)量的56.2%,位居各國(guó)產(chǎn)量的首位。

巴旦木在美國(guó)的特色經(jīng)濟(jì)作物出口產(chǎn)值位居第一，中國(guó)產(chǎn)量3.8萬(wàn)t，位居世界排名第11位。我國(guó)巴旦木種植業(yè)主要集中在新疆喀什地區(qū)，有上千年的種植歷史，但長(zhǎng)期以來(lái)，巴旦木的種植沒有得到足夠的重視，種植規(guī)模小、產(chǎn)量低，種植戶家庭成員齊上陣即可完成巴旦木的收獲、脫青皮、晾曬作業(yè)流程，成品即可進(jìn)入集市買賣。但是，去青皮及去雜由手工完成，效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，巴旦木脫青皮機(jī)的研究和研制應(yīng)用處于空白階段。

現(xiàn)有的機(jī)械化脫青皮技術(shù)采用鋼絲刷脫青皮、毛刷清洗機(jī)相結(jié)合的方法，主要用于核桃脫青皮?？v觀堅(jiān)果的去青皮作業(yè)原理與機(jī)具研制現(xiàn)狀，針對(duì)不同的物料特性，采用的方法有：間隙擠壓式、滾刀旋切式、離心拋摔式、自碾搓式及抽打攪拌式。到目前為止，堅(jiān)果去青皮尚未取得令人滿意的實(shí)質(zhì)性突破，技術(shù)創(chuàng)新或者技術(shù)集成方面亟待提高。我國(guó)的大多數(shù)堅(jiān)果去青皮機(jī)均在名牌或者說(shuō)明書上標(biāo)明去青皮率達(dá)到95%以上，清潔度達(dá)到90%以上；在實(shí)際的脫青皮作業(yè)中，由于堅(jiān)果栽培管理的差異，致使堅(jiān)果在脫青皮時(shí)的青皮與硬殼結(jié)合程度、成熟度等諸多影響指標(biāo)，實(shí)際的作業(yè)性能均低于出廠的技術(shù)指標(biāo)，破損率甚至高達(dá)15%～20%，與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的堅(jiān)果脫青皮存在很大的差距。

巴旦木脫青皮是一個(gè)涉及巴旦木青皮、巴旦木硬殼的生物學(xué)特性和物理機(jī)械特性的加工過(guò)程，必須將巴旦木的生物特性研究與脫青皮原理、關(guān)鍵部件工作結(jié)構(gòu)參數(shù)(工作部件對(duì)巴旦木物料的施力原理、施力方式、巴旦木的物料流動(dòng)方式、巴旦木物料流內(nèi)部的相互摩擦作用力)研究和工作部件的材料選用、工作部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等諸多方面的因素相結(jié)合起來(lái)，從巴旦木脫青皮的機(jī)理與硬殼損傷機(jī)理等理論著手，進(jìn)行巴旦木脫青皮原理研究與裝置的設(shè)計(jì)；新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所通過(guò)幾年的反復(fù)試驗(yàn)與改進(jìn)，研發(fā)了一種巴旦木脫青皮機(jī)，但還存一些問題，如脫青皮率≥90%，脫青皮后，青皮與巴旦木核混合從出料口排出，還需要人工分離等有關(guān)問題，因而研發(fā)了組合式巴旦木脫青皮機(jī)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

組合式巴旦木脫青皮機(jī)主要由刮板式輸送器、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、2級(jí)螺旋輸送器、2級(jí)分離滾筒篩、喂入口及出料口等組成，如圖1所示。在原有巴旦木脫青皮機(jī)(ZL201320278310.0)基礎(chǔ)上對(duì)巴旦木脫青皮進(jìn)行了改進(jìn)，巴旦木脫青皮時(shí)不需要分級(jí)，可一次完成對(duì)大小不一致的巴旦木進(jìn)行脫青皮，通過(guò)兩級(jí)不同的脫青皮裝置，提高了脫青皮率，避免了巴旦木脫青皮后核中含皮率高的問題，增加了提升裝置，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度；增加了清理樹葉裝置，避免了樹葉與青皮核揉搓在一起，對(duì)巴旦木核染色，影響出售價(jià)格；改進(jìn)了巴旦木脫皮機(jī)構(gòu)，模仿人工用手瓣的原理，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，不僅脫青皮速度快，而且工作效率高。

1.機(jī)架 2.電機(jī) 3.主動(dòng)鏈輪 4.第2級(jí)螺旋輸送器 5.第2級(jí)分離滾筒篩 6.出料口 7.第1級(jí)螺旋輸送器 8.第1級(jí)分離滾筒篩 9. 喂入口 10.輸送機(jī) 11.輸送機(jī)喂入口 圖1 6TB-500巴旦木脫青皮機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 6TB-500 almond dehusked machine

1.2 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

工作原理：物料通過(guò)提升機(jī)上的刮板,將物料均勻地輸入脫青皮機(jī)進(jìn)料口,電機(jī)通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)第1級(jí)螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)；進(jìn)料口落入的青皮巴旦木通過(guò)螺旋輸送器上的鋼絲去皮刷，未去皮的巴旦木通過(guò)螺旋去皮橡膠條，與分離滾筒篩內(nèi)壁進(jìn)行揉搓，逐步向出料口推進(jìn)；螺旋輸送器在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將青皮巴旦木夾在中間進(jìn)行揉搓，致使巴旦木表面青皮剝離，皮剝離后的巴旦木核與青皮，從滾筒分離篩縫隙中排出，未排干凈的青皮與核從出料口進(jìn)入下一個(gè)分離裝置中；螺旋輸送器將未排干凈的青皮與核輸送到分離區(qū)進(jìn)行再一次分離，冠狀齒形葉板作用將青皮從滾筒分離篩縫隙中排出，巴旦木核從出料口排出。技術(shù)參數(shù)為：

生產(chǎn)率/kg·h-1： 500

配套動(dòng)力/kW：2.2

脫凈率/%：≥95

破損率/%：≤4

核中含皮率/%： ≤4

配套動(dòng)力/kW：1.1

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 螺旋輸送裝置的設(shè)計(jì)

螺旋輸送裝置是脫青皮機(jī)的關(guān)鍵部件之一，作用是將喂入的青皮巴旦木進(jìn)行輸送和揉搓脫去巴旦木核上的青皮，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要由主軸、螺旋去皮橡膠條、鋼絲去皮刷、螺旋支撐板及支桿等零件構(gòu)成。主軸前軸頭上均布鋼絲去皮刷將未成熟、核與青皮黏合強(qiáng)的青皮去除，主軸上均勻焊接有支桿和支撐板用于固定螺旋去皮橡膠條。螺旋去皮橡膠條隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺旋去皮橡膠條推動(dòng)巴旦木物料向出料口方向移動(dòng)；螺旋去皮橡膠條邊緣與級(jí)分離滾筒篩內(nèi)壁有一定的間隙，其間隙小于巴旦木帶青皮厚度，范圍在15～25mm之間，使帶青皮巴旦木在螺旋去皮橡膠條邊緣與級(jí)分離滾筒篩內(nèi)壁形成的腔體內(nèi)進(jìn)行揉搓，揉搓后脫落的青皮從分離滾筒篩之間的間隙排出，分離滾筒篩間隙6～7.5mm。

1.支桿 2.螺旋支撐板 3.主軸 4.螺旋去皮橡膠條 5.鋼絲去皮刷 6.前軸頭 7.后軸頭 圖2 螺旋輸送器Fig.2 Spiral transmitter

2.2 輸送器與清理樹葉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

原巴旦木脫青皮機(jī)喂料靠人喂入，勞動(dòng)強(qiáng)度大，喂料很不均勻，經(jīng)常導(dǎo)致巴旦木脫青皮機(jī)無(wú)法正常工作。因此，該機(jī)增加了提升裝置，喂料均勻，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度；增加了清理樹葉裝置，避免了樹葉與青皮核揉搓在一起，對(duì)巴旦木核染色，影響出售價(jià)格，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要由喂料斗、刮板輸送器、輸送機(jī)支架、減速機(jī)總成及清選風(fēng)機(jī)組成。在刮板輸送器上端安裝有清選風(fēng)機(jī)，目的是當(dāng)從喂料斗進(jìn)入的巴旦木青皮混合物料通過(guò)刮板輸送器輸送到脫青皮機(jī)喂入口時(shí)，將混雜在巴旦木青皮中的樹葉通過(guò)清選風(fēng)機(jī)吹除。

1.減速枕總成 2.輸送枕支腿 3.刮板輸送器 4.喂料斗 5.清選風(fēng)機(jī) 圖3 輸送器Fig.3 Transmitter

新疆的巴旦木收獲靠人工用木棒敲打樹枝，收獲后的巴旦木中摻雜樹葉和樹枝，如果不將樹葉分離脫青皮，脫青皮后的巴旦木核被染色，影響銷售價(jià)格。

3 受力分析

螺旋輸送器和分離滾筒篩是該脫青皮機(jī)裝置的主要部件，螺旋輸送裝置以角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將青皮巴旦木帶人到工作區(qū)域。青皮巴旦木在分離滾筒篩上受兩組力(見圖4)，一組受螺旋去皮橡膠條作用于青皮巴旦木上的擠壓力F1，螺旋去皮橡膠摩擦力f1，去皮橡膠的擠壓力F2,分離滾筒篩的壁對(duì)青皮巴旦木上的支撐力F支, 滾筒篩的壁摩擦力f2共同作用力F擠，巴旦木的彈性模量和抗壓強(qiáng)度明顯小于巴旦木硬殼。為了保證巴旦木核不受破壞前青皮產(chǎn)生裂紋，擠壓力F1、F2,摩擦力f1、f2應(yīng)該在合理范圍內(nèi)，青皮脫落的條件為

其中，F(xiàn)w、Fh分別代表使青皮產(chǎn)生裂紋的擠壓力和使巴旦木硬殼產(chǎn)生裂紋的擠壓力；Ft代表使青皮發(fā)生破壞的剪切力。

4 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容及其評(píng)價(jià)指標(biāo)

巴旦木的品種不同,物理特性也會(huì)有些差別，依據(jù)堅(jiān)果的脫皮技術(shù)要求，結(jié)合機(jī)械脫青的技術(shù)特點(diǎn)，試驗(yàn)從巴旦木青皮的物料特性方面和脫青皮機(jī)脫青皮性能等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.滾筒 2.螺旋輸送器 3.巴旦木核 圖4 巴旦木青皮受力圖Fig.4 Force of almond

4.2 試驗(yàn)方法

依照GB/T 5667-2008 農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法進(jìn)行。

青皮巴旦木果實(shí)主要由外層青皮、硬殼、果仁3部分組成，成熟后的巴旦木青皮易開口與硬殼剝離，此時(shí)采取手工作業(yè)較容易；而未成熟的巴旦木青皮無(wú)裂口，手工作業(yè)需小刀劃刻較難剝離。

新疆的巴旦木品種繁雜，不同的青皮巴旦木品種外形尺寸與硬殼厚度差異明顯，脫殼后的青皮、帶殼巴旦木物料間差異較大，目前新疆巴旦木的品種主要有紙皮巴旦木、薄皮巴旦木、鷹嘴巴旦木和雙仁巴旦木4個(gè)品種。脫青皮機(jī)目前適應(yīng)鷹嘴巴旦木(硬殼)，本試驗(yàn)中采用的巴旦木為新疆莎車縣產(chǎn)地。青皮巴旦木的尺寸用游標(biāo)卡尺測(cè)定。

1)青皮巴旦木厚度。由于青皮巴旦木加工時(shí)，一般采用擠壓和揉搓原理，主要以巴旦木青皮厚度方向進(jìn)行擠壓和揉搓，因此青皮巴旦木外形尺寸主要測(cè)定厚度方向尺寸。本試驗(yàn)測(cè)定時(shí)共取100粒青皮巴旦木，成熟度為80%。

2)脫青皮率、破碎率和核中含皮率。影響巴旦木脫青皮的因素有螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速、螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的壁之間的間隙。由于帶青皮的巴旦木脫青皮，螺旋輸送器在分離滾筒篩內(nèi)帶動(dòng)青皮巴旦木旋轉(zhuǎn)，主要以厚度方向脫青皮，且青皮巴旦木外形尺寸差異很大，為了提高脫青皮效果，脫青皮前將青皮巴旦木按后度方向進(jìn)行分級(jí)，選取莎車巴硬殼3號(hào)(帶青皮巴旦木厚度d為15～21.5mm)(見表1)進(jìn)行。

表1 青皮巴旦木的厚度分布Table 1 The almond peel thickness distribution

第1步：進(jìn)行螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的壁之間的間隙(d)和螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速度(V)和螺旋器輸送器角度(θ°)的3因素正交試驗(yàn)。脫青皮的間隙(d)，根據(jù)莎車3號(hào)巴旦木品種的物料特性參數(shù)選取(15、18、20mm)3個(gè)水平(記A1，A2，A3), 和螺旋去皮橡膠條旋轉(zhuǎn)速度(V)選取(5、10、15m/mim)3個(gè)水平(記B1,B2,B3)。螺旋輸送器的輸送角度(θ°)選取(55°，75°,65°)3個(gè)水平(記C1,C2,C3)，如表2所示。

第2步：在上述正交試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的壁之間的間隙的最佳間隙值，螺旋輸送器在不同旋轉(zhuǎn)速度下對(duì)巴旦木脫青皮進(jìn)行脫青皮試驗(yàn)，測(cè)定青皮巴旦木的脫青皮率和破殼率。設(shè)青皮巴旦木在第一個(gè)脫青皮裝置中脫青皮率T1、青皮巴旦木在第二個(gè)脫青皮裝置中脫青皮率設(shè)為T2、破殼率設(shè)為P、核中帶青皮率設(shè)為S,巴旦木脫青皮的計(jì)算公式為

其中，T0為青皮巴旦木總數(shù)；T1為第1級(jí)脫青皮數(shù)；T2為第2級(jí)脫青皮數(shù)；P破為脫青皮時(shí)破碎數(shù)。

5 試驗(yàn)結(jié)果與討論

5.1 青皮巴旦木厚度分析

測(cè)定結(jié)果如表1所示。由表1可知：青皮巴旦木厚度的分布范圍為13～21mm，極差為8mmm，厚度在13～19mm范圍內(nèi)的粒數(shù)占測(cè)定總數(shù)的87%以上，所以巴旦木脫青皮間隙在13

5.2 破殼性能正交試驗(yàn)分析

通過(guò)表2的直觀分析，3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)巴旦木青皮剝離效果的影響大小依次為B>C>A，螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩間隙>螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩間隙為15 mm、螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩角度為75°。通過(guò)計(jì)算各因素的水平和，求出平均值，可分析各因素水平的變化對(duì)青皮脫凈率和巴旦木破損率的影響，從而找出各因素的最好水平，由表3 分析結(jié)果可以看出：當(dāng)取B1D1A1時(shí)，脫凈率指標(biāo)較好；當(dāng)取B3D3A1時(shí)，巴旦木破損率指標(biāo)較好采用綜合平衡的方法，可以得到較優(yōu)處理組合A1B2D2；經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)因素組合在A1B2D2的條件下，能夠得到較好的結(jié)果。

5.3 螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速度對(duì)脫青皮性能影響單因素試驗(yàn)

由正交試驗(yàn)表3可知，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速對(duì)脫青皮的影響不大。由表3中可以看出：螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩內(nèi)壁的間隙在15mm不變的條件下，螺旋輸送器角度75°時(shí)，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速越高，脫青皮的效率越高，其生產(chǎn)率越高。

表3 脫青皮旋轉(zhuǎn)速度與性能參數(shù)Table 3 Peeling the rotation speed and performance parameters

由正交試驗(yàn)表3可知：當(dāng)螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min增加到400r/min，脫青皮率逐漸提高，巴旦木破碎率為零；隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高450r/min到600r/min，脫青皮率提高不明顯平均在94.2%，反而巴旦木破碎率逐步提高，平均在3.5‰。設(shè)計(jì)巴旦木脫青皮機(jī)時(shí)，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速在400～450r/min范圍較合適，螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩內(nèi)壁的間隙在15mm范圍較合適。

6 結(jié)論

1)螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的間隙對(duì)于巴旦木脫凈率和破碎率指標(biāo)影響最大，螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的間隙的角度次之，螺旋輸送器的前進(jìn)速度影響較小。

2)為獲得最佳的綜合指標(biāo)，在喀什地區(qū)莎車縣進(jìn)行的實(shí)際作業(yè)中，采用螺旋輸送器前進(jìn)速度為5m/min。螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩間隙15mm，螺旋去皮橡膠條角度75°，加工效果良好。

3)該機(jī)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)巴旦木多個(gè)品種巴旦木脫青皮，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 喬園園，王學(xué)農(nóng)，郭兆峰，等.巴旦木脫青皮機(jī)的設(shè)計(jì)[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2013(5)：5-6.

[2] 藍(lán)峰，崔勇，蘇子昊，等.油茶果脫殼清選機(jī)的研制與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012(15)：33-39.

[3] 楊忠強(qiáng)，李忠新，楊莉玲，等.核桃脫青皮機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013(5)：190-194.

[4] 樊濤，吳兆遷，曲振興，等.油茶果脫清皮機(jī)的設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2011(10)：35-36.

[5] 王冰，裴新民，李忠新，等.我國(guó)核桃初加工現(xiàn)狀及發(fā)展前景的分析研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2010(5)：43.

[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)：72-74.

[7] 郭瑞琴，劉竹麗.新型食用杏核脫殼裝置[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2004(20)：83-84.

[8] 蘭彥平，吐拉克孜，郭文英，等.巴旦杏的研究現(xiàn)狀及開發(fā)利用前景[J].林業(yè)科學(xué)研究， 2004(17)：674-679.

[9] 楊德勇，王博，吐魯洪，等.小型杏核破破殼機(jī)的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1997(2)：55-59.

[10] 周祖鍔，郭其泰.杏核物理特性的試驗(yàn)研究[J].北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(15)：31-33.