離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

楊忠強(qiáng),崔寬波,閆圣坤,孫儷娜,阿布里孜·巴斯提,李忠新,王慶惠,*

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,新疆烏魯木齊 830091; 2.烏魯木齊特色林果裝備工程技術(shù)研究中心,新疆烏魯木齊 830091)

核桃,又名胡桃,是世界四大干果之一。由于核桃營養(yǎng)保健價(jià)值極高,國內(nèi)外市場日漸走俏,核桃的需求量和種植面積不斷增加。目前,我國核桃栽種面積和產(chǎn)量均居世界首位[1],主要集中在西南地區(qū)和西北地區(qū)。核桃果實(shí)從內(nèi)到外主要由果仁、果殼、青皮3部分組成,果殼是一層堅(jiān)硬的木質(zhì)硬殼,青皮是由數(shù)層體積較小且排列緊密的表皮細(xì)胞組成,含有大量的葉綠素。核桃果實(shí)成熟時(shí),青皮由綠變黃,頂部逐步開裂,青皮與果殼易于剝離,但由于地區(qū)氣候和品種的差異,導(dǎo)致果仁和青皮成熟時(shí)間不同步,這影響了核桃果仁的品質(zhì)[3]。我國大部分地區(qū)的果農(nóng)仍使用手工砍剝青皮,雖然簡單直接,但是其勞動(dòng)強(qiáng)度較大,極易傷手,而且青皮汁液損傷皮膚,衛(wèi)生條件較差。因此,利用機(jī)械方法去除青皮具有重要的研究意義。

影響青核桃脫皮效果的因素有很多,主要集中在核桃的品種、青皮含水率、成熟度以及脫皮結(jié)構(gòu)等。我國核桃品種繁多[4],核桃之間差異較大,核桃果殼越薄,果殼在機(jī)械脫皮時(shí)越容易破損、開裂;核桃青皮的平均厚度為6～8 mm,含水率一般為87%～92%左右[5],對青皮含水率的控制是難以改變脫皮效果的;青皮開裂程度越大,核桃的成熟度越好,核桃青皮與果殼越容易分離;青核桃脫皮效果還與受加工原理、主要工作部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)有關(guān)[6]。對于定間隙擠壓脫皮機(jī)械,需要對青核桃外形大小進(jìn)行分級,然后根據(jù)外形尺寸進(jìn)行分批調(diào)整加工,對于離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī),主要通過向心力的作用,青核桃與篩網(wǎng)以及青核桃之間的碰撞摩擦脫皮,因其脫皮原理不同,無間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),因此加工前不需要對青核桃外形大小進(jìn)行分級處理。

目前,對于青核桃機(jī)械化脫皮的研究主要集中在脫皮機(jī)理和脫皮機(jī)具兩個(gè)方面。脫皮機(jī)理的研究主要從加載方向、加載速率以及青核桃的物理性質(zhì)如體積大小,青皮厚度硬度、果殼厚度硬度、含水率和成熟度等幾個(gè)方面進(jìn)行討論[3-4]。而脫青皮機(jī)具主要有切割脫皮法[7-8]、刮削脫皮法[9-10]、擠壓脫皮法[11-12]、撞擊脫皮法[13-14]四種方法。青皮的破裂以及脫皮效果是上述研究的主要評判指標(biāo),然而對于如何在得到高脫凈率的同時(shí),降低核桃破損果率以及獲得較高加工效率方面的研究卻較少。針對這種情況,本文介紹一種離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī)。根據(jù)脫皮機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理,以及在脫皮過程中的受力進(jìn)行分析,研究青核桃物理特性、脫皮結(jié)構(gòu)對脫皮效果的影響,通過生產(chǎn)率、篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速和作業(yè)時(shí)間對脫皮效果的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn),為同類研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

青核桃原料 選用新疆主栽品種扎343、新新2、溫185、新豐進(jìn)行,9月上旬采收,青核桃的外形尺寸為(37.6～56.4) mm×(34.8～49.7) mm×(36.7～52.4) mm,青皮含水率為88.2%～94%,核桃殼含水率為31%～35%,核桃仁含水率為24%～29%,青皮平均厚度6.9 mm,產(chǎn)于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣,2016年9月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)前將購買回的青核桃放于(5±1) ℃的冷庫內(nèi)保存。

離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī) 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所自制;JZQ350減速器 淄博博山志學(xué)機(jī)械廠;TCS-150型電子計(jì)價(jià)臺秤 貴陽宏立衡器制造有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 青核桃脫皮機(jī)的構(gòu)造及工作原理

1.2.1.1 脫皮機(jī)的結(jié)構(gòu) 離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、出料口、篩網(wǎng)、柵條、出口擋料板、螺旋導(dǎo)料裝置、進(jìn)口擋料板、進(jìn)料口和機(jī)架等組成,如圖1所示的結(jié)構(gòu)。機(jī)架上面設(shè)置有柵條和篩網(wǎng)組成的滾筒,滾筒的一端設(shè)置有進(jìn)料口,另一端設(shè)置有出料口,滾筒上安裝有傳動(dòng)軸,傳動(dòng)軸上設(shè)置有連接法蘭,進(jìn)料口端的連接法蘭周向均布若干組柵條,柵條之間的間隙小于核桃果殼短軸直徑而大于青皮厚度,出料口端的連接法蘭周向設(shè)置有篩網(wǎng),網(wǎng)孔的尺寸比脫去青皮的核桃小,傳動(dòng)軸一端設(shè)置有軸承,另一端設(shè)置有軸承和聯(lián)軸器,聯(lián)軸器與減速器連接,固定在機(jī)架上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶輪,通過皮帶將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)皮帶輪,帶動(dòng)減速器旋轉(zhuǎn),從而滾筒旋轉(zhuǎn)。

圖1 離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The struction of centrifugal-mesh green walnut peeling machine注:1.出料口;2.傳動(dòng)軸;3.軸承;4.出口擋料板;5.篩網(wǎng);6.連接法蘭;7.柵條;8.螺旋導(dǎo)料裝置;9.進(jìn)口擋料板;10.進(jìn)料口;11.聯(lián)軸器;12.減速器;13.傳動(dòng)皮帶輪;14.皮帶;15.皮帶罩;16.電機(jī)帶輪;17.電機(jī);18.機(jī)架。

1.2.1.2 脫皮機(jī)的工作原理 工作時(shí)青核桃經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入到滾筒中,在滾筒旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下,青核桃之間以及青核桃與柵條之間產(chǎn)生碰撞,撞擊作用使核桃青皮破裂,脫離果殼的青皮以塊狀青皮[15]形式從柵條間隙中漏出,柵條內(nèi)設(shè)置有螺旋導(dǎo)向裝置,核桃及未脫干凈的青核桃混合物料在螺旋導(dǎo)向裝置的推送下進(jìn)入篩網(wǎng)段,在向心力的作用下,混合物料不斷翻滾與篩網(wǎng)及物料之間相互不斷撞擊摩擦,青皮被磨成液汁狀而從篩網(wǎng)孔眼中甩出,青核桃存留在篩網(wǎng)段處,打開出料口,將核桃排出。對于離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī),無間隙調(diào)整,加工前不需要對青核桃進(jìn)行大小分級,對青核桃的品種和成熟度要求較低,大大降低生產(chǎn)成本,適應(yīng)性強(qiáng)。

1.2.1.3 脫皮機(jī)的作用力分析 滾筒中的柵條和篩網(wǎng)是該機(jī)的主要部件,工作中,青核桃在柵條段撞擊很短時(shí)間內(nèi)就進(jìn)入到篩網(wǎng)段,篩網(wǎng)段是該機(jī)主要的脫皮工作區(qū)域。就單個(gè)青核桃而言,青核桃在旋轉(zhuǎn)篩網(wǎng)中受到篩網(wǎng)的向心力F、篩網(wǎng)的擠壓力F1、篩網(wǎng)的摩擦力F2以及核桃的重力mg,如圖2所示單個(gè)青核桃在篩網(wǎng)中的受力圖。按x軸、y軸分解,青核桃中心各個(gè)力之間的關(guān)系如下:

圖2 青皮核桃受力分析圖Fig.2 Force analysis of green walnut

式(1)

其中,m、ω、R、μ分別代表青核桃的質(zhì)量、篩網(wǎng)的轉(zhuǎn)速、篩網(wǎng)半徑、篩網(wǎng)的表面動(dòng)摩擦系數(shù)。

由式(1)可知,影響離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī)性能因素有:篩網(wǎng)的轉(zhuǎn)速ω、篩網(wǎng)的表面動(dòng)摩擦系數(shù)μ、篩網(wǎng)的半徑R、青核桃的質(zhì)量m,除此之外還和θ角和青核桃的直徑(與篩網(wǎng)的直徑相比可以忽略)以及在篩網(wǎng)中作業(yè)時(shí)間有關(guān)。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī)篩網(wǎng)直徑1400 mm,與減速器的速比是31.5∶1,電機(jī)是三相異步5.5 kW電機(jī),通過變頻器控制主軸的轉(zhuǎn)速,使其在20～50 r/min范圍內(nèi)變化,通過投入量和作業(yè)時(shí)間控制脫皮機(jī)的生產(chǎn)率,通過出料口控制作業(yè)時(shí)間。

將篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速定為35 r/min,作業(yè)時(shí)間4 min,生產(chǎn)率分別定為300、600、900、1200和1500 kg/h,研究生產(chǎn)率對脫凈率和破損果率的影響。將生產(chǎn)率定為900 kg/h,作業(yè)時(shí)間4 min,篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速分別定為20、25、30、35、40、45、50 r/min,研究篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速對脫凈率和破損果率的影響。將生產(chǎn)率定為900 kg/h,篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速35 r/min,作業(yè)時(shí)間分別定為1、2、3、4、5、6、7 min,研究作業(yè)時(shí)間對脫凈率和破損果率的影響。

脫凈率(T)[16]的計(jì)算方法如下:

式(2)

其中,m1為測試中完全脫皮的核桃質(zhì)量(kg);m2為測試中未完全脫皮的核桃質(zhì)量(kg)。

破損果率(P)[16]的計(jì)算方法如下:

式(3)

其中,m3為測試中破損果質(zhì)量(kg);m:測試中出料口樣品總質(zhì)量(kg)。

1.2.3 正交實(shí)驗(yàn) 根據(jù)上述的單因素實(shí)驗(yàn),選取生產(chǎn)率(A)、篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速(B)、作業(yè)時(shí)間(C)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),由于脫凈率T與破損果率P對于青核桃脫皮最為重要,所以將T、P作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo),選用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)表,具體的實(shí)驗(yàn)方案見表1。每組重復(fù)3次。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels table of orthogonal experiment

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有的實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次,利用Excel進(jìn)行計(jì)算,SPSS statistic 19.0對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,origin 7.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生產(chǎn)率對脫皮效果的影響

圖3是生產(chǎn)率對脫凈率和破損果率的影響。從圖3可以看出,隨著生產(chǎn)率的增加,脫皮機(jī)的青皮脫凈率和核桃破損果率隨之減少。脫皮機(jī)在脫皮過程中是依靠篩網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)青核桃在篩網(wǎng)面上翻滾碰撞及摩擦,撞擊篩網(wǎng)迫使青皮開裂進(jìn)行脫皮。當(dāng)生產(chǎn)率較小時(shí),單個(gè)青核桃撞擊篩網(wǎng)面的機(jī)會變大,破裂的概率也增大,青皮脫凈率較高,隨著生產(chǎn)率的增加,單位時(shí)間內(nèi)撞向篩網(wǎng)面的物料增加,單個(gè)青核桃撞擊篩網(wǎng)的概率減少,破裂的概率也減小,青皮脫凈率較低。因此,當(dāng)脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)一定時(shí),生產(chǎn)率應(yīng)根據(jù)脫皮工藝對脫皮機(jī)的性能要求相對保持一致。綜合考慮,生產(chǎn)率在600～1200 kg/h范圍時(shí)較為理想。

圖3 生產(chǎn)率對脫凈率和破損果率的影響曲線Fig.3 Effect of productivity on threshing rate and breakage rate

2.2 篩網(wǎng)的轉(zhuǎn)速對脫皮效果的影響

圖4是篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速對脫凈率和破損果率的影響。從圖4可以看出,脫皮機(jī)的青皮脫凈率和核桃破損果率都是隨著篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速的增加而變大。由于篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速的增加使進(jìn)入到篩網(wǎng)中的青核桃獲得的速度和向心力隨之增大,青核桃撞擊篩網(wǎng)增強(qiáng),青皮脫凈率變大。同時(shí),核桃果殼的破裂程度也增強(qiáng),核桃破損果率上升。而對脫皮機(jī)的脫皮性能要求是提高生產(chǎn)率和脫凈率,降低核桃的破損果率。在實(shí)際生產(chǎn)中,青皮脫凈率和核桃破損果率是相互矛盾的參數(shù),不能單獨(dú)通過提高轉(zhuǎn)速的方法來提高脫凈率和生產(chǎn)率。設(shè)計(jì)脫皮機(jī)時(shí)應(yīng)根據(jù)最低允許的破損果率確定脫皮機(jī)篩網(wǎng)的轉(zhuǎn)速從而確定青皮脫凈率,綜合考慮,篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速在25～45 r/min范圍時(shí)較為理想。

圖4 篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速對脫凈率和破損果率的影響曲線Fig.4 Effect of mesh rotation speed on threshing rate and breakage rate

2.3 作業(yè)時(shí)間對脫皮效果的影響

圖5是作業(yè)時(shí)間對脫凈率和破損果率的影響。從圖5可以看出,隨著作業(yè)時(shí)間的增加,青皮脫凈率和核桃破損果率隨之增大,脫皮機(jī)在脫皮過程中依靠篩網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)青核桃一起加速,青核桃不斷翻滾與篩網(wǎng)碰撞摩擦而進(jìn)行脫皮。當(dāng)作業(yè)時(shí)間較小時(shí),青核桃在篩網(wǎng)面的滾動(dòng)碰撞較少,破裂的概率就越小,其青皮脫凈率和核桃破損果率就較低。隨著時(shí)間的增加,青核桃在篩網(wǎng)面上的滾動(dòng)碰撞摩擦較多,青皮、果殼破裂的概率也變大,青皮脫凈率和核桃破損果率就較大。綜合考慮,作業(yè)時(shí)間在2～6 min范圍時(shí)較為理想。

圖5 時(shí)間對脫凈率的影響曲線Fig.5 Effect of time on threshing rate and breakage rate

2.4 正交實(shí)驗(yàn)

表2是正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表3是脫凈率方差分析結(jié)果,表4是破損果率方差分析結(jié)果。

表3 脫凈率方差分析結(jié)果Table 3 Results of variance analysis for threshing rate

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiment

由表2可知,實(shí)驗(yàn)3號青皮脫凈率最高,脫凈率最優(yōu)方案為A1B3C3,即生產(chǎn)率600 kg/h,篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速為45 r/min,作業(yè)時(shí)間為6 min。影響脫凈率的因素主次順序?yàn)锽>A>C。破損果率最低的最優(yōu)方案為A3B1C1即生產(chǎn)率1200 kg/h,篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速為25 r/min,作業(yè)時(shí)間為2 min,影響核桃破損果率的因素主次順序?yàn)锽>C>A以破損果率最低最優(yōu)方案為A3B1C1進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其結(jié)果脫凈率為80.15%,破損果率為3.81%。

由表3可知,篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速(B)對脫凈率有極顯著影響(p<0.01),而生產(chǎn)率(A)和作業(yè)時(shí)間(C)對脫凈率也有顯著影響(p<0.05)。由表4可知,篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速(B)對破損果率有顯著的影響(p<0.05),而生產(chǎn)率(A)和作業(yè)時(shí)間(C)對破損果率的影響不顯著(p>0.05)。

表4 破損果率方差分析結(jié)果Table 4 Results of variance analysis for breaking rate

對于脫凈率和破損果率優(yōu)選方案,在A1B3C3條件下,雖然脫凈率最好,但破損果率明顯偏高;在

A3B1C1條件下破損果率較好,但脫凈率偏低,因此,不予采納。綜合考慮樣機(jī)使用情況,結(jié)合表3和表4,在保證高脫凈率的同時(shí),還要控制破損果率,同時(shí)還要考慮到生產(chǎn)效率和批量加工的問題,所以最終優(yōu)化選方案為A2B2C2,即生產(chǎn)率為900 kg/h,篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速為35 r/min,作業(yè)時(shí)間為4 min，扎343青核桃脫凈率為91.02%，破損果率為5.27%。

2.5 方案的驗(yàn)證

對于優(yōu)化方案A2B2C2經(jīng)過3次重復(fù)實(shí)驗(yàn),該參數(shù)下設(shè)備脫凈率均值為91.02%(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≥88%[16]),破損果率為5.27%(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤6%[16]),青皮脫凈率較高,而核桃破損果率較低。對新疆主栽的其他核桃品種新新2、溫185、新豐分別進(jìn)行了脫皮實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明,新新2青核桃脫凈率為92.2%,破損果率為5.1%;溫185青核桃脫凈率為91.8%,破損果率為5.4%;新豐青核桃脫凈率為90.2%,破損果率為4.5%;三種品種的青核桃均獲得較好的脫皮效果。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī),沒有間隙調(diào)整機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,進(jìn)行青核桃脫皮,不需要進(jìn)行外形大小分級,適合剛采摘下來的青果,適應(yīng)性強(qiáng);以生產(chǎn)率、篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速和作業(yè)時(shí)間對扎343青核桃脫皮進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),在次基礎(chǔ)上,再進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速對青皮脫凈率影響最大,生產(chǎn)率和作業(yè)時(shí)間的影響次之;篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速對核桃破損果率影響最大,而生產(chǎn)率和作業(yè)時(shí)間對破損果率的影響較小;方案優(yōu)化后,當(dāng)生產(chǎn)率為900 kg/h,篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速為35 r/min,作業(yè)時(shí)間為4 min時(shí),扎343青核桃脫凈率為91.02%,破損果率為5.27%,新新2青核桃脫凈率為92.2%,破損果率為5.1%,溫185青核桃脫凈率為91.8%,破損果率為5.4%,新豐青核桃脫凈率為90.2%,破損果率為4.5%,都可獲得較好的脫皮效果。

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