小型手動(dòng)式紅棗去核機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

于福鋒，李 平，張鳳奎

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

根據(jù)年鑒統(tǒng)計(jì)，2017年全世界紅棗產(chǎn)量為876.75萬(wàn)t，我國(guó)紅棗產(chǎn)量852.20萬(wàn)t，產(chǎn)量約占全世界的97%。目前南疆紅棗產(chǎn)量和需求量逐年增長(zhǎng)，紅棗深加工企業(yè)越來(lái)越多，紅棗精深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。紅棗深加工能夠使紅棗產(chǎn)品多元化銷售，拓寬紅棗多種銷售方式，豐富紅棗產(chǎn)業(yè)鏈，給棗農(nóng)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)收入[1-2]。紅棗去核是紅棗深加工前的重要步驟，使紅棗有更好銷售渠道和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品效應(yīng)，同時(shí)高效、清潔、安全地對(duì)紅棗去核也是紅棗深加工企業(yè)面臨的重要問(wèn)題，對(duì)深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。因此，研究紅棗機(jī)械化去核裝備即是當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題也是今后研究的方向[3-4]。

近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)去核機(jī)械裝備進(jìn)行了大量的研究，其中以紅棗、辣椒、荔枝等食用型農(nóng)作物研究較為廣泛，如康寧波等[5]設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)綒鈩?dòng)自動(dòng)化干紅棗去核機(jī)可實(shí)現(xiàn)單個(gè)紅棗自動(dòng)化定向排列上料，采用圖像檢測(cè)和機(jī)械裝置結(jié)合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確定位。郜海超等[6]設(shè)計(jì)的小型全自動(dòng)大棗去核機(jī)重點(diǎn)分析自動(dòng)上料定位機(jī)構(gòu)和去核機(jī)構(gòu)。曹勁草[7]設(shè)計(jì)的紅棗去核機(jī)主要針對(duì)去核機(jī)確定了傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)間歇運(yùn)動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。鄭興帥等[8]設(shè)計(jì)辣椒去核機(jī)定向輸送機(jī)構(gòu)，采用一對(duì)有角度的輥杠相向?qū)L進(jìn)行去核的方式。李長(zhǎng)友等[9]對(duì)荔枝定向去核剝殼機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。劉開(kāi)勇等[10]設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)山楂去核機(jī)。張玉峰等[11]設(shè)計(jì)了用氣缸作為動(dòng)力，推動(dòng)去核桿進(jìn)行去核的裝置，具有去核破碎少，沖核效率高等優(yōu)點(diǎn)。時(shí)明明等[12]對(duì)紅棗上料裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采取直線往復(fù)式機(jī)械振動(dòng)裝置，提高了紅棗上料速度。相對(duì)而言，國(guó)外對(duì)去核機(jī)械研究較為成熟，主要對(duì)蘋(píng)果、桃子等林果進(jìn)行理論研究，如美國(guó)公司采用高速旋轉(zhuǎn)的圓形杯對(duì)桃核進(jìn)行定位和去核，定位準(zhǔn)確，去核效率高。Brown等[13]對(duì)水果進(jìn)行定向去核，主要采用鏈輪與摩擦帶之間相互配合帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的水果定位從而進(jìn)行去核。Hendrik等[14]運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)水果進(jìn)行識(shí)別和定位，并且控制其機(jī)械裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)移動(dòng)并準(zhǔn)確去核。

目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)械去核設(shè)備主要存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、浪費(fèi)原材料嚴(yán)重，同時(shí)某些設(shè)備還存在使用范圍窄，僅適用于大型食品加工廠加工干棗或半干棗，對(duì)于小型化生產(chǎn)需求并不適用[15-16]。因而通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外去核機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理，本文提出設(shè)計(jì)一種小型手動(dòng)式紅棗去核裝置，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、生產(chǎn)效率較人工高、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)；該裝置可以代替人工去核，干凈衛(wèi)生，操作簡(jiǎn)便，有較強(qiáng)的推廣優(yōu)勢(shì)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 物料測(cè)定

去核紅棗的物料是從新疆阿拉爾市周邊團(tuán)場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的鮮食圓脆紅棗和干制后的駿棗，對(duì)兩種紅棗物理特性進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得圓脆長(zhǎng)度在30～45 mm之間，寬度在20～35 mm之間，棗核寬度3～5 mm之間；駿棗長(zhǎng)度在35～50 mm之間，寬度在25～40 mm之間，棗核寬度在4～5 mm之間。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)

裝置結(jié)構(gòu)如圖1，該裝置主要由左右支撐板、矩形刀架組件、弧形凸輪軸組件、去核組件、承棗板、接核篩及壓桿組成。其中矩形刀架組件與弧形凸輪軸組件始終保持接觸，給去核組件提供導(dǎo)向路徑；左右支撐板與上方的矩形刀架組件和弧形凸輪軸組件相互連接，固定弧形凸輪軸組件不發(fā)生軸向偏移，僅使矩形刀架組件能夠在其導(dǎo)軌內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；左右支撐板與下方的承棗板和接核篩之間連接，僅提供水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)；壓桿與弧形凸輪軸組件軸向連接，往復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)給其提供壓力。

1.3 設(shè)計(jì)原理

該裝置其工作步驟分為裝料、沖核、退回、去棗、取棗五個(gè)步驟。

工作過(guò)程：主要為去核構(gòu)件往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)及承棗板水平移動(dòng)連續(xù)作業(yè)來(lái)對(duì)紅棗進(jìn)行手動(dòng)去核，采用弧形凸輪軸系作為去核構(gòu)件的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，通過(guò)弧形凸輪軸系驅(qū)動(dòng)去核構(gòu)件作上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)凸輪軸系帶動(dòng)矩形刀架在滑軌上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并利用壓縮彈簧帶動(dòng)去核構(gòu)件內(nèi)的頂核桿，減輕去核構(gòu)件在進(jìn)入導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)對(duì)紅棗的沖擊力，有效降低紅棗破損率，裝料承棗板采用鋼珠彈簧，在其水平移動(dòng)時(shí)可以有效的起到準(zhǔn)確定位和送料的作用，去核構(gòu)件中頂核桿將棗核去除并由頂核桿將其頂入接核篩，實(shí)現(xiàn)紅棗去核以及棗核分離。

圖1 手動(dòng)式紅棗去核裝置示意

去核工作路線圖如圖2，（1）人手動(dòng)施加壓力時(shí)，使壓桿向下作用。（2）其連接軸同時(shí)帶動(dòng)弧形凸輪軸系中的弧形凸輪作用于軸承上，帶動(dòng)整個(gè)去核機(jī)構(gòu)在支撐板內(nèi)部滑軌中向下運(yùn)行。（3）當(dāng)頂核桿接觸到紅棗后，壓縮彈簧使頂核桿縮到空心刀具內(nèi)，空心刀具繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，在鋼珠彈簧定位機(jī)構(gòu)的作用下紅棗便被精準(zhǔn)地送到空心刀具正下方，同時(shí)將棗核去掉，此時(shí)在彈簧的作用下頂核桿透過(guò)承棗板內(nèi)部的棗核眼將棗核頂入接核篩。（4）在彈簧的作用下，去核機(jī)構(gòu)恢復(fù)初始狀態(tài)，進(jìn)行下一次去核。

2 主要組件設(shè)計(jì)

2.1 去核組件設(shè)計(jì)

通過(guò)前期試驗(yàn)整理數(shù)據(jù)可知，紅棗一般長(zhǎng)度30～50 mm，棗核的寬度為4～6 mm。需要頂核桿長(zhǎng)度大于紅棗的長(zhǎng)度，在去核時(shí)將紅棗完全貫穿，才能夠?qū)椇送耆珡募t棗中分離開(kāi)，頂核桿的直徑要大于棗核寬度，避免過(guò)小對(duì)紅棗內(nèi)部產(chǎn)生破損，彈簧要有一定的預(yù)緊力，要有一定彈性強(qiáng)度來(lái)提供壓力。設(shè)計(jì)其頂核桿長(zhǎng)度為65 mm，直徑為6.5 mm，空心刀具的長(zhǎng)度為180 mm，彈簧長(zhǎng)度為55 mm。

圖2 去核工作路線

去核組件是直接與紅棗表面接觸的關(guān)鍵組件，為了能夠獲得干凈的紅棗果肉，去核刀頭需要適應(yīng)不同大小棗核的要求，其刀頭必須鋒利。去核組件如圖3，主要由螺栓、壓力彈簧套、壓力彈簧、空心刀桿、頂核桿、刀頭組成?？招牡稐U與頂核桿相配合，在壓縮彈簧施加力時(shí)，刀頭切開(kāi)棗皮，隨之頂核桿沖入棗內(nèi)將棗核頂出棗外，最終壓力彈簧復(fù)位。由于圓形不銹鋼有較好的滑切性能和防生銹特性，其中空心刀桿、刀頭與頂核桿均采用圓形不銹鋼材質(zhì)，壓力彈簧、螺栓采用標(biāo)準(zhǔn)件，提高裝置通用性。

圖3 去核組件

2.2 矩形刀架組件設(shè)計(jì)

矩形刀架組件如圖4，主要由預(yù)留口、刀架、軸承套、軸承支座、滾動(dòng)軸承、鋼珠組成。滾動(dòng)軸承和軸承支座與刀架相互連接，起到支撐與穩(wěn)定去核組件的作用，預(yù)留口用來(lái)放置去核組件；軸承套和軸承支座將滾動(dòng)軸承放置牢靠，配合弧形凸輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減輕紅棗去核阻力，帶動(dòng)其去核組件上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；鋼珠起到定位作用，有效地降低紅棗由于去核組件定位不準(zhǔn)造成的破損。

刀架采用工程塑料3D打印而成，其余零件均使用通用性好的標(biāo)準(zhǔn)件，保證裝置零件方便易購(gòu)買(mǎi)。

2.3 弧形凸輪軸組件設(shè)計(jì)

弧形凸輪軸組件如圖5，主要由弧形凸輪、緊固件、軸承、軸、六角螺栓組成?；⌒瓮馆嗇S組件主要為了減輕施加時(shí)的沖壓力和施力者勞動(dòng)強(qiáng)度，提高紅棗去核率。兩端軸承配合弧形凸輪向下一組件傳遞，弧形凸輪和軸承構(gòu)件有較好的傳遞性，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，軸承可以緩解頂核桿和沖壓強(qiáng)度，減少紅棗的損傷。

圖4 矩形刀架組件

弧形凸輪與軸是由熱處理的金屬材質(zhì)加工而成，有較強(qiáng)的硬度和光滑度，軸承與六角螺栓均采用標(biāo)準(zhǔn)件。

圖5 弧形凸輪軸組件

2.4 承棗板組件設(shè)計(jì)

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出紅棗長(zhǎng)度35～55 mm，寬度20～40 mm，棗核的寬度為4～6 mm。設(shè)計(jì)承棗板時(shí)其放置紅棗的凹槽橫徑、縱徑長(zhǎng)度應(yīng)大于紅棗的長(zhǎng)度和寬度，設(shè)計(jì)承棗板凹槽的橫經(jīng)長(zhǎng)度為35 mm，縱徑長(zhǎng)度60 mm，棗核眼直徑大于棗核寬度，設(shè)計(jì)棗核眼直徑為7 mm。

承棗板組件是定位和扶正紅棗的主要組件，為了能夠?qū)⒓t棗的重心位于承棗板凹槽的中心，凹槽應(yīng)該滿足不同尺寸的紅棗要求，壓桿每次向下運(yùn)動(dòng)，如果只去1顆紅棗核，會(huì)降低生產(chǎn)率，為提高生產(chǎn)率需要增加3個(gè)橫向凹槽和5個(gè)縱向凹槽，同時(shí)在凹槽邊緣粘貼柔軟材料，能夠完全將紅棗包裹其中防止紅棗擠壓變形，便于棗核處于頂核桿刀頭正下方。承棗板組件如圖6，主要由凹槽、凹槽板、把手、凹槽眼組成。承棗板由15個(gè)凹槽組成，一次試驗(yàn)可將15個(gè)紅棗去核。

圖6 承棗板組件

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，手工隨機(jī)挑選鮮棗圓脆350顆，分成7組每組50顆；干棗為特級(jí)駿棗，同樣根據(jù)以上將干棗分為7組，對(duì)其進(jìn)行去核試驗(yàn)，裝置實(shí)物如圖7所示。試驗(yàn)過(guò)后統(tǒng)計(jì)紅棗去核率、破損率、生產(chǎn)效率3項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)試制裝置性能進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià)。

根據(jù)上述理論參數(shù)設(shè)計(jì)，本機(jī)為減輕重量，外殼、左支撐板、刀架、承棗板、接核篩、彈簧罩、把手均由工程塑料3D打印制成；軸、壓桿、弧形凸輪、空心刀具、頂核桿、彈簧均由鋼材制成。

圖7 裝置實(shí)物

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

裝置去核試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示，7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出圓脆的平均去核數(shù)為48.1顆，平均去核率為96.2%，最低去核率為94.0%，平均破損率為2.86%，平均生產(chǎn)率為 0.81粒/s（2 916粒/h），最低生產(chǎn)率為0.76粒/s（2 736粒/h）；7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出干制特級(jí)駿棗的平均去核數(shù)為47.7顆，平均去核率為95.4%，最低去核率為94.0%，平均破損率為2.86%，平均生產(chǎn)率為 0.69粒/s（2 484粒/h），最低生產(chǎn)率為 0.65 粒/s（2 340 粒/h）。

試驗(yàn)結(jié)果分析，圓脆的含水量較大，其脆性相對(duì)干制駿棗較大，對(duì)去核組件阻力較小，便于其進(jìn)入圓脆內(nèi)部去核，同時(shí)圓脆外形類似球體，其重心相對(duì)承棗板重心一致，定位站立準(zhǔn)確，總體去核效果較好于干制駿棗。在特級(jí)駿棗的去核試驗(yàn)過(guò)程中，紅棗的定向效果對(duì)去核效果影響較大，試驗(yàn)中扁長(zhǎng)狀紅棗，無(wú)法在承棗板中的凹槽內(nèi)豎直和定位，重心不在頂核桿的豎直方向，頂核桿刀頭沖切偏向，造成干制駿棗破損，去核效率較低于圓脆。在去核過(guò)程中如果紅棗的形變量小，去核的紅棗切口平整，棗肉撕裂的情況少，裝置的去核效率會(huì)提高，紅棗的破損率也會(huì)降低，其去核率可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，去核后紅棗如圖8。

表1 圓脆組試驗(yàn)結(jié)果

表2 駿棗組試驗(yàn)結(jié)果

圖8 去核后紅棗

4 結(jié)論與討論

（1）本文設(shè)計(jì)的小型手動(dòng)式紅棗去核機(jī)操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)得出該裝置的最低生產(chǎn)率約為2 500粒/h，最低去核率達(dá)到95%以上，破損率低于3%。

（2）針對(duì)不同紅棗的尺寸形狀差異，在去核時(shí)，要解決棗核豎直準(zhǔn)確定位的難題，需進(jìn)一步研究。若要實(shí)現(xiàn)紅棗在承棗板上水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)連續(xù)性去核的目的，提升去核生產(chǎn)效率，需要進(jìn)一步改進(jìn)該裝置。凹槽作為紅棗的定位裝置，其自身對(duì)紅棗的均勻性和紅棗扶正效果影響很大，在凹槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇方面應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)一步提高對(duì)不同尺寸紅棗去核的適應(yīng)度。