柑橘去肉取皮機(jī)的設(shè)計(jì)及控制參數(shù)優(yōu)化

岳東海 涂 琴 吳洪濤

(1. 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2. 南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

柑普茶是近幾年逐漸興起的茶品[1]，兼具陳皮和普洱茶的功效[2-4]。它是將柑橘開(kāi)蓋后去除其果肉形成果皮，將普洱茶裝入果皮后，進(jìn)行烘干處理，再用食品級(jí)錫箔紙對(duì)其進(jìn)行包裝。目前柑橘的開(kāi)蓋、去除果肉過(guò)程是由人工完成的。這種人工方式生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，已經(jīng)無(wú)法滿足柑普茶生產(chǎn)企業(yè)的要求。

目前國(guó)內(nèi)柑普茶果皮的自動(dòng)分離普遍采用刀具或高壓沖水方式[5-7]實(shí)現(xiàn)。刀具方式是采用與柑橘外形輪廓相似的弧狀刀刃分階段對(duì)柑橘內(nèi)部果肉進(jìn)行清除。即使經(jīng)過(guò)篩選后的柑橘，其外形輪廓還是具有一定差異性，刀具的外形不可能適用所有的柑橘果皮內(nèi)壁輪廓，存在破壞果皮的可能性，無(wú)法保證果皮的完整性。高壓沖水方式是通過(guò)高壓噴槍與高壓水泵連接，高壓噴槍從柑橘的開(kāi)蓋處伸入柑橘內(nèi)部并轉(zhuǎn)動(dòng)，高壓水使果肉脫離。這種方式的缺點(diǎn)是用水量較大，增加了生產(chǎn)成本；果肉與水混合在一起，不利于果肉的回收再利用。

本試驗(yàn)基于環(huán)切取蓋、刀具開(kāi)腔和高壓吹氣的工作原理，擬設(shè)計(jì)一種柑橘去肉取皮機(jī)構(gòu)，并通過(guò)正交試驗(yàn)確定其吹氣排肉機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的最優(yōu)組合，以期為柑普茶果皮自動(dòng)分離裝置的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供技術(shù)參考。

1 工作原理與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

柑橘去肉取皮機(jī)的工作原理如圖1所示。

環(huán)切刀旋轉(zhuǎn)上升，環(huán)切果皮后，再進(jìn)入果肉內(nèi)部；環(huán)切刀下降時(shí)，果蓋被掛在環(huán)切刀內(nèi)壁的“倒刺”上，并跟隨環(huán)切刀下降，從而脫離果皮和果肉。當(dāng)對(duì)下一個(gè)柑橘進(jìn)行環(huán)切取蓋時(shí)，留在環(huán)切刀內(nèi)壁“倒刺”上的果蓋被擠壓，并離開(kāi)“倒刺”，實(shí)現(xiàn)環(huán)切取蓋；完成開(kāi)蓋的柑橘進(jìn)入開(kāi)腔工位，鉆頭做旋轉(zhuǎn)升降運(yùn)動(dòng)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的鉆頭將柑橘果肉打碎，實(shí)現(xiàn)柑橘的開(kāi)腔；進(jìn)入吹氣排肉工位，氣管做旋轉(zhuǎn)升降運(yùn)動(dòng)，高壓氣體通過(guò)氣管被注入到柑橘的腔體內(nèi)，將剩余果肉吹離柑橘皮，形成果皮。

1. 果肉 2. 果皮 3. 環(huán)切刀 4. 鉆頭 5. 氣管

1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

整機(jī)由旋轉(zhuǎn)與壓緊機(jī)構(gòu)、環(huán)切取蓋機(jī)構(gòu)、開(kāi)腔機(jī)構(gòu)、吹氣機(jī)構(gòu)4部分組成。采用環(huán)形4工位布局設(shè)計(jì)，分別是進(jìn)出料工位、環(huán)切取蓋工位、開(kāi)腔工位和吹氣排肉工位，其中進(jìn)出料工位需要人工放料和取料。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.1 定位與壓緊機(jī)構(gòu) 由圖3可知，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圖1中環(huán)形布局中4個(gè)工位所需的轉(zhuǎn)動(dòng)定位，環(huán)切取蓋工位的環(huán)切刀、開(kāi)腔工位的鉆頭及吹氣排肉工位的氣管所需升降運(yùn)動(dòng)和對(duì)柑橘的壓緊動(dòng)作都是由本機(jī)構(gòu)完成。

1. 進(jìn)出料工位 2. 環(huán)切取蓋工位 3. 開(kāi)腔工位 4. 吹氣排肉工位

圖2 裝置的實(shí)體造型

Figure 2 Solid modeling of machine

機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動(dòng)定位采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)2 經(jīng)渦輪蝸桿減速器1減速后，通過(guò)剛性聯(lián)軸器3聯(lián)結(jié)主軸8，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤7轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位。轉(zhuǎn)盤7上裝有柑橘模具6，用以放置柑橘。轉(zhuǎn)盤7轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的工位時(shí)，壓板氣缸4 推動(dòng)壓板5，將柑橘模具6內(nèi)的柑橘壓緊固定。完成相應(yīng)工位任務(wù)后，壓板氣缸4帶動(dòng)壓板5離開(kāi)柑橘模具6，步進(jìn)電機(jī)2帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤7轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)工位。升降板氣缸12推動(dòng)升降板9實(shí)現(xiàn)環(huán)切刀、鉆頭及氣管的同步升降運(yùn)動(dòng)。

1. 蝸輪蝸桿減速器 2. 步進(jìn)電機(jī) 3. 剛性聯(lián)軸器 4. 壓板氣缸 5. 壓板 6. 柑橘模具 7. 轉(zhuǎn)盤 8. 主軸 9. 升降板 10. 直線軸承 11. 光軸 12. 升降板氣缸

圖3 旋轉(zhuǎn)與壓緊機(jī)構(gòu)

Figure 3 Rotation and compression mechanism

1.2.2 開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)如圖4所示。該機(jī)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)對(duì)柑橘開(kāi)蓋的自動(dòng)化操作。

開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)采用機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)環(huán)切刀2的旋轉(zhuǎn)升降。螺旋軸6外圓面加工有螺旋槽[8]，隨升降板升降時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)環(huán)切刀2轉(zhuǎn)動(dòng)。環(huán)切刀2進(jìn)入柑橘底部實(shí)現(xiàn)環(huán)切取蓋，其內(nèi)壁的“倒刺”將切下的蓋拉離柑橘果肉。當(dāng)對(duì)下一個(gè)柑橘進(jìn)行環(huán)切取蓋時(shí)，留在環(huán)切刀內(nèi)壁“倒刺”上的果蓋將被擠壓并離開(kāi)“倒刺”，果蓋離開(kāi)“倒刺”后由于阻力作用可能停留在環(huán)切刀內(nèi)壁上，隨著加工柑橘的數(shù)量增加，加之環(huán)切刀深入柑橘內(nèi)部較深，在進(jìn)入柑橘內(nèi)部過(guò)程中，柑橘本體將停留在環(huán)切刀內(nèi)部堆疊的果蓋排擠到滑道3上，通過(guò)滑道3滾落至托盤4上。托盤4底部邊緣加工有4個(gè)圓孔，環(huán)切取蓋過(guò)程中產(chǎn)生的部分橘汁，經(jīng)過(guò)這些圓孔進(jìn)入收集盤1。收集盤1下方邊緣有開(kāi)口，橘汁經(jīng)開(kāi)口流出并收集。托盤4上的果蓋累積到一定量后，會(huì)掉落至收集盤1，需人工按時(shí)收集取出。開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)中環(huán)切刀直徑是28 mm，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試環(huán)切取果蓋成功率達(dá)到95%以上。

1. 收集盤 2. 環(huán)切刀 3. 滑道 4. 托盤 5. 直線軸承 6. 螺旋軸 7. 軸承座

圖4 開(kāi)蓋機(jī)構(gòu)

Figure 4 Open cover mechanism

1.2.3 開(kāi)腔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 開(kāi)腔機(jī)構(gòu)如圖5所示。該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)蓋后柑橘的開(kāi)腔操作。開(kāi)腔后柑橘內(nèi)部形成圓柱形腔體，既排除了大部分果肉，減輕了吹氣排肉機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，又使吹氣機(jī)構(gòu)中氣管與果肉之間保持一定的空間距離，有助于吹氣機(jī)構(gòu)將果肉排凈。

1. 鉆頭 2. 腔體 3. 聯(lián)結(jié)管 4. 收集箱 5. 軸承 6. 套筒 7. 聯(lián)軸器 8. 直流電機(jī)

開(kāi)腔機(jī)構(gòu)中，鉆頭1通過(guò)聯(lián)結(jié)管3、聯(lián)軸器7與直流電機(jī)8連接。升降板底部氣缸推動(dòng)開(kāi)腔機(jī)構(gòu)做升降運(yùn)動(dòng)，直流電機(jī)8帶動(dòng)鉆頭1做高速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柑橘開(kāi)腔操作。開(kāi)腔時(shí)鉆頭1打碎的果肉由腔體2落在收集箱4內(nèi)。

1.2.4 吹氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖6所示的吹氣機(jī)構(gòu)是柑橘果肉能否去除干凈的關(guān)鍵，直接影響最終的果肉去除率。圖6中金屬氣管5上端聯(lián)結(jié)有可更換式噴嘴，見(jiàn)圖7。

直流減速電機(jī)10通過(guò)主動(dòng)齒輪9、從動(dòng)齒輪8及聯(lián)結(jié)套筒6帶動(dòng)金屬氣管5和噴嘴4做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。升降板推動(dòng)吹氣機(jī)構(gòu)伸入開(kāi)腔后的柑橘內(nèi)部，高壓氣體從聯(lián)結(jié)套筒6底部注入，通過(guò)噴嘴4將剩余果肉吹離柑橘內(nèi)壁，形成果皮，果肉借助氣體回流至收集箱3。氣缸1推動(dòng)軟橡膠2將果肉清掃出收集箱，由外部容器將果肉收集，以作他用。

2 試驗(yàn)取皮參數(shù)優(yōu)化

2.1 材料與儀器

2.1.1 材料

柑橘：新會(huì)大紅柑(直徑60～65 mm，高度為50～55 mm)，江門市新會(huì)區(qū)安盛柑園有限公司；

1. 氣缸 2. 軟橡膠 3. 收集箱 4. 噴嘴 5. 金屬氣管 6. 聯(lián)結(jié)套筒 7. 軸承 8. 從動(dòng)齒輪 9. 主動(dòng)齒輪 10. 直流減速電機(jī)

圖6 吹氣機(jī)構(gòu)

Figure 6 Air blowing mechanism

圖7 噴嘴外形

2.1.2 主要儀器設(shè)備

氣泵空壓機(jī)：0.36-8型，福建捷豹商貿(mào)有限公司；

電子秤：JTS-LC型，深圳鈺恒電子有限公司；

柑橘去肉取皮機(jī)：CCIT-I型，常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 樣品制備 選取直徑60～65 mm，高度為50～55 mm 的新會(huì)大紅柑若干。品質(zhì)要求：果體飽滿，無(wú)破損。用電子秤進(jìn)行精準(zhǔn)稱重。

2.2.2 平均果肉去除率測(cè)定 單次試驗(yàn)柑橘樣本為10個(gè)，平均果肉去除率按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：

δ——平均果肉去除率，%；

Ki——單個(gè)柑橘樣本的果肉去除率，%。

單個(gè)柑橘樣本果肉去除率數(shù)據(jù)采用稱重的方式獲取，其分段函數(shù)表達(dá)式：

(2)

式中：

Wi——柑橘樣本試驗(yàn)前質(zhì)量，g；

Qi——柑橘樣本試驗(yàn)后質(zhì)量，g；

Ri——柑橘樣本果皮質(zhì)量，g；

其中樣本果皮稱重前需專用工具將殘留的果肉清理干凈。

2.2.3 生產(chǎn)效率測(cè)定 生產(chǎn)效率(P)對(duì)應(yīng)值見(jiàn)表1。

表1 生產(chǎn)效率

2.2.4 多因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 噴嘴的吹氣壓力、氣孔直徑、升降速度和旋轉(zhuǎn)速度決定了吹氣機(jī)構(gòu)的工作效果。在保證果肉去除率條件下，確定吹氣壓力、噴嘴氣孔直徑、升降速度和旋轉(zhuǎn)速度4個(gè)參數(shù)的最優(yōu)組合。經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)測(cè)試，噴嘴的升降速度≤25 mm/s時(shí)，噴嘴行程能夠有效控制在50 mm。經(jīng)調(diào)研企業(yè)泵站氣源壓力一般穩(wěn)定在0.6～0.8 MPa。前期采用最高壓力給噴嘴供氣，噴嘴升降速度選25 mm/s，噴嘴氣孔直徑3 mm時(shí)進(jìn)行吹氣試驗(yàn)。當(dāng)升降次數(shù)為3次時(shí)，柑橘果皮被吹破，升降次數(shù)為2次時(shí)，柑橘果肉有殘留?；谏鲜龇治龃_定4個(gè)參數(shù)構(gòu)建因素水平如表2所示。采用L9(34)正交表，以果肉去除率和生產(chǎn)效率作為評(píng)估指標(biāo)。

表2 因素水平

多指標(biāo)正交試驗(yàn)的分析方法有兩種：綜合評(píng)分法和綜合平衡法[9]。綜合評(píng)分法是將多指標(biāo)化為一個(gè)評(píng)分指標(biāo)進(jìn)行直觀分析；綜合平衡法是分別將各個(gè)指標(biāo)按單指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，再將各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合平衡，以獲得“最優(yōu)”試驗(yàn)方案。生產(chǎn)效率在果肉去除率滿足要求時(shí)才具有實(shí)際意義，果肉去除率的重要性比生產(chǎn)效率的重要性大，采用綜合評(píng)分方法進(jìn)行正交試驗(yàn)分析。對(duì)二者采用計(jì)算加權(quán)指標(biāo)得到綜合評(píng)分，以該綜合評(píng)分作為終極評(píng)估指標(biāo)。果肉去除率權(quán)值為4，生產(chǎn)效率權(quán)值為1。綜合評(píng)分(S)按式(3)計(jì)算。

(3)

2.3 結(jié)果與分析

由表3可知，對(duì)綜合評(píng)分指標(biāo)的影響次序?yàn)锳>B>C>D，最佳參數(shù)組合為A3B3C3D2。C因素水平直接影響生產(chǎn)效率，且其極差值R相對(duì)較小，為獲取更高的生產(chǎn)效率，C因素選擇第1水平(25 mm/s)，最終優(yōu)選結(jié)果為A3B3C1D2。該組合在表2所示正交試驗(yàn)方案中未有體現(xiàn)，針對(duì)該組合進(jìn)行20次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，柑橘果肉去除率達(dá)到99%，未有出現(xiàn)果皮破損情況，綜合評(píng)分達(dá)到99.2分。最終確定參數(shù)的最優(yōu)組合是A3B3C1D2。即噴嘴氣孔直徑3 mm、吹氣壓力0.65 MPa、噴嘴升降速度25 mm/s、噴嘴旋轉(zhuǎn)速度150 r/min。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本研究基于環(huán)切取蓋、刀具開(kāi)腔和高壓吹氣的原理，設(shè)計(jì)了柑橘去肉取皮機(jī)。利用多因素正交試驗(yàn)對(duì)機(jī)構(gòu)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用綜合評(píng)分法獲得最優(yōu)參數(shù)組合為：噴嘴氣孔直徑3 mm、吹氣壓力0.65 MPa、噴嘴升降速度25 mm/s、噴嘴旋轉(zhuǎn)速度150 r/min。試驗(yàn)表明機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，果肉去除率99%以上，生產(chǎn)效率是現(xiàn)有人工的3倍。但其工業(yè)化應(yīng)用時(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)和布局尚需進(jìn)一步優(yōu)化。