蓮子剝蓬機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

潘 松,廖 禺,劉 云,王康軍,陳立才,曹志軍

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所,江西 南昌縣 330200;2.江西省農(nóng)業(yè)綜合執(zhí)法大隊(duì),南昌 330000;3.廣昌縣興蓮機(jī)械制造有限公司,江西 廣昌 344900)

0 引言

蓮子為睡蓮科蓮的種子[1-3],生于小巧玲瓏的蓮蓬(蓮房)中,屬蓮的副產(chǎn)品,我國大部分地區(qū)均有種植,主要盛產(chǎn)于南方[3],是我國的特產(chǎn)之一。以生產(chǎn)蓮子為主的蓮,稱為子蓮,被譽(yù)為中國四大子蓮之鄉(xiāng)的江西贛州、福建建寧、湖南湘潭、湖北洪湖,均是聞名的子蓮產(chǎn)區(qū)[2-5]。蓮子營養(yǎng)豐富,含有人體所需的蛋白質(zhì)、碳水化合物和鈣、磷、鐵及多種維生素等元素[6],是老幼皆宜的食品。2018年,我國蓮子種植面積約61.3萬hm2,同比2017年的55.75萬hm2增長了10.2%;蓮子產(chǎn)量約15.48萬t,同比2017年的14.05萬t增長了10.18%[7]。

傳統(tǒng)的蓮子加工需要經(jīng)過采摘、剝離蓮蓬、剝殼、去皮、捅芯、干燥等一系列的過程[2]。剝蓮蓬也叫剝蓮子,即把蓮子一個(gè)個(gè)從蓮蓬里剝?nèi)〕鰜?一直是純手工勞動(dòng)完成,效率非常低,且易傷手指,1個(gè)成年人1h最多可剝離蓮蓬12kg(1天按10h計(jì)算,1天最多可剝離蓮蓬120kg),嚴(yán)重影響后續(xù)工序的進(jìn)行。另外,蓮蓬采收季節(jié)多在高溫季節(jié),采摘后的蓮蓬仍然是有生命的機(jī)體,其呼吸作用及生理代謝都處于較高水平,耐貯存性較差,在自然條件下極易發(fā)生褐變、衰老等品質(zhì)劣變問題[8]。市場上新鮮蓮子貨架期一般在3～5天[9],新鮮蓮子的供應(yīng)很難滿足市場的需求。

因此,要實(shí)現(xiàn)蓮子產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化,依靠手工剝離蓮蓬難以實(shí)現(xiàn),嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)效率。蓮子采摘當(dāng)天干燥的品質(zhì)最好,隔天就容易變質(zhì),蓮農(nóng)都不敢大量種植,嚴(yán)重影響了蓮農(nóng)的收入。隨著蓮子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和農(nóng)村勞動(dòng)力的日益短缺,以及勞動(dòng)力成本的不斷提高,研發(fā)蓮子加工機(jī)械對提升蓮子產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。因此,設(shè)計(jì)一種能代替人工剝離蓮蓬的新型機(jī)械成為當(dāng)前急需解決的問題。

近年來,有研究者針對蓮子剝蓬機(jī)進(jìn)行了研究。賴明全[10]發(fā)明了一種新鮮蓮蓬脫粒機(jī),蓮蓬進(jìn)入進(jìn)料口,通過蓮蓬破碎機(jī)構(gòu)破碎后進(jìn)入分料機(jī)構(gòu),達(dá)到破碎蓮蓬的目的。這種機(jī)械破碎蓮蓬采用彈簧鋼絲,但彈簧鋼絲粗,材質(zhì)較硬,撞擊力強(qiáng),在高速擊打時(shí)很容易打傷蓮肉,有的蓮子表面殼都會擊爛,效果不甚理想。張禮歡[11]發(fā)明了一種蓮蓬脫粒機(jī),采用柔性葉片之間的交錯(cuò)分布結(jié)構(gòu)破碎蓮子,在機(jī)殼下方設(shè)有篩選機(jī)構(gòu),使蓮子與蓮蓬分離。這種機(jī)械在實(shí)際使用中蓮蓬剝出的蓮子很多還會被蓮蓬里面的小膜包裹住,不能充分將蓮子與蓮蓬分離,需要人工二次參與。黃小從[12]發(fā)明了電動(dòng)蓮蓬快速脫粒機(jī),在電機(jī)的輸出軸上設(shè)有若干對交錯(cuò)成十字型的撕料棒,打碎蓮蓬外殼,使較大的蓮蓬碎片從蓮蓬格網(wǎng)篩下滑到機(jī)架外,較小的蓮蓬碎片和蓮子一起下落到蓮子格網(wǎng)篩上,再落入收集箱。這種機(jī)械在實(shí)際使用中蓮蓬剝出的蓮子很多還會被蓮蓬里面的小膜包裹住,不能充分將蓮子與蓮蓬分離,需要人工二次參與,且對部分蓮子的損傷較大。饒學(xué)雄[13]等發(fā)明了一種蓮蓬脫粒機(jī),利用預(yù)脫粒定刀與脫粒定刀想配合,將蓮子外殼撕碎。這種機(jī)械在實(shí)際使用中蓮蓬剝出的蓮子的損傷較大。曹志軍[14-17]等發(fā)明了一種農(nóng)業(yè)蓮蓬自動(dòng)剝離機(jī)、一種蓮蓬脫粒機(jī)及蓮蓬破碎機(jī),這幾種機(jī)械使用時(shí)蓮子與破碎的蓮蓬碎屑不易分離,分離過程很繁瑣。以上研究均沒有形成產(chǎn)業(yè)化,未投入生產(chǎn)實(shí)際使用。

本研究在現(xiàn)有的各類蓮蓬脫粒機(jī)、蓮蓬破碎機(jī)基礎(chǔ)上,針對現(xiàn)有機(jī)械作業(yè)效果不佳、傷蓮率較高等特點(diǎn),優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種全新的蓮子剝蓬機(jī),旨在降低損傷率,提高機(jī)器的剝蓬效率。

1 蓮子剝蓬機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 鮮蓮蓬物理參數(shù)及剝蓬設(shè)計(jì)思路

選擇江西省廣昌縣出產(chǎn)的鮮蓮蓬,形體呈不規(guī)則的橢球形,進(jìn)行初步測量。鮮蓮蓬球面直徑分布范圍為12～21cm,錐面高度分布范圍為6～10cm。經(jīng)對蓮子(外殼有可見的茶褐色斑塊,且發(fā)芽口部位的內(nèi)衣有明顯可見的粘液)進(jìn)行測量,蓮子粒度大小范圍為φ15～φ21mm,蓮子橢圓度范圍為最大外徑與最小外徑差值不超過2mm。蓮子被厚厚的蓮蓬皮包裹,蓮子與蓮蓬皮有一定的間隙。相對來說,蓮子具有較好的韌性和強(qiáng)度,對蓮蓬施加一定圍內(nèi)的壓力進(jìn)行碾搓,能夠?qū)⑸徟顡v碎而不會對蓮子產(chǎn)生損傷。

設(shè)計(jì)的基本思路是:利用蓮子和蓮蓬的結(jié)實(shí)度有很大的差異、蓮子本身比蓮蓬的蜂窩狀結(jié)構(gòu)硬度更大的特點(diǎn),在同樣強(qiáng)度的力度下,將蓮蓬的蜂窩狀結(jié)構(gòu)破碎的同時(shí)不會損傷蓮子。設(shè)計(jì)時(shí),考慮使用鋼絲輪將蓮蓬先破碎,再將破碎的蓮蓬與蓮子通過帶齒滾輪進(jìn)行分離,從而達(dá)到剝蓬的目的。具體來說,就是蓮蓬經(jīng)過鋼絲輪撕碎,第1道粉碎初步形成蓮蓬蜂窩被撕碎、蓮子和蓮蓬混合在一起的狀態(tài),再經(jīng)過脫模骨架;第2道粉碎形成破碎的蓮蓬與蓮子混合物,然后再進(jìn)行分離。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),機(jī)械加工后的蓮子損傷率要不大于5%,剝蓬率要不小于98%,這樣的機(jī)器才有實(shí)際的研發(fā)價(jià)值。

1.2 第一代蓮子剝蓬機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)以上思路,設(shè)計(jì)了第1代蓮子剝蓬機(jī)樣機(jī)圖。第1代蓮子剝蓬機(jī)主要由進(jìn)料口、蓮蓬破碎裝置、蓮蓬碎屑分離裝置、出料口、動(dòng)力系統(tǒng)、蓮子收集箱、碎屑收集箱等7部分組成[9-10],如圖1～圖4所示。

1.進(jìn)料口 2.料倉 3.第2電機(jī) 4.第1主動(dòng)輪 5.第1傳送帶 6.第1保護(hù)罩 7.第1從動(dòng)輪 8.出料口 9.第1電機(jī) 10.第1保護(hù)罩圖1 立體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional structure。

1.進(jìn)料口 2.蓮蓬破碎裝置 3.料倉 4.第2電機(jī) 5.漏料孔 6.支架 7.第1彎折部 8.蓮蓬碎屑分離裝置 9.出料口 10.蓋板 11.導(dǎo)料板 12.第1間隙 13.料倉 14.第1電機(jī) 15.第1主動(dòng)輪 16.第1傳送帶 17.第1防護(hù)罩 18.軸承 19.第1從動(dòng)輪圖2 剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of section structure。

1.軸承 2.第1從動(dòng)輪 3.鋼絲輪 4.毛刷 5.凸起部 6.轉(zhuǎn)軸 7.軸承圖3 蓮蓬破碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of lotus seed pod crushing device。

1.第2從動(dòng)輪 2.第2輥體 3.第1輥體 4.第2間隙 5.齒牙圖4 蓮蓬碎屑分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the detrital separation device of lotus seed pod。

由圖1、圖2可以看出:蓮蓬由進(jìn)料口進(jìn)入到料倉,蓮蓬破碎裝置的轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)刷毛軸轉(zhuǎn)動(dòng),蓮蓬會與轉(zhuǎn)軸上的鋼絲輪接觸,將整個(gè)蓮蓬破碎,但不會損傷蓮子;然后,通過蓮蓬碎屑分離裝置,最終實(shí)現(xiàn)蓮子不損傷剝離的效果。

2 第1代蓮子剝蓬機(jī)關(guān)鍵工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 蓮蓬破碎裝置設(shè)計(jì)

圖3中,蓮蓬破碎裝置包括轉(zhuǎn)軸和位于轉(zhuǎn)軸上破碎部分。破碎部分包括多根刷毛,形成鋼絲輪,轉(zhuǎn)軸由第1電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)鋼絲輪轉(zhuǎn)動(dòng)。鋼絲輪是破碎蓮蓬的主要工作部件,要求輪結(jié)構(gòu)簡單、成本低且性能穩(wěn)定,同時(shí)要有較高的強(qiáng)度、彈性和耐磨性。本設(shè)計(jì)鋼絲輪用鋼絲制作,直徑為0.3mm,密集排列。根據(jù)人體一般送料的活動(dòng)寬度,設(shè)計(jì)鋼絲輪工作幅寬為300mm,且鋼絲輪用直徑32mm軸縱向固定在喂入口上?？紤]到轉(zhuǎn)速過快,會將蓮子劃傷,因此通過計(jì)算設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為800r/min。從使用方便性、環(huán)保性出發(fā),破碎裝置、碎屑分離裝置分別選擇用電機(jī)作為動(dòng)力,電機(jī)分別選擇用功率為1.5、3kW。蓮蓬進(jìn)入到料倉的時(shí)候,會與轉(zhuǎn)軸上的鋼絲輪接觸,可以將整個(gè)蓮蓬破碎,因?yàn)樯徸颖旧肀壬徟畹姆涓C狀結(jié)構(gòu)更硬,蓮蓬的蜂窩狀結(jié)構(gòu)破碎,但蓮子本身并不會損傷,最終實(shí)現(xiàn)蓮蓬剝蓬。

2.2 蓮蓬碎屑分離裝置設(shè)計(jì)

圖4中,蓮蓬破碎后,蓮子和蓮蓬碎屑還是混合在一起的,設(shè)計(jì)蓮蓬碎屑分離裝置,可以將蓮蓬碎屑去除掉,從而將蓮子分離出來。蓮蓬碎屑分離裝置包括相對轉(zhuǎn)動(dòng)的第1輥體和第2輥體,設(shè)計(jì)輥體長度L為500mm。其中,第1輥體上設(shè)有齒牙,直徑為50mm;第2輥體為光軸,直徑為20mm;考慮到齒牙在蓮子與碎屑分離的時(shí)候不會損傷蓮子且可以將碎屑分離,間隙設(shè)計(jì)成2～3mm,轉(zhuǎn)速為380r/min。由于蓮蓬碎屑通常都是不規(guī)則結(jié)構(gòu),而蓮子本身通常都是表面光滑的橢圓結(jié)構(gòu),所以在第1輥體和第2輥體相對轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)蓮蓬碎屑會被齒牙咬住,卷進(jìn)到第1輥體和第2輥體之間,并向第1輥體和第2輥體的下方運(yùn)動(dòng);但是,蓮子本身是光滑的,所以只會在第1輥體和第2輥體的表面運(yùn)動(dòng),并不會被咬到第1輥體和第2輥體之間去。這樣即可將蓮蓬碎屑去除掉,將蓮子分離出來,便于進(jìn)行后續(xù)的蓮子脫殼、去皮及通芯的操作。

3 第1代蓮子剝蓬機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所使用的蓮蓬來源于廣昌,為常見的太空蓮品種,蓮蓬當(dāng)天采收當(dāng)天處理。試驗(yàn)日期為2017年7月22日,晴,室溫30～33℃,大氣壓0.101 0MPa,在室內(nèi)進(jìn)行。選擇成熟蓮蓬扁圓形,蓮面平或凸,直徑13～18cm,高6.5～8cm,結(jié)實(shí)率84.6%～89.7%。

3.2 試驗(yàn)方法

針對試制出的第1代蓮子剝蓬機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),評估其整體加工性能。準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需儀器,即秒表、天平、電表等器具。試驗(yàn)樣機(jī)按使用說明書的要求進(jìn)行調(diào)整和維護(hù)保養(yǎng),共測2次。

試驗(yàn)樣機(jī)先空運(yùn)轉(zhuǎn)10min,檢測機(jī)器是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。空運(yùn)轉(zhuǎn)后,進(jìn)行試剝試驗(yàn),時(shí)間不超過10min。試剝蓬結(jié)束后,準(zhǔn)備試驗(yàn)的蓮蓬不少于200kg,開始正式試驗(yàn)。測出試驗(yàn)的蓮蓬質(zhì)重W、試驗(yàn)時(shí)間T、耗電量G,分別計(jì)算噸料電耗及生產(chǎn)率。另外,隨機(jī)選取試驗(yàn)的蓮蓬1 000個(gè)進(jìn)行試驗(yàn),正式試驗(yàn)結(jié)束后分別計(jì)算損傷的蓮子數(shù)、未剝蓬數(shù),計(jì)算損傷率及剝蓬率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)試驗(yàn)得到的結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明:第1代蓮子損傷率為12.3%～14.6%,損傷較大,不能滿足生產(chǎn)加工的品質(zhì)需要,下一步要想辦法解決蓮子損傷率高的問題。

表1 蓮子剝蓬機(jī)試驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Parameter table of lotus seed stripping machine experiment。

4 改進(jìn)優(yōu)化

經(jīng)研究分析,蓮子剝蓬機(jī)蓮蓬破碎裝置設(shè)計(jì)合理,符合農(nóng)藝要求。但蓮蓬碎屑分離裝置設(shè)計(jì)存在如下缺陷:第1輥體和第2輥體的相對轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會損傷蓮子,導(dǎo)致蓮子損傷大?，F(xiàn)改變蓮子與碎蓮蓬分離方式,采用傳送帶原理,設(shè)計(jì)傳送帶速度為20m/min,由下向上傳送。利用蓮子自身的質(zhì)量及與傳送帶之間產(chǎn)生的摩擦力,沿著傳送帶方向向上運(yùn)送,而蓮蓬碎屑直接掉落。用4.5kW電機(jī)作為傳送帶的動(dòng)力,保證功率合理配置。圖5、圖6為改進(jìn)后的第2代蓮子剝蓬機(jī)樣機(jī)外觀圖、結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖5 外觀圖Fig.5 Appearance of the figure。

圖6 結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.6 Structural profile。

5 第二代蓮子剝蓬機(jī)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)日期為2018年8月17日,晴,室溫32℃～35℃,氣壓值1012hPa,在室內(nèi)進(jìn)行。其余同3.1節(jié)。

試驗(yàn)所使用依然選擇廣昌的蓮蓬,為常見的太空蓮品種,蓮蓬當(dāng)天采收當(dāng)天處理。試驗(yàn)日期為2018年8月17日-8月19日,晴,室溫32～35℃,大氣壓0.101 2MPa,在室內(nèi)進(jìn)行。選擇成熟蓮蓬扁圓形,蓮面平或凸,直徑13～17.5cm,高7.0～9.5cm,結(jié)實(shí)率85.2%～90.5%。

5.2 試驗(yàn)方法

同3.2節(jié),測5次。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)試驗(yàn)得到的結(jié)果如表2所示。由表2可知:第2代蓮子剝蓬機(jī)損傷率小,耗電少,效率高,工效相當(dāng)于人工的8倍左右,極大地提高了生產(chǎn)效率。

表2 蓮子剝蓬機(jī)試驗(yàn)參數(shù)表Table 2 Parameter table of lotus seed stripping machine experiment。

6 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的蓮子剝蓬機(jī)以電機(jī)為動(dòng)力,可一次性完成蓮蓬剝離作業(yè)。整機(jī)設(shè)計(jì)合理,結(jié)構(gòu)簡單,操作維護(hù)方便,適應(yīng)性強(qiáng),具有節(jié)能環(huán)保、勞動(dòng)強(qiáng)度低、生產(chǎn)率高及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2)對試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了剝蓬試驗(yàn),結(jié)果表明:該機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定,剝蓬率、損傷率和生產(chǎn)率平均值分別為100%、2.59%和109.02kg/h,滿足農(nóng)藝要求,適用于蓮蓬的機(jī)械化作業(yè)。