龍眼柔性對(duì)輥剝殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

卿艷梅，李長(zhǎng)友，曾 山

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

龍眼有高的食用、保健和醫(yī)學(xué)價(jià)值[1-2]，2016年我國(guó)的龍眼產(chǎn)量為191.4萬(wàn) t，占世界年產(chǎn)量的54.7%[3]。龍眼鮮果的水分在80%以上，在常溫下易腐爛，低溫下又易受冷害而導(dǎo)致品質(zhì)下降，因此有效地完成產(chǎn)后深加工對(duì)其產(chǎn)業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展尤為重要。龍眼剝殼是其深加工的關(guān)鍵工序，剝殼后可根據(jù)深加工產(chǎn)品的不同來(lái)選擇去核方式[4-6]。

對(duì)農(nóng)業(yè)生物果的剝殼技術(shù)，前人已做大量研究，如堅(jiān)果類的花生、核桃、板栗以及蒴果蓖麻等大多采用一次大量喂入滾搓、搓擦或輥?zhàn)訑D壓式的脫殼方式[7-13]，堅(jiān)果擠壓剝殼時(shí)果肉的承壓力一般比柔性果強(qiáng)。對(duì)于柔性果荔枝剝殼[14-15]、柑橘剝皮[16]等多汁軟果的脫殼研究，大多采用先環(huán)切殼再剝殼的做法以減少果汁流失和果肉損傷。由于龍眼是典型柔性果，且加工時(shí)瞬態(tài)物性變化復(fù)雜，果皮及果肉退縮變形導(dǎo)致機(jī)械化剝殼完整性差、果汁流失嚴(yán)重。為此，研究人員嘗試了多種龍眼機(jī)械剝殼方式[17-19]，在剝殼前增加了環(huán)割、開(kāi)口等工序，但并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。本文根據(jù)龍眼的力學(xué)和機(jī)械特性[20-21]，提出先破殼再柔性對(duì)輥剝殼的方法，設(shè)計(jì)了龍眼柔性對(duì)輥剝殼試驗(yàn)機(jī)，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析與性能試驗(yàn)，以期為進(jìn)一步深入研發(fā)龍眼等柔性果的剝殼作業(yè)提供參考。

1 剝殼機(jī)結(jié)構(gòu)方案與工作原理

龍眼剝殼機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由送料機(jī)構(gòu)(料斗、送料盤等組成)、破殼機(jī)構(gòu)(左夾刀塊、右?jiàn)A刀塊、破殼刀具、進(jìn)給手輪、送料盤等)、剝殼機(jī)構(gòu)(送料盤、柔性對(duì)輥等)、果肉收集器、傳動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)組成。龍眼剝殼機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮不同大小果實(shí)的通用性、果肉的完整性及減少果肉果汁損失。

圖 1 龍眼剝殼機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of longan shelling machine

剝殼機(jī)構(gòu)工作原理如圖2所示，龍眼由料斗依自重落入送料盤工位，隨送料盤旋轉(zhuǎn)中，固定刀具滑切，進(jìn)入收集器或是去核機(jī)構(gòu)中；果殼則被剝殼輥摩擦夾持，從剝殼輥下方排出，落入果殼收集器，實(shí)現(xiàn)剝殼及殼、肉的分離。

圖 2 龍眼剝殼原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of longan shelling principle

2 龍眼剝殼機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

龍眼送料機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要由料斗、送料盤和機(jī)架組成。料斗安裝在送料盤的正上方，龍眼從料斗中依自重順次落入送料盤工位。料斗下料口為直徑38 mm的中空?qǐng)A柱形，可避免2顆龍眼同時(shí)離開(kāi)料斗口而影響正常進(jìn)料。料斗最下端口與送料盤外圓周的距離為20 mm，只能1顆龍眼落入送料盤工位并順利離開(kāi)料斗口。料斗落料口帶有1圈軟硬適中毛刷(圖1)，毛刷是為了防止龍眼落料時(shí)從送料盤一側(cè)掉落。毛刷長(zhǎng)度設(shè)置為18 mm，毛刷毛尖部分與送料盤外圓周表面保留2 mm間距，避免送料盤外圓周表面與毛刷直接接觸而磨損。

圖 3 龍眼送料機(jī)構(gòu)裝配模型Fig.3 Assembly model of longan feeding mechanism

送料盤圓周有4個(gè)均勻分布的半球形略淺工位(為提高效率后續(xù)可整個(gè)盤圓周做成全凹弧)，為保證龍眼準(zhǔn)確破口，送料盤應(yīng)滿足1個(gè)工位只有1個(gè)龍眼并與龍眼外形較好貼合、送料盤與龍眼間有合適的摩擦力，壓縮時(shí)對(duì)龍眼的損傷少，送料盤的材質(zhì)選用食品級(jí)塑料。隨送料盤轉(zhuǎn)動(dòng)，工位內(nèi)的龍眼被送進(jìn)破殼機(jī)構(gòu)。

2.2 破殼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4為龍眼破殼機(jī)構(gòu)示意圖，由破殼刀架、送料盤、機(jī)架組成，破殼刀架與送料盤同軸心安裝，由刀片、進(jìn)給手輪、左夾刀塊、右?jiàn)A刀塊、左擋板和右擋板構(gòu)成。刀片安裝在左、右?jiàn)A刀塊之間，左、右擋板用于龍眼的粗定位，龍眼的實(shí)際定位依靠送料盤上的凹工位。龍眼轉(zhuǎn)至與工位切點(diǎn)水平位置且有足夠大摩擦力并不發(fā)生自轉(zhuǎn)，受到送料盤和刀架的擠壓力而保持適當(dāng)壓縮量[20]，刀具劃破果殼，破殼龍眼在送料盤帶動(dòng)下落入剝殼對(duì)輥中。

圖 4 龍眼破殼機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch map of longan shell breaking mechanism

為滿足分級(jí)后不同直徑的龍眼破殼，刀架與送料盤的間距、進(jìn)刀量都做成可調(diào)式的。刀具主要由刀片和進(jìn)給手輪組成，刀片相對(duì)夾刀塊的伸出長(zhǎng)度可以通過(guò)進(jìn)給手輪來(lái)調(diào)整，手輪旋轉(zhuǎn)1周，刀片的伸出長(zhǎng)度為1 mm。通過(guò)調(diào)整刀片的伸出長(zhǎng)度，可使果殼有效切開(kāi)而不傷及果肉。通過(guò)前期多刀具的基礎(chǔ)試驗(yàn)，選用無(wú)齒形光面刀具[5]，刀片刃口形狀為光面圓弧形，刃深為3 mm，龍眼的切口光滑，可有效地保證果肉完整性。

2.3 剝殼對(duì)輥的設(shè)計(jì)

剝殼機(jī)構(gòu)主要由剝殼對(duì)輥、送料盤和機(jī)架組成，剝殼對(duì)輥如圖5所示，剝殼對(duì)輥包括1對(duì)反向同速轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性輥?zhàn)樱湮挥谒土媳P的下方并固定于機(jī)架上。取對(duì)輥間隙為3 mm，同時(shí)輥?zhàn)娱g距可根據(jù)分級(jí)后喂入果實(shí)直徑大小來(lái)調(diào)節(jié)。由果肉剝?nèi)》治鯷5]可知，龍眼平均果徑取約30 mm，剝殼對(duì)輥水平放置擠壓時(shí)，輥?zhàn)又睆阶钚?yīng)大于60 mm。對(duì)輥表面有較大的摩擦系數(shù)[22]才能順利脫出果殼，對(duì)輥材料有適當(dāng)彈性以減小對(duì)龍眼的沖擊損傷。合適的對(duì)輥間距和輥?zhàn)又睆?、?duì)輥表面較大的摩擦系數(shù)能保證龍眼果實(shí)易嚙入、對(duì)果肉的擠壓損傷小及剝殼后的果殼能夠被夾持排出。對(duì)輥材料為無(wú)毒無(wú)味橡膠制成，輥?zhàn)硬灰颂L(zhǎng)，即脫殼的果肉能立即被送料盤帶離對(duì)輥表面。

圖 5 龍眼剝殼對(duì)輥裝配模型Fig.5 Assembly model of double rollers for longan shelling

工作時(shí)，已破殼的龍眼隨送料盤轉(zhuǎn)動(dòng)被送至兩對(duì)輥之間，在送料盤的限位和對(duì)輥的擠壓下，破口果殼在兩橡膠輥摩擦力的作用下，果殼被撕裂開(kāi)且與果肉分離，送料盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將帶核果肉推出，果殼被剝殼輥摩擦夾持，從剝殼輥下方排出。

3 剝殼性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

廣東‘儲(chǔ)良’龍眼鮮果，個(gè)體形態(tài)及成熟度良好，果實(shí)大小先分級(jí)，整果質(zhì)量約在17～26 g，直徑在26～31 mm之間。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要包括龍眼剝殼試驗(yàn)機(jī)、變頻器、電子天平、游標(biāo)卡尺等。自制龍眼剝殼試驗(yàn)機(jī)如圖6所示，主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、變頻器、送料盤、破殼機(jī)構(gòu)和剝殼對(duì)輥組成。

圖 6 龍眼剝殼試驗(yàn)機(jī)Fig.6 Prototype of longan sheller

3.3 龍眼剝殼性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為評(píng)價(jià)龍眼剝殼效果，設(shè)定以下性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：

1)剝殼成功率(S1)：S1=剝殼成功的龍眼個(gè)數(shù)/試樣龍眼總數(shù)×100%；

2)剝殼損失率(η1)：η1=剝殼中損失的果肉和果汁的質(zhì)量/試樣整果質(zhì)量×100%；

3)根據(jù)龍眼剝殼后的果肉損傷情況，設(shè)8個(gè)完整性系數(shù)。1.0：果肉沒(méi)有損傷；0.9：果肉在蒂部有小裂口，其他沒(méi)有損傷；0.8：果肉在蒂部的裂口較大或其他部位有較小損傷；0.7：果肉在蒂部有大裂口或其他部位有較大損傷；0.6：果肉被撕裂小部分；0.5：果肉被撕裂一半；0.4：果肉被撕裂超過(guò)一半且不到2/3；0.3：果肉被撕裂超過(guò)2/3。具體如圖7所示。

圖 7 龍眼果肉完整性系數(shù)Fig.7 Longan pulp integrity coefficient

3.4 方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)因素

試驗(yàn)性能指標(biāo)為龍眼損失率、脫凈率和果肉完整性，以果殼破口(A)、輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速(B)和對(duì)輥間隙(C)為試驗(yàn)因素。試驗(yàn)前采用自制分級(jí)裝置將龍眼分級(jí)。據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果[5]，對(duì)A、B和C3個(gè)試驗(yàn)因素選取剝殼較好的3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，具體如表1所示。每組試驗(yàn)選取300個(gè)試樣，選取L9(34)型正交表安排試驗(yàn)，不考慮交互作用，D列為空列。試驗(yàn)時(shí)手動(dòng)將龍眼果殼按要求劃口后進(jìn)行剝殼試驗(yàn)，每組剝殼試驗(yàn)后，分別測(cè)出取樣總質(zhì)量，包括完整鮮果質(zhì)量(W)、果肉帶核質(zhì)量(W1)、果殼質(zhì)量(W2)等數(shù)據(jù)[5]，記錄并計(jì)算剝殼后的損失率、剝殼成功率和果肉完整性系數(shù)。

表 1 龍眼剝殼試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factor level table of longan shelling experiment

3.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

龍眼剝殼正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可以看出：8號(hào)試驗(yàn)的因素水平組合為A3B2C1，其剝殼成功率最高，為97%，剝殼損失率較低，為7.26%，剝殼果肉完整性為0.93；1號(hào)試驗(yàn)的因素水平組合為A1B1C1，其剝殼成功率為91%，剝殼損失率最低，為5.23%，剝殼果肉完整性最好，為0.97。從整組試驗(yàn)來(lái)看，剝殼成功率最高為97%，剝殼損失率最低為5.23%，剝殼果肉完整性最好為0.97。

表 2 龍眼剝殼正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析Table 2 Orthogonal test results of longan shelling and range analyses

由表2的極差分析可知，影響剝殼成功率的因素順序?yàn)閷?duì)輥間隙>果殼破口>對(duì)輥轉(zhuǎn)速，影響損失率和果肉完整性的因素順序依次為對(duì)輥間隙>對(duì)輥轉(zhuǎn)速>果殼破口。

由表3的方差分析可知，當(dāng)顯著性水平取0.05時(shí)，對(duì)輥間隙對(duì)果肉完整性、剝殼損失率影響顯著。當(dāng)顯著性水平取0.10時(shí)，對(duì)輥間隙對(duì)剝殼成功率的影響顯著，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速對(duì)剝殼損失率的影響顯著。輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速對(duì)剝殼成功率、果肉完整性的影響均表現(xiàn)為不顯著，果殼破口對(duì)剝殼成功率、剝殼損失率和果肉完整性的影響均表現(xiàn)為不顯著。

由剝殼試驗(yàn)結(jié)果可知，不同的對(duì)輥間隙對(duì)龍眼果肉完整性具有顯著影響，隨著間隙由3 mm增至5 mm，龍眼脫殼后的果肉完整性逐漸變差。間隙大的時(shí)候，龍眼在輥?zhàn)由厦摎び斜卉埲胼侀g并從輥間落下的趨勢(shì)，使龍眼產(chǎn)生較大的壓陷變形，對(duì)果肉的完整性造成破壞，這就是隨著輥?zhàn)娱g隙的增大，龍眼果肉完整性逐漸變差的原因所在。剝殼損失率隨著對(duì)輥間隙的增大而逐漸增加，隨著對(duì)輥間隙由3 mm增至5 mm，其損失率由約7%升至18%，原因是果肉受擠壓破壞，完整性逐漸變差，造成果肉和果汁的損失所致。果殼破口對(duì)剝殼的影響不同于其他2個(gè)因素，原因是果殼破口位置是隨機(jī)選取的，而龍眼蒂部果殼和其他部位果殼的厚度有差異，并且蒂部果殼(與果肉緊密結(jié)合)完整脫開(kāi)時(shí)是否帶肉也直接影響到損失率的大小，這也是試驗(yàn)結(jié)果中在果殼破口為90°時(shí)剝殼成功率高和果肉完整性好，且損失率反而高的原因。后續(xù)進(jìn)一步試驗(yàn)，可考慮在破殼前嘗試設(shè)計(jì)龍眼定向輸送裝置，以期獲取龍眼蒂部或非蒂部果殼的某一確定的破口位置。

根據(jù)上述對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析可知，影響剝殼性能的因素順序依次為C、B、A，即對(duì)輥間隙>對(duì)輥轉(zhuǎn)速>果殼破口。采用綜合平衡法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析來(lái)確定最優(yōu)參數(shù)。對(duì)輥間隙對(duì)剝殼性能是最主要的影響因素，分析可知對(duì)輥間隙為3 mm最佳，即取C1。輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為13.5 r/min時(shí)剝殼成功率最高，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為9 r/min時(shí)剝殼損失率最低，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為9 r/min或13.5 r/min時(shí)果肉完整性最好，但同時(shí)考慮到剝殼成功率在9 r/min時(shí)較低，因此取對(duì)輥轉(zhuǎn)速為13.5 r/min 最佳，即取B2。果殼破口為90°時(shí)剝殼成功率高和果肉完整性好，果殼破口取180°時(shí)剝殼損失率最低，果殼破口對(duì)于剝殼損失率的影響次序處于末位的次要位置，因此取果殼破口90°為最佳，即取A1。最佳水平組合為C1B2A1，即對(duì)輥間隙為3 mm、對(duì)輥轉(zhuǎn)速為13.5 r/min、果殼破口約為90°時(shí)的剝殼綜合指標(biāo)最高。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了柔性對(duì)輥龍眼剝殼試驗(yàn)樣機(jī)，采用先破殼再利用反向同速柔性對(duì)輥脫殼法實(shí)現(xiàn)肉、殼分離。剝殼機(jī)構(gòu)的破殼進(jìn)刀量、對(duì)輥間隙可根據(jù)分級(jí)后的不同龍眼直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，能滿足不同直徑龍眼的剝殼加工，剝殼裝置對(duì)大小不同的龍眼鮮果的適應(yīng)性好。

樣機(jī)的剝殼性能試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)輥間隙對(duì)剝殼性能有顯著影響，隨著對(duì)輥間隙由3 mm增至5 mm，龍眼脫殼后的果肉完整性逐漸變差，其損失率由約7%升至18%。影響剝殼成功率、損失率和果肉完整性的剝殼性能指標(biāo)依次為對(duì)輥間隙>對(duì)輥轉(zhuǎn)速>果殼破口。本試驗(yàn)條件下，最佳參數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，對(duì)輥間隙為3 mm、對(duì)輥轉(zhuǎn)速為13.5 r/min、果殼破口為90°時(shí)，其剝殼性能達(dá)到最優(yōu)。后續(xù)可考慮進(jìn)一步試驗(yàn)，在破殼前增加設(shè)計(jì)龍眼定向輸送裝置，來(lái)獲取龍眼蒂部的確定破口位置，以期減小剝殼中蒂部果殼、果肉的粘連，降低剝殼損失率。該研究為龍眼等柔性果機(jī)械剝殼獲取燈籠狀果肉的深加工研發(fā)及剝殼機(jī)參數(shù)優(yōu)化提供了參考。