籽瓜雙道打漿機(jī)的設(shè)計(jì)

，黃曉鵬，徐彥瑞，李曉偉，毛雪杰

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

籽瓜屬西瓜分支品種，相對(duì)于常見的食用西瓜，籽瓜的種植目的主要是獲取瓜籽[1]，籽瓜在甘肅地區(qū)的種植面積約為1.86萬 hm2，年產(chǎn)量約為1 800 kg/hm2[2]，在完成籽瓜的取籽之后，約有90%籽瓜皮、瓤、汁被倒掉，利用率僅為10%，既造成了大量的資源浪費(fèi)，又污染了環(huán)境。籽瓜的皮、瓤、汁具有極高的藥用價(jià)值，其果肉具有降火敗毒、利尿去燥、止咳平喘的特殊功效[3]。由課題組設(shè)計(jì)的籽瓜全利用加工生產(chǎn)線，能夠?qū)崿F(xiàn)籽瓜皮、瓤、籽的全利用，生產(chǎn)線主要包括破碎取籽、細(xì)碎打漿、固液分離、灌裝殺菌幾部分[4]，細(xì)碎打漿作為生產(chǎn)線的關(guān)鍵步驟，提高了固液分離過程中的分離效率，在籽瓜的深加工過程中起到了至關(guān)重要的作用。

目前打漿技術(shù)主要運(yùn)用于造紙行業(yè)，對(duì)于果蔬類的打漿研究相對(duì)較少，葫蘆科果品的打漿更是如此，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)其他種類的打漿機(jī)進(jìn)行了深入研究。肖碩男等[5]設(shè)計(jì)的自動(dòng)番茄打漿機(jī)，能自動(dòng)除去番茄的表皮等雜質(zhì)，并將番茄打成漿液；山西省農(nóng)機(jī)研究所[6]設(shè)計(jì)的9DF-28型多功能粉碎打漿機(jī)，能實(shí)現(xiàn)各種秸稈和薯塊的粉碎及豆?jié){的研磨；田忠靜等[7]設(shè)計(jì)的五味子打漿機(jī)改善了原有的手工加工方式，產(chǎn)量達(dá)4 t/h；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)[8]設(shè)計(jì)的間歇式中小型蘋果真空打漿機(jī)，解決了蘋果打漿過程中氧化褐變而影響果漿的外觀和口感問題，可有效遏制蘋果褐變，提高果漿質(zhì)量，但打漿過程只能采用間斷式，限制了打漿效率，生產(chǎn)效率為1.5 t/h?，F(xiàn)有的研究基本上都采用單桶式打漿結(jié)構(gòu)，打漿效率低，不能滿足生產(chǎn)線的需求。筆者在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上采用雙道式打漿結(jié)構(gòu)，對(duì)整機(jī)的工作原理和重要部件進(jìn)行分析，試驗(yàn)表明，此設(shè)計(jì)可以滿足籽瓜汁生產(chǎn)線的需求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

籽瓜雙道打漿機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。籽瓜雙道打漿機(jī)主要由機(jī)架、一道桶體打漿裝置、二道桶體打漿裝置、電機(jī)和清洗系統(tǒng)組成。此款打漿機(jī)的設(shè)計(jì)是配合籽瓜全利用加工生產(chǎn)線使用，將完整的籽瓜經(jīng)籽瓜破碎分離機(jī)破碎分離以后，將分離出的瓜瓤和瓜汁做進(jìn)一步快速高效的細(xì)碎打漿，使籽瓜汁中固形物的含量達(dá)到最低，又不會(huì)破壞籽瓜汁的原有口味[9-10]。

圖1 籽瓜雙道打漿機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

雙道打漿機(jī)的設(shè)計(jì)主要是用來配合籽瓜全利用加工生產(chǎn)線進(jìn)行使用，籽瓜在生產(chǎn)過程中經(jīng)過破碎分離、細(xì)碎打漿、固液分離、殺菌灌裝等工序后生產(chǎn)出最終產(chǎn)品，雙道打漿機(jī)主要完成瓜瓤的細(xì)碎打漿。該機(jī)工作時(shí)，將籽瓜破碎分離機(jī)分離出的瓜瓤和瓜汁由進(jìn)料口喂入到一道桶體打漿裝置內(nèi)，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)刀片高速旋轉(zhuǎn)，共有12個(gè)刀片，刀片的整體形狀呈錐形，前大后小，籽瓜瓜瓤受到刀片的撞擊力和離心力后被甩到篩網(wǎng)上，通過篩網(wǎng)的瓜汁在重力作用下通過物料連接管進(jìn)入二道桶體內(nèi)，未通過篩網(wǎng)的瓜渣在刀片推動(dòng)下從排渣管排出，通過篩網(wǎng)的瓜汁進(jìn)入到二道桶體內(nèi)后重復(fù)上述工作[11]。在完成籽瓜的打漿以后，機(jī)器自帶的清洗系統(tǒng)會(huì)對(duì)機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行清洗。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

籽瓜雙道打漿機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 籽瓜雙道打漿機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)值

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 物料輸送裝置

在實(shí)現(xiàn)瓜瓤和瓜皮的打漿之前，需要利用籽瓜破碎分離機(jī)將完整的籽瓜進(jìn)行破碎分離，將瓜籽分離之后對(duì)瓜瓤和瓜皮進(jìn)行打漿處理，經(jīng)過破碎分離機(jī)處理后的瓜瓤顆粒小于0.8 mm，籽瓜破碎分離機(jī)和打漿機(jī)之間用管道連接實(shí)現(xiàn)物料的傳輸。一道桶體打漿裝置位于二道桶體打漿裝置的斜上方，一道桶體打漿裝置和二道桶體打漿裝置之間采用管道連接，一道桶體打漿裝置篩網(wǎng)網(wǎng)孔的直徑為1 mm，在完成一道打漿之后，物料能夠在重力作用下通過物料連接管進(jìn)入到二道桶體打漿裝置中，一道桶體打漿裝置和二道桶體打漿裝置之間的物料輸送管道采用直徑為38 mm的304不銹鋼鋼管。

2.2 打漿裝置

2.2.1 刀片和刀輥

刀片和刀輥為打漿機(jī)的主要工作部件，也是打漿機(jī)的主要受力部件，打漿機(jī)的刀片設(shè)計(jì)成外寬內(nèi)窄的形狀，在刀片外部邊緣留有刀刃，這樣的設(shè)計(jì)不僅增大了進(jìn)料口處的緩沖空間，又提高了打漿機(jī)的打漿效率，刀片和刀輥如圖2所示。打漿刀輥由刀片繞一輥軸螺旋焊接而成，刀片的起點(diǎn)和終點(diǎn)所在的直線和輥軸中心線之間的角度為4°，不僅防止了物料的堆積，同時(shí)對(duì)打漿機(jī)的打漿效率有所提高[12]。打漿刀輥分別通過主軸傳動(dòng)裝置與電機(jī)相連，打漿刀輥整體呈錐形，進(jìn)料口位于小端，這樣有助于提高打漿機(jī)的進(jìn)料速度，且不會(huì)影響小顆粒的篩選，從而提高了整機(jī)的產(chǎn)能[13]。

圖2 刀片和刀片總裝圖

主軸傳動(dòng)裝置作為打漿機(jī)的主要工作部件，其性能直接影響打漿機(jī)的正常工作，主軸傳動(dòng)裝置的一端通過聯(lián)軸器與動(dòng)力裝置相連，一端和刀片相連，刀片通過焊接和主軸相連，主軸傳動(dòng)裝置的材料為合金鋼。主軸傳動(dòng)裝置在工作過程中只承受扭矩而不承受彎矩，因此作為傳動(dòng)軸來計(jì)算軸的強(qiáng)度和剛度，通過機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)來驗(yàn)證主軸傳動(dòng)裝置的可靠性[14]。

2.2.2 一道桶體打漿裝置和二道桶體打漿裝置

一道桶體打漿裝置主要由電機(jī)、刀片、主軸傳動(dòng)裝置、篩網(wǎng)和桶體外殼組成，瓜瓤經(jīng)物料輸送裝置進(jìn)入到一道桶體打漿裝置內(nèi)部，電機(jī)帶動(dòng)輥軸高速旋轉(zhuǎn)，破碎刀輥對(duì)瓜瓤和瓜皮進(jìn)行打漿處理，瓜瓤和瓜皮的纖維受到刀片的剪切力而改變了纖維的形態(tài)，同時(shí)纖維的細(xì)胞壁發(fā)生位移、變形與破裂等現(xiàn)象而吸水膨脹，產(chǎn)生細(xì)纖維化。

一道桶體打漿裝置和二道桶體打漿裝置的基本組成和工作原理基本相同，僅以第一桶體為例進(jìn)行說明，一道桶體打漿裝置與二道桶體打漿裝置相互平行，一道通體打漿裝置位于二道桶體打漿裝置斜上方，一道桶體的篩網(wǎng)網(wǎng)孔直徑為1 mm，完成對(duì)瓜瓤的粗級(jí)打漿，二道桶體的篩網(wǎng)網(wǎng)孔直徑為0.8 mm，完成對(duì)瓜瓤的細(xì)級(jí)打漿[15]。一道桶體打漿裝置位于整機(jī)的上半部分，也是打漿機(jī)的主要組成部分，打漿機(jī)在工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)刀軸高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的刀片帶動(dòng)瓜瓤和瓜汁在筒體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，未能通過篩網(wǎng)的瓜瓤和瓜籽通過排渣口排出機(jī)外，一道桶體裝置如圖3所示。

圖3 一道桶體總裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2.3 桶體的性能校核

桶體在打漿過程中承受瓜瓤和瓜皮的重力和擠壓，對(duì)桶體的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

(1)桶體的強(qiáng)度校核：

τT=TWT≈9 550 000pn0.2d3

(1)

桶體的材料使用45號(hào)鋼，τT的值為25～45 MPa。經(jīng)計(jì)算可得，桶體的材料滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)圓桶的剛度校核，圓桶扭轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式：

φ=5.73×1 041 LGτ=1zTτLτIpτ

(2)

桶體的極慣性計(jì)算公式：

Ip=πd432

(3)

[φ]為桶體的扭轉(zhuǎn)角，可取[φ]=1°/m，φ<[φ]，圓桶扭轉(zhuǎn)剛度符合要求。

2.3 排渣裝置

瓜瓤通過連接管道進(jìn)入一道通體打漿裝置內(nèi)部后，刀片高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)瓜瓤旋轉(zhuǎn)進(jìn)而將大顆粒的瓜瓤切碎，切碎以后的瓜瓤進(jìn)入二道桶體打漿裝置重復(fù)上述工作，排渣口位于打漿裝置的右側(cè)位置，未通過篩網(wǎng)的大顆粒瓜瓤則通過排渣口排出機(jī)外。

2.4 清洗裝置

由于打漿機(jī)在完成籽瓜打漿后瓜瓤會(huì)粘附在機(jī)腔內(nèi)壁，對(duì)機(jī)器的清洗造成很大困難，傳統(tǒng)的清洗方法很難對(duì)機(jī)器內(nèi)壁進(jìn)行清洗，因此為機(jī)器設(shè)計(jì)了一種能夠完成機(jī)器自動(dòng)清洗的清洗系統(tǒng)，清洗系統(tǒng)主要通過主管道和分管道輸送水，將噴淋裝置設(shè)置在桶體內(nèi)部的各個(gè)位置，在完成打漿以后，能夠?qū)Υ驖{機(jī)內(nèi)部進(jìn)行全方位的清洗，提高了打漿機(jī)的清洗效率。

3 試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用自主研發(fā)的籽瓜全利用加工生產(chǎn)線進(jìn)行，驗(yàn)證籽瓜打漿機(jī)的生產(chǎn)效率，以當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的籽瓜為試驗(yàn)材料，以固形物顆粒含量和瓜瓤的細(xì)碎程度作為試驗(yàn)指標(biāo)，以一道桶體打漿裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速、二道桶體打漿裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)料口的喂入量為試驗(yàn)因素，進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)[16-17]。

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

此次試驗(yàn)采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的籽瓜，在甘肅白銀對(duì)自行設(shè)計(jì)的雙道打漿機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，瓜體的平均重量在5 kg左右，平均大小為17 cm×23 cm，首先利用自主研發(fā)的籽瓜破碎分離機(jī)對(duì)籽瓜進(jìn)行破碎分離，用分離出的籽瓜瓜瓤作為試驗(yàn)材料進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量?jī)x器設(shè)備主要有TCS-01型電子秤(測(cè)量范圍0～300 kg，精度0.01 kg，上海速展機(jī)電有限公司)，LQ-C5001型電子天平(最大量程3 000 g，精度0.1 g，上海瑤新電子科技有限公司)。

3.2 試驗(yàn)方案

按照試驗(yàn)水平將破碎分離后的瓜瓤和瓜汁進(jìn)行稱重和分組，每組試驗(yàn)重復(fù)三次，最后取其平均值，將稱重后的籽瓜瓜瓤和籽瓜汁在10 min之內(nèi)均勻地喂入到打漿機(jī)里面，待出料口停止出料后，關(guān)閉機(jī)器電源，然后測(cè)定打漿后籽瓜汁中固形物含量和瓜瓤的細(xì)碎程度，試驗(yàn)水平見表2。

表2 試驗(yàn)水平

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果見表3。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，影響打漿機(jī)打漿質(zhì)量的主要因素為喂入量，次要因素為一道桶體打漿裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速和二道桶體打漿裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最佳的工作參數(shù)為A2B2C3。各因素水平對(duì)固形物含量的影響如圖4所示，一道桶體打漿裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速和二道桶體打漿裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)速的提高固形物的含量也呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)一道桶體打漿裝置二道桶體打漿裝置和電機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，雙道打漿機(jī)的打漿效率最高，打漿機(jī)的喂入量為影響打漿機(jī)打漿效率的主要因素，當(dāng)喂入量為170 kg/min時(shí)，打漿機(jī)的生產(chǎn)效率為10 200 kg/h。

表3 正交試驗(yàn)與結(jié)果

圖4 各因素水平對(duì)固形物含量的影響

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種新型籽瓜雙道打漿機(jī)，對(duì)雙道打漿機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，確定了打漿機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。整機(jī)的工作性能穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，能夠滿足籽瓜汁生產(chǎn)線的加工使用。采用雙道式打漿結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)單桶式打漿機(jī)打漿效率低的問題，為葫蘆科果品的打漿提供了理論依據(jù)。

(2)通過三因素三水平試驗(yàn)結(jié)果可以看出，雙道打漿機(jī)的設(shè)計(jì)可以滿足籽瓜汁生產(chǎn)線的需求，生產(chǎn)效率可達(dá)10 t/h。對(duì)打漿效果影響最大的因素為喂入量，其次是一道通體和二道桶體打漿裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速，一道桶體打漿裝置和二道桶打漿裝置最適宜的電機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，打漿機(jī)在工作過程中最適宜的喂入量為170 kg/min。