臥式青核桃脫皮機(jī)的設(shè)計(jì)與性能分析

楊忠強(qiáng)，郭 輝，馬月虹，朱占江

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

我國(guó)是世界重要的核桃生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1]。新疆是我國(guó)核桃第二大生產(chǎn)基地[2]。據(jù)新疆2019 年統(tǒng)計(jì)年鑒[3]顯示：新疆堅(jiān)果種植面積達(dá)5.043×105hm2，其中核桃種植面積達(dá)3.909×105hm2，占總種植面積的77.58%；而堅(jiān)果總產(chǎn)量達(dá)1.036×106t，其中核桃產(chǎn)量達(dá)8.368×105t，占總產(chǎn)量的80.79%。核桃產(chǎn)量主要集中在阿克蘇、喀什、和田等地區(qū)，占全疆總產(chǎn)量的95.40%。核桃已成為新疆的重要特色林果產(chǎn)品之一，但因核桃采后加工工期集中、規(guī)模大、青核桃鮮食能力有限等原因，致使核桃在存放、運(yùn)輸和銷售過(guò)程中腐爛變質(zhì)，損失率高達(dá)12%以上。青核桃脫皮是核桃采后加工的一個(gè)必經(jīng)環(huán)節(jié)。人工砍剝青皮勞動(dòng)強(qiáng)度大、易傷手、效率低、衛(wèi)生條件差，機(jī)械法脫皮是替代人工脫皮最有效的手段。

目前，對(duì)于青核桃機(jī)械法脫皮的研究主要集中在脫皮機(jī)具的開(kāi)發(fā)和影響脫皮效果的因素分析。其中，脫皮機(jī)具的開(kāi)發(fā)方面，主要采用以下4 種方式。①刀片切割[4-6]：主要是利用上下切割裝置將青皮切破，在柵條式刀片的作用下剝離青皮，上切割裝置和柵條式刀片都能上下伸縮，對(duì)大小不一的核桃均有效，同時(shí)下方設(shè)有分離篩，可以對(duì)青皮和核桃進(jìn)行分離，但脫去的青皮會(huì)產(chǎn)生較大的塊狀，造成青皮分離困難。②鋼刷刮削[7-8]：主要是利用鋼刷與蓋板組成脫皮通道，青核桃在重力作用下進(jìn)入脫皮通道，在鋼刷和蓋板的相互作用下，對(duì)青核桃進(jìn)行鋼刷的刮削、擠壓和揉搓，實(shí)現(xiàn)脫青皮。這類機(jī)具屬于半自動(dòng)化作業(yè)，工作效率較低。③擠壓剪切[9-10]：主要是利用壓板與輥筒的擠壓，滾動(dòng)碾壓將核桃青皮去掉。這類機(jī)具生產(chǎn)率低，穩(wěn)定性較低，脫皮行程較短。④撞擊摩擦[11-13]：主要是利用柵條滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)筒內(nèi)的青核桃不斷滾動(dòng)，青核桃在離心力作用下相互碰撞、摩擦，擠壓去除青皮。這類機(jī)具無(wú)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，適宜剛摘下來(lái)的青皮核桃，且對(duì)青核桃的大小無(wú)嚴(yán)格限制，但是該機(jī)具只能間歇式生產(chǎn)，未能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。

目前，國(guó)外核桃脫皮主要形式有水平鋼絲刷脫青皮、立式圓盤彈齒刷脫青皮及滾筒鋼絲或彈齒脫青皮機(jī)3 種[14]，這些都可以進(jìn)行連續(xù)化作業(yè)，并可以配套在生產(chǎn)線上。由于國(guó)外核桃品種單一，外殼硬度大，大小均勻，都是適合脫皮加工的品種，核桃脫皮的產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題已基本解決。而我國(guó)核桃品種繁雜，栽培和選育追求出仁率較高且殼薄的品種，而實(shí)際生產(chǎn)加工中，薄殼品種裂果較多，同時(shí)各品種外形差異較大。因此，國(guó)外設(shè)備不適用于中國(guó)的核桃品種。我國(guó)對(duì)核桃脫皮加工工藝方面還缺乏系統(tǒng)地研究，核桃脫皮加工未能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化生產(chǎn)，大多以單機(jī)加工為主，缺乏配套設(shè)備，成套性較差，導(dǎo)致核桃脫皮質(zhì)量較差?，F(xiàn)有的核桃脫青皮清洗裝備采用間歇式生產(chǎn)，加工過(guò)程需要人工輔助，生產(chǎn)率低，青皮脫凈率低，碎果率高，沒(méi)有可連續(xù)生產(chǎn)的核桃脫青皮清洗加工生產(chǎn)線，不能應(yīng)用于核桃產(chǎn)業(yè)化批量加工。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了我國(guó)核桃加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研究設(shè)計(jì)一種能夠水平從一端進(jìn)入，另一端排出，采用刀片劃切輸送，板刷擠壓摩擦相結(jié)合的脫皮方法及裝備，以期真正實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，配套在連續(xù)生產(chǎn)線上進(jìn)行批量化加工。

核桃青皮的脫凈率和核桃破損果率是研究脫皮效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。影響脫凈率和破損果率的因素除了加工工藝、核桃品種、成熟度之外，還受機(jī)具的結(jié)構(gòu)及參數(shù)影響[15]。針對(duì)臥式青核桃脫皮機(jī)，如何提高該設(shè)備的脫凈率，減小核桃破損果率等方面的研究還處于起步階段。因此，本文設(shè)計(jì)了一種臥式青核桃脫皮機(jī)。根據(jù)其整體結(jié)構(gòu)、工作原理、脫皮通道間隙和角度調(diào)節(jié)裝置的特點(diǎn)和功能，分析青核桃在脫皮通道中的受力情況，研究脫皮通道的間隙和角度之間的相互關(guān)系以及對(duì)脫皮效果的影響，通過(guò)單因素試驗(yàn)確定脫皮通道間隙、脫皮角度、喂入量、主軸轉(zhuǎn)速對(duì)脫皮效果的影響，再進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化加工參數(shù)，為臥式青核桃脫皮機(jī)的研究提供參考。

1 臥式青核桃脫皮機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 臥式青核桃脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)

臥式青核桃脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 臥式青核桃脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of horizontal green walnut peeling machine

青核桃經(jīng)進(jìn)料口掉落到鏈板輸送機(jī)構(gòu)表面水平向前運(yùn)動(dòng)，在布料裝置作用下平鋪一層前進(jìn)，進(jìn)入由鏈板輸送機(jī)構(gòu)和板刷機(jī)構(gòu)形成的脫皮通道，進(jìn)料口設(shè)有后噴水裝置，青核桃在前進(jìn)過(guò)程中受到壓力水的噴洗潤(rùn)滑，安裝在鏈板輸送機(jī)構(gòu)上的刀片將青皮劃出若干個(gè)裂口，然后在脫皮通道的擠壓和剪切作用下將青皮徹底去除，混合物料一起輸送至出料口，在前噴水裝置等作用下進(jìn)入下一個(gè)工序。

通過(guò)間隙調(diào)節(jié)手輪控制板刷與鏈板輸送機(jī)構(gòu)之間的脫皮間隙，以適應(yīng)不同大小和品種的青核桃脫皮；通過(guò)另一組角度調(diào)節(jié)手輪，同時(shí)控制3 組板刷與鏈板輸送機(jī)構(gòu)之間的傾斜角度，從而實(shí)現(xiàn)青核桃從大到小的擠壓和剪切過(guò)程。核桃青皮不斷脫落變小，同時(shí)脫皮通道間隙也不斷變小，以適應(yīng)青核桃到核桃之間的尺寸變化；青核桃不斷受到板刷的梳刷，在鏈板的驅(qū)動(dòng)下直達(dá)出料口，進(jìn)入下一個(gè)分離裝置。

1.2 板刷機(jī)構(gòu)和角度調(diào)節(jié)裝置

板刷機(jī)構(gòu)是臥式青核桃脫皮機(jī)的關(guān)鍵部件之一，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)青核桃的擠壓和剪切脫皮，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 板刷機(jī)構(gòu)Fig.2 Mechanism diagram of brush

板刷機(jī)構(gòu)與鏈板輸送機(jī)構(gòu)組成脫皮通道。脫皮通道間隙的設(shè)計(jì)主要是適應(yīng)不同品種、外形和大小的青核桃進(jìn)行脫皮作業(yè)。因此，設(shè)計(jì)了一種聯(lián)動(dòng)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（圖3）。該設(shè)計(jì)一方面可實(shí)現(xiàn)板刷的升降，調(diào)節(jié)脫皮通道的間隙，另一方面可實(shí)現(xiàn)不同板刷組同步升降，確保每組板刷與鏈板輸送機(jī)構(gòu)的脫皮通道間隙一致。手動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)任意一個(gè)間隙調(diào)節(jié)手輪，帶動(dòng)兩側(cè)調(diào)節(jié)間隙升降機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)兩側(cè)間隙升降機(jī)拉桿前進(jìn)或后退，推動(dòng)兩側(cè)調(diào)節(jié)板沿軌道前進(jìn)或后退。調(diào)節(jié)板上設(shè)有斜向長(zhǎng)條軸孔，板刷安裝架上設(shè)有豎直長(zhǎng)條軸孔，調(diào)節(jié)軸沿傾斜長(zhǎng)條軸孔向上滑動(dòng)，調(diào)節(jié)軸帶動(dòng)板刷安裝架組沿豎直長(zhǎng)條軸孔上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)脫皮通道間隙的調(diào)節(jié)，脫皮通道間隙h 主要通過(guò)調(diào)節(jié)板上調(diào)節(jié)軸上升的標(biāo)尺距離確定。

圖3 間隙與角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.3 Diagram of clearance and angle adjustment mechanism

脫皮通道角度的設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)青核桃從大到小等擠壓過(guò)程，減少核桃的破損果率，青核桃在脫皮過(guò)程中，青皮不斷脫落變小，同時(shí)脫皮間隙也不斷變小，以適應(yīng)青核桃到核桃的尺寸變化，最終達(dá)到最佳的脫皮效果。因此，設(shè)計(jì)了一種聯(lián)動(dòng)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（圖3），一方面實(shí)現(xiàn)板刷與輸送帶角度θ 的調(diào)整，另一方面實(shí)現(xiàn)3 組板刷角度調(diào)節(jié)等的一致性。手動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)任意一個(gè)角度調(diào)節(jié)手輪，帶動(dòng)調(diào)節(jié)角度升降機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)角度升降機(jī)拉桿，通過(guò)調(diào)節(jié)拉桿同時(shí)控制3組板刷安裝架繞調(diào)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)3 組板刷角度調(diào)節(jié)的一致性，脫皮通道角度θ 主要通過(guò)板刷安裝架與豎直方向的夾角確定。

1.3 青核桃脫皮的受力分析

由于臥式青核桃脫皮機(jī)系統(tǒng)中的板刷機(jī)構(gòu)和鏈板輸送機(jī)構(gòu)均與青核桃直接接觸，因此作為臥式青核桃脫皮機(jī)的關(guān)鍵部件，工作中青核桃在鏈板輸送機(jī)構(gòu)上前進(jìn)，進(jìn)入板刷與鏈板輸送機(jī)構(gòu)形成的脫皮通道中，對(duì)任意一個(gè)青核桃均受到F1（板刷對(duì)青核桃的動(dòng)摩擦力）、F2（板刷對(duì)青核桃的擠壓力）、F3（刀片對(duì)青核桃的動(dòng)摩擦力）、F4（刀片對(duì)青核桃的擠壓力）、mg（青核桃自身的重力）作用。青核桃的受力圖如圖4 所示。按水平x 軸和垂直y 軸分解，各作用力之間的關(guān)系如下：

圖4 青核桃在脫皮通道中的受力圖Fig.4 Free-body diagram of green walnut in the peeling channel

式中：μ1、μ2分別代表鏈板表面動(dòng)摩擦系數(shù)和板刷表面動(dòng)摩擦系數(shù)，g 為重力加速度。

由式（1）可知，影響脫青皮的性能因素有：鏈板的表面動(dòng)摩擦系數(shù)μ1、板刷表面的動(dòng)摩擦系數(shù)μ2、青核桃的質(zhì)量m、板刷與鏈板的夾角θ，除此之外，還和板刷與鏈板之間的間隙及鏈板輸送機(jī)構(gòu)的傳送速度有關(guān)。

2 臥式青核桃脫皮機(jī)的性能研究

2.1 材料與方法

2.1.1 原料

青核桃為新疆主栽品種“新新2”，生長(zhǎng)于新疆喀什葉城縣，于2020 年9 月上旬采收。青核桃的短徑尺寸為42.9～49.89 mm，青皮含水率89.2%～94.6%，核桃殼含水率33.7%～37.4%，核桃仁含水率26%～31.2%，成熟度良好，2020 年9 月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所中試車間進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前將購(gòu)買的青核桃置于（5±1）℃的保鮮庫(kù)內(nèi)保存。

2.1.2 儀器與設(shè)備

臥式青核桃脫皮機(jī)，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所自制；RV130 減速器，浙江午馬減速機(jī)有限公司；YE2-112M-4 電機(jī)，上海左力電機(jī)有限責(zé)任公司；TCS-150 型電子計(jì)價(jià)臺(tái)秤，貴陽(yáng)宏立衡器制造有限公司。

2.1.3 脫皮通道間隙的選擇

臥式青核桃脫皮機(jī)的間隙調(diào)節(jié)范圍為0～60 mm，試驗(yàn)用“新新2”青核桃短徑為42.9～49.98 mm，脫青皮后核桃的短徑為29.42～34.5 mm，考慮到板刷有5 mm 的變形量，因此調(diào)節(jié)間隙的最小值設(shè)置為25 mm；調(diào)節(jié)間隙的最大值為60 mm，“新新2”青核桃三維尺寸中最大值為長(zhǎng)徑52.2 mm，在調(diào)整的范圍內(nèi)，當(dāng)間隙為60 mm 時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整板刷角度實(shí)現(xiàn)對(duì)“新新2”青核桃的脫皮過(guò)程。因此，試驗(yàn)所采用的間隙范圍為25～60 mm。

2.1.4 脫皮通道角度的選擇

臥式青核桃脫皮機(jī)的角度調(diào)整受到其間隙的影響。試驗(yàn)用“新新2”青核桃的短徑為42.9～49.98 mm，脫青皮后核桃的短徑為29.42～34.5 mm，因此角度調(diào)整范圍應(yīng)滿足調(diào)整后板刷最低點(diǎn)距鏈板的距離范圍，即25～34.5 mm。當(dāng)脫皮通道的間隙達(dá)60 mm 時(shí)，調(diào)整脫皮通道角度為17°時(shí)，板刷的最低點(diǎn)距鏈板的間隙為0 mm；當(dāng)調(diào)整脫皮通道角度為9°時(shí)，板刷的最低點(diǎn)距鏈板輸送機(jī)構(gòu)的間隙為25 mm（試驗(yàn)中“新新2”核桃不被擠裂的最小值）；當(dāng)調(diào)整脫皮通道角度為6°時(shí)，板刷的最低點(diǎn)距鏈板的間隙為34.5 mm。當(dāng)脫皮通道的間隙達(dá)25 mm 時(shí)，調(diào)整脫皮通道角度為7°時(shí)，板刷的最低點(diǎn)距鏈板的間隙為0 mm；當(dāng)調(diào)整脫皮通道角度為0°時(shí)，板刷的最低點(diǎn)距鏈板的間隙為25 mm。因此，為滿足試驗(yàn)“新新2”核桃的脫皮間隙為25～34.5 mm，采用表1 所示間隙對(duì)應(yīng)調(diào)整的角度范圍進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 脫皮通道間隙對(duì)應(yīng)調(diào)整角度的范圍Table 1 Adjustment angular range of peeling channel clearance

2.1.5 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

臥式青核桃脫皮機(jī)RV130 減速器的速比為30，電機(jī)為三相異步4 kW 電機(jī)，通過(guò)變頻器控制主軸的轉(zhuǎn)速，使其在15～45 r/min 范圍內(nèi)變化，通過(guò)喂入量控制脫皮機(jī)的生產(chǎn)率，由于采用輸送帶均勻喂入，該機(jī)具的生產(chǎn)率為3 t/h。

①喂入量調(diào)整為機(jī)具正常工作時(shí)的3 000 kg/h，主軸轉(zhuǎn)速為35 r/min，研究脫皮通道間隙在25～60 mm變化過(guò)程中，相應(yīng)角度變化對(duì)青皮脫凈率與核桃破損果率的影響。②固定脫皮通道間隙35 mm，脫皮通道角度2°，主軸轉(zhuǎn)速35 r/min，喂入量分別為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 kg/h，即按照100 kg 青核桃12、6、4、3、2.4、2、1.7 min 均勻喂完，研究喂入量對(duì)青皮脫凈率和核桃破損果率的影響。③喂入量調(diào)整為機(jī)具正常工作時(shí)的3 000 kg/h，脫皮通道間隙35 mm，脫皮通道角度2°，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速分別為15、20、25、30、35、40、45 r/min 時(shí)，研究其對(duì)青皮脫凈率與核桃破損果率的影響。

2.1.6 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

臥式青核桃脫皮機(jī)的可控參數(shù)主要有喂入量、主軸轉(zhuǎn)速、脫皮通道間隙、脫皮通道角度等，但是角度調(diào)整要滿足最低脫皮通道間隙的要求。因此，選擇喂入量、主軸轉(zhuǎn)速和脫皮通道間隙進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，在脫皮通道角度2°條件下，選擇喂入量、主軸轉(zhuǎn)速、脫皮通道間隙為主要影響因素，選擇青皮脫凈率和破損果率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels table of orthogonal experiment

2.1.7 脫凈率和破損果率計(jì)算

青皮脫凈率[16]的計(jì)算方法如下：

式中：T 為脫凈率，%；m1為測(cè)試中完全脫皮的核桃質(zhì)量，kg；m2為測(cè)試中未完全脫皮的核桃質(zhì)量，kg。

式中：P 為破損果率，%；m3為測(cè)試中破損果質(zhì)量，kg；m 為測(cè)試中出料口樣品總質(zhì)量，kg。

2.1.8 數(shù)據(jù)處理

所有的試驗(yàn)均重復(fù)3 次，利用Excel 進(jìn)行計(jì)算和作圖，SPSS Statistic 19.0 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 脫皮通道間隙對(duì)青皮脫凈率的影響

由圖5 可以看出，脫皮通道間隙調(diào)節(jié)決定角度調(diào)節(jié)，間隙調(diào)整完成后，才可以再去調(diào)整角度。間隙越大，相應(yīng)角度調(diào)整的范圍越大；間隙越小，能調(diào)節(jié)的角度范圍越小。當(dāng)脫皮通道間隙調(diào)整至25 mm 時(shí)，角度只能調(diào)節(jié)到0°；當(dāng)θ＞0°時(shí)，板刷最低點(diǎn)與鏈板的距離＜25 mm，勢(shì)必將脫皮通道中的核桃擠破。當(dāng)脫皮通道間隙調(diào)整到60 mm 時(shí)，角度只有在6～9°之間才能實(shí)現(xiàn)正常脫皮作業(yè)；θ＜6°時(shí)，板刷最低點(diǎn)與鏈板的距離＞37.5 mm，已經(jīng)超過(guò)了核桃的棱徑最大值，不能將青核桃完全脫皮；θ＞9°時(shí)，板刷最低點(diǎn)與鏈板的距離＜25 mm，將脫皮通道中的核桃擠破。脫皮通道間隙在40 mm 以下時(shí)，其相應(yīng)脫凈率≥87.65%。綜合考慮，臥式青核桃脫皮機(jī)的脫皮通道間隙調(diào)整范圍為30～40 mm 較為理想。

圖5 脫皮通道間隙對(duì)青皮脫凈率的影響Fig.5 Effects of peeling channel clearance on peeling rates of green husk

3.2 脫皮通道角度對(duì)核桃破損果率的影響

由圖6 可以看出，為滿足脫皮間隙25～34.5 mm，脫皮通道角度（θ）在2～4°范圍內(nèi)，核桃破損果率處于較低的水平，臥式青核桃脫皮機(jī)的最佳角度調(diào)整范圍為2～4°。綜合考慮脫凈率和破損果率，間隙范圍30～40 mm，不同間隙范圍內(nèi)角度重合。因此，選則脫皮通道角度為2°較適宜。

圖6 脫皮通道角度對(duì)核桃破損果率的影響Fig.6 Effects of different peeling channel angles on the damaged rates of walnuts

3.3 喂入量對(duì)青核桃脫凈率和破損果率的影響

由圖7 可以看出，隨著喂入量的增加，青皮脫凈率隨之減少，而核桃破損果率也隨之減小。臥式青核桃脫皮機(jī)脫皮過(guò)程中主要依靠板刷與鏈板形成由大到小的脫皮通道進(jìn)行擠壓和剪切作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脫皮。安裝在鏈板上的刀片可以在擠壓過(guò)程中將青皮切割，迫使青皮破裂受損，更易于降低脫皮所需擠壓力[6]，減少硬碰撞造成的破損。當(dāng)喂入量較小時(shí)，單個(gè)青核桃所承受的擠壓變形較大，青皮破損的概率也增大，青皮脫凈率較高，核桃破損果率也較高；隨著喂入量的增加，通道中單位面積內(nèi)青核桃的數(shù)量不斷增加，單個(gè)青核桃所承受的擠壓力減少，青皮破裂的概率也隨之減小，青皮脫凈率降低，核桃破損果率也隨之下降。因此，綜合考慮，喂入量在1 000～3 000 kg/h 時(shí)較為理想。

圖7 喂入量對(duì)青核桃脫凈率和破損果率的影響Fig.7 Effects of feeding amounts on peeling rates and damaged rates of green walnuts

3.4 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)青核桃脫凈率和破損果率的影響

由圖8 所示，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，青皮脫凈率和核桃破損果率整體均呈升高趨勢(shì)，但略有差異。主軸轉(zhuǎn)速增加，鏈板前進(jìn)的速度也增加，青核桃進(jìn)入脫皮通道的速度和動(dòng)能將變大，撞擊板刷的擠壓力也變大，進(jìn)而增加了青皮及核桃的破裂。因此，青皮脫凈率和核桃破損果率都隨之上升。提高機(jī)具青皮脫凈率和效率，降低核桃破損果率是設(shè)計(jì)機(jī)具中最重要的目標(biāo)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，脫凈率和破損果率是相互矛盾，相互影響的。因此，在生產(chǎn)者能夠接受的核桃破損果率范圍內(nèi)，盡可能地提高機(jī)具的脫凈率和效率。對(duì)于臥式青核桃脫皮機(jī)，本試驗(yàn)確定主軸轉(zhuǎn)速在25～35 r/min較為理想。

圖8 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)青核桃脫凈率和破損果率的影響Fig.8 Effects of spindle speeds on peeling rates and damaged rates of green walnuts

3.5 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可知：以青皮脫凈率最高為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)方案為A1B3C1，即喂入量1 000 kg/h，主軸轉(zhuǎn)速35 r/min，脫皮間隙30 mm，影響青皮脫凈率的因素主次順序?yàn)镃＞B＞A；以破損果率最低為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到最優(yōu)方案為A2B1C3，即喂入量2 000 kg/h，主軸轉(zhuǎn)速25 r/min，脫皮間隙40 mm，與正交試驗(yàn)中的最優(yōu)組一致，其破損果率為3.88%，影響核桃破損果率的因素主次順序?yàn)镃＞B＞A。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of orthogonal experiment

由表4 可知，脫皮通道間隙（C）對(duì)青皮脫凈率有顯著影響（P＜0.05），而喂入量（A）和主軸轉(zhuǎn)速（B）對(duì)青皮脫凈率的影響不顯著。由表5 可知，主軸轉(zhuǎn)速（B）和脫皮通道間隙（C）對(duì)核桃破損果率有顯著影響（P＜0.05），而喂入量（A）對(duì)核桃破損果率的影響不顯著。

對(duì)于臥式青核桃脫皮機(jī)，其青皮脫凈率和核桃破損果率的優(yōu)選方案，在A1B3C1條件下，雖然青皮脫凈率最高，達(dá)到了94.83%，但核桃破損果率為7.15%，明顯偏高；在A2B1C3條件下，雖然核桃破損果率最低，達(dá)到了3.88%，但青皮脫凈率為74.98%，明顯偏低。因此，綜合考慮使用情況，結(jié)合表4 和表5，在控制核桃破損果率的同時(shí)，盡可能提高青皮脫凈率，還要考慮連續(xù)化批量加工和生產(chǎn)率問(wèn)題。最終選擇優(yōu)化方案為A2B2C2，即喂入量2 000 kg/h，主軸轉(zhuǎn)速30 r/min，脫皮通道間隙35 mm，脫皮角度2°。

表4 脫凈率方差分析結(jié)果Table 4 Results of variance analysis for peeling rate

表5 破損果率方差分析結(jié)果Table 5 Results of variance analysis for walnut damaged fruit rate

3.6 驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)于優(yōu)化方案A2B2C2進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，該參數(shù)下臥式青核桃脫皮機(jī)的青皮脫凈率為92.42%（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≥88%），核桃破損果率為5.48%（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤6%）。按照該優(yōu)化方案對(duì)新疆主栽的其他品種（“溫185”和“扎343”）青核桃進(jìn)行了脫皮試驗(yàn)，結(jié)果表明：“溫185”核桃的青皮脫凈率為90.28%，破損果率為5.97%；“扎343”核桃的青皮脫凈率為91.67%，破損果率為4.79%，兩種品種的青核桃均可以獲得較好的脫皮效果。

4 討論與結(jié)論

為了適應(yīng)不同品種、外形和大小的青核桃進(jìn)行脫皮作業(yè)，本文在設(shè)計(jì)臥式青核桃脫皮機(jī)時(shí)設(shè)計(jì)了脫皮間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；為了減少核桃的破損果率，設(shè)計(jì)了青核桃從大到小擠壓過(guò)程的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)。影響脫皮效果的主要因素有脫皮通道間隙、脫皮通道角度、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量等。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：脫皮通道間隙是青皮脫凈率的最主要影響因素，而喂入量和主軸轉(zhuǎn)速的影響較??；脫皮通道間隙和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)核桃破損果率的影響較大，而喂入量對(duì)核桃破損果率的影響較小。當(dāng)喂入量為2 000 kg·h-1，主軸轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，脫皮通道間隙35 mm，脫皮角度為2°時(shí)，青皮脫凈率為92.42%，核桃破損果率為5.48%。楊忠強(qiáng)等[13]設(shè)計(jì)了一款離心篩網(wǎng)式青核桃脫皮機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速對(duì)青皮脫凈率和核桃破損率的影響最大，生產(chǎn)率和作業(yè)時(shí)間的影響次之；當(dāng)篩網(wǎng)轉(zhuǎn)速為35 r/min，生產(chǎn)率為900 kg/h，作業(yè)時(shí)間為4 min 時(shí)，“扎343”和“新新2”青核桃的脫凈率均較高，而破損果率均較低，脫皮效果較好，但該設(shè)備設(shè)有無(wú)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，只能間歇式生產(chǎn)，未能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。石章成[17]設(shè)計(jì)了一款小型高效核桃脫青皮機(jī)，研究了彈簧預(yù)緊力、主軸轉(zhuǎn)速、彈簧系數(shù)對(duì)脫皮效果的影響，發(fā)現(xiàn)在彈簧預(yù)緊力50 N，脫皮輥轉(zhuǎn)速100 r/min，彈性系數(shù)100 N/mm 時(shí)既保證了較高的核桃脫凈率，也保證了較低的核桃破碎率，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)，但生產(chǎn)率較低。脫皮結(jié)構(gòu)不同，影響脫皮效果的主要因素不同。鄭甲紅等[18]進(jìn)行了擠壓青核桃試驗(yàn)，從受力角度分析出青核桃外形大小不是脫皮過(guò)程中的決定因素，因此設(shè)計(jì)機(jī)具時(shí)，不需要進(jìn)行大小分類。但是我國(guó)核桃品種繁雜，栽培和選育追求出仁率較高且殼薄的品種，然而實(shí)際生產(chǎn)加工中，薄殼品種的核桃裂果較多，而且各品種核桃的外形差異較大。對(duì)于臥式青核桃脫皮機(jī)，若不分級(jí)處理，會(huì)造成尺寸較小的青核桃漏剝，較大的青核桃破損。因此，根據(jù)不同的脫皮結(jié)構(gòu)制定相應(yīng)的加工工藝，通過(guò)分級(jí)處理獲得更好的脫皮效果。加工前的分級(jí)、熟化等預(yù)處理措施是提高脫皮效果的重要措施。通過(guò)臥式青核桃脫皮機(jī)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了青核桃連續(xù)批量化加工，為核桃采后初加工產(chǎn)業(yè)化提供了依據(jù)。