柑橘自動剝皮設(shè)備劃皮機構(gòu)設(shè)計與研究

蔡靜，張俊

（1.310021 浙江省 杭州市 浙江省農(nóng)業(yè)科學院食品科學研究所；2.310021 浙江省 杭州市 農(nóng)業(yè)部果品采后處理重點實驗室；3.310021 浙江省 杭州市 浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點實驗室）

0 引言

我國是全球柑橘罐頭最大生產(chǎn)國，向世界60多個國家和地區(qū)出口柑橘罐頭，出口總量占世界第一[1-4]。柑橘罐頭加工需要經(jīng)過剝皮、分瓣、脫囊、灌裝等工藝[5]，傳統(tǒng)柑橘剝皮方式依靠人工，勞動強度大、衛(wèi)生條件差、難以滿足柑橘罐頭產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。隨著社會發(fā)展，柑橘罐頭加工產(chǎn)業(yè)招工難問題越來越突出，迫切需要提高柑橘加工與生產(chǎn)自動化程度。

歐美國家自20 世紀60 年代開始對柑橘劃皮和剝皮研究進行了研究，當時的研究僅針對單個柑橘果實、仿形劃皮、剝皮，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，適合家庭使用，難以滿足柑橘加工企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)使用[6-9]。此后，日本將柑橘90 ℃蒸汽軟化后研究出連續(xù)式柑橘剝皮設(shè)備，該劃皮裝置在切線方向由固定刀片劃開橘皮，劃開橘皮后的柑橘再進行剝皮，該設(shè)備劃皮時由于橘子個體差異較大，容易劃破橘肉，造成機械損傷[10]。在國內(nèi)，周玉林等人根據(jù)西班牙的柑橘剝皮設(shè)備發(fā)明了一款桔子剝皮機，該機器包括劃皮和剝皮兩個機構(gòu)，可實現(xiàn)大批量桔子剝皮加工，實現(xiàn)機械化連續(xù)生產(chǎn)[11]。目前，市場上已經(jīng)有一些柑橘剝皮設(shè)備服務于柑橘加工企業(yè)，設(shè)備主要通過高速旋轉(zhuǎn)的刀輥在柑橘外表面劃出多道破口，或者是通過固定滾筒劃出表皮破口，設(shè)備劃皮隨機性較大，不能保證柑橘劃皮成功率[12-13]；范登峰等人設(shè)計了一款環(huán)切柑橘剝皮設(shè)備。環(huán)切壓盤上的尖刺卡住柑橘頂部果皮，托盤帶動柑橘一同旋轉(zhuǎn)運動，環(huán)切刀具固定不動，從柑橘最大果徑處進行劃皮，劃口位置單一，只產(chǎn)生一道劃口，能夠適應一定高度的柑橘進行環(huán)切去皮[14]；張俊等人開發(fā)的柑橘剝皮設(shè)備劃皮機構(gòu)采用多面體倒齒刀架結(jié)構(gòu)，橘子落在刀架上后，由下壓板壓住橘子向下運動，刀組刺入橘皮中，并在橘子向下運動時，刀組沿橘球切線方向展開，形成翹皮，目前市場上剝皮設(shè)備都參照這種結(jié)構(gòu)[15]。

目前，柑橘加工產(chǎn)業(yè)針對劃皮工序，需要解決自動劃皮效率高、通用性高、果皮外翻效果好、橘瓣破損率低等問題。本文擬定以劃皮力學測試結(jié)果為基礎(chǔ)，通過不同劃皮刀頭力學測試結(jié)果對比，選定刀頭，再通過實際劃皮動作，設(shè)計柑橘自動剝皮設(shè)備劃皮裝置，并通過樣機劃皮測試分析劃皮效果。

1 力學試驗

1.1 劃皮原理

針對設(shè)計的柑橘自動剝皮設(shè)備中固定位置形成破口的劃皮機構(gòu)，參考手工剝皮路徑，將完整柑橘分為上頸部、赤道及下尾部3 個位置，如圖1 所示。在柑橘上頸部或者下尾部形成多道破口，通過擠壓裝置將柑橘自上而下，經(jīng)過伸縮式結(jié)構(gòu)通過劃皮刀具組自由下落，對軋輥設(shè)備進行對轉(zhuǎn)拉皮可以將破口處的橘皮順利拉下，完成自動剝皮動作，柑橘劃皮原理如圖2 所示。

圖1 柑橘劃皮位置圖Fig.1 Location diagram of citrus peeling

圖2 柑橘劃皮原理圖Fig.2 Schematic diagram of citrus peeling

1.2 力學試驗

1.2.1 儀器與設(shè)備

本次力學試驗擬定使用質(zhì)構(gòu)儀為美國FTC公司的TMS-PRO，最大量程1 000 N，最大行程300 mm，檢測精度0.015%，采用自制刀具作為劃皮測試專用夾具，自制刀頭外形如圖3 所示。

圖3 刀頭示意圖Fig.3 Knife head diagram

1.2.2 力學測試

設(shè)定質(zhì)構(gòu)儀工作時試驗測試速度60 mm/min，回程速度60 mm/min，起始力0.01 N，測試最大距離40 mm，質(zhì)構(gòu)儀如圖4所示，下壓夾具為自制刀頭。

圖4 質(zhì)構(gòu)儀力學測試Fig.4 Dynamic testing of texture meter

1.3 試驗結(jié)果分析

1.3.1 不同刀頭對比試驗

針對6 種不同刀頭，從相同熱燙時間、熱燙溫度進行對比試驗，熱燙時間設(shè)定為60 s，熱燙溫度設(shè)定為100 ℃，具體實驗結(jié)果如圖5 所示。針對6 種不同刀頭新鮮柑橘進行力學測試，試驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同刀頭劃皮試驗Fig.5 Different knife test

通過不同刀頭對柑橘進行劃皮試驗力學性能測試，對比試驗結(jié)果表明，刀頭F的劃皮效果最佳，采用刀頭F 作為設(shè)計劃皮裝置的零件。

1.3.2 未熱燙柑橘劃皮力學試驗

選擇2020 年8 月下旬成熟的溫州柑橘，選取早熟、中晚熟新鮮果，儲藏果時間設(shè)定為3日、7日、15 日以及30 日，柑橘果徑選擇65～70 mm，果高80～100 mm。將新鮮未熱燙的柑橘靜置于質(zhì)構(gòu)儀工作臺，按照設(shè)定參數(shù)對柑橘進行劃皮力學測試，隨機選定其中6 組試驗結(jié)果。

未熱燙柑橘力學試驗表明，未經(jīng)過熱燙的溫州蜜橘在自制夾具及質(zhì)構(gòu)儀配合作用試驗下，柑橘表面形成4 道較小劃口，橘皮內(nèi)翻，不利于將橘皮順利撥開，其狀態(tài)如圖6 所示。由試驗結(jié)果可知，劃皮試驗最大作用力12.36 N。劃皮過程中，作用力隨著夾具下降距離逐步增加，達到最大作用力后再緩慢遞減。下降距離達到40 mm 后，質(zhì)構(gòu)儀夾具返回并遠離柑橘表面，作用力逐步消失，完全離開柑橘表面，作用力為零，縱坐標最高點即為最大作用力。根據(jù)6 種刀頭試驗對比結(jié)果分析，刀頭F 為最佳劃皮刀具，為劃皮刀具組件設(shè)計奠定選型基礎(chǔ)。

圖6 未熱燙柑橘劃皮破口圖Fig.6 Peeling and tearing of unheated citrus

針對刀頭F 對不同時期柑橘進行力學測試，試驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7 未熱燙柑橘力學試驗結(jié)果Fig.7 Dynamic test results of unheated citrus

1.3.3 熱燙柑橘劃皮力學試驗

將新鮮云南蜜橘用沸水熱燙60 s，再放置于質(zhì)構(gòu)儀測試平臺工作面上進行劃皮力學測試，F(xiàn)刀頭試驗結(jié)果如圖8 所示。

圖8 熱燙柑橘劃皮破口Fig.8 Peeling and tearing of heated citrus

熱燙柑橘力學測試結(jié)果顯示，在質(zhì)構(gòu)儀和自制夾具共同作用下，柑橘上頸部表面形成四道均勻劃口，破口處橘皮展開面積較大且均勻，柑橘狀態(tài)如圖9 所示。同時，熱燙柑橘在劃皮試驗中的最大作用力為8.61 N，作用力曲線隨著質(zhì)構(gòu)儀夾具下降距離的增加而逐步增加，到達最高點趨于平穩(wěn)；質(zhì)構(gòu)儀夾具下降到40 mm 后，返回并遠離柑橘表面，作用力逐步降低，完全離開柑橘表面，作用力為零。根據(jù)6種刀頭試驗對比結(jié)果分析，刀頭F 為最佳劃皮刀具，為劃皮刀具組件設(shè)計奠定選型基礎(chǔ)。

圖9 熱燙柑橘力學試驗結(jié)果Fig.9 Dynamic test results of heated citrus

1.4 劃皮裝置設(shè)計

1.4.1 按壓組件設(shè)計

柑橘劃皮裝置中采用下壓式劃皮，即通過下壓柑橘橘球，通過擠壓將柑橘送入劃皮裝置中進行劃皮。通過仿形設(shè)計及穩(wěn)定性需求，將壓爪設(shè)計為四爪式，每個按壓組件均勻分布4 個壓爪，可根據(jù)轉(zhuǎn)速進行柑橘按壓，輔助劃皮裝置對柑橘進行劃皮動作。按壓組件如圖10 所示。

圖10 按壓組件Fig.10 Components for pressing

1.4.2 刀架設(shè)計

由于按壓作用的柑橘受到刀頭擠壓會破壞橘肉，故根據(jù)擠壓作用，將刀架組件設(shè)計為可調(diào)式，刀柄Ⅰ固定，刀柄Ⅱ處通過沿著導桿的彈簧進行擠壓調(diào)節(jié)柑橘下落范圍，其結(jié)構(gòu)如圖11 所示。根據(jù)質(zhì)構(gòu)儀測試結(jié)果，設(shè)定壓爪按壓柑橘力為100 N，刺穿橘皮時最大作用力為50 N，果徑60～65 mm，柑橘所受重力約1 N。

圖11 刀架組件Fig.11 Tool rest components

設(shè)計選擇彈簧鋼絲直徑d=0.8，彈簧中徑D=8.5，總?cè)?shù)n1=13，有效圈數(shù)n=10，切變模量G=7 000 kg/mm2，彈性模量E，剛度k=Gd4/8nD3，節(jié)距p=1.5，工作載荷P=76 Pa，旋繞比C=10.63，曲度系數(shù)K=53 g/mm，則計算得出彈簧最大應力T=5.2 N。得出的選型彈簧最大應力5.2 N，小于質(zhì)構(gòu)儀劃皮試驗中的最小劃皮應力8.61 N，在該劃皮應力作用下，彈簧可以進行壓縮，滿足設(shè)計需求。

1.4.3 劃皮組件設(shè)計

柑橘在劃皮裝置中主要承受自身重力、壓爪的壓力、刀頭的壓力及刀架組件中刀柄處的壓力，組件如圖12 所示。根據(jù)受力分析，刀柄處壓力直接影響后續(xù)彈簧選型及確保柑橘劃皮后能否順利落下。

圖12 劃皮裝置機構(gòu)簡圖Fig.12 Schematic diagram of peeling device mechanism

劃皮裝置采用2 組刀具組合劃皮的方式，2組刀具對稱安裝，保持刀頭垂直且刀架可調(diào)。當柑橘自由落入劃皮裝置后，壓爪對柑橘進行自上而下的擠壓，柑橘隨即沿著刀架落入劃皮切入點處，柑橘下端接觸到刀頭后即產(chǎn)生劃皮力，隨著壓爪繼續(xù)下壓，刀架上的彈簧收到壓力進行壓縮，柑橘隨之從壓縮后的組合刀架中間落下，進入拉皮工序，整個柑橘劃皮工序完成作業(yè)，如圖13 所示為柑橘在劃皮過程中的動作示意圖。

圖13 柑橘劃皮動作示意圖Fig.13 Diagram of citrus peeling action

2 試驗

2.1 試驗方法

本研究設(shè)計了一款四爪劃皮刀具的安裝支座，4 個劃皮刀具分成2 組，分別固定安裝在同一個安裝板上，安裝板固定安裝在L 型抽插支架上，L型抽插支架通過滑槽安裝在支座上。劃皮機構(gòu)如圖14 所示。通過壓爪將柑橘勻速垂直下壓，柑橘通過劃皮裝置上的刀具進行劃皮動作，不斷擠壓后，柑橘表面產(chǎn)生4 道劃皮破口，柑橘自身隨著彈簧擴張自由掉落，完成劃皮動作。

圖14 柑橘劃皮機構(gòu)圖Fig.14 Diagram of citrus peeling mechanism

2.2 試驗結(jié)果

將新鮮未熱燙的柑橘隨機放置到劃皮組件上，根據(jù)劃皮動作進行不同成熟期的4 道劃皮破口測試，具體試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 未熱燙柑橘劃皮裝置試驗結(jié)果Tab.1 Test results of peeling device for unheated citrus

將新鮮熱燙后的柑橘隨機放置到劃皮組件上，根據(jù)劃皮動作進行不同成熟期的4 道劃皮破口測試，具體試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 熱燙后柑橘劃皮裝置試驗結(jié)果Tab.2 Test results of peeling device for heated citrus

結(jié)果表明，未熱燙新鮮柑橘在劃皮機構(gòu)上的劃皮測試結(jié)果和力學測試結(jié)果基本一致，早熟期新鮮柑橘劃皮破口成功率和劃皮后橘皮外翻程度略低于中晚期和熱燙后的柑橘，且隨著柑橘儲藏時間的增加，其劃皮破口成功率和橘皮外翻程度效果在儲藏時間不超過15 日內(nèi)變化不顯著，儲藏期為30 日的柑橘在試驗時橘皮破碎率和橘瓣破損率較高。

2.3 分析

通過力學測試和劃皮機構(gòu)對比試驗發(fā)現(xiàn)，未熱燙早期新鮮柑橘進行劃皮試驗時，橘瓣破損率略高于中晚期的柑橘，且劃皮所需作用力也較大；隨著新鮮柑橘儲藏時間的增加，儲藏時間15 日內(nèi)劃皮試驗對比結(jié)果沒有明顯差異，但是在儲藏時間達到30 日時，劃皮效果較差，劃皮后的橘皮和橘瓣破損率較高。

3 結(jié)語

通過采用質(zhì)構(gòu)儀及自制夾具對新鮮柑橘進行劃皮力學性能測試，設(shè)計一款柑橘自動剝皮設(shè)備的四爪劃皮機構(gòu)。經(jīng)測試，中晚熟新鮮柑橘經(jīng)過熱燙60 s 后，采用F 型刀具的劃皮機構(gòu)進行試驗，試驗結(jié)果顯示橘皮外翻效果好，橘瓣破損率低且橘皮破碎率低，劃皮效果最佳。F 型刀具試驗時，儲藏果在3 日儲藏時間內(nèi)時，在進行質(zhì)構(gòu)儀劃皮力學測試、劃皮組件樣機試驗的結(jié)果最佳，隨著儲藏時間增加，劃皮效果逐步變差，儲藏時間越久，柑橘劃皮破碎率越高，橘瓣破損率越高。