西瓜破碎分離機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

常兵兵，吳勁鋒，徐彥瑞，李曉偉，毛雪杰

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

0 引言

西瓜是由國(guó)外傳入中國(guó)的的一種水果，在國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)不斷改良以后被廣泛種植。西瓜瓜瓤的含水量達(dá)到94%，碳水化合物的含量?jī)H為4%，膳食纖維的含量為0.3%，含有大量的維生素及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1-2]。西瓜是一種季節(jié)性非常強(qiáng)的水果，所以西瓜大多僅僅以比較單一的原果形式進(jìn)行銷(xiāo)售，鮮榨西瓜汁雖然深受大眾的喜愛(ài)，但是工業(yè)化生產(chǎn)并未實(shí)現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)外目前對(duì)于西瓜破碎方面的研究較少。其中，張志強(qiáng)[3]等設(shè)計(jì)的籽瓜破碎取籽分離機(jī)，較好地實(shí)現(xiàn)了籽瓜的破碎取籽，能夠高效實(shí)現(xiàn)皮瓤籽的分離；由譚磊[4]等設(shè)計(jì)的油棕果殼破碎分離機(jī)解決了油棕果殼破殼不完全和殼仁分離不徹底的問(wèn)題。目前市場(chǎng)上存在的西瓜汁類(lèi)的產(chǎn)品僅限于鮮榨西瓜汁，為了實(shí)現(xiàn)西瓜的深加工，課題組設(shè)計(jì)了一道西瓜汁加工生產(chǎn)線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)西瓜汁的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，西瓜的破碎分離為生產(chǎn)線(xiàn)的首要環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的西瓜破碎分離機(jī)實(shí)現(xiàn)了西瓜的破碎分離。

1 西瓜破碎分離機(jī)的設(shè)計(jì)

西瓜破碎分離機(jī)主要用于西瓜汁的深加工生產(chǎn)線(xiàn)上，其主要作用是完成西瓜整瓜的初步破碎分離，以及在完成西瓜的破碎分離以后，對(duì)西瓜瓜瓤進(jìn)行進(jìn)一步的打漿處理和固液分離，然后進(jìn)行灌裝和殺菌。西瓜的破碎分離為生產(chǎn)線(xiàn)的首要環(huán)節(jié)。西瓜汁生產(chǎn)線(xiàn)的流程如圖1 所示。

圖1 西瓜汁生產(chǎn)線(xiàn)流程圖Fig.1 Flow chart of watermelon juice production line

1.1 整機(jī)的結(jié)構(gòu)

西瓜破碎分離機(jī)的整體設(shè)計(jì)主要由3 部分組成：（1）破碎輥和擠壓輥，實(shí)現(xiàn)整瓜的破碎；（2）皮瓤分離機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)瓜皮和瓜瓤分離；（3）籽瓤分離機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)瓜瓤和瓜籽的分離。西瓜破碎分離機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 西瓜破碎分離機(jī)的二維圖Fig.2 Two-dimensional diagram of watermelon crushing separator

1.2 工作原理

首先由喂料口喂入清洗干凈的完整西瓜，破碎輥和擠壓輥對(duì)西瓜進(jìn)行破碎和擠壓，使瓜皮和瓜瓤變成較小的塊莖以后進(jìn)入到皮瓤分離裝置中，在皮瓤分離輥的作用下，西瓜塊莖受到皮瓤分離輥的擠壓力和摩擦力，使瓜皮和瓜瓤分離，瓜皮通過(guò)瓜皮出料口排出機(jī)外，果瓤和瓜籽通過(guò)皮瓤分離篩網(wǎng)后進(jìn)入到籽瓤分離裝置，瓜籽和瓜瓤受到籽瓤分離輥的擠壓力，實(shí)現(xiàn)了瓜瓤和瓜籽的分離，而未能通過(guò)篩網(wǎng)的瓜籽經(jīng)瓜籽出料口排出機(jī)外，通過(guò)篩網(wǎng)的瓜瓤經(jīng)瓜瓤出料口排出機(jī)外，實(shí)現(xiàn)了西瓜皮瓤籽的分離[5]。

1.3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

1.3.1 破碎刀輥的設(shè)計(jì)

西瓜瓜籽外形尺寸較小，在完成西瓜的破碎分離后，利用價(jià)值不大，因此在分離過(guò)程中不考慮瓜籽的損失和損傷程度，故將破碎刀輥設(shè)計(jì)成三棱柱形狀，既可以完成西瓜的破碎，又可以提高籽瓜的破碎效率[6]。破碎刀輥的形狀如圖3 所示。破碎刀輥整體形狀為三棱柱形，破碎刀輥的動(dòng)力由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在不同的3 個(gè)平面內(nèi)均勻地分配有5 個(gè)刀輥，角度較小的棱為破碎刀輥的主要切割刀刃，角度為45°。三棱柱形破碎刀輥的設(shè)計(jì)，增加了刀輥與西瓜之間的接觸面積，使西瓜在破碎過(guò)程中受到破碎刀輥切削力、剪切力、摩擦力的混合作用力，以提高西瓜的破碎效率[7]。

圖3 破碎刀輥三維圖Fig.3 Three-dimensional diagram of crushing knife roller

1.3.2 皮瓤分離篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)

皮瓤分離篩網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了西瓜瓜皮和瓜瓤的分離，皮瓤分離篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)主要根據(jù)西瓜完成破碎以后瓜皮顆粒的大小程度而定。在完成整瓜的破碎以后，皮瓤分離輥對(duì)瓜皮和瓜瓤進(jìn)行擠壓，由于瓜皮的硬度大于瓜瓤的硬度，因此瓜瓤在皮瓤分離輥的擠壓作用下和瓜皮分離并進(jìn)入到籽瓤分離裝置中。皮瓤分離篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。篩網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑為12 mm，可以保證瓜瓤能夠順利通過(guò)皮瓤分離篩網(wǎng)且阻擋瓜皮通過(guò)篩網(wǎng)。

圖4 皮瓤分離篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of skin and pulp separation screen

1.3.3 籽瓤分離篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)

在制備西瓜汁的過(guò)程中，西瓜在進(jìn)行破碎分離以后，還需要對(duì)瓜瓤進(jìn)行一系列的打漿分離，西瓜籽的影響幾乎可以忽略不計(jì)，故籽瓤分離篩網(wǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循瓜瓤損失率最小為原則。籽瓤分離篩網(wǎng)的網(wǎng)孔過(guò)小雖然有利于提高瓜籽的分離效率，但是瓜瓤的損失率也增高了；篩網(wǎng)的網(wǎng)孔過(guò)大會(huì)導(dǎo)致在籽瓤分離過(guò)程中瓜籽的分離效率降低。篩網(wǎng)的網(wǎng)孔大小根據(jù)西瓜瓜籽的平均大小來(lái)設(shè)定，西瓜瓜籽的平均大小為4 mm×6 mm，因此籽瓤分離篩網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑為4 mm。籽瓤分離篩網(wǎng)如圖5 所示。

圖5 籽瓤分離篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of seed and pulp separation screen

2 西瓜破碎分離的試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院521 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，此次試驗(yàn)采用自主研發(fā)的西瓜破碎分離機(jī)進(jìn)行其性能測(cè)試。測(cè)量?jī)x器設(shè)備主要有上海速展機(jī)電有限公司的TCS-01 型電子秤（測(cè)量范圍0～300 kg，精度0.01 kg），上?，幮码娮涌萍加邢薰镜腖Q-C5001 型電子天平（最大量程3 000 g，精度0.1 g），上海工具廠有限公司的MNT-150T 型電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺（測(cè)量范圍0～300 mm，誤差±0.03 mm）。將新鮮的西瓜清洗干凈后進(jìn)行稱(chēng)重分組，雙道打漿機(jī)為自主研發(fā)設(shè)計(jì)的樣機(jī)，試驗(yàn)材料為陜西省的“甜王瓜”。西瓜各組分的含量見(jiàn)表1[8]。

表1 西瓜的組成成分Tab.1 Composition of watermelon

2.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了實(shí)現(xiàn)西瓜皮瓤籽的完全分離，以破碎輥轉(zhuǎn)速、皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速、籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速分別為單因素試驗(yàn)，研究各因素對(duì)皮中含瓤率、籽中含瓤率和西瓜汁的濃度的影響效果，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定最適宜的工作參數(shù)[9]。

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)

在實(shí)際生產(chǎn)中，西瓜籽的利用價(jià)值不大，不再考慮西瓜籽的損毀程度，以瓜皮中所含瓜瓤的量和瓜籽中所含瓜瓤的量來(lái)作為試驗(yàn)的兩個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)[10-12]。

（1）皮中含瓤率的測(cè)定

皮中含瓤率表示瓜皮出料口中瓜瓤含量所占整體物料含量的比值[13]。

式中：T1——皮中含瓤率，%；N1——瓜皮出料口中瓜瓤的質(zhì)量，kg；N——瓜皮出料口物料的總質(zhì)量，kg。

（2）籽中含瓤率的測(cè)定

籽中含瓤率表示瓜籽出口中瓜瓤含量所占整體物料含量的比值。

式中：T2——籽中含瓤率，%；M1——瓜籽出料口中瓜瓤的質(zhì)量，kg；M——瓜籽出料口物料的總質(zhì)量，kg。

2.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)時(shí)，先將西瓜分成等質(zhì)量的份數(shù)，待機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定以后，將西瓜在1 min 內(nèi)勻速投放進(jìn)喂料口，在瓜皮出料口和瓜籽出料口停止出料以后關(guān)閉機(jī)器電源。瓜皮分離實(shí)驗(yàn)中以破碎輥轉(zhuǎn)速和皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗(yàn)，以皮中含瓤率為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)西瓜皮瓤分離效果進(jìn)行研究，試驗(yàn)因素見(jiàn)表2[14-15]。

表2 皮瓤分離效果試驗(yàn)水平Tab.2 Test level of separation effect of skin and pulp

瓜籽分離試驗(yàn)中以破碎輥轉(zhuǎn)速、皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速和籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗(yàn)，以籽中含瓤率為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)西瓜的籽瓤分離效果進(jìn)行研究，試驗(yàn)因素見(jiàn)表3。

表3 籽瓤分離效果試驗(yàn)水平Tab.3 Test level of seed and pulp separation effect

2.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.5.1 破碎輥轉(zhuǎn)速對(duì)西瓜破碎分離的影響

以破碎輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗(yàn)，研究破碎輥轉(zhuǎn)速對(duì)西瓜破碎分離效果的影響，如圖6 所示。由圖6 可知，當(dāng)破碎輥轉(zhuǎn)速為180 r/min 時(shí)，皮中含瓤率為12%，籽中含瓤率為16%，即可達(dá)到最佳分離效果。當(dāng)破碎輥的轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，由于破碎輥電機(jī)相對(duì)地面的高度差比較大，機(jī)器震動(dòng)幅度也隨之變大，整機(jī)的穩(wěn)定性也隨之變差。

圖6 破碎輥轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Single factor test results of crushing roller speed

2.5.2 皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速對(duì)西瓜破碎分離的影響

以皮瓤分離輥為單因素試驗(yàn)，研究皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速對(duì)西瓜破碎分離效果的影響，如圖7 所示。籽中含瓤率隨皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速的增大而增大，考慮到西瓜破碎分離的效率問(wèn)題，當(dāng)皮瓤分離輥的轉(zhuǎn)速為45 r/min 時(shí)，皮中含瓤率的量最小。

圖7 皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Single-factor test results of the speed of separation roller

2.5.3 籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速對(duì)西瓜破碎分離的影響

以籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗(yàn)，研究籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速對(duì)西瓜破碎分離效果的影響，如圖8 所示。當(dāng)籽瓤分離輥的轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，瓜籽出料口有大量的瓜瓤流出；當(dāng)籽瓤分離輥的轉(zhuǎn)速為115 r/min 時(shí)，即可達(dá)到最佳分離效果。

圖8 籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Single-factor test results of the speed of seed and pulp separating roller

4 結(jié)論

（1）本設(shè)計(jì)完成了一種新型的西瓜破碎分離機(jī)，對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，整機(jī)的工作性能穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)的需求，破碎輥、皮瓤分離輥、籽瓤分離輥3 個(gè)部分分別由各自的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，減少了機(jī)器運(yùn)行中的故障率。

（2）由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，西瓜破碎分離機(jī)的最佳工作參數(shù)為：破碎輥的轉(zhuǎn)速為180 r/min；皮瓤分離輥的轉(zhuǎn)速為45 r/min；籽瓤分離輥的轉(zhuǎn)速為115 r/min。