木薯連續(xù)機(jī)械式去皮機(jī)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

李 玲，崔振德，李國(guó)杰，鄭 爽，覃雙眉，何馮光

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524091）

0 引言

木薯（Manihot esculenta crantz）是世界三大薯類作物之一，也是全球年產(chǎn)超億噸的七大作物之一，是許多熱帶、亞熱帶地區(qū)國(guó)家重要的糧食作物和能源作物，在我國(guó)廣泛分布于廣西、廣東和海南等地[1-3]。我國(guó)當(dāng)前木薯種植面積約30 萬(wàn)hm2左右，木薯產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的2.5%左右。木薯可食用、飼用、提取淀粉等[4-5]，不同于其他作物，木薯塊根、莖葉均含有氰苷，會(huì)生成有毒的氫氰酸[6]，木薯塊根的氰苷主要集中于木薯皮中[7]，木薯皮分外皮和內(nèi)皮，其中薯外皮約有1.0%～2.0%，薯內(nèi)皮約有10.0%～14.0%[8-9]，木薯皮中的氰苷含量是木薯肉中含量的5～10 倍。因此木薯制品其加工工藝都要求對(duì)原料木薯進(jìn)行去皮處理，以去除大部分氰苷，保證產(chǎn)品的質(zhì)量、良好的外觀、色澤和口感。當(dāng)前市場(chǎng)上尚沒(méi)有專門針對(duì)木薯去皮的成熟技術(shù)與設(shè)備。

本文設(shè)計(jì)了一款基于磨削去皮方法的連續(xù)式木薯去皮機(jī)，該機(jī)對(duì)切斷后的木薯塊根進(jìn)行去皮，可提高去皮效率，降低生產(chǎn)成本。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

木薯連續(xù)式去皮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，連續(xù)式木薯去皮機(jī)主要由機(jī)架、蓋板、可拆卸面板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器、金剛砂輥、螺旋輸送軸及葉片、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、木薯皮回收槽、排水口、出料口等組成。

圖1 連續(xù)式木薯去皮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

去皮機(jī)作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)機(jī)器開(kāi)始按鈕，經(jīng)過(guò)切段的木薯通過(guò)提升機(jī)由進(jìn)料口落入由螺旋軸及葉片與一組金剛砂輥組成的空腔內(nèi)，由螺旋軸緩慢向前推送，木薯在金剛砂輥上滾動(dòng)、摩擦，在金剛砂輥表面砂粒磨削作用下去掉木薯皮，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器旋鈕來(lái)改變螺旋軸轉(zhuǎn)速，控制木薯在空腔內(nèi)的停留時(shí)間，從而控制木薯去皮時(shí)間，同時(shí)噴淋管出水孔將水流噴到木薯表面，泥沙和磨削掉的薯皮隨水流流入回收槽，廢水經(jīng)排水口排出，完成去皮后，木薯在螺旋軸推動(dòng)下到達(dá)卸料口，從而完成卸料。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)線路設(shè)計(jì)

該木薯去皮機(jī)螺旋軸和金剛砂輥組分別采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)的木薯去皮機(jī)傳動(dòng)線路如圖2 所示。

圖2 傳動(dòng)線路圖

螺旋軸驅(qū)動(dòng)部分主要由變頻器、減速電機(jī)、聯(lián)軸器等組成，減速電機(jī)連接變頻器，減速電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器直接與螺旋軸連接，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 430 r/min，減速機(jī)減速比35 :1，輸出轉(zhuǎn)速0～41 r/min；金剛砂輥組件傳動(dòng)部分主要由電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)、鏈輪、鏈條等組成，電機(jī)選用2.2 kW 三相異步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 350 r/min，連接蝸輪蝸桿減速機(jī)，減速比10，輸出軸轉(zhuǎn)速135 r/min，通過(guò)鏈輪鏈條與1個(gè)金剛砂輥軸Ⅴ連接，傳動(dòng)比3 :4，金剛砂輥轉(zhuǎn)速180 r/min，其他金剛砂輥軸通過(guò)鏈輪、鏈條兩兩互連（如圖2b），金剛砂輥間的鏈輪鏈條傳動(dòng)比1 :1。

2.2 去皮輥組件設(shè)計(jì)

去皮輥組件主要由8 根直徑為135 mm 的金剛砂輥組成，兩端采用軸承、軸承座固定于機(jī)架上，如圖3 所示，去皮輥呈弧形排列，圓弧直徑605 mm，形成用于木薯去皮的空腔，輥與輥中心距145 mm。工作時(shí)，8 根去皮輥沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，木薯在空腔內(nèi)與金剛砂輥的表面碰撞、摩擦，完成去皮過(guò)程，磨削后的木薯皮在水流作用下與廢水混合物一起通過(guò)輥與輥之間的縫隙排出。

圖3 去皮輥組件示意圖

2.3 螺旋推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)

螺旋推送裝置由中心軸和螺旋葉片組成，中心軸直徑80 mm，中心軸轉(zhuǎn)速0～41 r/min，螺旋葉片外徑460 mm，螺旋葉片與金剛砂輥間隙10 mm，螺旋葉片螺距250 mm，為避免葉片傷薯，葉片外緣做加厚處理。工作時(shí)，木薯由入料端進(jìn)入由去皮輥和螺旋推送裝置組成的腔體內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)葉片作用下，向出料端推送。

圖4 螺旋推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)于2021 年3 月在中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所木薯生產(chǎn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備主要包括設(shè)計(jì)的連續(xù)式木薯去皮機(jī)、輸送帶上料機(jī)、游標(biāo)卡尺、電子秤、測(cè)速儀、木薯收獲機(jī)、鍘刀等；試驗(yàn)材料為中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所木薯生產(chǎn)基地種植的南植199 木薯，木薯通過(guò)木薯收獲機(jī)挖掘收獲，再人工挑揀除去直徑小于等于15 mm 以及有機(jī)械損傷的木薯，根據(jù)試驗(yàn)方案采用鍘刀切斷、分類。木薯連續(xù)式去皮機(jī)放置于調(diào)試區(qū)，并將連續(xù)式木薯去皮機(jī)的進(jìn)水管與室內(nèi)自來(lái)水管道連接。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和去皮后木薯分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 木薯連續(xù)式去皮機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 去皮后的木薯

3.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

木薯連續(xù)式去皮機(jī)的主要工作目的是盡可能多地去除木薯皮，同時(shí)盡可能少地在去皮過(guò)程中造成木薯?yè)p失。因此，選取去皮合格率、斷薯率、減重率為性能試驗(yàn)指標(biāo)。其中去皮合格率指去皮合格（表皮去除率90%以上為合格）的木薯根數(shù)占總木薯根數(shù)的比例；斷薯率是指切斷、壓碎木薯根數(shù)所占木薯總根數(shù)的比例；減重率是指木薯去皮前后重量減少比例。

為優(yōu)化去皮機(jī)作業(yè)參數(shù)，以木薯長(zhǎng)度、木薯直徑、去皮機(jī)螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度作為影響木薯去皮效果的因素，調(diào)試機(jī)具并準(zhǔn)備試驗(yàn)材料，主要包括：

1）調(diào)整螺旋軸轉(zhuǎn)速。根據(jù)螺旋軸轉(zhuǎn)速范圍0～41 r/min，調(diào)節(jié)變頻器，采用測(cè)速儀測(cè)定螺旋軸轉(zhuǎn)速，選取10、20、30 r/min 3 個(gè)水平。

2）準(zhǔn)備試驗(yàn)?zāi)臼?。①為了避免木薯彎曲位置無(wú)法去皮，木薯通常需要切斷去皮，剔除收獲過(guò)程中有損傷的木薯以及中段直徑小于15 mm 的木薯，根據(jù)螺旋軸螺距25 cm，木薯長(zhǎng)度應(yīng)小于25 cm，試驗(yàn)前將木薯采用鍘刀切成10、20、30 cm 3 個(gè)長(zhǎng)度水平的木薯段；②根據(jù)已切段木薯中心位置直徑大小，將木薯段分成小于40 mm、40～60 mm、大于60 mm 3種規(guī)格；③每組準(zhǔn)備試驗(yàn)用木薯40 條。

因素水平表如表1 所示。

表1 試驗(yàn)因素水平

3.3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

選用L9（34）正交表，進(jìn)行4 因素3 水平的木薯連續(xù)式去皮機(jī)正交試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果并記錄，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算每個(gè)因素的K 值和極差，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)木薯連續(xù)式去皮機(jī)去皮合格率影響程度從大到小依次為螺旋軸轉(zhuǎn)速、木薯長(zhǎng)度、木薯直徑，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速10 r/min、木薯長(zhǎng)度10 cm、木薯直徑大于60 mm 時(shí)，木薯去皮合格率最高；對(duì)斷薯率影響程度從大到小依次為木薯長(zhǎng)度、木薯直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)木薯長(zhǎng)度為10 cm ；木薯直徑小于40 mm；螺旋軸轉(zhuǎn)速20 r/min 時(shí)候，木薯斷薯率最低；對(duì)減重率影響程度從大到小依次為木薯直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速、木薯長(zhǎng)度，當(dāng)木薯直徑大于60 mm；螺旋軸轉(zhuǎn)速30 r/min、木薯長(zhǎng)度20 cm 時(shí)候，減重率最低。

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析

去皮合格率為木薯連續(xù)式去皮機(jī)重要的性能指標(biāo)，螺旋軸轉(zhuǎn)速慢，物料推進(jìn)速度降低，木薯表皮與金剛砂輥接觸時(shí)間越長(zhǎng)，去皮效果越好；木薯長(zhǎng)度短，更容易避開(kāi)彎曲部分，木薯表面與金剛砂輥接觸越充分，去皮效果越好；木薯直徑越粗，在去皮腔內(nèi)翻滾碰撞越多，與金剛砂輥表面接觸越多，去皮越充分。綜合分析斷薯率和減重率，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速10 r/min，木薯長(zhǎng)度10 cm 時(shí)，木薯直徑大于60 mm時(shí)，木薯去皮機(jī)效果最好，考慮到實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，對(duì)木薯直徑的挑選影響作業(yè)效率，僅以螺旋軸轉(zhuǎn)速和木薯長(zhǎng)度作為木薯連續(xù)式去皮機(jī)參考的影響因素，但作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量剔除直徑細(xì)小的木薯。

4 結(jié)論

為解決木薯收獲后去皮問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種木薯去皮機(jī)，主要包括機(jī)架、螺旋軸、金剛砂輥組件、傳動(dòng)系統(tǒng)等。

為優(yōu)化去皮機(jī)作業(yè)參數(shù)，以木薯長(zhǎng)度、木薯直徑、去皮機(jī)螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度作為影響木薯去皮效果的因素，以去皮合格率、斷薯率、減重率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用3 因素3 水平正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：對(duì)去皮合格率影響程度從大到小依次為螺旋軸轉(zhuǎn)速、木薯長(zhǎng)度、木薯直徑；對(duì)斷薯率影響程度從大到小依次為木薯長(zhǎng)度、木薯直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速；對(duì)減重率影響程度從大到小依次為木薯直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速、木薯長(zhǎng)度。優(yōu)化后最佳作業(yè)參數(shù)為螺旋軸轉(zhuǎn)速10 r/min、木薯長(zhǎng)度10 cm、木薯直徑大于60 mm，在此條件下，木薯連續(xù)式去皮機(jī)作業(yè)效果最優(yōu)。

考慮到實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，對(duì)木薯直徑的挑選影響作業(yè)效率，僅以螺旋軸轉(zhuǎn)速和木薯長(zhǎng)度作為木薯連續(xù)式去皮機(jī)參考的影響因素，但作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量剔除直徑細(xì)小的木薯。