龍眼去核關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

卿艷梅 李長(zhǎng)友

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

中國(guó)龍眼產(chǎn)量大，約占全球50%以上[1]。龍眼成熟于高溫潮濕季節(jié)，鮮果水分含量高、不易貯存且加工適期短，而其深加工產(chǎn)品有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-3]，及時(shí)完成產(chǎn)后加工，對(duì)其產(chǎn)業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。龍眼剝殼去核是其深加工的重要前工序，龍眼果酒、果汁等對(duì)果肉完整性要求不高，剝殼后采用刮板打漿篩分去核[4-5]；而龍眼罐頭、干果等要求去核后果肉為燈籠狀。龍眼果肉柔軟多汁，獲取燈籠狀果肉是其機(jī)械去核的難點(diǎn)[6-7]。

前人已對(duì)水果的去核加工技術(shù)進(jìn)行了大量研究，如對(duì)單核果，紅棗的棗核大多呈梭狀，紅棗去核采用空心圓筒刀具插核再頂核全自動(dòng)化去除果核[8-9]，杏果采用人工豎向擺放且用十字爪形刀頭沖核[10]及荔枝用柔性去核刀具切除果蒂組織抓取出果核[11]。近年就龍眼去核裝置及關(guān)鍵技術(shù)研究取得了很多研究成果[12-16]，但專利及裝置因可靠性、對(duì)物料的適應(yīng)性及加工果品質(zhì)量等問(wèn)題使得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用困難。目前龍眼燈籠狀果肉大多仍依靠手工去核，不符合食品衛(wèi)生及不適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)[17]。為獲取龍眼燈籠狀果肉，剝殼后一般采用頂桿沖核，試驗(yàn)擬對(duì)頂桿直徑、頂桿速度和橡膠墊圈孔徑各因素對(duì)去核性能的影響進(jìn)行研究，以期為龍眼機(jī)械去核獲取燈籠狀果肉提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 龍眼去核工作原理和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 龍眼去核工作原理

龍眼為單核果，果核近球形位于整果中心，果核材質(zhì)較脆且個(gè)體大小差異顯著。果殼、肉和核三者之間通過(guò)蒂部海綿狀組織連接，其他部位均為光滑表面且無(wú)粘連，剝殼后果肉外有一層光滑韌性薄膜，對(duì)果肉有一定保護(hù)作用。

如圖1所示為去核原理圖，頂桿作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)且與承料孔精確定位，剝殼后的龍眼果置于去核孔架上，去核孔架上安裝了柔性定位橡膠墊圈，墊圈孔邊緣相對(duì)于柔軟龍眼果肉則如柔性圓形刀具，在頂桿向下運(yùn)動(dòng)壓至龍眼果且果核未被頂出前，橡膠墊圈孔邊先把接觸處龍眼下方一小塊果肉切離，頂桿向下運(yùn)動(dòng)的沖力將龍眼核頂出，果核從去核孔往下掉落，隨重力下落到收集器，完成去核工序。

1.萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) 2.拉力傳感器 3.調(diào)速器 4.去核頂桿 5.橡膠墊圈 6.去核孔架 7.已剝殼龍眼 8.螺釘 9.去核口圖1 龍眼去核原理圖Figure 1 The principle of longan core removal

1.2 去核過(guò)程中的受力分析

1.2.1 果核的受力分析 圖2為龍眼去核中果核的受力圖，要使果核順利被頂出，則要滿足

Ft≥f+N+Fjsinβ，

(1)

式中：

Ft——頂桿去核力，N；

f——摩擦力，N；

N——果肉垂直方向包裹力，N；

Fj——核與果肉蒂部結(jié)合力，N；

β——蒂部與垂直方向的夾角，°。

頂桿去核力Ft由試驗(yàn)臺(tái)測(cè)出，與頂桿速度有關(guān)，過(guò)小沖擊力不能頂出核或使果蒂拖曳果肉而增加果肉損失；過(guò)大的去核力易使果核捅裂、捅碎而不能順利去核，破碎及殘留果核也讓果肉品質(zhì)變差，如圖3所示。龍眼果肉與果核的摩擦力f較小，因果肉與果核接觸面是光滑無(wú)粘連(除蒂部外)；果肉包裹力N與果肉厚度有關(guān)，果肉包裹力N和蒂部結(jié)合力Fj可依據(jù)文獻(xiàn)[18]。

1.頂桿 2.果蒂 3.果肉 4.果核 5.孔架 6.去核孔圖2 龍眼去核過(guò)程中果核的受力Figure 2 Force analysis of kernel in coreing process

圖3 龍眼去核后果核圖Figure 3 Kernels chart after stoning

1.2.2 果肉的受力分析 果肉受力如圖4所示，果肉受果核和頂桿擠壓力Ft'、橡膠墊圈支撐反力Nd1和Nd2、摩擦力f'及蒂部組織對(duì)果肉拉力Fj'。擠壓力和蒂部組織對(duì)果肉的拉力太大，使橡膠墊圈的支撐反力增大，對(duì)果肉的完整性不利。去核中的果肉損傷主要有擠壓損傷和撕裂損傷，包括頂桿切入對(duì)果肉的擠壓、果核和去核孔對(duì)果肉的損傷以及果核與果肉連接的蒂部組織對(duì)果肉的撕裂等。頂桿直徑和果核越大，去核時(shí)對(duì)果肉的擠壓損傷越大。頂桿去核力遠(yuǎn)大于果肉抗壓力時(shí)，頂核時(shí)果肉下端會(huì)被彈性橡膠墊切去一小塊而造成果肉的損失。

圖4 龍眼去核過(guò)程中果肉受力Figure 4 Force analysis of longan pulp

當(dāng)去核力與果肉、果核蒂部組織接合力相比不是足夠大，去核時(shí)因果核的結(jié)蒂組織拖拽果肉，果肉在撕裂力的作用下破損，果核蒂部粘連果肉致果肉損傷和損失。圖5為預(yù)備試驗(yàn)去核后果肉圖。

圖5 龍眼去核后果肉圖Figure 5 Pulps chart after stoning

通過(guò)上述分析可知，要保證龍眼果核順利被頂出又不破碎，減少果汁果肉損失和保持果肉的完整性，去核關(guān)鍵部件應(yīng)滿足以下要求：① 頂桿要有合適的向下沖擊力和直徑；② 彈性橡膠墊圈要有合適的去核孔徑和足夠的柔性；③ 盡可能降低各構(gòu)件作用于果肉的力。

1.3 去核關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3.1 頂桿 龍眼果核平均直徑約為外徑的50%，為減小果肉損失，頂桿直徑不能按果核最大外徑來(lái)設(shè)計(jì)，頂桿直徑越小對(duì)果肉的擠壓損傷越小，但去核預(yù)備試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，頂桿直徑在4 mm以下時(shí)出現(xiàn)難脫核、碎核現(xiàn)象，見圖3(b)。

根據(jù)預(yù)備試驗(yàn)和龍眼物性，設(shè)計(jì)7根直徑為4，5，6，7，8，9，10 mm的頂桿，其長(zhǎng)度均為40 mm，去核桿徑<7 mm的頂桿，其頭部長(zhǎng)度均為10 mm、直徑為8 mm以方便夾持；其他為直桿，頂桿都采用圓柱狀平底面，材質(zhì)為不銹鋼，如圖6所示。

圖6 不同直徑的頂桿Figure 6 Ejector rod of different diameter

1.3.2 柔性橡膠墊圈和孔架 頂桿作用力通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)自帶軟件生成力學(xué)曲線，頂桿向下運(yùn)動(dòng)推擠到果核，去核力快速上升并達(dá)峰值，迫使果核向下運(yùn)動(dòng)，一旦果核與蒂部果肉分離下移時(shí)，去核力迅速下降。在預(yù)去核試驗(yàn)中，柔性橡膠墊圈孔徑為12 mm或更小時(shí)，其去核力增加，可知當(dāng)核大而去核孔徑過(guò)小其沖核阻力增大。

橡膠墊圈有彈性，橡膠墊圈孔直徑比龍眼核略小時(shí)依然能成功去核。橡膠墊圈孔徑越大，去核時(shí)切除的小塊肉質(zhì)量也越大，損失率增加(未考慮小塊果肉回收)；當(dāng)果核大而去核孔徑過(guò)小會(huì)增大去核力，過(guò)大去核力易使果核被擠裂或捅碎。

根據(jù)前期預(yù)備試驗(yàn)和果核物性，設(shè)計(jì)了橡膠墊圈孔徑為15.0，14.0，13.0，12.2 mm，孔架孔徑為16 mm，橡膠墊圈為食品級(jí)PP彈性材質(zhì)，加工好后用螺釘固定在不銹鋼金屬孔架上，見圖1。

2 龍眼去核試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

廣東“儲(chǔ)良”龍眼鮮果，個(gè)體形態(tài)及成熟度良好，果實(shí)大小先分級(jí)，手動(dòng)剝殼后完整帶核果肉，整果質(zhì)量約在9.5～16.5 g，果核直徑約在11～16 mm。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

以濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的WD-E精密型微控電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為作業(yè)平臺(tái)，傳感器量程為0～20 kN，精度為0.1 N。在垂直升降上壓板中固定去核頂桿，靜止下壓板上安裝帶有橡膠墊圈的孔架作為試驗(yàn)平臺(tái)，以及日本A&D公司生產(chǎn)的HF-300/d型上皿式精密電子天平、游標(biāo)卡尺和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3.1 去核成功率 按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：

S——去核成功率，%；

n1——去核成功的龍眼數(shù)，個(gè)；

n——試樣龍眼總數(shù)，個(gè)。

2.3.2 去核損失率 按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：

η——去核損失率，%；

m1——去核中損失的果肉和果汁質(zhì)量，g；

m2——?jiǎng)儦ず笳|(zhì)量，g。

2.3.3 果肉完整性 參照文獻(xiàn)[5]。

2.4 龍眼去核單因素試驗(yàn)

以頂桿直徑、頂桿速度、橡膠墊圈去核孔徑為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素去核試驗(yàn)，記錄龍眼去核前的質(zhì)量、去核后果肉質(zhì)量和果核質(zhì)量,每組試驗(yàn)選取20個(gè)試樣，重復(fù)5次取平均值。

(1) 頂桿直徑：取頂桿直徑4，5，6，7，8，9，10 mm共7個(gè)水平，頂桿速度500 mm/min，橡膠墊圈去核孔直徑為15 mm。

(2) 頂桿速度：取頂桿速度180，360，500 mm/min共3個(gè)水平，頂桿直徑為10 mm，橡膠墊圈去核孔直徑為15 mm。

(3) 橡膠墊去核孔徑：取橡膠墊圈孔徑15.0，14.0，13.0，12.2 mm共4個(gè)水平，頂桿速度500 mm/min，頂桿直徑10 mm。

2.5 龍眼去核正交試驗(yàn)

為進(jìn)一步探究各因素對(duì)去核性能影響的顯著性以及影響的主次關(guān)系，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展正交試驗(yàn)。取頂桿直徑、橡膠墊圈孔徑和頂桿速度3個(gè)試驗(yàn)因素和去核較好的3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，如表1所示。每組試驗(yàn)選取100個(gè)試樣，重復(fù)3次取平均值。選取L9(34)正交表安排試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)選擇大小相差不大的龍眼果實(shí)手動(dòng)將其果殼剝離用做去核試樣，每組去核試驗(yàn)后，分別測(cè)出取樣總質(zhì)量，包括完整剝殼后整果質(zhì)量、去核果肉質(zhì)量、果核質(zhì)量等數(shù)據(jù)，記錄并計(jì)算去核成功率、損失率和果肉完整性。

表1 龍眼去核正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factor level of longan stoning orthogonal experimental

2.6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.6.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果 不同頂桿直徑的去核試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。頂桿直徑>6 mm其去核率為99%以上，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，頂桿直徑為4 mm出現(xiàn)難脫核或核捅碎現(xiàn)象，使部分碎核殘留果肉中，故頂桿直徑不宜太小。頂桿直徑為7 mm時(shí)損失率較小。頂桿直徑為7 mm去核后果肉完整性較好，直徑為10 mm時(shí)果肉完整性稍差，說(shuō)明大直徑頂桿對(duì)果肉的擠壓力大而影響果肉完整性。

圖7 不同頂桿直徑去核試驗(yàn)結(jié)果Figure 7 Results of stoning by different diameter ejector rod

不同頂桿速度的去核試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。在試驗(yàn)速度內(nèi)，果肉完整性在0.95以上，說(shuō)明頂桿速度在0～500 mm/min對(duì)果肉的沖擊小。后期試驗(yàn)可在更高的速度下進(jìn)行，考慮現(xiàn)有低速去核試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)較好，在低速完成去核，而空行程退回采用較高速度快速?gòu)?fù)位，并將頂桿定在較短行程約40 mm，以提高去核效率。頂桿速度低至180 mm/min，損失率高的原因是頂桿去核力小，果蒂組織拖曳果肉所致。

圖8 不同頂桿速度去核試驗(yàn)結(jié)果Figure 8 Results of stoning by different speed ejector rod

不同橡膠墊圈孔徑的去核試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。橡膠墊圈孔徑對(duì)去核后果肉完整性影響小，其去核后果肉完整性達(dá)0.95以上。當(dāng)橡膠墊圈孔徑為12.2 mm，因孔徑小而果核不能順利通過(guò)或被擠碎，使其去核成功率低。龍眼去核損失率隨橡膠墊圈孔徑的增大而增大，因果肉與墊圈孔徑相接觸而果肉被切掉小塊，可回收切下的小塊果肉以減小損失率。

圖9 不同橡膠墊圈孔徑去核試驗(yàn)結(jié)果Figure 9 Results of stoning by different rubber washer aperture

2.6.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，影響去核成功率的因素順序?yàn)轫敆U直徑、橡膠墊圈孔徑>頂桿速度；影響損失率因素順序?yàn)橄鹉z墊圈孔徑>頂桿直徑>頂桿速度；影響果肉完整性的因素順序?yàn)橄鹉z墊圈孔徑、頂桿速度>頂桿直徑，頂桿直徑在7～8 mm對(duì)果肉完整性影響小。

表2 龍眼去核正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析Table 2 Orthogonal test results of longan stoning and range analysis

由表3可知，橡膠墊圈孔徑對(duì)去核成功率的影響顯著，頂桿直徑和頂桿速度表現(xiàn)為不顯著。橡膠墊圈孔徑對(duì)去核損失率的影響極顯著，頂桿直徑對(duì)去核損失率的影響顯著，頂桿速度表現(xiàn)為不顯著。

表3 龍眼去核試驗(yàn)結(jié)果的方差分析?Table 3 Variance analysis of longan stoning test results

橡膠墊圈孔徑對(duì)果肉損失率的影響極顯著，主要原因是橡膠墊圈孔會(huì)將果肉下部切去一小塊肉，隨果核一起通過(guò)去核孔掉落，要避免果肉下端被橡膠墊切去一小塊，可采取更加柔軟的橡膠墊，以使頂桿作用力主要由果核來(lái)承受，而果肉受到的擠壓則由果肉和橡膠的足夠彈性變形來(lái)共同分擔(dān)，以減小果肉的損傷。后續(xù)進(jìn)一步試驗(yàn)，可設(shè)計(jì)定向輸送機(jī)構(gòu)，以期獲取龍眼蒂部位于最下部即去核孔上，這樣橡膠墊圈切去一小塊果肉的大部分是果蒂組織，減少了果肉和果蒂組織的結(jié)合力從而使所需去核力小，且可減少去核時(shí)果蒂組織拖拽果肉，可降低損失率。

從上述對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析可知，影響去核性能的因素順序依次為B、A、C。對(duì)去核成功率其三因素的優(yōu)方案是A3B3C1或A3B3C2，對(duì)去核損失率其優(yōu)方案是A1B1C1，對(duì)果肉完整性其優(yōu)方案是A1B3C1。分析得出去核綜合性能最好的試驗(yàn)方案為A1B3C1，即頂桿直徑為7 mm，橡膠墊圈孔徑為14 mm，頂桿速度為400 mm/min。

3 結(jié)論

影響龍眼去核成功率的主要因素為頂桿直徑、橡膠墊圈孔徑，頂桿直徑較小為4 mm時(shí)出現(xiàn)難以脫核或是核被捅碎現(xiàn)象，橡膠墊圈孔徑較小為12 mm時(shí)去核成功率較低。影響損失率的因素順序?yàn)橄鹉z墊圈孔徑>頂桿直徑>頂桿速度，損失率隨橡膠墊圈孔徑的增大而增大。

柔性果龍眼采用頂核式和橡膠墊圈柔性定位以機(jī)械去核獲取燈籠狀果肉是可行性的。

后續(xù)可研究去核前設(shè)計(jì)定向輸送機(jī)構(gòu)，使龍眼蒂部剛好位于去核孔位置，這樣因橡膠墊圈切去的一小塊果肉大部分是果蒂組織，以減少果肉損失及果蒂組織拖拽果肉。