一種鮮蓮蓬剝粒機(jī)的研究設(shè)計(jì)

陳 慧，羅細(xì)芽，周 鵬，徐桃珍

（江西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，南昌 330000）

0 引言

蓮蓬，又稱蓮房，埋藏蓮花雌蕊的倒圓錐狀海綿質(zhì)花托，表面分布有多數(shù)散生蜂窩狀孔洞，受精后逐漸膨大而稱之為蓮蓬。每個(gè)孔洞內(nèi)生有1 枚小堅(jiān)果即為蓮子，蓮子中間長有1 根蓮芯，果熟期為9～10月［1］。蓮子富含淀粉、蛋白質(zhì)及棉子糖等，不僅可制作許多美味佳肴、精美食品，還可作為藥物在中醫(yī)上應(yīng)用［2］。隨著食品和藥品行業(yè)的發(fā)展，蓮子需求量與日劇增，帶動(dòng)了蓮子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2018年我國蓮子的種植面積約920 萬畝，同比2017年835 萬畝增長了10.2%［3］。

當(dāng)天采摘的鮮蓮蓬必須當(dāng)天剝蓬、去皮、通芯、烘干，否則在自然條件下蓮子易出現(xiàn)褐變、衰老等品質(zhì)劣變問題［4］。而剝蓮蓬一直是采用傳統(tǒng)純手工完成，效率非常低，難以滿足蓮子初加工的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

近年來，有學(xué)者針對(duì)剝蓮蓬機(jī)械裝置進(jìn)行了研究，賴明全［5］發(fā)明了一種新鮮蓮蓬脫粒機(jī)，采用彈簧鋼絲結(jié)構(gòu)來破碎蓮蓬。張禮歡［6］發(fā)明了一種蓮蓬脫粒機(jī)，采用葉片交錯(cuò)分布的柔性結(jié)構(gòu)對(duì)蓮蓬進(jìn)行破碎。黃小從［7］發(fā)明了電動(dòng)蓮蓬快速脫粒機(jī)，采用若干十字交錯(cuò)的撕料棒來打碎蓮蓬。但以上機(jī)械尚存在一些不足：粗硬的彈簧鋼絲在高速運(yùn)動(dòng)中容易打傷蓮肉，有的蓮子表面會(huì)被擊爛，效果不甚理想；葉片柔性結(jié)構(gòu)和十字撕料棒結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中，剝出的蓮子很多還會(huì)被蓮蓬里面的果膜包裹住，不能充分實(shí)現(xiàn)蓮子與蓮蓬的分離，需要人工二次參與，且十字撕料棒也會(huì)對(duì)部分蓮子造成較大損傷。

為此，本文在前人研究設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，為避免蓮蓬剝粒過程中易損傷蓮子問題，設(shè)計(jì)一套初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)［8-9］，利用柔性裝置的定動(dòng)擠壓軸實(shí)現(xiàn)蓮蓬的破碎［10］，而不傷及蓮子；針對(duì)初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)中蓮蓬剝粒不干凈問題，設(shè)計(jì)一套二級(jí)研磨機(jī)構(gòu)，利用柔性研磨裝置，實(shí)現(xiàn)蓮子的剝粒干凈；最后設(shè)計(jì)一套振動(dòng)分級(jí)清選機(jī)構(gòu)，利用振動(dòng)分級(jí)，實(shí)現(xiàn)干凈蓮子的清選分離，完成鮮蓮蓬的機(jī)械化剝粒工作。

1 鮮蓮蓬剝粒機(jī)的設(shè)計(jì)

鮮蓮蓬剝粒機(jī)由初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)、二級(jí)研磨機(jī)構(gòu)、機(jī)架、振動(dòng)分級(jí)清選機(jī)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 鮮蓮蓬剝粒機(jī)Fig.1 Fresh lotus seed peeler

1.1 初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)采用廣昌的鮮蓮蓬做試制原料，帶殼鮮蓮子呈橢圓形，比較鮮嫩，容易碰傷，直徑約14～21 mm，長度約22～24 mm，被一層較韌性的薄果膜包裹，鮮蓮子這些特點(diǎn)給機(jī)械剝粒造成很大的技術(shù)難度。經(jīng)過研究分析，設(shè)計(jì)出初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)完成鮮蓮蓬擠壓破碎，又不傷及蓮子，為后期清理工作提供重要保障。如圖2所示。

圖2 初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)Fig.2 Primary crushing mechanism

1.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)主要由外殼體、定盤體、傳動(dòng)軸和動(dòng)盤體等4 部分組成。定盤體主要由φ400 mm 的定盤及3 圈帶有軟套的定擠壓軸構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 定盤體結(jié)構(gòu)Fig.3 Fixed disk structure

距離中心63 mm 處，第1 圈裝有1 根定擠壓軸；間隔52 mm 處，第2 圈裝有8 根定擠壓軸，再間隔52 mm 處，第3 圈裝有8 根定擠壓軸。定擠壓軸共17 根，用φ8 mm 的圓鋼制作，長度225 mm，每根定擠壓軸均套有塑料軟管，防止損傷蓮子。動(dòng)盤體也是由φ400 mm 的定盤及3 圈帶有軟套的動(dòng)擠壓軸構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 動(dòng)盤體結(jié)構(gòu)Fig.4 Moving disk structure

距離中心89 mm 處，第1 圈裝有2 根動(dòng)擠壓軸；間隔52 mm 處，第2 圈裝有12 根動(dòng)擠壓軸；再間隔52 mm處，第3圈位置裝有24根動(dòng)擠壓軸。動(dòng)擠壓軸共38 根，用φ8 mm 的圓鋼制作，長度225 mm，每根動(dòng)擠壓軸均套有塑料軟管，防止損傷蓮子。

1.1.2 工作原理

鮮蓮蓬從進(jìn)料口投入到定盤體內(nèi)圈，動(dòng)力傳輸部件帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)動(dòng)盤體轉(zhuǎn)動(dòng)，定盤體不動(dòng)。動(dòng)盤體上的動(dòng)擠壓軸和定盤體上的定擠壓軸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，擠壓、揉搓鮮蓮蓬，把蓮蓬撕裂開后向外圈運(yùn)動(dòng)。通過幾輪擠壓、揉搓后，破碎的鮮蓮蓬與蓮子初步分開并從出料口溜出。

1.2 二級(jí)研磨機(jī)構(gòu)

鮮蓮蓬經(jīng)初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)后，蓮子大部分都已和蓮蓬脫離，但還有少部分蓮子上粘附著果膜或蓮蓬，因此設(shè)計(jì)一套二級(jí)研磨機(jī)構(gòu)，使不干凈蓮子上的果膜或蓮蓬研磨干凈。

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)主要由一級(jí)鋼絲刷輥、二級(jí)鋼絲刷輥、三級(jí)鋼絲刷輥、厚橡膠板、安裝鉸鏈、安裝軸承、傳動(dòng)鏈條和傳動(dòng)皮帶等組成，如圖5所示。

圖5 二級(jí)研磨機(jī)構(gòu)Fig.5 Secondary grinding mechanism

3 個(gè)鋼絲刷輥直徑均為180 mm，長440 mm，鋼絲長度40 mm，選用φ0.6 mm 的304 不銹鋼絲。選用厚度8～10 mm 的表面帶菱形花紋的厚橡膠板。3 個(gè)鋼絲刷輥通過傳動(dòng)附件帶動(dòng)，與厚橡膠板形成一個(gè)研磨通道。通過大量的試驗(yàn)，確定研磨通道的間隙為17 mm，此時(shí)蓮子的損傷率最低。

1.3 振動(dòng)分級(jí)清選機(jī)構(gòu)

鮮蓮蓬經(jīng)初級(jí)破碎、二級(jí)研磨后，蓮子與蓮蓬已經(jīng)完全剝離，從二級(jí)研磨機(jī)構(gòu)出來的是大的碎蓮蓬、干凈的蓮子和小的碎蓮蓬3 種物質(zhì)的混合物。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)碎蓮蓬很容易粘連，而蓮子又太容易滾動(dòng)，根據(jù)這2 種物料的特性，設(shè)計(jì)振動(dòng)分級(jí)清選機(jī)構(gòu)，使干凈的蓮子能有效地從混合物中分離出來。

1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)主要由清掃裝置、振動(dòng)篩框組合、減震彈簧、振動(dòng)電機(jī)、振動(dòng)篩框固定支架、清掃裝置固定軸承座和清掃裝置傳動(dòng)鏈輪等組成，如圖6所示。

圖6 振動(dòng)分級(jí)清選機(jī)構(gòu)Fig.6 Vibration grading cleaning mechanism

1.3.2 工作原理

振動(dòng)分級(jí)清選機(jī)構(gòu)傾斜14°左右，安裝在蓮蓬剝粒機(jī)的機(jī)架上。其工作原理：從二級(jí)研磨機(jī)構(gòu)出來的碎蓮蓬、干凈蓮子等混合物落入振動(dòng)分級(jí)清選機(jī)構(gòu)內(nèi)的振動(dòng)篩框第1 層；清掃裝置在傳動(dòng)附件的帶動(dòng)下按箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)，干凈蓮子及小蓮蓬碎屑被轉(zhuǎn)動(dòng)的清掃裝置內(nèi)的硅膠片阻擋落入第2 層篩框；大蓮蓬碎屑在第1 層被清掃裝置清掃出后落入地面。干凈蓮子及小蓮蓬碎屑在第2 層篩框中在振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)下實(shí)現(xiàn)二次分離，干凈蓮子從第2 層篩框的出口溜出；小蓮蓬碎屑在振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)下溜至第3 層托板后落入地面。

2 鮮蓮蓬剝粒機(jī)試驗(yàn)

為考核設(shè)計(jì)的鮮蓮蓬剝粒機(jī)的性能指標(biāo)，采用鮮蓮蓬進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示。

圖7 鮮蓮蓬剝粒機(jī)樣機(jī)Fig.7 Prototype of fresh lotus seed peeler

2.1 試驗(yàn)方法

準(zhǔn)備好電子磅秤、天平和秒表等所需儀器，試驗(yàn)樣機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)10 min 后，進(jìn)行試剝?cè)囼?yàn)，時(shí)間不超過10 min。試剝結(jié)束后，把試剝產(chǎn)生物清理干凈后開始正式試驗(yàn)，試驗(yàn)用鮮蓮蓬原料不少于200 kg，試驗(yàn)過程中，樣機(jī)應(yīng)正常作業(yè)，剝粒工作不允許間斷［11］。進(jìn)行5 次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)間12 min，在出料口收集樣品，分別測(cè)出出料口合格蓮子重、損傷蓮子重、未剝干凈的蓮子重、含蓮子的蓮蓬渣混合物總重、蓮蓬渣中含蓮子重，然后取其平均值，再由式（1）-（4）分別計(jì)算出剝蓬率、損傷率、蓮蓬中含蓮子率、生產(chǎn)率。

式中 W1——合格蓮子重，kg；

W2——損傷蓮子重，kg；

W3——未剝干凈的蓮子重，kg；

W4——含蓮子的蓮蓬渣混合物總重，kg；

W5——蓮蓬渣中含蓮子重，kg；

T——試驗(yàn)時(shí)間，h；

C——?jiǎng)兣盥剩?；

P——損傷率，%；

X——蓮蓬中含蓮子率，%；

E——生產(chǎn)率，kg/h。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

5 次樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，取平均值。由式（1）-（4）分別計(jì)算出剝蓬率C=99.27%，損傷率P=2.21%，蓮蓬中含蓮子率X=1.43%，生產(chǎn)率E=36.26 kg/h。結(jié)果表明：該機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足鮮蓮蓬機(jī)械化作業(yè)。

表1 五次試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Fig.1 Data sheet of the five tests （單位：kg）

3 結(jié)語

研究分析蓮子產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，為解決人工剝蓬效率低，實(shí)現(xiàn)蓮子剝蓬機(jī)械化加工，促進(jìn)蓮子初加工產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展，設(shè)計(jì)一種鮮蓮蓬剝粒機(jī)。在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)械化剝蓬易出現(xiàn)損傷蓮子及剝蓬不干凈等問題，設(shè)計(jì)初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)和二級(jí)研磨機(jī)構(gòu)，利用初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)在不損傷蓮子的情況下實(shí)現(xiàn)蓮蓬的破碎；然后對(duì)部分沒有破碎的蓮子果膜和蓮蓬粘連的蓮子進(jìn)行二級(jí)研磨，實(shí)現(xiàn)鮮蓮蓬的剝粒；最后經(jīng)過振動(dòng)分級(jí)清選機(jī)構(gòu)將干凈的蓮子清選分離出來。并對(duì)初級(jí)破碎機(jī)構(gòu)、二級(jí)研磨機(jī)構(gòu)和振動(dòng)分級(jí)清選機(jī)構(gòu)從設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理3 個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)敘述。通過樣機(jī)試驗(yàn)，證明該機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定，能夠滿足鮮蓮蓬剝粒的機(jī)械化作業(yè)。