薄皮扁桃低損傷脫殼分析與試驗(yàn)*

石鑫，楊豫新，喬園園，吐魯洪·吐?tīng)柕?，牛長(zhǎng)河，楊會(huì)民

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊市，830091； 2. 農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，烏魯木齊市，830091)

0 引言

扁桃是世界四大著名干果之一，扁桃又稱巴旦杏[1-3]。新疆是扁桃的主要產(chǎn)區(qū)，由于新疆的扁桃產(chǎn)量低，管理和加工基本采用人工，扁桃原材料成本高。而美國(guó)、澳大利亞等國(guó)扁桃產(chǎn)量高，采收和加工使用機(jī)械完成，原材料成本低，因此我國(guó)許多扁桃加工企業(yè)進(jìn)口國(guó)外扁桃進(jìn)行加工[4-6]。國(guó)外扁桃果實(shí)大小不同、形狀各異、果殼厚度不一，給脫殼機(jī)械設(shè)計(jì)增加了很大的難度。

我國(guó)扁桃脫殼大部分采用人工或者簡(jiǎn)易的杏核脫殼設(shè)備，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低下。當(dāng)前急需一種適用于薄皮扁桃的高效脫殼機(jī)具，滿足扁桃加工生產(chǎn)需要[7-10]。目前，我國(guó)對(duì)與扁桃結(jié)構(gòu)特征相似的核桃、銀杏、油茶果和花生等脫殼裝置研究較多。劉明政等[7]設(shè)計(jì)了柔性帶差速擠壓脫殼取仁裝置，通過(guò)試驗(yàn)得到張緊帶的間距、帶速差和張緊力對(duì)破殼效果的影響。潘嘉鵬等[11]設(shè)計(jì)了銀杏果脫殼機(jī)，通過(guò)揉搓鋼絲網(wǎng)帶與搓板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行間歇搓揉脫殼，大大地減少了銀杏仁的破碎率。湯晶宇等[12]設(shè)計(jì)了鮮果脫殼機(jī)，通過(guò)油茶擦、碰撞和擠壓實(shí)現(xiàn)成熟的油茶鮮果的脫殼。張遠(yuǎn)東等[13]基于花生莢果脫殼特征使用Workbench LS-dyna進(jìn)行分析，通過(guò)試驗(yàn)得到了果殼破裂載荷。

由前期研究可知，扁桃作為區(qū)域性特色農(nóng)產(chǎn)品尚缺乏脫殼取仁分析研究，因脫殼加工過(guò)程多沿用杏核脫殼機(jī)，脫殼效果不滿足使用需求且對(duì)不同形狀尺寸扁桃的適應(yīng)性差，致使扁桃脫殼率低、碎仁率高和整仁率低。針對(duì)目前扁桃機(jī)械脫殼取仁技術(shù)的瓶頸，進(jìn)行脫殼區(qū)扁桃受力分析，確定了擠壓式(對(duì)輥式)工作狀態(tài)下扁桃受力特征以及關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合前期脫殼機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)扁桃品種物理力學(xué)特性開(kāi)展多因素組合試驗(yàn)，從而獲取剪切式脫殼機(jī)較優(yōu)工作參數(shù)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

扁桃脫殼生產(chǎn)線主要由喂料輸送機(jī)、剪切式脫殼機(jī)和震動(dòng)殼仁分離機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 扁桃脫殼生產(chǎn)線Fig. 1 Almond shelling production line1.震動(dòng)殼仁分離機(jī) 2.剪切式脫殼機(jī) 3.喂料輸送機(jī)

剪切式脫殼機(jī)如圖2所示，脫殼機(jī)包括剛性輥、柔性帶、同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)架。柔性帶和剛性輥均安裝于機(jī)架的中上部，剛性輥至少有兩個(gè)且均位于柔性帶的上方，形成2級(jí)脫殼機(jī)構(gòu)。同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)滑動(dòng)軸承座與剛性輥連接，用來(lái)調(diào)節(jié)剛性輥的上下位置，均勻調(diào)節(jié)剛性輥與柔性帶之間的脫殼間隙(根據(jù)扁桃厚度確定)。

圖2 剪切式脫殼機(jī)Fig. 2 Shearing sheller1.電機(jī) 2.皮帶輪 3.手柄 4.鏈輪 5.出料口 6.鏈條 7.機(jī)架 8.剛性輥1 9.柔性帶 10.剛性輥2

工作時(shí)，通過(guò)喂料輸送機(jī)將待加工扁桃輸送到剪切式脫殼機(jī)柔性帶上，借助同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)剛性輥與柔性帶之間的間隙，剛性輥1與柔性帶之間的間隙大于剛性輥2與柔性帶之間的間隙，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪帶動(dòng)柔性帶和剛性輥轉(zhuǎn)動(dòng)，落在柔性帶上的扁桃通過(guò)脫殼機(jī)構(gòu)時(shí)被柔性帶和剛性輥1擠壓揉搓脫殼，未脫殼的扁桃再通過(guò)脫殼機(jī)構(gòu)時(shí)被柔性帶和剛性輥2擠壓揉搓脫殼，脫殼后的核仁及碎殼通過(guò)篩片上的篩孔落下通過(guò)二層振動(dòng)篩從出料口排出，未脫殼的扁桃核從上層振動(dòng)篩(分兩層)出料口排出[14-16]。

2 脫殼區(qū)扁桃受力分析

扁桃與剛性輥表面接觸時(shí)，受力狀態(tài)如圖3所示。扁桃分別受到法向作用力Fn1及切向作用力Ft1，其合力為F。在x軸、y軸上的分力為Fx、Fy。在柔性帶b處，扁桃分別受到法向作用力Fn2及切向作用力Ft2，扁桃上下接觸點(diǎn)處分別有擠壓力Fn1、Fn2和剪切力Ft1、Ft2。擠壓力能使扁桃殼發(fā)生形變并最終脫裂，剪切力能使脫裂殼間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)和滑移[17-19]。

測(cè)量?jī)x可以測(cè)量柔性帶對(duì)扁桃的擠壓力Fn2，柔性帶對(duì)扁桃的剪切力Ft2，可按式(1)計(jì)算[18-19]。

Ft2=μ2Fn2

(1)

式中：μ2——扁桃與柔性帶間的摩擦系數(shù)。

剛性輥?zhàn)畹忘c(diǎn)處與柔性帶的間距小于扁桃厚度，扁桃無(wú)法沿y軸方向移動(dòng)，由此可得在y方向上合力為0，即

Fy=Fn2

(2)

由幾何關(guān)系，F(xiàn)可按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：α——擠壓角，(°)；

φ——摩擦角，(°)。

鋼與扁桃的摩擦系數(shù)μ1為0.3～0.5，摩擦角φ可由式(4)計(jì)算

φ=arctanμ1

(4)

經(jīng)計(jì)算，扁桃與剛性輥之間的摩擦角φ取值17°～27°。

那么a點(diǎn)處的扁桃受到的擠壓力Fn1和剪切力Ft2，由幾何關(guān)系，可通過(guò)式(5)計(jì)算

(5)

脫殼的基本工作構(gòu)件選用材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼的剛性輥和富有柔性塑膠柔性帶，兩部件進(jìn)行同向不等速的傳動(dòng)[8, 17, 20-22]。未脫殼的扁桃進(jìn)入脫殼區(qū)后，受到擠壓力和摩擦力。扁桃進(jìn)入脫殼區(qū)域后，如圖4(a)所示，扁桃受到剛性輥和柔性帶給予的力開(kāi)始出現(xiàn)裂紋。如圖4(b)所示，剪切擠壓力增大到大于裂紋繼續(xù)擴(kuò)大的臨界力時(shí)，扁桃殼會(huì)進(jìn)一步脫碎，隨著扁桃向前運(yùn)動(dòng)，裂紋會(huì)均勻擴(kuò)展到整個(gè)外殼。如圖4(c)所示，隨著扁桃繼續(xù)前進(jìn)，前半部碎殼提前出脫殼區(qū)域，后半部碎殼會(huì)受到剛性輥向后的摩擦力，因此相對(duì)前半部碎殼向后滑移，從而實(shí)現(xiàn)扁桃脫殼并有效分離。

圖3 脫殼區(qū)扁桃受力示意圖Fig. 3 Stress diagram of almond in shelling area

(a) 扁桃剛進(jìn)入破殼區(qū)域時(shí)受力分析

(b) 扁桃進(jìn)入破殼區(qū)域時(shí)受力分析

(c) 扁桃離開(kāi)破殼區(qū)域時(shí)受力分析 圖4 脫殼區(qū)扁桃受力分析Fig. 4 Stress analysis of almond in shelling area

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料：根據(jù)前期試驗(yàn)研究基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)扁桃含水率對(duì)扁桃破殼效果和破殼力學(xué)性能影響顯著，扁桃殼仁間隙隨著含水率的增大而增大，而達(dá)到正常存放的含水率時(shí)，殼仁間隙達(dá)到最大，后又隨著含水率的增大而減小。通過(guò)前期試驗(yàn)基礎(chǔ)得出澳大利亞薄皮扁桃含水率在12%～15%時(shí)殼仁間隙最大，此時(shí)破殼扁桃破碎率最低，效果最好。本試驗(yàn)選用青島某食品公司選送正常存放條件下的澳大利亞薄皮扁桃為試驗(yàn)樣品，通過(guò)測(cè)量100粒扁桃，計(jì)算平均含水率為13.3%，如圖5所示。

試驗(yàn)設(shè)備：剪切式脫殼機(jī)、微機(jī)電子控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT6103(準(zhǔn)確度等級(jí)：1級(jí))、游標(biāo)卡尺(精度：0.02 mm)、電子天平HC10002(精度0.01 g)、2臺(tái)三菱FR-D720S-0.4K-CHT變頻器(功率：5 kW)、AC1501000轉(zhuǎn)速測(cè)速儀(基本精度±(0.05%+1))。

圖5 澳大利亞薄皮扁桃Fig. 5 Australian almond

3.2 試驗(yàn)響應(yīng)指標(biāo)

以扁桃脫殼后的脫殼率、核仁破損率為脫殼作業(yè)質(zhì)量考核指標(biāo)。根據(jù)生產(chǎn)率300 kg/h，試驗(yàn)采用輸送機(jī)勻速喂料，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果[18, 23-24]。對(duì)被脫殼后的扁桃進(jìn)行分類，扁桃殼脫裂且仁與殼分離的為脫殼扁桃，其余均為未脫殼扁桃。脫殼率的計(jì)算公式為

(6)

式中：η1——脫殼率，%；

M1——未脫殼扁桃總質(zhì)量，g；

M2——扁桃取樣總質(zhì)量，g。

核仁破損率的計(jì)算：根據(jù)扁桃仁質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(DB65/T 3156—2010)[25]，加工導(dǎo)致的核仁表皮損傷，直徑大于3.2 mm(1/8英寸)屬于損傷的要求，將核仁進(jìn)行分類測(cè)算。

(7)

式中：η2——核仁破損率，%；

M3——破損核仁總質(zhì)量，g；

M4——核仁總質(zhì)量g。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.3.1 扁桃品種物理力學(xué)特性試驗(yàn)

據(jù)設(shè)計(jì)的扁桃脫殼機(jī)的結(jié)構(gòu)，扁桃的物理特性主要以扁桃的外形尺寸評(píng)價(jià)[6]。扁桃在沿厚度方向脫殼時(shí)效果比較理想，因此本試驗(yàn)主要測(cè)定扁桃厚度方向尺寸。

澳大利亞扁桃大小不一，扁桃隨機(jī)選取120個(gè)作為試驗(yàn)樣品，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)扁桃厚度T，根據(jù)尺寸大小，由小到大將其分為3個(gè)等級(jí)，分別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，見(jiàn)表1。取3個(gè)等級(jí)扁桃各10粒，用游標(biāo)卡尺測(cè)量扁桃厚度尺寸(T)、殼厚(Tk)和仁厚度(Tr)，按式(8)計(jì)算間隙大小取平均值(間隙值詳見(jiàn)表1)。

Δ=T-Tr-2Tk

(8)

式中：Δ——間隙，mm。

取正常存放條件下的澳洲薄皮扁桃，采用厚度方向加載方式，加載速度為10 mm/min，通過(guò)對(duì)各自3個(gè)不同厚度等級(jí)的扁桃進(jìn)行加載直至果殼破碎分離，每個(gè)等級(jí)各進(jìn)行5次試驗(yàn)，記錄變形量并求平均值[17, 20, 22]，見(jiàn)表1。

表1 分級(jí)扁桃參數(shù)和加載變形量Tab. 1 Grading almond parameters and loading deformation

3.3.2 脫殼試驗(yàn)

根據(jù)前期試驗(yàn)，脫殼間隙對(duì)脫殼影響顯著，扁桃受擠壓力、撕搓力的大小和扁桃經(jīng)過(guò)對(duì)輥裝置的脫殼時(shí)間與剛性輥轉(zhuǎn)速及柔性帶線速度有著密切的關(guān)系，因此選取剛性輥轉(zhuǎn)速A、脫殼間隙B以及柔性帶線速度C作為試驗(yàn)研究的3個(gè)因素。

剛性輥轉(zhuǎn)速A水平選擇。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，當(dāng)剛性輥轉(zhuǎn)速低于200 r/min時(shí)，脫殼效率降低且脫殼效果不理想；轉(zhuǎn)速高于300 r/min，破損率增加明顯。因此，剛性輥轉(zhuǎn)速3個(gè)水平選擇為200 r/min、250 r/min和300 r/min。

脫殼間隙B水平選擇。根據(jù)扁桃物理特性測(cè)量，II級(jí)扁桃厚度為12～13 mm，殼仁間隙為1.36 mm，當(dāng)果殼破碎分離時(shí)變形量為1.09 mm，小于殼仁間隙，因此此時(shí)理論脫殼對(duì)輥間隙變化應(yīng)控制在II級(jí)扁桃厚度-1.09 mm內(nèi)，可保證較高的脫殼率和果仁完整率。因此確定脫殼間隙3個(gè)水平為11 mm、11.5 mm和 12 mm。

剛性輥兩端分別通過(guò)軸套安裝在軸套支承板上，兩個(gè)軸套支承板分別位于機(jī)架兩端的支撐框內(nèi)側(cè)，支撐框上端中間設(shè)有通過(guò)螺紋連接的螺桿，螺桿上端安裝手柄，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄和軸套支承板在螺紋的帶動(dòng)下沿螺桿上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)破殼輥的上下移動(dòng)。脫殼間隙調(diào)整采用螺旋放大的原理即螺桿在螺母中旋轉(zhuǎn)一周，螺桿沿著旋轉(zhuǎn)軸線方向前進(jìn)或后退一個(gè)螺距，本調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)采用公稱直徑為5.5 mm，螺距為0.5 mm的普通螺紋，每旋轉(zhuǎn)一周可調(diào)整剛性輥和柔性帶間隙0.5 mm，滿足試驗(yàn)要求。

柔性帶線速度C水平選擇。根據(jù)剛性輥轉(zhuǎn)速水平選擇同樣進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，柔性帶線速度3個(gè)水平選擇為0.3 m/s、0.5 m/s和0.7 m/s。

根據(jù)因素水平選擇，對(duì)影響脫殼性能指標(biāo)的因素進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，即選用正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，其因素水平表如表2所示[26-28]。

表2 正交因素試驗(yàn)水平Tab. 2 Orthogonal factor test level

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。極差R的大小反映了不同因素對(duì)相應(yīng)指標(biāo)的影響大小[27, 29]。

由表3可得，脫殼間隙對(duì)脫殼率和核仁破損率的影響程度最大。剛性輥轉(zhuǎn)速對(duì)脫殼率的影響程度要遠(yuǎn)高于柔性帶線速度，但脫殼間隙和剛性輥轉(zhuǎn)速對(duì)核仁破損率的影響程度接近。最佳水平組合為B1A1C3，即脫殼間隙為11 mm，轉(zhuǎn)速為200 r/min，柔性帶線速度為0.7 m/s。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 3 Test plans and results

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

因綜合優(yōu)化的最優(yōu)水平組合不在正交試驗(yàn)方案中，采用最優(yōu)組合B1A1C3進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果取平均值，如表4所示。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Verification test results

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，3次試驗(yàn)驗(yàn)證值極差與平均值比值均小于5%，驗(yàn)證結(jié)果可靠，機(jī)具采用較優(yōu)水平組合作業(yè)時(shí)，即脫殼間隙為11 mm、轉(zhuǎn)速為200 r/min、柔性帶線速度為0.7 m/s時(shí)脫殼率為97.68%，核仁破損率為6.85%。

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)進(jìn)口薄皮扁桃破殼設(shè)計(jì)了扁桃脫殼生產(chǎn)線，對(duì)柔性帶與脫殼輥差速擠壓脫殼取仁裝置破殼機(jī)理進(jìn)行分析，測(cè)量了薄皮扁桃的機(jī)械加載特性，制作了樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，得到較優(yōu)作業(yè)參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證。

1) 陳述了脫殼取仁裝置工作原理，對(duì)扁桃脫殼受力狀態(tài)進(jìn)行分析，基于一級(jí)脫殼裝置存在脫殼不完全、脫殼率低的現(xiàn)象，在增加了二級(jí)脫殼裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了剪切式脫殼機(jī)。

2) 對(duì)澳洲薄皮扁桃進(jìn)行殼仁參數(shù)測(cè)量與分級(jí)，以加載速度為10 mm/min、厚度方向加載方式對(duì)所分級(jí)扁桃進(jìn)行處理，測(cè)得3類扁桃的破裂變形量平均值分別為0.97 mm、1.09 mm、1.22 mm。

3) 試制剪切式脫殼機(jī)，通過(guò)正交試驗(yàn)確定了影響脫殼取仁裝置脫殼性能的3個(gè)因素主次順序。影響脫殼率的因素順序?yàn)槊摎らg隙、剛性輥轉(zhuǎn)速、柔性帶線速度；影響核仁破損率的因素順序?yàn)槊摎らg隙、柔性帶線速度、剛性輥轉(zhuǎn)速。經(jīng)極差分析確定了較優(yōu)參數(shù)組合：脫殼間隙11 mm、剛性輥轉(zhuǎn)速200 r/min、柔性帶線速度為0.7 m/s。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)組合條件下，脫殼率為97.68%，核仁破損率為6.85%，滿足扁桃脫殼要求。