刀削結(jié)合滾動(dòng)摩擦進(jìn)料竹筍剝皮機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曹成茂 劉 權(quán) 葛 俊 車(chē)貴族 張 遠(yuǎn) 秦 寬

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 210036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 210036)

0 引言

我國(guó)竹筍產(chǎn)量豐富，市場(chǎng)需求量日益增大，成為山區(qū)農(nóng)民脫貧致富的重要途徑。剝皮是竹筍加工的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的手工剝皮效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，嚴(yán)重影響筍農(nóng)收入和生產(chǎn)積極性，制約竹筍產(chǎn)業(yè)體系的完善和發(fā)展。因此，研究竹筍剝皮機(jī)理并設(shè)計(jì)竹筍剝皮機(jī)械具有重要意義。

在甘蔗去皮方面，黃才貴等[1]研制新型食用甘蔗自動(dòng)去皮裝置，采用旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)甘蔗的間歇性旋轉(zhuǎn)，通過(guò)去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合，完成甘蔗去皮，可靠性高，有效提高甘蔗去皮效率；在玉米苞葉剝離方面，徐麗明等[2]研制玉米通用剝皮機(jī)構(gòu)，優(yōu)化剝皮機(jī)構(gòu)的通用性和互換性，采用兩對(duì)旋轉(zhuǎn)的高低偏置的剝離輥快速碾壓住玉米苞葉并抓取，直至苞葉被撕離果穗。以上研究成果單獨(dú)采用刀削式或滾動(dòng)摩擦式，對(duì)果質(zhì)硬度和表皮厚度有很高要求，不能完全適應(yīng)于竹筍剝皮[3-5]，表現(xiàn)在損傷率高，剝凈率低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到生產(chǎn)要求。竹筍剝皮相關(guān)研究成果多以專(zhuān)利形式呈現(xiàn)[6-7]，相關(guān)機(jī)型普遍存在體積大、適應(yīng)性較差或存在安全隱患等問(wèn)題。對(duì)甘蔗和玉米力學(xué)及機(jī)械特性與竹筍加以對(duì)比研究[8-11]，發(fā)現(xiàn)竹筍筍肉易損傷且筍皮之間粘結(jié)緊密，無(wú)法以單獨(dú)的刀削、摩擦方式去皮。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文根據(jù)竹筍的物理特性和剝皮要求，設(shè)計(jì)一款刀削結(jié)合滾動(dòng)摩擦進(jìn)料竹筍剝皮機(jī)，通過(guò)建立竹筍-機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行理論分析，確定剝皮機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和影響因素，最后制作樣機(jī)對(duì)其工作性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)適收期竹筍的機(jī)械化剝皮。

1 新鮮竹筍物理特性與力學(xué)參數(shù)測(cè)定

1.1 竹筍主要物理參數(shù)

竹筍品種繁多，主要由筍皮和筍肉構(gòu)成，在整根竹筍中質(zhì)量所占比例分別為34.55%、65.45%。為確定竹筍剝皮機(jī)各部件的結(jié)構(gòu)尺寸，本文選用安徽省寧國(guó)市的早竹筍，隨機(jī)選取100個(gè)完整、筍體飽滿的竹筍樣本，根據(jù)竹筍圓錐狀外形，對(duì)竹筍樣本進(jìn)行了長(zhǎng)度L、基部直徑D、錐度C(D/L)、筍皮厚度T以及質(zhì)量m等物理參數(shù)測(cè)量(圖1)。測(cè)量結(jié)果為：竹筍長(zhǎng)度主要分布在239.60～362.50 mm，平均值為299.74 mm；基部直徑主要分布在19.08～38.12 mm，平均值為29.25 mm；錐度主要分布在0.07～0.12，平均值為0.09；竹筍筍皮厚度主要分布在0.30～1.95 mm，平均值為1.15 mm；竹筍質(zhì)量主要分布在98.60～221.10 g，平均值為151.37 g。

圖1 竹筍主要物理參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic of main physical parameters of bamboo shoot

1.2 力學(xué)參數(shù)測(cè)定

隨機(jī)選取15根長(zhǎng)勢(shì)均勻的新鮮竹筍，將每根竹筍截成平均長(zhǎng)度為100 mm左右的3段，利用TA.XTPlus質(zhì)構(gòu)儀對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，每組重復(fù)5次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 竹筍各部位受力Tab.1 Force of different parts of bamboo shoot N

根據(jù)表1測(cè)試結(jié)果，得出了竹筍各部位的受力范圍，由大到小為竹筍筍尖、中間部分、竹筍根部，其中筍尖部分受力為5.80～6.34 N，高于其他部位，這是由于筍尖部分錐度最大，且筍尖處筍皮在4層以上，而其他部位只有1～3層，因此筍尖處筍皮厚度較大，硬度較大。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 設(shè)計(jì)要求

剝筍機(jī)剝皮是利用刀片作用于竹筍上層表皮，利用剝皮輥摩擦剝離剩余筍皮，以實(shí)現(xiàn)竹筍完全剝皮且不損傷筍肉，其設(shè)計(jì)要求如下：①所設(shè)計(jì)的剝皮機(jī)能夠保證在合適的工作速度下保持穩(wěn)定，減少外界因素、機(jī)器振動(dòng)對(duì)剝皮的影響。②根據(jù)筍皮厚度，設(shè)定削皮厚度為2～3 mm，要求竹筍削皮后損傷率在10%以下。③根據(jù)竹筍后期加工要求以及減少二次剝皮的工作，所設(shè)計(jì)的剝皮機(jī)要求剝凈率在90%以上。

2.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

竹筍剝皮機(jī)主要由切削機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置、機(jī)架以及落料板組成，外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為0.5 m×0.4 m×0.8 m，如圖2所示。輸送機(jī)構(gòu)固定于機(jī)架上，其下端安裝有落料板，切削機(jī)構(gòu)通過(guò)心軸安裝在輸送機(jī)構(gòu)上端，由電機(jī)作為配套動(dòng)力，通過(guò)帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器工作。

圖2 竹筍剝皮機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Three-dimensional diagram of bamboo shoots peeling machine1.切削機(jī)構(gòu) 2.輸送機(jī)構(gòu) 3.動(dòng)力裝置 4.機(jī)架 5.落料板

2.3 工作原理

竹筍剝皮機(jī)工作原理是模仿手工剝筍過(guò)程，即人工使用刀具將筍皮劃開(kāi)，再由手指纏繞筍皮將其完全脫落，機(jī)器工作過(guò)程如圖3所示。工作時(shí)，竹筍由入料口進(jìn)入(圖3a)，入料口安裝有撥筍輥和刀片，在撥筍輥配合下，刀片將竹筍上層局部筍皮切除，再由輸送帶帶其繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)(圖3b)，當(dāng)竹筍尖部喂入到相向旋轉(zhuǎn)的剝皮輥和滾筒之間時(shí)，由于剝皮輥和滾筒存在高度差且材質(zhì)不同，對(duì)筍皮的摩擦力也不同，進(jìn)而由剝皮輥將剩余筍皮剝離經(jīng)落料板排出剝皮裝置(圖3c)，剝凈筍肉繼續(xù)向下滑行并被送出機(jī)外，從而完成全部剝皮過(guò)程。

圖3 竹筍剝皮過(guò)程示意圖Fig.3 Schematics of bamboo shoots peeling process1.竹筍 2.撥筍輥 3.刀片 4.剝皮輥 5.滾筒 6.輸送帶

3 竹筍-機(jī)械力學(xué)模型建立

3.1 竹筍刀削受力分析

刀片在竹筍剝皮過(guò)程的載荷變化與其安裝傾角等因素有關(guān)，竹筍刀削過(guò)程受力狀況如圖4所示。

圖4 竹筍切削過(guò)程受力分析示意圖Fig.4 Schematic of force analysis of bamboo shoots cutting process

將竹筍喂入剝皮裝置時(shí)，以一定加速度a沿輸送帶向下運(yùn)動(dòng)，刀片在載荷F作用下對(duì)竹筍進(jìn)行切削操作，將竹筍上層筍皮切除，刀削過(guò)程受力方程為

mgsinα+f-Fcosβ=ma

(1)

(2)

整理得

(3)

式中m——未剝皮竹筍質(zhì)量，kg

g——重力加速度

f——輸送帶作用于竹筍的摩擦阻力，N

N——輸送帶對(duì)竹筍的支撐力，N

μ1——輸送帶與竹筍間摩擦因數(shù)

α——輸送帶傾角，(°)

β——刀片與輸送帶的夾角，(°)

竹筍在輸送帶中為勻變速直線運(yùn)動(dòng)，則

(4)

式中S——上下兩滾筒中心距離，m

v0——喂入竹筍初速度，m/s

t——竹筍剝皮時(shí)間，s

將式(3)代入式(4)整理得到竹筍切削所需的力F為

(5)

由式(5)可知，刀片與輸送帶的夾角β是影響剝皮質(zhì)量的關(guān)鍵因素，根據(jù)對(duì)竹筍物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，由式(5)結(jié)合剝皮機(jī)設(shè)計(jì)尺寸可確定β的取值范圍，從而確定刀片與水平面的傾角為25°～35°。

3.2 竹筍摩擦去皮受力分析

工作時(shí)，調(diào)整竹筍位姿，使其垂直于撥筍輥軸向由入料口送入，在撥筍輥和輸送帶推動(dòng)下，將竹筍撥送到刀片下方，由刀片將竹筍上層局部筍皮切除；筍尖喂入剝皮輥和滾筒之間時(shí)，由于剝皮輥和滾筒軸心高度差使其作用于筍皮不同的摩擦力矩，此力矩使偏離剝皮輥徑向的竹筍位姿得到矯正，當(dāng)剝皮輥對(duì)筍皮的抓取力大于筍皮與筍肉的粘結(jié)力時(shí)筍皮被剝離，并隨著剝皮輥和滾筒的相向旋轉(zhuǎn)從間隙中被拉出；筍肉則在輸送帶推動(dòng)下滑出剝皮裝置。由上述過(guò)程可知，竹筍在剝皮裝置上運(yùn)動(dòng)主要就是在輸送帶上沿剝皮輥徑向的滑移。

竹筍沿輸送帶至剝皮輥的下滑與剝皮條件可通過(guò)分析竹筍在剝皮裝置上受力得出。竹筍摩擦去皮過(guò)程受力分析如圖5所示。

圖5 竹筍受力分析Fig.5 Force analysis of bamboo shoots

由圖5可知，竹筍沿輸送帶下滑及剝皮條件為

(6)

則

(7)

由幾何關(guān)系知

θ=α+δ

(8)

式中G′——刀削局部筍皮后竹筍重力，N

Fb——筍肉與筍皮間粘結(jié)力，N

f1——輸送帶作用于削皮后竹筍的摩擦阻力，N

f2——?jiǎng)兤ぽ佔(zhàn)饔糜谙髌ず笾窆S的摩擦阻力，N

N1——滾筒對(duì)竹筍支撐力，N

N2——?jiǎng)兤ぽ亴?duì)竹筍支撐力，N

θ——滾筒與竹筍中心連線和滾筒與剝皮輥中心連線垂直線夾角，(°)

δ——滾筒與剝皮輥中心連線與水平夾角，(°)

竹筍受到的摩擦阻力可根據(jù)圖5a剝皮裝置中剝皮輥和滾筒對(duì)竹筍的支撐力得出，其具體公式為

f1=μ1N1

(9)

f2=μ2N2

(10)

式中μ2——?jiǎng)兤ぽ伵c竹筍間摩擦因數(shù)

由圖5a可知，N1、N2、G′之間存在關(guān)系

(11)

(12)

(13)

聯(lián)立式(11)～(13)可得

(14)

(15)

式中R——滾筒(剝皮輥)半徑，m

l——竹筍與滾筒表面以及與剝皮輥表面的距離，m

H——滾筒和剝皮輥軸心高度差，m

聯(lián)立式(6)～(10)、(14)、(15)可得

(16)

為方便計(jì)算，令

(17)

聯(lián)立式(16)得

P>cos(2α+δ)

(18)

(19)

整理得

(20)

由式(20)可知，竹筍摩擦去皮過(guò)程與輸送帶傾角α、剝皮輥半徑R、竹筍與滾筒表面的距離l、滾筒與剝皮輥軸心高度差H以及摩擦因數(shù)μ有關(guān)。

根據(jù)上述理論分析，隨著剝皮輥轉(zhuǎn)速的增大，與之關(guān)聯(lián)的滾筒轉(zhuǎn)速也增大，導(dǎo)致它們對(duì)竹筍支撐力明顯增大，筍皮與剝皮輥摩擦增大，竹筍剝凈率增加。因此可知，剝皮輥轉(zhuǎn)速為影響筍皮脫落的主要因素，但剝皮輥轉(zhuǎn)速并不是越大越好，當(dāng)轉(zhuǎn)速大到一定程度時(shí)，雖然剝凈率較高，但筍肉損傷率也會(huì)明顯增加。

4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

4.1 滾筒與剝皮輥軸心高度差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

竹筍剝皮效果與滾筒和剝皮輥之間高度差H有關(guān)，而H可通過(guò)滾筒與剝皮輥軸心高度差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。H小，則剝凈率低；反之，則剝凈率高。但當(dāng)H大于剝皮輥半徑時(shí)，竹筍軸線與滾筒和剝皮輥中心連線夾角增大，導(dǎo)致筍肉極易撞擊剝皮輥，從而剝凈率降低，損傷率提高。通過(guò)分析和試驗(yàn)可知，H取值范圍應(yīng)在剝皮輥半徑范圍之內(nèi)，該范圍可使竹筍尖部成功喂入到滾筒與剝皮輥間隙內(nèi)，同時(shí)避免筍肉撞擊剝皮輥碎裂現(xiàn)象發(fā)生。設(shè)計(jì)滾筒與剝皮輥軸心高度差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于固定軸承座的螺栓通過(guò)在長(zhǎng)圓弧形孔中滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾筒和剝皮輥中心連線與水平面夾角的改變，從而改變兩軸之間高度差，如圖6所示。

圖6 軸心高度差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.6 Axis height difference adjusting mechanism1.長(zhǎng)圓弧形孔 2.螺栓

4.2 剝皮裝置

該裝置包括切削機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)，其中切削機(jī)構(gòu)主要由軸承座、刀片、刀架及撥筍輥等組成，輸送機(jī)構(gòu)主要由輸送帶、滾筒及剝皮輥等組成，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。切削機(jī)構(gòu)一端通過(guò)軸承座與輸送機(jī)構(gòu)連接，另一端可繞心軸作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)在一定尺寸范圍內(nèi)竹筍的進(jìn)料。

圖7 剝皮裝置示意圖Fig.7 Schematic of peeling device1.輸送帶 2.滾筒 3.擋板 4.軸心高度差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 5.軸承座 6.固定心軸 7.剝皮輥 8.刀片 9.刀架 10.撥筍輥 11.輸送機(jī)構(gòu) 12.切削機(jī)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，國(guó)內(nèi)大多數(shù)玉米聯(lián)合收獲機(jī)使用的剝皮輥直徑為60～80 mm，竹筍基部直徑相對(duì)玉米直徑較小，故本竹筍剝皮機(jī)剝皮輥直徑確定為50～60 mm；輸送帶傾角α直接影響竹筍下滑速度，進(jìn)而影響剝皮性能和生產(chǎn)效率，根據(jù)竹筍上尖下粗的圓錐形狀特點(diǎn)，輸送帶傾角為35°～40°時(shí)，筍尖可順利喂入剝皮輥和滾筒間隙內(nèi)，為簡(jiǎn)化條件，確定剝皮輥直徑為50 mm、輸送帶傾角為38°。刀片安裝在刀架上，可通過(guò)刀架上的螺栓調(diào)節(jié)刀架的位置，從而調(diào)節(jié)物料入切時(shí)與刀片的角度，一般根據(jù)加工竹筍的大小，預(yù)先調(diào)整刀片角度，保證刀片在入切時(shí)只削去筍皮而不傷及筍肉。竹筍在剝皮過(guò)程中做直線運(yùn)動(dòng)，在與刀片產(chǎn)生碰撞時(shí)可能會(huì)發(fā)生偏移導(dǎo)致筍肉損傷和剝皮不理想，因此在剝皮裝置中設(shè)計(jì)了擋板，以提高竹筍運(yùn)動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性，改善剝皮效果。

5 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料與方法

根據(jù)GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》，于2021年3月應(yīng)用制造的竹筍剝皮機(jī)進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)在安徽省寧國(guó)市，每組試驗(yàn)使用20 kg竹筍，以當(dāng)?shù)卦缰窆S為試驗(yàn)對(duì)象，挑選完整、長(zhǎng)勢(shì)均勻以及新鮮無(wú)蟲(chóng)害的竹筍作為試驗(yàn)物料。

試驗(yàn)時(shí)，由人工喂入竹筍至機(jī)器入料口處，并在剝皮輥排出口接取完成剝皮作業(yè)的筍肉，每進(jìn)行一組試驗(yàn)時(shí)，預(yù)先清理試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的筍肉和筍皮，并調(diào)整各試驗(yàn)因素水平，穩(wěn)定后進(jìn)行竹筍剝皮。本次試驗(yàn)將筍肉損傷率Y1和筍皮剝凈率Y2作為判斷剝皮機(jī)性能的主要指標(biāo)，根據(jù)GB/T 30762—2014《主要竹筍質(zhì)量分級(jí)》的感官評(píng)定法確定竹筍損傷個(gè)數(shù)和未剝凈個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果并分別計(jì)算出每組竹筍損傷率和剝凈率，若筍肉出現(xiàn)損傷又帶有筍皮，將該筍肉同時(shí)計(jì)入到損傷率和剝凈率中，竹筍剝皮后物料如圖8所示。

圖8 竹筍剝皮物料Fig.8 Materials after bamboo shoots peeled

5.2 單因素試驗(yàn)與分析

5.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)竹筍物理特性復(fù)雜的問(wèn)題，為確定竹筍長(zhǎng)度、基部直徑不同組合對(duì)剝皮效果的影響，以及為竹筍剝皮機(jī)正交試驗(yàn)確定最佳試驗(yàn)物料，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。根據(jù)竹筍圓錐形狀特點(diǎn)，選取竹筍長(zhǎng)度和基部直徑作為試驗(yàn)因素；通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，定義機(jī)器各參數(shù)的固定值為：刀片安裝傾角為30°、剝皮輥轉(zhuǎn)速為240 r/min、滾筒與剝皮輥軸心高度差為15 mm。以筍肉損傷率和筍皮剝凈率為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)其分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究竹筍不同尺寸對(duì)剝皮機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律。

5.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)竹筍物理參數(shù)的測(cè)定，設(shè)定竹筍基部直徑為30 mm，將竹筍長(zhǎng)度分布范圍取6個(gè)水平；設(shè)定竹筍長(zhǎng)度為300 mm，將竹筍基部直徑分布范圍取6個(gè)水平(表2)，將物料分類(lèi)并分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)后，各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與竹筍長(zhǎng)度、基部直徑的關(guān)系曲線如圖9所示。

表2 單因素試驗(yàn)因素水平Tab.2 Factors and levels of single factor experiment mm

圖9 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Results of single factor experiment

由圖9分析可得，在所選水平范圍內(nèi)，隨著竹筍長(zhǎng)度的增大，筍肉損傷率先緩慢下降后緩慢上升，筍皮剝凈率先急劇上升后緩慢下降；隨著基部直徑的增大，筍肉損傷率先緩慢下降后急劇上升，筍皮剝凈率先急劇上升后緩慢下降。造成損傷率過(guò)大的原因是當(dāng)竹筍直徑過(guò)大時(shí)，切削深度也隨之變大，導(dǎo)致筍肉容易損傷；造成剝凈率過(guò)低的原因是當(dāng)竹筍長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)，竹筍偏移或筍尖翹起，當(dāng)竹筍基部直徑過(guò)小時(shí)，難以切削到竹筍，因此都會(huì)導(dǎo)致殘留筍皮。其中，當(dāng)竹筍長(zhǎng)度為300～320 mm時(shí)，筍肉損傷率最小，為7.78%，剝凈率最大，為92.04%；當(dāng)竹筍基部直徑在29～32 mm時(shí)，筍肉損傷率最小，為7.96%，剝凈率最大，為93.14%。因此最終確定長(zhǎng)度在300～320 mm、基部直徑為29～32 mm的竹筍作為剝皮機(jī)正交試驗(yàn)的物料樣本。

5.3 正交試驗(yàn)方案

刀片安裝傾角：刀片與水平面傾角大于35°時(shí)，難以接觸竹筍，刀片與水平面傾角小于25°時(shí)，對(duì)筍肉損傷過(guò)大。為保證切削上層筍皮，刀片安裝傾角調(diào)節(jié)為25°～35°，設(shè)定3個(gè)水平為25°、30°、35°。

剝皮輥轉(zhuǎn)速：當(dāng)剝皮輥轉(zhuǎn)速大于220 r/min時(shí)，筍皮脫落，剝皮輥轉(zhuǎn)速大于260 r/min時(shí)，剝皮機(jī)整機(jī)會(huì)發(fā)生輕微振動(dòng)。為保證安全性，剝皮輥轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為220～260 r/min，設(shè)定3個(gè)水平為220、240、260 r/min，通過(guò)HMI與變頻調(diào)速器通訊控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

滾筒與剝皮輥軸心高度差：當(dāng)滾筒與剝皮輥軸心在同一高度時(shí)，筍尖無(wú)法喂入，高度差大于20 mm時(shí)，筍肉尖部會(huì)撞擊剝皮輥造成斷裂。為保證筍肉完整，高度差范圍為10～20 mm，設(shè)定3個(gè)水平為10、15、20 mm。

為得到各個(gè)因素最優(yōu)值，設(shè)計(jì)多因素正交試驗(yàn)，因素編碼如表3所示。獲取竹筍損傷率和剝凈率回歸模型，求解剝皮裝置最優(yōu)參數(shù)組合。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Experimental factors codes

5.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.4.1回歸模型方程及顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件得到竹筍損傷率和剝凈率二次多項(xiàng)式回歸模型為

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.4 Experimental design and results

(21)

(22)

式中X1、X2、X3——因素編碼值

由表5可知，筍肉損傷率Y1和筍皮剝凈率Y2兩個(gè)回歸方程高度顯著，且回歸方程失擬不顯著，說(shuō)明在所選試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，回歸模型與實(shí)際情況擬合度較高；損傷率Y1、剝凈率Y2回歸方程決定系數(shù)R2分別為0.908 7、0.985 4，表明回歸方程預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的一致性高度合理，故可用損傷率Y1、剝凈率Y2回歸模型對(duì)剝皮裝置剝皮性能進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表5 方差分析Tab.5 Variance analysis of experimental results

5.4.2因素分析

圖10 試驗(yàn)因素對(duì)筍肉損傷率影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surface of experimental factors to breakage ratio of bamboo shoots

根據(jù)回歸方程和響應(yīng)曲面可得，刀片安裝傾角、剝皮輥轉(zhuǎn)速、滾筒與剝皮輥軸心高度差之間存在交互作用，并且對(duì)損傷率和剝凈率影響較為顯著。當(dāng)?shù)镀惭b傾角一定時(shí)，損傷率隨剝皮輥轉(zhuǎn)速增大而增大；當(dāng)剝皮輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，損傷率隨刀片安裝傾角增大而增大；當(dāng)?shù)镀惭b傾角變化時(shí)，損傷率變化區(qū)間較大，刀片安裝傾角對(duì)損傷率指標(biāo)影響更為顯著(圖10a)。當(dāng)?shù)镀惭b傾角一定時(shí)，損傷率隨滾筒與剝皮輥軸心高度差增大先減小后增大；當(dāng)軸心高度差一定時(shí)，損傷率隨刀片安裝傾角增大而增大；當(dāng)?shù)镀惭b傾角變化時(shí)，損傷率變化區(qū)間較大，刀片安裝傾角對(duì)損傷率指標(biāo)影響更為顯著(圖10b)。當(dāng)剝皮輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，損傷率隨軸心高度差增大先減小后增大；當(dāng)軸心高度差一定時(shí)，損傷率隨剝皮輥轉(zhuǎn)速增大而增大；當(dāng)剝皮輥轉(zhuǎn)速變化時(shí)，損傷率變化區(qū)間較大，剝皮輥轉(zhuǎn)速對(duì)損傷率指標(biāo)影響更為顯著(圖10c)。

當(dāng)?shù)镀惭b傾角一定時(shí)，剝凈率隨剝皮輥轉(zhuǎn)速增大而增大；當(dāng)剝皮輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，剝凈率隨刀片安裝傾角增大先增大后減?。划?dāng)?shù)镀惭b傾角變化時(shí)，剝凈率變化區(qū)間較大，刀片安裝傾角對(duì)剝凈率指標(biāo)影響更為顯著(圖11a)。當(dāng)?shù)镀惭b傾角一定時(shí)，剝凈率隨滾筒與剝皮輥軸心高度差增大先增大后減小；當(dāng)軸心高度差一定時(shí)，剝凈率隨刀片安裝傾角增大先增大后減??；當(dāng)?shù)镀惭b傾角變化時(shí)，剝凈率變化區(qū)間較大，刀片安裝傾角對(duì)剝凈率指標(biāo)影響更為顯著(圖11b)。當(dāng)剝皮輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，剝凈率隨軸心高度差增大而增大；當(dāng)軸心高度差一定時(shí)，剝凈率隨剝皮輥轉(zhuǎn)速增大而增大；當(dāng)軸心高度差變化時(shí)，剝凈率變化區(qū)間較大，軸心高度差對(duì)剝凈率指標(biāo)影響更為顯著(圖11c)。

圖11 試驗(yàn)因素對(duì)筍皮剝凈率影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Response surfaces of experimental factors to no-shell ratio of bamboo shoots

5.4.3驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)損傷率Y1和剝凈率Y2的數(shù)學(xué)模型，在約束條件范圍內(nèi)對(duì)竹筍剝皮機(jī)的試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化，為獲得竹筍剝皮機(jī)性能最優(yōu)參數(shù)組合，結(jié)合試驗(yàn)因素邊界條件，對(duì)損傷率和剝凈率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的回歸方程進(jìn)行分析，建立竹筍剝皮機(jī)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

(23)

基于Design-Expert 8.0.6軟件多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析求解，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：刀片安裝傾角為30.12°、剝皮輥轉(zhuǎn)速為229.18 r/min、軸心高度差為15.43 mm，此時(shí)筍肉損傷率和筍皮剝凈率分別為6.81%、94.59%。

為方便實(shí)際操作中參數(shù)的調(diào)節(jié)，各參數(shù)取整后得到最優(yōu)組合為：刀片安裝傾角為30°、剝皮輥轉(zhuǎn)速為230 r/min、軸心高度差為15 mm。為進(jìn)一步驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的正確性，將試驗(yàn)樣機(jī)調(diào)整為取整后的參數(shù)進(jìn)行竹筍剝皮機(jī)的驗(yàn)證試驗(yàn)(圖12)，每組試驗(yàn)選取20 kg當(dāng)?shù)卦缰窆S，連續(xù)喂入直至全部完成剝皮工作，保證其他因素不變的情況下，重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表6所示，即筍肉損傷率、筍皮剝凈率分別為7.10%、93.22%，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖12 竹筍剝皮試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.12 Experimental field of bamboo shoots peeling

表6 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab.6 Experimental results of verification %

每一批竹筍尺寸各有不同，筍皮厚薄也不均勻，因此在剝皮過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)筍肉損傷或筍皮未剝凈的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析得知：筍肉損傷的原因是竹筍尺寸過(guò)大，則入切角度大，導(dǎo)致刀片切削至筍肉部分；筍皮未剝凈的原因是竹筍尺寸過(guò)小，則入切角度小，刀片與筍皮難以接觸，因此切削不到筍皮，從而也無(wú)法剝除筍皮。

6 結(jié)論

(1)為解決竹筍剝皮效率低下、筍肉損傷率高且筍皮剝凈率低等問(wèn)題，基于竹筍的物理特性參數(shù)，設(shè)計(jì)一款刀削結(jié)合滾動(dòng)摩擦進(jìn)料竹筍剝皮機(jī)，適用于基部直徑為20～38 mm、長(zhǎng)度為240～360 mm的早竹筍等品種。通過(guò)理論分析竹筍-機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型，確定剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及影響其工作性能的主要因素。

(2)為得到剝皮機(jī)的最佳工作參數(shù)，通過(guò)制造樣機(jī)分別進(jìn)行了單因素和正交剝皮試驗(yàn)。通過(guò)單因素試驗(yàn)確定剝皮機(jī)正交試驗(yàn)的物料樣本長(zhǎng)度為300～320 mm、基部直徑為29～32 mm；利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)回歸方程綜合優(yōu)化，得出竹筍剝皮機(jī)最佳工作組合為：刀片安裝傾角30.12°、剝皮輥轉(zhuǎn)速229.18 r/min、軸心高度差15.43 mm，此時(shí)竹筍筍肉損傷率為6.81%，筍皮剝凈率為94.59%。驗(yàn)證試驗(yàn)中筍肉損傷率為7.10%，筍皮剝凈率為93.22%，試驗(yàn)值與理論值基本一致，表明機(jī)器滿足設(shè)計(jì)要求。