巴旦木脫青皮機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

石 鑫，楊豫新，牛長(zhǎng)河，吐魯洪·吐?tīng)柕?，楊?huì)民，張 麗，陳毅飛

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 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，新疆 烏魯木齊 830091)

巴旦木學(xué)名扁桃，其品種多樣且經(jīng)濟(jì)效益突出，現(xiàn)階段在世界范圍內(nèi)栽培區(qū)域極廣[1-2]。我國(guó)引進(jìn)栽培歷史已逾千年，近年來(lái)巴旦木已在新疆喀什地區(qū)形成規(guī)?；N植，其區(qū)域特色明顯且品質(zhì)優(yōu)良，已成為新疆地區(qū)的特色林果產(chǎn)品之一[3-4]。因農(nóng)副產(chǎn)品品類開(kāi)發(fā)靈活多變，食用巴旦木及其衍生的農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售已覆蓋千家萬(wàn)戶[5]。巴旦木果實(shí)是青皮巴旦木初加工后的首要產(chǎn)品，當(dāng)季巴旦木脫青皮時(shí)效決定了其成色及上市時(shí)間，人工剝青皮已無(wú)法滿足生產(chǎn)需要，現(xiàn)階段巴旦木脫青皮機(jī)的研究相對(duì)較少，為減輕農(nóng)戶勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，研制高效且低損傷的巴旦木脫青皮機(jī)極其重要[1,6]。

新疆地產(chǎn)資源豐富，巴旦木栽植面積大且集中，受生產(chǎn)水平條件限制，長(zhǎng)期以來(lái)多數(shù)青皮巴旦木仍然是依靠農(nóng)戶手工剝除青皮，使得脫青皮作業(yè)效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大；加之果樹(shù)品種、成熟度及含水量均存在差異，使得機(jī)械化脫皮工作滯后[7-9]。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)果實(shí)結(jié)構(gòu)特性相似的核桃、蓮子、花生、銀杏、開(kāi)心果等脫皮、脫殼、分選設(shè)備進(jìn)行了大量研究，該類型機(jī)具主要使用揉搓、擠壓等工作形式，實(shí)現(xiàn)了果實(shí)與雜余的分離[10-13]。同時(shí)，國(guó)外科研人員就品種選育、加載響應(yīng)特性、物料結(jié)構(gòu)特性、接觸特性等方面開(kāi)展了大量研究，為實(shí)現(xiàn)巴旦木機(jī)械化脫青皮奠定了理論基礎(chǔ)[14-16]。國(guó)內(nèi)近年來(lái)對(duì)與巴旦木相似的核桃研制了相對(duì)完善的脫皮和脫殼設(shè)備[17]，石章成[18]對(duì)不同加載狀態(tài)下核桃青皮剝離狀態(tài)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種小型核桃脫皮機(jī)并通過(guò)正交仿真試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。劉東琴等[19]設(shè)計(jì)了一種滾刷型青核桃脫皮機(jī)，通過(guò)拼接式脫皮滾筒和分段螺旋布置毛刷剝離青皮，最終確定了機(jī)具的較優(yōu)作業(yè)參數(shù)。

課題組前期根據(jù)現(xiàn)有脫皮和脫殼機(jī)械特點(diǎn)設(shè)計(jì)了以定滾筒內(nèi)置多頭螺旋輥的巴旦木脫皮機(jī)，通過(guò)多頭螺旋輥高速旋轉(zhuǎn)與篩筒壁揉搓剝離青皮，解決了中厚殼青皮巴旦木機(jī)械化脫皮的技術(shù)難題。由前期試驗(yàn)結(jié)果可知，單級(jí)脫皮工作效率較低，脫凈率可達(dá)90%、破損率平均值為5%[20]；多級(jí)工作狀態(tài)提高了生產(chǎn)效率和脫凈率，但螺旋葉片轉(zhuǎn)速高，多級(jí)脫皮下巴旦木果實(shí)在柵板和螺旋脫皮輥內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離增長(zhǎng)，致使破損率增長(zhǎng)[21]。為進(jìn)一步提高巴旦木脫青皮工作效率，本研究擬改進(jìn)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)，基于原巴旦木脫青皮機(jī)設(shè)計(jì)一種滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)，采用多動(dòng)部件進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，可為巴旦木生產(chǎn)率的提高和破損率降低提供基礎(chǔ)。

1 原結(jié)構(gòu)及改進(jìn)方案確定

1.1 原機(jī)結(jié)構(gòu)

以喀什地區(qū)主要巴旦木種植品類為加工對(duì)象，通過(guò)課題組前期研究成果可知，巴旦木青皮厚度隨含水率降低逐漸減小，在青皮巴旦木開(kāi)裂程度a～d級(jí)時(shí)青皮容易剝離[4,9]，初步設(shè)計(jì)了螺旋式巴旦木脫青皮機(jī)，該機(jī)主要由機(jī)架、行走輪、電動(dòng)機(jī)、組合式脫皮滾筒、脫皮轉(zhuǎn)軸、傳動(dòng)系統(tǒng)、料斗、上蓋板、側(cè)擋板、排料槽等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作中單軸多頭全螺旋脫皮轉(zhuǎn)軸提供軸向推力，沿軸向推動(dòng)青皮巴旦木向出口遷移，縱向柵條組成的組合式脫皮滾筒使巴旦木在其柵條槽內(nèi)縱向滑行，二者共同改變巴旦木位姿，使巴旦木多次翻轉(zhuǎn)完成脫皮。

1.機(jī)架；2.行走輪；3.電動(dòng)機(jī)；4.組合式脫皮滾筒；5.脫皮轉(zhuǎn)軸；6.傳動(dòng)系統(tǒng)；7.料斗；8.上蓋板；9.側(cè)擋板；10.排料槽1.Frame;2.Walking wheel;3.Motor;4.Combined peeling roller;5.Peeling shaft;6.Transmission system;7.Bucket;8.Upper cover plate;9.Side baffle;10.Discharge chute圖1 巴旦木脫青皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of almond peeling machine

1.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

原結(jié)構(gòu)脫皮轉(zhuǎn)軸為多頭螺旋片，轉(zhuǎn)軸外表面除螺旋片外再無(wú)阻隔，脫皮作業(yè)過(guò)程中主要依靠螺旋片頂端與滾筒內(nèi)部的擠壓作用進(jìn)行脫皮。原機(jī)喂入速度極難控制，通常在料斗處易堆積，隔板放料間隙調(diào)控不易，致使脫皮效果不穩(wěn)定；在低速、喂入速度較大時(shí)，果實(shí)在滾筒內(nèi)離心力不足，則會(huì)自內(nèi)壁上表面跌落進(jìn)而降低脫凈率，此外該結(jié)構(gòu)在喂入及停機(jī)過(guò)程中需閉合隔板，阻隔料斗和組合式脫皮滾筒(停止喂料)，否則降速及停機(jī)時(shí)易產(chǎn)生壅堵和物料積存等問(wèn)題。

本文根據(jù)青皮巴旦木和硬殼巴旦木(巴旦木果實(shí))的物理特性和現(xiàn)有脫皮機(jī)械特點(diǎn)，對(duì)原機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)。通過(guò)調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多工件不等速布置，使各部件同源驅(qū)動(dòng)、定比轉(zhuǎn)動(dòng)，減小調(diào)節(jié)難度，消除過(guò)度喂入產(chǎn)生的脫皮率低、破損率高的問(wèn)題。改進(jìn)脫皮滾筒結(jié)構(gòu)，確保剛度的同時(shí)增加軸向推移力，將“定”滾筒改為“動(dòng)”滾筒，將青皮巴旦木分散至滾筒環(huán)形面，通過(guò)滾筒旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)移。調(diào)整喂入及脫皮作業(yè)環(huán)節(jié)工作形式，將轉(zhuǎn)軸自喂入處至排料處設(shè)計(jì)為柱狀結(jié)構(gòu)，改變喂料處結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻喂料，采用分段作業(yè)，送至機(jī)體內(nèi)的巴旦木先破皮后揉搓。外滾筒和轉(zhuǎn)軸組合后形成類筒狀結(jié)構(gòu)，使青皮巴旦木分散至四周增大接觸面積，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸和滾筒扭轉(zhuǎn)下青皮和果殼分離。

1.3 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

改進(jìn)后的滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)主要由電機(jī)、料斗、電控開(kāi)關(guān)、螺旋喂料器、鏈盤、破皮輥、鋼刷單元、外滾筒、排雜溜板、上罩殼、萬(wàn)向輪、導(dǎo)流板等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

工作過(guò)程中，成熟的青皮巴旦木由料斗承接，在螺旋喂料器的軸向推力作用下均勻向外滾筒內(nèi)推送，青皮巴旦木首先被推送至破皮輥，青皮巴旦木在破皮輥和外滾筒組成的空隙內(nèi)進(jìn)行擠壓，使青皮局部離殼或逐漸開(kāi)裂；隨后在破皮輥和外滾筒二者的反向轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，巴旦木逐步被擠壓至脫皮鋼刷，脫皮鋼刷揉搓作用促使青皮開(kāi)裂的巴旦木青皮與果殼分離，同時(shí)鋼刷將開(kāi)裂的青皮碎裂，碎裂的青皮由柵條式脫皮滾筒的柵條間隙內(nèi)排出，碎青皮等雜余掉落至排雜溜板至機(jī)組外側(cè)地面，巴旦木果實(shí)在外滾筒逆向螺旋作用下逐步向出料端運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至出料口經(jīng)導(dǎo)流板排出，至此脫皮作業(yè)完成。

1.電機(jī)；2.料斗；3.電控開(kāi)關(guān)；4.螺旋喂料器；5.鏈盤；6.破皮輥；7.鋼刷單元；8.外滾筒；9.排雜溜板；10.上罩殼；11.萬(wàn)向輪；12.導(dǎo)流板1.Motor;2.Hopper;3.Electric control switch;4.Screw feeder;5.Chain disk;6.Skin breaking roller;7.Steel brush unit;8.External roller;9.Discharge slide plate;10.Upper cover;11.Universal wheel;12.Guide plate圖2 滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of roller brush type almond peeling machine

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原結(jié)構(gòu)為一體式脫皮輥(圖3)，在脫皮輥轉(zhuǎn)速較低時(shí)脫皮效率低且易產(chǎn)生壅堵。為避免喂入速度過(guò)快產(chǎn)生壅堵問(wèn)題，減少故障、確保工作可靠性，外滾筒軸徑增大的同時(shí)增加軸向長(zhǎng)度，改進(jìn)脫皮輥結(jié)構(gòu)。脫皮輥(即脫皮轉(zhuǎn)軸)分為三段，由螺旋喂入、鋼輥破皮、鋼刷揉搓脫皮組成，脫皮轉(zhuǎn)軸爆炸圖如圖4所示。主軸和不同的工作部件采用不同的連接方式，其中喂入段采用螺旋喂料器實(shí)現(xiàn)青皮巴旦木軸向運(yùn)移，螺旋喂料器兩側(cè)采用帶座軸承連接，通過(guò)變速實(shí)現(xiàn)低速喂入；破皮輥一側(cè)布置圓鋼與軸管以此定位脫皮鋼刷單元，脫皮鋼刷單元軸向壓合，在右側(cè)鎖緊螺母的作用下使鋼刷相鄰表面緊密貼合形成致密的柱狀結(jié)構(gòu)，工作中破皮輥和脫皮鋼刷同步轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)螺旋喂料器喂入的青皮巴旦木先破皮、再揉搓脫皮。滾筒結(jié)構(gòu)調(diào)整為一體式，柵條總體橫向布置，外滾筒由組合定裝結(jié)構(gòu)改變?yōu)橥鉂L筒兩端采用滾動(dòng)支撐，通過(guò)左側(cè)鏈盤帶動(dòng)，工作中逆主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向低速轉(zhuǎn)動(dòng)，增加脫皮動(dòng)力。

1.左軸頭；2.膠條；3.中軸管；4.螺旋撐板；5.支撐桿；6.右軸頭1.Left shaft head;2.Rubber strip;3.Central shaft tube;4.Spiral support plate;5.Support rod;6.Right shaft head圖3 一體式脫皮輥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural drawing of integrating peeling roller

1.大帶輪；2.鏈輪；3.主軸；4.喂料器驅(qū)動(dòng)鏈輪；5.帶座軸承；6.螺旋喂料器；7.鎖緊螺母；8.剛刷單元；9.破皮輥1.Large pulley;2.Sprocket wheel;3.Spindle;4.Feeder drive sprocket;5.Bearing with seat;6.Screw feeder;7.Locking nut;8.Steel brush unit;9.Skin breaking roller圖4 脫皮轉(zhuǎn)軸爆炸圖Fig.4 Explosion diagram of peeling shaft

2.1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

為保持整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、降低操作難度，機(jī)組總體由下方電機(jī)驅(qū)動(dòng)，連接三相電進(jìn)行工作，通過(guò)電源的通斷對(duì)整機(jī)進(jìn)行控制，使用適宜中高速傳動(dòng)的帶傳動(dòng)進(jìn)行一次減速，在此基礎(chǔ)上動(dòng)力經(jīng)脫皮轉(zhuǎn)軸分流。

整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)圖如圖5所示。各部件同電機(jī)驅(qū)動(dòng)，于主軸左側(cè)Z1鏈輪處將動(dòng)力分流，通過(guò)上傳動(dòng)軸將動(dòng)力再分配的基礎(chǔ)上驅(qū)動(dòng)外滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多工件不等速布置。工作時(shí)閉合開(kāi)關(guān)，電機(jī)通電后逐步加速至穩(wěn)定值，電機(jī)左側(cè)連接的皮帶輪將動(dòng)力傳遞至主軸左側(cè)大帶輪，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)中帶動(dòng)破皮輥和脫皮鋼刷旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，主軸通過(guò)左側(cè)鍵連接的鏈輪將動(dòng)力分配至上傳動(dòng)軸進(jìn)行二次減速，上傳動(dòng)軸將動(dòng)力再分配；一部分動(dòng)力通過(guò)和上傳動(dòng)軸中部鏈輪回傳至主軸上的螺旋喂料器，減速的同時(shí)驅(qū)動(dòng)喂料器；另一部分在右側(cè)鏈輪換向作用下驅(qū)動(dòng)外滾筒。下軸右側(cè)鏈輪與外滾筒左側(cè)鏈輪相連，上傳動(dòng)軸右側(cè)鏈輪對(duì)該傳動(dòng)鏈進(jìn)行張緊，此時(shí)上傳動(dòng)軸為驅(qū)動(dòng)件，故設(shè)計(jì)張緊輪成為驅(qū)動(dòng)體，在此狀態(tài)下Z3Z4和Z6Z7兩副傳動(dòng)鏈逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，工作中利用主軸和外滾筒的逆向作用增大各部件對(duì)青皮巴旦木的作用效果，便于巴旦木果實(shí)和雜余分離。

由原機(jī)試驗(yàn)可知，脫皮輥?zhàn)顑?yōu)轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，故選用三相異步電動(dòng)機(jī)(型號(hào)：Y112M-4，功率：4 kW，額定轉(zhuǎn)速1 440 r·min-1)，接通電源下實(shí)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速ni為1 497 r·min-1，設(shè)計(jì)主軸轉(zhuǎn)速n1為300 r·min-1，通過(guò)傳動(dòng)比計(jì)算可得：螺旋喂料器轉(zhuǎn)速n3為44.38 r·min-1、外滾筒轉(zhuǎn)速n5為8.88 r·min-1。

1.電機(jī)；2.下傳動(dòng)軸；3.上傳動(dòng)軸；4.螺旋送料器；5.破皮輥；6.脫皮鋼刷；7.外滾筒；8.軸管1.Electromotor;2.Under drive shaft;3.Upper drive shaft;4.Screw feeder;5.Skin breaking roller;6.Peeling steel brush;7.External roller;8.Shaft pipe圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of transmission system

2.2 外滾筒

由原巴旦木脫青皮機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果可知，柵條最佳間隙為7 mm，滾筒內(nèi)徑(分離篩內(nèi)徑)為310 mm，工作轉(zhuǎn)速300 r·min-1時(shí)工作效率在400 kg·h-1以上[21]。直線式固定滾筒僅為青皮巴旦木提供支持力和逆轉(zhuǎn)動(dòng)方向的脫皮力，持續(xù)進(jìn)行脫皮作業(yè)時(shí)，巴旦木易在脫皮腔內(nèi)定點(diǎn)積聚，局部空間軸向運(yùn)動(dòng)阻力大，脫皮部件重復(fù)作用后使擠壓力增大，產(chǎn)生果殼破損[22-23]。為確保工作效率，改進(jìn)脫皮滾筒結(jié)構(gòu)，確保剛度的同時(shí)增加軸向推移力，外滾筒由組合定裝結(jié)構(gòu)改變?yōu)橐惑w式，高度(鋼刷底部與滾筒底部間隙)可調(diào)，外滾筒基本直徑擴(kuò)大，變換柵條排布為橫向結(jié)構(gòu)，內(nèi)置多頭螺旋鋼條，通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)移，初設(shè)外部滾筒直徑300 mm。

基于螺旋輸送原理對(duì)外滾筒進(jìn)行設(shè)計(jì)[24]，結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由端面法蘭、逆向柵條、內(nèi)支撐環(huán)和柵條組成。其中柵條均勻分布在端面法蘭上，兩端面扭轉(zhuǎn)構(gòu)成微螺旋式結(jié)構(gòu)，工作中軸向疏導(dǎo)物料，滾筒內(nèi)側(cè)增設(shè)逆向柵條，提高滾筒剛度并在工作中撥轉(zhuǎn)物料，使物料在滾筒內(nèi)滑行距離變長(zhǎng)，迫使其降速排出，提高果皮分離效果。

對(duì)于開(kāi)放軸流式滾筒，滾筒長(zhǎng)度與脫皮性能密切相關(guān)，隨著滾筒長(zhǎng)度的增加，脫皮效果會(huì)顯著增強(qiáng)，但長(zhǎng)度過(guò)大，巴旦木果實(shí)在完成脫皮后持續(xù)在滾筒內(nèi)空轉(zhuǎn)，增加功耗的同時(shí)易破壞巴旦木果殼。

設(shè)青皮巴旦木進(jìn)入滾筒后青皮未排出，外滾筒長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

(1)

式中，L為柵外滾筒有效長(zhǎng)度(mm)；k為草果比，取0.05；q為喂料速度(kg·h-1)；q0為脫皮滾筒單位長(zhǎng)度所承受的喂入量，其范圍為500～600 kg·h-1·m-1。

1.端面法蘭；2.逆向柵條；3.內(nèi)支撐環(huán)；4.柵條1.End face flange;2.Reverse grid;3.Inner support ring;4.Grid圖6 外滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of external roller

擴(kuò)大喂料速度至600 kg·h-1，代入式(1)計(jì)算可得，柵外滾筒有效長(zhǎng)度L取值范圍為950～1 140 mm，為實(shí)現(xiàn)喂料均勻可靠，螺旋送料器部分區(qū)域穿入外滾筒，結(jié)合工作特點(diǎn)與原機(jī)相比外滾筒軸向長(zhǎng)度由1 120 mm增大至1 325 mm、滾筒內(nèi)直徑由原直徑280 mm調(diào)整至305 mm(不包含逆向柵條)；根據(jù)組合式巴旦木脫青皮機(jī)結(jié)構(gòu)[21]，選用柵條規(guī)格為長(zhǎng)×直徑=1 330 mm×10 mm，外滾筒共布置60 根柵條，由此可得柵條間隙約7 mm，滿足工作需求。

2.3 組合式脫皮轉(zhuǎn)軸

組合式脫皮轉(zhuǎn)軸自喂入處至排料處設(shè)計(jì)為柱狀結(jié)構(gòu)，將脫皮過(guò)程分為喂入段、擠壓破皮段、脫皮排雜段，利用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)分步作業(yè)。

為確保脫皮作業(yè)中青皮巴旦木在滾筒內(nèi)總體呈現(xiàn)層狀分布，測(cè)量喀什地區(qū)主要栽植品種3號(hào)(大巴旦木)外形參數(shù)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)而計(jì)算青皮巴旦木和巴旦木果實(shí)幾何平均直徑[8,25-26]，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，i取x和y，x為青皮巴旦木，y為巴旦木果實(shí)；GMD為幾何平均直徑(mm)；ai為長(zhǎng)(mm)；bi為寬(mm)；ci為厚(mm)。

測(cè)量結(jié)果如下：青皮巴旦木長(zhǎng)度均值為36.5 mm，寬度均值為28.0 mm，厚度均值為22.5 mm；巴旦木果實(shí)長(zhǎng)度均值約為33.5 mm，寬度均值為23.5 mm，厚度均值為15.5 mm。由式(2)計(jì)算可得，青皮巴旦木幾何平均直徑均值為28.5 mm，巴旦木果實(shí)幾何平均直徑均值為23.0 mm。

巴旦木物料參數(shù)決定了工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，由上述測(cè)量結(jié)果確定脫皮鋼刷與外滾筒的間隙為15.5～36.5 mm，為提高機(jī)具工作效率，擬定脫皮鋼刷與外滾筒間隙為30.0 mm，設(shè)組合式脫皮轉(zhuǎn)軸直徑范圍240～250 mm。

2.3.1 螺旋喂料器 螺旋輸送器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、輸送效率高等優(yōu)點(diǎn)[27-28]，喂料處設(shè)計(jì)為螺旋喂料器，螺旋送料器轉(zhuǎn)動(dòng)中將青皮巴旦木進(jìn)行軸向輸送。其主要由外側(cè)板、軸筒、螺旋葉片和內(nèi)側(cè)板組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.外側(cè)板；2.軸筒；3.螺旋葉片；4.內(nèi)側(cè)板1.External plate;2.Beam-barrel;3.Spiral blade;4.Internal plate圖7 螺旋送料器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structural drawing of screw feeder

為確保青皮巴旦木由料斗進(jìn)入后順利在螺旋喂料器和外殼組成的空腔內(nèi)推送至外滾筒，將螺旋葉片設(shè)計(jì)為單頭實(shí)體面。根據(jù)青皮巴旦木結(jié)構(gòu)可得螺旋葉片參數(shù)需滿足：

(3)

式中，p為螺旋葉片螺距(mm)；s為螺旋葉片高度(mm)；axmax為青皮巴旦木長(zhǎng)度最大值(mm)；cxmax為青皮巴旦木厚度最大值(mm)。

為減少青皮巴旦木在輸送中流動(dòng)、提高輸送效率，結(jié)合設(shè)計(jì)螺旋葉片高度s為0.03 m、軸筒直徑為0.24 m、螺距p為0.185 m，則螺旋葉片公稱直徑為0.3 m。工作時(shí)螺旋喂料器轉(zhuǎn)速取決于輸送量和喂入量[29]。

Im=47D2·kz·p·n·ρ·μ≥q

(4)

由式(4)可得螺旋喂料器轉(zhuǎn)速為：

(5)

式中，Im為螺旋輸送速度(t·h-1)；D為螺旋葉片公稱直徑(m)；kz為物料填充系數(shù)，取0.33；n為螺旋喂料器轉(zhuǎn)速(r·min-1)；μ為傾斜輸送修正系數(shù)，取1；ρ為青皮巴旦木堆積密度(t·m-3)；q為喂入速度(t·h-1)。

根據(jù)實(shí)際測(cè)算可知，青皮巴旦木堆積密度ρ為52 kg·m-3；綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)需求和課題組前期研究基礎(chǔ)，喂入速度需大于600 kg·h-1[9,21]，代入式(5)可計(jì)算出螺旋送料器轉(zhuǎn)速為44.68 r·min-1。

2.3.2 破皮輥 外滾筒和破皮輥二者構(gòu)成破皮腔，在工作過(guò)程中，喂料器將青皮巴旦木送至破皮腔，分散于柱面的青皮巴旦木在二者的逆向扭轉(zhuǎn)下擠破青皮，青皮通過(guò)機(jī)械沖擊與果殼松動(dòng)與開(kāi)裂[30]。破皮輥主要由左擋板、軸套、外花紋鋼條、內(nèi)花紋鋼、右擋板、密封環(huán)、軸管、定位圓鋼等組成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

外滾筒通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)在逆向柵條的作用下可提供軸向力，輔助巴旦木在滾筒內(nèi)推移。為增大青皮受力，使其快速開(kāi)裂，內(nèi)、外支撐條鋼選用表面結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的花紋鋼；為加強(qiáng)破皮效果并快速推至鋼刷作用區(qū)域，將破皮裝置設(shè)計(jì)為微錐面結(jié)構(gòu)，同時(shí)外鋼條與外滾筒逆向柵條旋向相反。

為保證內(nèi)、外花紋鋼條充分?jǐn)D壓青皮巴旦木，破皮輥?zhàn)髶醢逯睆铰源笥谟覔醢逯睆絒31]，結(jié)合外滾筒和螺旋送料器結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)左擋板直徑為240 mm、右擋板直徑230 mm。為增大輸送速度、確保工作效率，內(nèi)、外花紋鋼條逆向扭轉(zhuǎn)均布，內(nèi)花紋鋼條軸向長(zhǎng)度200 mm、扭轉(zhuǎn)角度17°，外花紋鋼條軸向長(zhǎng)度160 mm、螺距2 000 mm。根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)脫皮轉(zhuǎn)軸總長(zhǎng)為1 410 mm，其中破皮輥軸向長(zhǎng)度為225 mm。

2.3.3 脫皮鋼刷 經(jīng)破皮輥?zhàn)饔茫嗥こ霈F(xiàn)開(kāi)裂，此時(shí)青皮與果殼粘附力減小，為完成青皮破碎剝離與雜余分離，破皮后采用密集度更高、彈性更好的鋼刷進(jìn)行脫皮。鋼刷單元主要由基板、鋼絲、分層片、阻隔環(huán)、鉚釘?shù)葮?gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖9所示。鋼刷單元沿破皮輥軸管密集壓合，形成柱狀支撐，工作時(shí)在管刷單元隨主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼絲刮擦青皮并帶著巴旦木在繞滾筒中心轉(zhuǎn)動(dòng)，剝離、揉碎的青皮于外滾筒縫隙排出，巴旦木果實(shí)在逆向柵條的作用下向出料口撥轉(zhuǎn)。

1.左擋板；2.軸套；3.外花紋鋼條；4.內(nèi)花紋鋼；5.右擋板；6.密封環(huán)；7.軸管；8.定位圓鋼1.Left baffle plate;2.Axle sleeve;3.External pattern steel bar;4.Internal pattern steel bar;5.Right baffle plate;6.Sealing ring;7.Shaft pipe;8.Positioning round steel圖8 破皮輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structural diagram of skin breaking roller

由脫皮轉(zhuǎn)軸總體結(jié)構(gòu)可知，前端面喂入的青皮巴旦木進(jìn)入破皮后將快速擠壓至鋼刷處，部分青皮掉落后的巴旦木尺寸將縮小。為確保脫凈率，設(shè)計(jì)鋼刷單元最大直徑為245 mm、厚度28～30 mm，分層片壓合長(zhǎng)度為鋼絲總長(zhǎng)一半，則基板直徑為145 mm，脫皮鋼刷單元壓合后厚度27 mm，脫皮轉(zhuǎn)軸共布置脫皮鋼刷單元39 個(gè)。

3 滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)各部件工作的可靠性與作業(yè)效果，于2021年10月在新疆喀什莎車縣國(guó)營(yíng)二林場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

主要試驗(yàn)設(shè)備有帶式提升機(jī)(最大輸送速度2 000 kg·h-1，配變頻器一臺(tái))，電子天平(量程1 000 g，精度0.001 g)、電子秤(量程300 kg，精度0.01 kg)、轉(zhuǎn)速表、冠亞SFY-6鹵素快速水分測(cè)定儀、變頻器、游標(biāo)卡尺、編織袋、保鮮袋、記號(hào)筆等。

1.基板；2.鋼絲；3.分層片；4.阻隔環(huán)；5.鉚釘1.Substrate;2.Steel wire;3.Layered slice;4.Barrier ring;5.Rivet圖9 脫皮鋼刷單元結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structural diagram of peeling steel brush unit

圖10 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.10 Testing site

試驗(yàn)對(duì)象選用‘3號(hào)巴旦木’，人工擊落果樹(shù)向陽(yáng)面果實(shí)收集并裝袋；果實(shí)大小均勻、青皮完整、部分青皮巴旦木青皮沿縫合線開(kāi)裂，袋中含有少量葉片和干果枝。使用冠亞SFY-6鹵素快速水分測(cè)定儀隨機(jī)檢測(cè)其各部分含水率，測(cè)得青皮、果殼、果仁平均含水率分別為77.07%、50.32%、28.32%。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)原巴旦木脫青皮機(jī)與改進(jìn)樣機(jī)調(diào)試結(jié)果，結(jié)合巴旦木物料參數(shù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)后樣機(jī)性能試驗(yàn)[20-21,32]。經(jīng)雙變頻器分別調(diào)節(jié)喂料速度、主軸轉(zhuǎn)速，并逐步改變間隙測(cè)試樣機(jī)工作效果，擬定較優(yōu)工作參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速300 r·min-1、間隙20 mm、喂入速度750 kg·h-1。原巴旦木脫青皮機(jī)作業(yè)參數(shù)取較優(yōu)參數(shù)組合[21]，即螺旋器輸送速度5 m·min-1、脫皮輥與篩筒間隙18 mm，螺旋片升角65°。

以脫凈率、損傷率作為試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算公式如下[21,32]：

η1=m1/m×100%

(6)

η2=m2/m×100%

(7)

式中，η1為脫凈率(%)；η2為破損率(%)；m1為樣品中完全脫皮的巴旦木質(zhì)量(g)；m2為樣品(含碎仁及碎殼)中破損的巴旦木質(zhì)量(g)；m為出料口取樣總質(zhì)量(g)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

共進(jìn)行5次試驗(yàn)，樣機(jī)穩(wěn)定工作后在出料口取樣并進(jìn)行分揀和稱重，根據(jù)式(6)與(7)計(jì)算脫凈率和破損率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，巴旦木脫凈率為96.26%、破損率為2.36%，對(duì)比原巴旦木脫青皮機(jī)脫凈率提升2.10%、破損率降低1.68%。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)滾筒及脫皮轉(zhuǎn)軸后脫皮作業(yè)過(guò)程中柔性脫皮增長(zhǎng)下，多工段逆向揉搓脫皮效果更優(yōu)。

表1 原機(jī)及改進(jìn)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of the test results from the original machine and improved prototype

4 結(jié) 論

1)基于青皮巴旦木和巴旦木果實(shí)物料參數(shù)，改進(jìn)巴旦木脫青皮機(jī)，以層狀分布、分段脫皮工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)，介紹了主要零部件結(jié)構(gòu)與工作原理，確定了各關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。

2)制作了滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)，以主軸轉(zhuǎn)速、間隙、喂入速度為因素進(jìn)行性能試驗(yàn)，測(cè)得改進(jìn)后巴旦木脫青皮機(jī)脫凈率為96.26%、破損率為2.36%，對(duì)比原巴旦木脫青皮機(jī)脫凈率提升2.10%、破損率降低1.68%。

3)相較于原機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)離心揉搓工作改進(jìn)后樣機(jī)采用分層脫皮，應(yīng)用螺旋喂入、剛性擠壓破皮、柔性逆轉(zhuǎn)揉搓脫皮能夠在一定程度上加大青皮剝離作用力，青皮受力增大有利于脫皮。