塊根塊莖類果蔬連續(xù)削皮機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳曉媚，何亞凱，劉毅君，程躍勝，王文杰，王世光，呂黃珍

（1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 農(nóng)產(chǎn)品加工裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國包裝和食品機(jī)械有限公司，北京 100083）

0 引言

馬鈴薯、紅薯等塊根塊莖類果蔬去皮加工技術(shù)效率低［1］、耗能高，缺少清洗、去皮、切制、包裝成套設(shè)備，不滿足我國凈菜市場和后序產(chǎn)品加工需求［2］。研究塊根塊莖類果蔬去皮技術(shù)，研制相關(guān)設(shè)備，對(duì)促進(jìn)塊根塊莖類果蔬產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

BO 等［3］設(shè)計(jì)一種干式削皮機(jī)，采用2 個(gè)并排帶有削皮孔的滾筒，物料與削皮孔相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)削皮，去皮率83%，果肉損失率5.38%；Sormac 公司的一款臥桶式連續(xù)削皮機(jī)［4］，內(nèi)設(shè)2 個(gè)表面裝有切削刀片和凸塊的削皮滾筒，滾筒自轉(zhuǎn)，物料跟隨輸料螺旋在滾筒上前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)削皮全程自動(dòng)化；俞國紅等［5］分析甘薯削皮過程和影響削皮效果的工作參數(shù)，設(shè)計(jì)一種柔性自適應(yīng)仿形削皮機(jī)構(gòu)，工作效率為360 個(gè)/h，削皮均勻性較好；高增法［6］設(shè)計(jì)一種芋頭摩擦去皮設(shè)備，芋頭表皮與游離磨塊、滾筒內(nèi)表面、滾筒軸外表面摩擦，達(dá)到芋頭去皮的目的，平均去皮率可達(dá)90%，但效率低；寧夏薯味仙公司設(shè)計(jì)一種立桶式間歇削皮設(shè)備［7］，內(nèi)設(shè)一個(gè)內(nèi)壁由多個(gè)削皮板拼接而成的立式滾筒，工作時(shí)物料在底部撥盤作用下和內(nèi)壁形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)削皮；孟慶書等［8］設(shè)計(jì)一種馬鈴薯連續(xù)式滾刷摩擦去皮機(jī)，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯連續(xù)去皮，平均去皮率80.93%。國外塊根塊莖類果蔬去皮技術(shù)成熟，設(shè)備多樣，已實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化；而國內(nèi)還未實(shí)現(xiàn)連續(xù)大批量生產(chǎn)和自動(dòng)化生產(chǎn)，削皮效果也有待提高。

針對(duì)國內(nèi)削皮機(jī)自動(dòng)化程度低、削皮效果差的問題，研究刀盤轉(zhuǎn)速、刮板速度和撥料塊高度等因素對(duì)塊根塊莖類果蔬削皮效果的影響，設(shè)計(jì)一種塊根塊莖類物料連續(xù)削皮設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)高去皮干凈率、低去皮損失率的削皮效果。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

塊根塊莖類連續(xù)削皮機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 連續(xù)削皮機(jī)Fig.1 Continuous peeling machine

塊根塊莖類果蔬如馬鈴薯，從進(jìn)料槽定時(shí)定量進(jìn)入連續(xù)削皮機(jī)，在推料板和擋料板作用下翻滾前進(jìn)，經(jīng)過組合刀盤進(jìn)行削皮，從出料口離開。噴淋嘴將自來水均勻噴淋在馬鈴薯上，進(jìn)行清洗并減少氧化，削下的馬鈴薯皮和廢水在皮渣帶被分離，馬鈴薯皮被皮渣帶帶出，廢水經(jīng)廢液收集箱排除。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 定時(shí)進(jìn)料機(jī)構(gòu)

定時(shí)進(jìn)料機(jī)構(gòu)如圖2 所示。工作時(shí)，傳感器控制電機(jī)定時(shí)開關(guān)。電機(jī)開啟，帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)進(jìn)料槽逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至最高點(diǎn)；電機(jī)關(guān)閉，物料進(jìn)入削皮區(qū)域；電機(jī)開啟，曲柄連桿機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)進(jìn)料槽回位；電機(jī)關(guān)閉。通過控制定時(shí)進(jìn)料機(jī)構(gòu)間歇時(shí)間可實(shí)現(xiàn)單次進(jìn)料質(zhì)量（裝載量），即相鄰刮板間物料質(zhì)量。

圖2 定時(shí)進(jìn)料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of timed feeding mechanism

為保證實(shí)現(xiàn)定時(shí)進(jìn)料工作，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡化如圖3 所示。

圖3 進(jìn)料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析Fig.3 Motion analysis of feeding mechanism

AB1C1D 位置時(shí)，活動(dòng)進(jìn)料槽位于最低處，進(jìn)料口關(guān)閉；AB2C2D 位置時(shí)，活動(dòng)進(jìn)料槽位于最高處，進(jìn)料口開啟；AB3C3D 和AB4C4D 位置時(shí)，AB 與AD 共線，出現(xiàn)最小傳動(dòng)角。

選取行程速比系數(shù)K=1.25［9］，lAB=a=100 mm，lCD=c=450 mm，擺角φ=30 °，根據(jù)下式［10］：

計(jì)算得出θ =36°，lBC=b ≈218 mm，lAD=d ≈269 mm，γ=68.22 °。驗(yàn)證機(jī)構(gòu)滿足桿長條件、傳動(dòng)要求、運(yùn)動(dòng)連貫性要求，即：

2.2 輸送機(jī)構(gòu)

刮板輸送機(jī)構(gòu)如圖4 所示。工作時(shí)，推料板和擋料板逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推料板和擋料板中間物料的定量輸送。推料板和擋料板將不同削皮階段物料分隔開，推動(dòng)物料在組合刀盤上前進(jìn)，減少物料間的擠壓，降低破損率。通過控制電機(jī)頻率調(diào)整刮板速度，滿足削皮時(shí)間調(diào)控要求。

圖4 刮板輸送機(jī)構(gòu)Fig.4 Scraper conveyor

擋料板與推料板間隔過大，物料堆積不均勻；間隔過小，物料無法翻轉(zhuǎn)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，選取間隔為300 mm。根據(jù)物料實(shí)際彈起高度，選取刮板高度為250 mm。

2.3 削皮機(jī)構(gòu)

削皮機(jī)構(gòu)如圖5 所示。4 個(gè)可調(diào)節(jié)的球形撥料塊隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物料在推料板與擋料板間翻轉(zhuǎn)，在推料板作用下推動(dòng)物料經(jīng)過直排式刀盤，完成削皮工作。每個(gè)刀盤對(duì)應(yīng)有獨(dú)立電機(jī)，調(diào)整電機(jī)頻率可實(shí)現(xiàn)在削皮過程分段分區(qū)獨(dú)立控制刀盤轉(zhuǎn)速，提升對(duì)不同物料皮厚的適應(yīng)性。

圖5 削皮機(jī)構(gòu)Fig.5 Peeling mechanism

刀片結(jié)構(gòu)如圖6 所示。刀片通過緊固螺釘連接在刀盤上，調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘可調(diào)整削皮厚度a，即刀片刃口到刀盤表面的距離。工作時(shí)，刀片隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，與物料產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)削皮動(dòng)作；物料下端受到向左的力，發(fā)生翻轉(zhuǎn)進(jìn)入下一個(gè)刀片削皮過程。根據(jù)刀盤直徑和厚度大小，選取刀片長度135 mm，寬度18 mm，厚度3 mm。刀具刃角越小，切削質(zhì)量越好，但容易出現(xiàn)卷刃現(xiàn)象［11］?？紤]刀盤高速運(yùn)轉(zhuǎn)，選取刀具刃角為25 °。

圖6 刀片結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of blades

撥料塊結(jié)構(gòu)如圖7 所示。撥料塊螺紋連接在刀盤上，通過更換不同規(guī)格的撥料塊可實(shí)現(xiàn)撥料塊高度b 的調(diào)整。

圖7 撥料塊結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of pulling block

工作時(shí)，物料與撥料塊碰撞，受到A 點(diǎn)沿刀盤切線方向的力F2，沿?fù)芰蠅K法線方向的力F1，重力G。將F1分解如圖8 所示。

圖8 物料與撥料塊碰撞受力分析Fig.8 Analysis of the force for the collision between the material and the shifting block

受力分析見下式：

物料受到斜向上的合力，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，使削皮更均勻，減少重復(fù)削皮。撥料塊高度過大，撞擊嚴(yán)重，易產(chǎn)生撞擊損傷；撥料塊高度過小，翻轉(zhuǎn)效果不明顯。故選用5，8，12 mm 高度的撥料塊。

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 材料與試驗(yàn)裝備

采用中薯5 號(hào)馬鈴薯（樣本重量150～350 g）和龍薯9 號(hào)紅薯（樣本重量400～750 g）為試驗(yàn)物料，在削皮設(shè)備樣機(jī)上進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)用器材包括電子秤（稱量范圍0.01～5 000 g，0.05～30 kg），游標(biāo)卡尺（精度0.02 mm）、直尺、生料帶、剪刀和小刀等。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2.1 去皮干凈率

去皮干凈率定義為去皮面積占總面積的百分比［12］。隨機(jī)選取5 個(gè)馬鈴薯，測量計(jì)算馬鈴薯表面積和剩余表皮面積，計(jì)算去皮干凈率，求平均值。去皮干凈率用Y1表示：

式中 Si1——第i 個(gè)馬鈴薯剩余表皮面積；

Si2——第i 個(gè)馬鈴薯表面積。

單個(gè)馬鈴薯表面積與剩余表皮面積測量方法如圖9 所示。用生料帶纏繞馬鈴薯，測量生料帶面積，馬鈴薯表面積等于生料帶面積。將剩余表皮削下，湊成近似長方形，測量剩余表皮面積。

圖9 馬鈴薯表面積與剩余表皮面積測量Fig 9 Measurement of potato surface area and residual skin area

3.2.2 去皮損失率

去皮損失率定義為每次試驗(yàn)削除的馬鈴薯質(zhì)量與削皮前馬鈴薯總質(zhì)量的比值，用Y2表示［13］：

式中 m1——去皮后馬鈴薯總質(zhì)量；

m2——去皮前馬鈴薯總質(zhì)量。

3.2.3 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)市場實(shí)際生產(chǎn)需求，去皮干凈率＞95%，去皮損失率＜20%。

3.3 試驗(yàn)方法

3.3.1 單因素試驗(yàn)

影響馬鈴薯削皮效果的因素有刀盤轉(zhuǎn)速、刮板速度、削皮厚度、撥料塊高度和裝載量等，全部設(shè)定為影響因素，每組試驗(yàn)僅調(diào)整單個(gè)因素，通過控制系統(tǒng)和更換零部件調(diào)整參數(shù)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平如表1 所示。

表1 單因素試驗(yàn)因素水平Tab.1 Single factor test factors and levels

3.3.2 多因素正交試驗(yàn)方案

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)以刀盤轉(zhuǎn)速、刮板速度和撥料塊高度為影響因素，以去皮干凈率、去皮損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在削皮厚度為0.5 mm、裝載量為15 kg 條件下，每個(gè)因素選取3 個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表2 所示。以馬鈴薯和紅薯為試驗(yàn)物料，進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，判斷各個(gè)因素對(duì)性能指標(biāo)的影響主次，最終確定馬鈴薯削皮裝置的最優(yōu)參數(shù)組合［14-15］。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Tab.2 Orthogonal test factors and levels

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

單因素試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 單因素試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Single factor test results

刀盤轉(zhuǎn)速為280～373 r/min 時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速慢，物料翻轉(zhuǎn)不夠，與刀片接觸少，去皮干凈率增加明顯，去皮損失率略有增加；刀盤轉(zhuǎn)速為373～467 r/min 時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速快，刀片削皮次數(shù)增加，出現(xiàn)重復(fù)削皮現(xiàn)象，去皮損失率增加。刀盤轉(zhuǎn)速為373～467 r/min 時(shí)，削皮效果較好。

刮板速度為0.014～0.017 5 m/s 時(shí)，刮板對(duì)物料翻轉(zhuǎn)作用增強(qiáng)，削皮均勻性增大，去皮干凈率增加，去皮損失率降低；刮板速度為0.017 5～0.021 m/s 時(shí)，刮板速度過快，物料在刀盤上停留時(shí)間減小，去皮干凈率減小，去皮損失率降低。

撥料塊高度為5～8 mm 時(shí)，物料翻轉(zhuǎn)增加，物料表面與刀盤接觸更均勻，接觸次數(shù)減少，去皮干凈率增加，去皮損失率減?。粨芰蠅K高度為8～12 mm 時(shí)，物料蹦跳頻繁，物料表面與刀盤接觸次數(shù)更少，去皮干凈率降低，去皮損失率減小。

削皮厚度為0.5 mm 時(shí)，削皮效果較好；削皮厚度為0.8 mm 時(shí)，在削皮階段出現(xiàn)過度削皮現(xiàn)象，物料果肉損失嚴(yán)重，去皮損失率增加明顯。

裝載量為15～20 kg 時(shí)，推料板和擋料板間物料增加，物料與刀盤接觸不均勻，去皮干凈率降低明顯，去皮損失率增加；裝載量為25 kg 時(shí)，物料過多，部分物料翻轉(zhuǎn)出試驗(yàn)區(qū)間，實(shí)際裝載量減小，去皮損失率降低。故裝載量為15 kg 時(shí)削皮效果較好。

3.4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)市場作業(yè)需求，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)處理［16］，對(duì)去皮干凈率和去皮損失率分別賦予權(quán)重如下：

式中 W1——去皮干凈率的權(quán)重；

W2——去皮損失率的權(quán)重；

P1—— 市場作業(yè)需求去皮干凈率臨界值，數(shù)值為95%；

P2—— 市場作業(yè)需求去皮損失率臨界值，數(shù)值為20%。

計(jì)算解得W1=0.543，W2=0.457，則：

式中 yi——第i 個(gè)試驗(yàn)加權(quán)評(píng)價(jià)指標(biāo)；

yi1——第i 個(gè)試驗(yàn)中去皮干凈率；

yi2——第i 個(gè)試驗(yàn)中去皮損失率。

正交試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Orthogonal test scheme and results

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析［17-19］，見表5。撥料塊高度對(duì)馬鈴薯加權(quán)指標(biāo)影響顯著，其他影響均不顯著，各試驗(yàn)因素對(duì)馬鈴薯去皮干凈率的影響為B＞C＞A，對(duì)馬鈴薯去皮損失率的影響為C＞B＞A，對(duì)馬鈴薯加權(quán)指標(biāo)的影響為C＞B＞A；對(duì)紅薯去皮干凈率的影響為C＞B＞A，對(duì)紅薯去皮損失率的影響為C＞B＞A，對(duì)紅薯加權(quán)指標(biāo)的影響為A＞C＞B。

馬鈴薯最優(yōu)參數(shù)組合為A2B2C2，即刀盤轉(zhuǎn)速420 r/min，刮板速度0.017 5 m/s，撥料塊高度8 mm，去皮干凈率平均值為95.49%，去皮損失率平均值為15.77%；紅薯最優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C2，即刀盤轉(zhuǎn)速373 r/min，刮板速度0.021 m/s，撥料塊高度8 mm。

3.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)過方差分析得出，紅薯削皮最優(yōu)參數(shù)組合不在正交試驗(yàn)方案內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)［20-21］。在最優(yōu)參數(shù)組合下對(duì)龍薯9 號(hào)紅薯進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)［22-24］。試驗(yàn)結(jié)果見表6。最優(yōu)參數(shù)組合下紅薯去皮干凈率平均值為96.18%，去皮損失率平均值為10.35%，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Validation test results %

4 結(jié)語

（1）研制一種塊根塊莖物料連續(xù)削皮設(shè)備，進(jìn)行定時(shí)進(jìn)料機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)和削皮機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)。

（2）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定刀盤轉(zhuǎn)速、刮板速度、削皮厚度、撥料塊高度和裝載量對(duì)去皮干凈率和損失率的影響。

（3）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)馬鈴薯綜合削皮質(zhì)量影響主次順序?yàn)閾芰蠅K高度、刮板速度、刀盤轉(zhuǎn)速；對(duì)紅薯綜合削皮質(zhì)量影響主次順序?yàn)榈侗P轉(zhuǎn)速、撥料塊高度、刮板速度。

（4）馬鈴薯最優(yōu)參數(shù)組合為刀盤轉(zhuǎn)速420 r/min，刮板速度0.017 5 m/s，撥料塊高度8 mm，此時(shí)馬鈴薯去皮干凈率為95.59%，去皮損失率為15.77%；紅薯最優(yōu)參數(shù)組合為刀盤轉(zhuǎn)速373 r/min，刮板速度0.021 m/s，撥料塊高度8 mm，此時(shí)紅薯去皮干凈率為96.18%，去皮損失率為10.35%。符合削皮市場要求。