軟莢豆殼仁自動分離機的研制與開發

馮永剛

（浙江工業職業技術學院，浙江紹興312000）

軟莢豆殼仁自動分離機的研制與開發

馮永剛

（浙江工業職業技術學院，浙江紹興312000）

簡要介紹和分析了軟莢豆類殼仁自動分離機的結構、原理、研究過程以及經濟效益和社會效益，并展望了其使用前景。

分離機，研制，開發

國外早在20世紀60年代初，就著手研制果仁剝殼機具，至80年代初，美國、意大利、法國等已相繼推出了各種果仁分離機。經過數十年的發展，果仁分離機具已日趨成熟。目前，正朝著機電一體化方向和數字控制方向發展。我國的果仁分離機在傳統脫殼設備的基礎上，盡管正在積極研制和開發各種類型脫殼機械，還不能滿足實際需要。其主要原因是在技術上還存在如下問題：a.果仁分離率較低，果仁分離后的果仁破碎率高，損失大；b.通用性差，設備利用率低；c.成本偏高，我國果仁分離機多數是單機制造，制造的工藝水平較低，致使加工果仁的作業成本增加。就浙江省而言，青毛豆是浙江省特色農產品之一，目前年種植面積大約為240千hm2，青毛豆產量達2160千t。由于青毛豆生產的季節性較強，在青毛豆大量上市時貨源充足，價格很低，而在淡季時市場供應又嚴重不足，甚至脫銷，導致毛豆仁價格大幅提高。目前主要通過保鮮、冷藏技術將青毛豆延至淡季銷售。具體的方法有兩種：一種是將青毛豆莢直接入庫冷藏保鮮；另一種是將剝莢后的青毛豆籽經高溫蒸氣等處理后冷藏。前種方法保鮮時間較短，且銷售后還需剝莢，費時費事；第二種方法保鮮時間較長，方便人們食用，且能增加生產、經營者收入，有較好的發展前景，在浙江已經初步形成了一個新興產業。隨著人們生活節奏的不斷加快，市場上對毛豆仁的需求量日益增加。軟莢豆類殼仁分離機的研制與開發正是針對這一狀況而提出的。

1 青毛豆莢物理性狀和豆莢殼仁自動分離機核心技術

1.1 青毛豆莢物理性狀

青毛豆莢為扁長條狀，中間厚，兩頭扁平，大體尺寸是：長30～60mm，寬8～12mm，厚5～7mm；每莢含籽粒1～5個，其中有2～3粒的占80%以上，其豆莢長度在40～50mm；籽粒為長扁鼓形，籽粒在殼內縱向排列，籽粒間有一定間隙，受外界擠壓時會移動；豆莢外殼比較柔韌，兩片莢殼結合力較緊，無一定的外力作用，籽粒不可能脫出；籽粒和莢殼的含水率較高，殼韌籽脆，籽粒易受傷。該物理性狀在研制開發剝殼裝置時，需重點考慮、研究。

1.2 相關豆莢殼仁自動分離技術的分析研究

常見相關機械豆莢殼仁自動分離機的主要方式：一是碾搓剝殼，即借助于表面磨擦力碾搓作用剝殼，剝殼效率高，其要求加工對象含水率較低、籽粒和殼有一定硬度；二是沖擊剝殼，即利用沖擊力使果莢炸裂，籽粒與果莢分離；三是撞擊法，即借助打板或壁面的高速撞擊作用使皮殼變形直至破裂；四是剪切法，即借助銳利面的剪切作用使殼破碎，以上幾種方式都要求籽粒表面較硬，不易破碎。根據青毛豆莢的物理性狀，顯然上述設備不能滿足，需另辟途徑。

1.3 核心技術

借助于表面磨擦力的碾搓作用對青毛豆莢進行擠壓剝殼技術是本項目的核心技術。而雙軸輥裝置為剝殼機的核心裝置，如圖1。其工作原理是：先將已經分類的長條狀青毛豆莢或軟殼的豆類倒入振動床身，經振動電機作用，其在振動床身上整齊排列，并縱向輸送到鐵芯橡膠雙軸輥（見圖2），對向轉動的鐵芯橡膠軸輥和雷司軋輥首先將毛豆莢扁平的一端夾持，兩軸輥轉動，在磨擦力作用下毛豆莢通過軸輥向前移動，由于鐵芯橡膠軸輥和雷司軋輥間隙較小，豆莢中間厚鼓部分難以通過，莢中籽粒受到鐵芯橡膠軸輥的擠壓，與莢殼產生相對運動，向后滑移，向后移動的籽粒，將莢殼撐開。為了防止鐵芯橡膠軸輥與毛豆莢之間打滑，也為了防止鐵芯橡膠軸輥由此而壓碎籽粒，這時，首先進入鐵芯橡膠軸輥的毛豆被轉動的鐵軸輥夾持，使毛豆莢順利被拉出果仁分離機構，籽粒脫離莢殼，實現去殼脫粒。這時莢殼在雙軸輥的前側，籽粒在后側，達到了粒、殼分開、分置。

圖1 雙軸輥裝置

圖2 鐵芯橡膠雙軸輥

2 整體方案和部件設計

2.1 整體方案設計、布置

本機械以臺桌形式設計布置。在對軟莢豆類殼仁分離核心技術、部件設計完成后，其它工作部件的設計、布局圍繞軟莢豆殼仁自動作業生產工藝展開，設計上注重簡單、高效、緊湊和可靠。用機架支撐的工作臺面，主要支撐電機與控制系統、軟莢豆類的導向送料及殼仁分離機構的安置，導向送料機構其一端連接喂料斗，另一端銜接剝殼軸輥機構，主電動機布置在機架前下端，傳動機構在機架兩側分置，物料輸送電機變速器在工作臺下方，各控制按鈕、開關集中在機架一側，便于使用者操作。軟莢豆類殼仁自動分離機主要部件有：一對鐵芯橡膠軸輥和一對鐵軸輥所組成的軟莢豆殼仁分離機構、電機、變速傳動機構、物料輸送機構、軸輥清洗機構、機架等。軟莢豆殼仁分離機性能技術指標見表1。

表1 豆莢殼仁自動分離機性能技術指標

2.2 雙軸輥軟莢豆類殼仁自動分離機構

為適應不同成熟程度、不同飽滿程度、不同個體大小的軟莢豆類仁殼分離的作業要求，經多次實驗、改進，并增設輔助機構，形成了目前的四軸輥殼仁分離機構。同時為了適應從田地里直接采摘下來的軟莢類仁殼分離或經高溫蒸氣后的軟莢類仁殼分離，我們將首先與軟莢類接觸的那一對鐵制軸輥設計成鐵芯橡膠軸輥。把以前的軸輥對軟莢豆類夾持由以前的硬性夾持設計成柔性夾持，同時也增加了夾持和磨擦力，使殼仁分離效果明顯改善：剝凈率由起初30%提高到92%，籽粒破碎率由30%下降到4%以下，機構的適應性、穩定性、可靠性明顯增強。

該機構的特點是：殼仁分離雙輥由嚙合齒輪同步等速驅動，效率高、工作平穩；雙輥表面滾花，夾持附著力大大增強；軋輥間隙可通過調整分體式滑動軸承座位置實現，滿足了不同厚度毛豆莢對殼仁分離間隙的要求，在送料機構至仁殼分離軋輥間增設一組橡膠軸輥，起著穩定夾持、送料，加速、加力，便于兩片莢殼分離的作用；同時也在很大程度上減少了仁的破碎率。

2.3 電機的選用

按照每小時150～200kg軟莢類分離加工能力，其動力配置經理論計算及生產實驗測試，確定主電機功率為0.75kW；同時考慮到因不同的軟莢類物理性狀差異，可能導致豆莢殼仁分離難易程度有所不同，因而殼仁分離軸輥需要有不同的轉速。

為此，本著簡化減速機構設計，降低成本的宗旨，我們選用的變速機構是行星轉臂磨擦式MBW07 -Y-C無級變速機。送料機構動力選用兩只ZDS11 -4振動電機。主副電機分置，單獨驅動，分別操作、控制，提高了豆莢殼仁自動分離機的可靠性。

2.4 傳動機構

傳動方式：皮帶傳動和齒輪傳動；殼仁分離機構傳動路線：電機→無級變速器→皮帶傳動→鐵芯橡膠軸輥→齒輪→剝殼軸輥；傳動比：一級皮帶傳動比為80∶250，橡膠軸輥與殼仁分離軸輥的傳動比為13∶8，軋輥轉速40～200r/min。

2.5 物料輸送機構

物料輸送機構采用導向槽加振動的方式設計。導向槽可基本保證青毛豆莢以垂直或近似垂直于軸輥軸心線的方式首先進入鐵芯橡膠軸輥。通過對自由振動、簡諧振動、沖擊強迫振動等三種振動方式的比較實驗，本項目設計選擇了沖擊強迫振動方式，該方式能較好地實現物料在工作臺上的水平移動。同時，我們將振動電機機架設計成與工作臺面間成一定傾角。這樣，工作臺在振動電機的作用下，實現有規則的往復運動，青毛豆莢在工作臺上是以蛙式前移，從而均勻地進入籽殼分離機構。

為克服振動式送料機構和底座機架間相互影響，在兩者間安裝了四只避振彈簧；工作臺前端與橡膠軋輥之間間隙為3～5mm，為避免兩者發生相互碰撞，避振彈簧具有足夠的側向阻尼系數。

2.6 軸輥清洗機構

軟莢豆類含水率高，莢內籽粒外層包有絨衣，剝殼機工作一段時間后，剝殼軸輥滾花凹紋中會嵌滿雜物，表面變得光滑，減少了對軟莢豆類的附著力，降低了剝凈率。我們實驗過幾種不同方法（如排刷、滾動刷等），最后確定采用低壓水力沖洗，不但能保持剝殼軋輥清潔狀態，而且也使得籽粒干凈。

3 效率和效益分析

3.1 人工、機器效率比較

人工長時間剝殼勞動強度很大，每小時大約能剝5kg，而青毛豆剝殼機每小時加工能力為200kg，約為人工剝殼的40倍。

3.2 機器剝殼加工經濟效益

設備每小時加工能力為150～200kg，如一天工作8h左右，其可加工軟莢豆類1200～1600kg，按每公斤加工費0.4元計算，一天可獲加工費480～640元。

3.3 成本回收期

剝殼機批量生產后，價格為8000元/臺。如每天的平均加工費為500元，一般16d左右即可收回成本。

4 結束語

本設備在眾多有剝殼技術的基礎上針對軟莢豆類的物性進行改進，不但可以對從田地里直接采摘的青毛豆進行剝殼，而且又增加了對經高溫蒸氣后軟莢豆類的殼仁分離，提高了設備的利用率。但對于經高溫蒸氣后軟莢豆類的分離，由于莢表面的一層絨與莢本身易產生相對滑動，在一定程度上降低了殼仁自動分離的效率，有待在以后改制中加以進一步地改進。

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［3］章偉萍，魏新民.青毛豆剝殼機［J］.農村電機，2008（9）：42.

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Research and development of soft shell bean pod kernel automatic separator

FENG Yong-gang
（Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing 312000，China）

The composition，principle，research process and the economic benefits and social benefits ofthe automatic separator of soft pods were briefly introduced and analyzed.And the future of the application prospect was also predicted.

separate machine；research；development

TS203

A

1002-0306（2011）02-0277-03

2010-11-25

馮永剛（1970-），男，實驗師，高級技師，主要從事機電專業理論研究和實驗、實踐指導及社會培訓工作。