番茄醬生產線自動除雜選果裝置的研制及試驗

劉智勇 楊嘉鵬 劉俊霞 王曉輝 劉 文 袁 勇 孫天龍 海 玲

（新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830091）

中國是世界第一大番茄制品出口國，新疆番茄醬出口占中國的近七成，占國際貿易量的30%左右。番茄產業作為新疆“紅色產業”的龍頭，已成為新疆農產品的出口創匯型支柱產 業［1］。 據 統 計［2］，2013 年 累 計 收 購 工 業 番 茄 原 料383.71萬t，生產出番茄醬共計49.45萬t，番茄醬產量較前一年增加了5.93萬t，增長13.62%。截至2013年底，新疆共有110家生產企業，生產能力超過145萬t。由于目前番茄采摘逐步機械化［3］，故采摘后的物料中混雜的雜草、莖蔓、地膜、滴灌管等雜質較多。據筆者于2014年在中糧屯河新疆吉木薩爾番茄制品廠調查，目前番茄原料中雜質率達到了2%～6%，這些問題不僅容易造成阻塞、纏繞等問題，進而造成機器故障、損壞，乃至需要停運檢修，既耗費了大量人力，造成成本上升，還嚴重影響了番茄醬的品質［4］。

目前，番茄醬廠主要依靠大量人力撿拾來清除雜質，不僅費時費工，撿拾效果也因人而異，而且食品衛生也難以得到保障。現也有一些除雜裝置的研究［5］，如利用CCD傳感器辯色［6］，PLC控制氣動彈片除雜的色選儀［7］，但價格昂貴，且只對青果除雜有效，對其他非果類雜質除雜效果不好。針對番茄醬生產線中存在的這些問題，開發了一套自動除雜選果裝置。該設備采用純力學原理，利用簡單的傳送帶裝置，配合自動控制系統來實現，并且該裝置便于與其他裝置配合使用。

1 基本結構及工作原理

1.1 基本結構

該除雜選果裝置（圖1）主要由支架、滾筒、防滑花紋傳送帶、側擋板、擋雜板、電動機、減速機、光電傳感器［8］及自控系統構成。各部件的主要功能包括：電動機通過減速機拖動滾筒以一定速率轉動，帶動防滑花紋傳送帶以一定速度向上做輸送運動，防滑花紋傳送帶表面有柔性梳齒結構，梳齒高2cm，梳齒間距15cm。當含雜質的番茄原料由提升機或流送槽輸送落在傳送帶表面時，果料與雜質由于受力情況的明顯差別而自動分離。擋雜板阻擋由傳送帶上端落下的雜質以收集。并可以刮落粘附在帶上的雜質。側擋板緊貼傳送帶兩側防止原料側漏，支架支持該裝置，一側可以升降以調整帶面傾角。其他如光電傳感器［9］主要作用是配合PLC自動控制［10，11］傳送帶啟停、調速及調整帶面傾角。

1.2 工作原理

番茄醬生產線自動除雜選果裝置主要是利用落在斜面上不同形狀的物體因受合外力情況的差異，使得物料發生滾動或滑動的臨界角度不同的原理（圖1），將物料傾倒在傾斜適當角度且摩擦系數很高的防滑花紋傳送帶上，番茄果料類似球體，帶面傾角角度大于其滾動臨界角度因此可以滾動，非果類雜質一般為條塊狀，帶面傾角角度小于其滾動或滑動臨界角度所以難以向下滾動或滑動。這樣當含雜質果料落在向上傳動的有一定向傾角防滑花紋傳送帶上的類球形果料與非果類雜質在帶面上受力的明顯差別導致類球形果料與非果類雜質運動方向相反，果料沿帶面向下滾落，雜質隨傳送帶向上運動由高端墜落從而實現除雜選果目的，具體的工作流程為：

（1）過程一：所述番茄醬生產線自動除雜選果裝置工作時防滑花紋傳送帶以一定傾角（15°～45°可調）緩速（7～10m/min可調）沿帶面向高端傳動；

（2）過程二：含雜質原料由其他設備（流送槽或刮板提升機）輸送，使其落在防滑花紋傳送帶中上部；

（3）過程三：類球形果料落在防滑花紋傳送帶上后受到的重力使果料向下滾動的分力遠大于其受到的帶面滾動摩擦阻力，果料沿防滑花紋傳送帶帶面滾下的速度幾乎與傳送帶滾動摩擦力力阻無關，果料向下滾動的速度遠大于傳送帶帶面速度，因此果料在重力作用下沿傾斜帶面向下滾動，從傳送帶低端滾落進入下一級流送槽或料池；

圖1 番茄醬生產線自動除雜選果裝置工作原理圖Figure 1 Theory diagram of auto－removing impurities and choice fruits device for tomato ketchup production line

（4）過程四：同時落在防滑花紋傳送帶上的各類雜質（雜草、莖蔓、皮葉、地膜、滴灌管及爛損果料等）形狀基本為扁長狀因而較難滾動，其所受防滑花紋傳送帶帶面滑動摩擦阻力遠遠大于重力沿帶面向下的分力，在帶面滑動摩擦阻力及梳齒阻力作用下難以向下運動，因而各類雜質隨傳送帶向上運動并從高端掉落，由擋雜板收集；且擋雜板上端緊貼傳送帶下面有利于部分粘附雜質剝離帶面。

（5）過程五：果料向下由傳送帶低端滾落，各類非果料雜質隨帶面向上運動由傳送帶高端掉落，從而實現類球形果料和非果類雜質分離，完成除雜選果工作。

（6）過程六：利用光電門配合單片機或PLC實現自動啟停，調速，調帶面傾角控制。如當落在帶面的原料量大時，為防止原料堆積，可加大傾角同時提高帶速。

1.3 力學分析

1.3.1 番茄在傳送帶上的受力分析 如圖2所示將番茄等效為一個球體，球體在重力G作用下，有一個使其向下滾動的分力Ff，同時受到阻礙其滾動滾動摩擦力f。番茄醬加工中番茄是在水中流送的，相當于有一定的潤滑劑，此時番茄與花紋傳送帶的滾動摩擦系數概值［12］μ＝0.01～0.06，本試驗取0.04，設番茄為質量m＝0.1kg，平均半徑r＝2.5cm，g＝9.8N/kg。

圖2 番茄受力分析圖Figure 2 Force analysis diagram of tomato

（1）當θ＝15°時，則重力沿帶面向下的分力：

Ff＝G×sin 15°＝0.1×9.8×0.26＝0.255N

滾動摩擦定律的經驗公式：

滾動摩擦力：

因Ff＞f，所以番茄沿帶面以一定加速度滾落。

（2）當θ＝30°時，則重力沿帶面向下的分力：

Ff＝G×sin 30°＝0.1×9.8×0.5＝0.49N

根據式（1）滾動摩擦力：

因Ff＞f，所以番茄沿帶面以一定加速度滾落。

理論計算中只要θ＞1°就滿足Ff＞f，番茄就可滾落，但考慮到實際生產線上番茄原料輸送量大，需要番茄具有一定滾動速度才能滿足生產需要，因此，試驗中工作角度從10°開始進行。

1.3.2 雜質在傳送帶上的受力分析 如圖3所示將雜質按其所占空間等效為一個扁平長方體，球體在重力G′作用下，有一個沿帶面向下的分力F′f，同時受到靜摩擦力f′。雜質與花紋傳送帶的滑動摩擦系數概值μ＝1～4［13］，本試驗取2，設雜質質量m＝0.05kg。

圖3 雜質受力分析圖Figure 3 Force analysis diagram of impurities

（1）當θ＝30°時，則重力沿帶面向下的分力F′f＝G′×sin 30°＝0.05×9.8×0.5＝0.25N，靜摩擦力f′＝F′N×μ＝G′×cos 30°×2＝0.05×9.8×0.866×2＝0.47N，因f′＞F′f，所以雜質隨帶面向上運動并由高端掉落。

（2）當θ＝45°時，則重力沿帶面向下的分力F′f＝G′×sin 45°＝0.05×9.8×0.707＝0.343N，靜摩擦力f′＝F′N×μ＝G′×cos 45°×2＝0.05×9.8×0.707×2＝0.69N，因f′＞F′f，所以雜質不能滑下而隨帶面向上運動。

理論計算中只要θ＜60°就滿足f′＞F′f，雜質就可隨帶面向上運動，但考慮到當傳送帶傾角接近60°后有部分雜質開始與番茄原料一起滾落，影響除雜效果，因此，試驗中工作角度到60°結束。

1.4 試驗方法與步驟

將5kg的番茄原料與0.5kg的典型雜質混合（如：塊狀雜質包括玉米芯、植物根莖塊、爛損番茄等；條狀雜質包括雜草、莖蔓、地膜、滴灌管），試驗角度設定為10°～60°，角度增量為5°，每個角度測試5次取平均值。每次設定好傳送帶帶面傾角后開動樣機，傳送帶以7～10m/min的帶速向高端運行。模擬刮板提升機［14］向帶面傾倒含雜質原料，以番茄沿傳送帶滾下到傳送帶低端掉落為果料選出；以番茄隨傳送帶向上運動并由高端掉落為果料漏選；以雜質隨傳送帶向上運動并由高端掉落為雜質選出；以雜質沿傳送帶滾下到傳送帶低端掉落為雜質漏選。觀察試驗結果，記錄試驗數據計算選出率并分析。

2 試驗結果分析

由表1可知：

（1）該機在10°～60°的工作范圍內除雜率和選果率均在90%以上。

（2）該機在10°～60°的工作范圍內對條狀雜質的除雜率幾乎全在100%。只有在超過55°時少量條狀雜質成團滾下，使除雜率稍有下降。而條狀雜質是造成生產線上設備發生阻塞，纏繞等問題而造成機器故障、損壞乃至需要停運檢修的主要因素。

（3）該機在傾角低于20°時，會有少量番茄原料漏選。而在30°～60°的工作范圍內所有番茄原料均能滾下，果料選出率達100%。

表1 防滑花紋傳送帶式番茄醬生產線自動除雜選果裝置樣機測試數據表Table 1 Experimental data of auto－removing impurities and choice fruits device for tomato ketchup production line

（4）該機在10°～35°的工作范圍內塊狀雜質選出率均為100%。而在40°～60°的工作范圍內塊狀雜質選出率有所下降。

通過試驗觀察和數據分析，除雜選果機工作角度在25°～45°時，選果率和除雜率均很高，且番茄果料滾落速度快，適合連續處理大量含雜質原料，為最佳工作角度范圍。測試中梳齒在工作角度較大時阻擋雜質效果明顯。理論上使用平面傳送帶也能達到理想的除雜選果效果，但除雜率略低、最佳工作角度范圍較窄。

3 結論

番茄醬生產線自動除雜選果裝置幾乎可以達到100%的果料與非果料雜質的分離，具有性能穩定、自動分選強、除雜面廣、除雜率高、吞吐量大、結構簡單、造價低等優點，并易于在現有生產線中改造加裝并能與色選儀等其他設備很好配合等特點。不僅可有效提高番茄醬生產過程自動化水平、節約人力資源并降低人工成本，而且有利于提高番茄加工廠的番茄醬的質量和經濟效益。因此其應用前景廣闊。同樣，該裝置也可用于其他果醬生產及食品加工的自動除雜，如核桃脫青殼后核桃與核桃青殼［15］的分離等。

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11 唐立平.氣動物流輸送及分揀系統的PLC控制［J］.液壓與氣動，2010（7）：54～56.

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13 C基特爾.伯克利物理學教程·第1卷：力學［M］.北京：機械工業出版社，2014.

14 侯慧波，張春玲，蔣永衡.新疆番茄醬的加工工藝及品質控制［J］.農產品加工（學刊），2010（11）：55～57.

15 劉西寧，程明.6TXH－3600型青核桃脫皮清洗機的研制［J］.新疆農機化，2012（1）：23～24.