小型鮮蓮子剝殼機的設計與試驗

朱亨銀，何金成，方文熙，葉大鵬，梁詩華

（福建農林大學機電工程學院，福州350002）

小型鮮蓮子剝殼機的設計與試驗

朱亨銀，何金成，方文熙，葉大鵬，梁詩華

（福建農林大學機電工程學院，福州350002）

由于現有鮮蓮子剝殼機的機型結構復雜、價格和維護成本較高，故未能在普通蓮農中推廣，大多數蓮農仍采用手工加工。為了減輕廣大蓮農勞動負擔，實現新鮮蓮子機械化剝殼的普及，該文研制了一種結構簡單、操作方便、適合普通蓮農需求的低價位鮮蓮子剝殼機，其整機長×高×寬為756 mm×878 mm×412 mm，質量為37 kg，制造成本約1 500元。測試了鮮蓮子外殼的切透力、仁堅實度等機械特性，切透力平均值19.63 N、最大值25.8 N，蓮仁堅實度平均值19.02 N、最大值23.27 N，此數據可為蓮子剝殼機結構參數和工作參數的確定提供參考依據。該機采用內充式空穴分離排料、二步滾動正位、振動切割、滾壓脫殼的工作原理實現蓮子剝殼。通過對4種不同切割方案的剝殼試驗對比，結果表明：配置齒面防滑壓板、具有滑切作用的懸掛式振動剝殼機構的剝殼率和剝殼質量均優于其他方案，其剝殼率為 92%，整仁率100%，有輕微壓痕的小于10%，能滿足鮮蓮子的剝殼要求。

剝殼；設計；機械化；蓮子；機械特性

朱亨銀，何金成，方文熙，葉大鵬，梁詩華. 小型鮮蓮子剝殼機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(7)：28－35.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.004 http://www.tcsae.org

Zhu Hengyin, He Jincheng, Fang Wenxi, Ye Dapeng, Liang Shihua. Design and test of small fresh lotus seed sheller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 28－35. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.004 http://www.tcsae.org

0 引 言

蓮子是營養保健佳品，經濟價值高[1]。但蓮子生產的人工成本很高，在福建蓮子產區每千克干蓮仁人工成本超過80元，所以目前種植蓮子經濟效益低，蓮農生產積極性不高。采收后蓮子的剝殼、去膜、去芯等工序比較費時，而且通常是當天完成，否則會加大剝殼和去膜的難度，此外儲存時間過長也影響蓮子的品質，因此機械化加工勢在必行。

蓮子剝殼機有鮮蓮子剝殼機和干殼蓮子剝殼機2類，前者主要在江西、浙江、福建的白蓮產區使用，后者主要用于湘蓮的紅蓮加工。鮮蓮子剝殼機的研究主要有鄭傳祥[2]設計的一種用高速轉刀對蓮子外殼切割、擠壓進行脫殼的蓮子脫殼機，其切割通道入口端不能隨蓮子大小自動調節，因此需對蓮子大小分級。曹志強[3]發明的蓮子剝殼去膜一體機，能一次性完成剝殼去膜，效果良好，且近年來仍在不斷改進，日漸完善，已在廣昌縣東盛機械廠生產，開始應用于蓮子生產加工，但其結構復雜，質量大，調整維修困難，且傳送帶易損，需要經常更換，價格高。徐諧慶等[4]在曹志強剝殼去膜一體機的基礎上，通過優化設計了一種采用單邊機結構的剝殼去皮一體機，簡化了結構，提高了機器的穩定性。文獻[3-4]蓮子均采用皮帶輸送、擋板間歇攔截分離、直線往復切割，傳動系統復雜，特點是集剝殼去膜于一體，整機結構復雜龐大，造價高；黃興元等[5-6]設計了滾切式鮮蓮子剝殼機，采用槽輪機構的間歇運動形式，蓮子由搓輥轉動正位，當蓮子輸送到切割機構位置時停歇，用高速旋轉的轉刀切割，然后輸送至脫殼輥再次停歇脫殼，割殼與脫殼分步進行。此外還有王旺平也設計了新鮮蓮子剝皮去衣機[7]，吳傳宇等研究了擠壓式蓮子脫殼機理[8]，賴明全設計了全自動蓮子切殼剝殼機[9-10]，以及譚小年的擠振式蓮子脫殼機[11]等。余群等[12]、萬偉紅等[13]、鄒曉丹[14]綜述了蓮子剝殼技術的研究進展。干殼蓮子剝殼機的工作機構、剝殼原理均與鮮蓮子剝殼機有顯著差異，研究者主要有張永林等[15]設計的多聯輥刀式干蓮子剝殼機，采用由雙托輥和螺旋輥刀構成的剝殼通道經過多次旋切實現剝殼；楊振和[16]設計的采用尖齒破殼的多通道行星運動剝殼機，提出點、線、面三步破殼剝殼工藝；王旺平等[17]設計了結構較簡單的 BK25型干蓮子剝殼機，也采用雙托輥和滾切刀構成的剝殼通道；馬秋成等[18-19]設計了自適應蓮子剝殼機。由于蓮子產區分布在亞洲少數國家，故蓮子剝殼機主要是國內學者在研究，目前未見國外的研究報導，但國外對堅果類剝殼的研究成果對殼蓮的加工有一定的參考價值[20-22]。本研究機型[23]與上述機型區別在于：采用內充式喂料，排料輪空穴分離排料，強迫滾動銜接重力作用下自由滾動進行二步蓮子正位，懸掛擺式振動切割，以主動輪帶動蓮子通過弧形切割通道并進行碾壓脫殼，其優點是整機結構簡單，成本低，工作可靠，使用維護方便。

在武夷山產區五夫鎮，種植面積達500多hm2。由于當地目前使用的東盛機械廠生產的機型價格昂貴，售價2萬多元，故只有蓮子加工專業戶和合作社兩家購買。因其剝殼去膜一體，采用水槍去膜，而輸送帶是橡膠與纖維材質，泡水后容易膨脹損壞，需要經常更換，而且切割刀設計成一次性的，也需經常更換，運行和維護費用高，因此未能在普通蓮農中推廣使用。五夫鎮絕大部分蓮農仍然靠婦女、老人日夜手工剝蓮子，蓮子手工加工是當前蓮子擴大生產與提高效益的制約因素。為了能在廣大蓮農中推廣使用，普及機械化加工，本機型設計定位在低價位的鮮蓮子剝殼機，旨在滿足廣大蓮農的需求。

1 整機結構與工作原理

1.1 主要參數與性能指標

本機設計主要性能指標如下：

處理量＞40 kg/h；1次剝殼率＞90%；蓮仁破損率＜3%；動力配備0. 25 kW；機型小，整機質量不超過50 kg。

1.2 整機結構與工作原理

鮮蓮子形狀近似橢球體，殼與仁之間存在微小空隙，一種有效的剝殼方法是：從蓮子赤道部位環切外殼一周，稍加滾壓即可脫殼[1,5]。根據上述的剝殼原理，必須完成3個工序：蓮子的逐粒排料、蓮子正位、切割去殼。本機主要包括內充式排料器、滾槽、剝殼機構、傳動機構、機架等幾個部分，如圖 1所示。工作時蓮子通過料斗下部的側向出口從排料輪蓋的端面開口進入排料器，在排料輪空穴作用下被逐粒分離后按照一定的時間間隔從排料器出口排出。進入一傾斜設置的導向滾槽，在重力作用下，蓮子向下滾動并形成所需的水平狀態進入剝殼機構的切割通道，切割刀片在蓮子赤道處形成環切，經滾壓脫殼排出。

圖1 蓮子剝殼機結構簡圖和樣機Fig.1 Schematic and prototype of lotus seed sheller

傳動機構主驅動力由自帶渦輪蝸桿減速器的調速電機提供，經減速后傳動至主動軸，驅動主動軸上的主動輪及小皮帶輪，經皮帶傳動帶動排料輪旋轉。鑒于切割機構的往復振動頻率遠大于主動輪轉速，故采用價格便宜的風扇電機獨立驅動，由電機軸末端的螺紋與偏心銷軸連接，偏心銷軸通過刀座長槽帶動割刀振動切割。

本設計整機結構簡單，機型小，整機長×高×寬為756 mm×878 mm×412 mm，整機質量為37 kg，整機成本約在1 500元以內，不到現有剝殼去膜一體機的1/15。有利于在普通蓮農中推廣應用。

1.3 鮮蓮子的機械特性及幾何尺寸測試

了解鮮蓮子物理機械特性可避免在剝殼機設計中參數確定的盲目性。蓮子品種繁多，國內已有學者對部分品種蓮子的物理機械特性進行了試驗研究，包括鮮蓮子幾何尺寸、密度、殼厚[24]，干蓮子密度、破殼力等[25-28]。國外雖有學者對其他堅果類進行物性研究[20,29-31]，但對蓮子物性的研究未見報道。

為了更好地適應建蓮加工，以福建建寧和武夷山地區（中國蓮子主產區之一）的主要品種太空36號蓮子為樣本，針對與本設計密切相關的特性進行測試：鮮蓮子的幾何尺寸、外殼的切透力、蓮仁堅實度等，其中后 2項的測試尚未見報導。

試驗用鮮蓮子外殼切透力和蓮仁堅實度測試設備均采用英斯特朗萬能試驗機（INSTRON, USA, Model 5543），試驗控制方式為壓縮載荷，測頭進給速度為20 mm/min，試驗中止準則為載荷掉落 15%時返回，載荷開始掉落表示切破蓮子殼瞬間，蓮子切透力即最大載荷值。

1）外殼的切透力試驗。試驗采用蓮子剝殼機樣機使用的刀片。

2）蓮仁堅實度試驗。堅實度值為沖頭加壓的最大載荷。因為蓮仁較小，表1堅實度測試采用直徑為2.2 mm沖頭。由于堅實度常用直徑為5 mm沖頭測試，而不同直徑的沖頭結果不同，故表 1中另給出了蓮仁單位面積承壓能力（最大載荷與沖頭面積之比）。

3）幾何尺寸測量。測量了蓮子的長徑，赤道直徑、赤道處殼厚，蓮子赤道直徑取 2個相互垂直方向直徑的平均值，采用游標卡尺測量。

樣本隨機選取太空36號蓮子100粒并進行編號，先測量幾何尺寸，再做外殼的切透力試驗，全部測完后，利用相同樣本剝殼進行蓮仁堅實度試驗，剝一粒測一粒，以免蓮仁水分蒸發。實測結果統計數據如表1。

表1 鮮蓮子結構尺寸及機械特性Table1 Structural dimensions and mechanical properties of fresh lotus seeds

表1統計結果可作為鮮蓮子剝殼機設計時參數選擇的參考依據。

表中蓮仁堅實度平均值為19.02 N，蓮子最大切透力為25.80 N，若給予適當的切透可靠性安全系數，同時考慮到萬能機上蓮子是靜態加壓切割，而剝殼機上蓮子是在滾動中加壓切割，切割點所受刃口壓力作用的時間極短，應適當加大壓力，因此取切割刀壓力安全系數為1.1～1.4。設計中樣機刃口切割壓力取28～35 N較為合適。

蓮仁單位面積承壓能力與整仁率和剝殼質量有關。切割后的蓮子受壓板與主動輪槽的碾壓力作用而脫殼，在本機設置的切割壓力為28～35 N的試驗條件下，蓮仁未出現破裂現象，因此壓板壓力（也是切割壓力）是在蓮仁承壓能力的安全范圍內，即壓板壓應力小于蓮仁單位面積承壓能力。由于建蓮一般加工成白蓮子（去殼去膜），加工要求高，剝殼過程蓮仁要避免過度擠壓而出現明顯壓痕或損傷，否則烘干后會出現起皺、變形、變色，影響干蓮仁的品相和價格，因此壓板壓力若過大，容易使蓮仁表面產生塑性變形而產生壓痕。

橢球狀蓮子的長徑和赤道直徑與滾槽及主動輪槽的斷面的曲率半徑有關。設計時滾槽及主動輪槽的斷面曲率半徑應大于蓮子長軸方向的表面曲率半徑，使蓮子赤道可與槽底接觸，有利于滾動正位。蓮子的赤道直徑還與切割通道開度及其入口角度有關，入口角度應小于蓮子在入口處的最大滑動靜摩擦角，以便于蓮子順利進入切割通道。

2 關鍵零部件設計及其工作原理

2.1 傳動機構設計

為了保證蓮子外殼被有效地環切，主動輪的設計轉速不宜過快，同時考慮到剝殼機所需功率較小，故采用250 W蝸輪蝸桿減速器調速電機，其速比為15，輸出轉速 10～200 r/min可調，主動輪較為合適的速度是100 r/min左右。

蓮子由主動輪轉動推進切割通道，切割通道的長度與剝殼速度、下料頻率相關。假設蓮子在切割通道內沿壓板作勻速純滾動，根據運動學原理可知，其速度瞬心在蓮子與壓板的接觸點，主動輪的輪槽底部的線速度是蓮子質心前進速度的 2倍，由于一個行程（等于壓板弧長）切割通道內只允許通過一粒蓮子，因此一個行程主動輪至少要轉過壓板弧長的 2倍，才能避免通道中同時出現 2粒蓮子的情況。故理論上主動輪每轉所能剝蓮子的數量為

設計中必須根據k值確定主動輪與排料輪之間皮帶傳動的速比i以及排料輪上分離蓮子的缺口數量m。則皮帶傳動比為

式中L=θR為壓板弧長，θ為壓板圓心角，rad；Ry為壓板曲率半徑，mm；Rc為主動輪輪槽底部半徑，mm。本機設計Rc=120 mm，Ry=139 mm，θ=76°=1.33 rad，n=100 r/min，m=4。計算得i≥1.96，考慮到蓮子在切割通道存在打滑的可能，以及蓮子赤道圓度差異等因素，皮帶傳動比i應大于此值，本機設計取i=2.3。則排料輪每小時排出蓮子的數量

本機試驗用太空36號蓮子的單粒平均質量為4.2 g，因此本機理論處理量為43.8 kg/h，達到設計指標。

2.2 排料器組成及其工作原理

2.2.1 排料器組成

采用內充式供料、空穴分離的排料器（如圖2）。排料器由排料輪和排料輪蓋組成，排料輪蓋固定于機架上，排料輪沿周向均布有若干個缺口，與排料輪蓋組成只能容納一個蓮子的容腔。排料輪直徑的大小影響蓮子的分離和滾動正位效果，本機取排料輪中徑為144 mm。工作時在排料輪旋轉過程中容腔內蓮子沿圓周上升，容腔外的其余蓮子受重力作用限制了爬升高度，并被排料輪蓋內環（內環下方約1/3是開口）的右端擋住，不能進入環形通道，從而實現單粒蓮子分離。

圖2 排料器內蓮子在不同位置受力圖Fig.2 Free-body diagram of lotus seed in discharge process

2.2.2 蓮子正位原理

實現蓮子正位的機構涉及滾槽和排料器內腔的環形通道。正位目的是使蓮子在進入剝殼通道時保持長軸處于水平位置并垂直于切割刃口，以保證刃口切割在蓮子赤道位置。

1）正位原理

正位是通過滾動蓮子實現的，分 2個階段進行。第一階段是強迫滾動：蓮子個體分離后在排料輪推動下沿環形通道作公轉和自轉，促使蓮子長軸趨向水平擺正位置，到出口處經緩沖后落入滾槽上端，這一過程蓮子在重力、摩擦力和離心力作用下被迫作滾動和滑動，2種運動形式在不同區段互為轉換。第二階段是自由滾動：蓮子進入滾槽后在重力作用下自由向下滾動，由于蓮子外形近似橢球，在外力作用下沿著赤道（短徑方向）滾動最省力，即避免因重心波動而消耗動能。無論蓮子初始狀態如何，只要有足夠長的滾道，蓮子最終都會趨向沿著赤道滾動，從而使其長軸處在水平狀態，然后進入壓板與槽輪組成的切割通道，經過刀片在蓮子赤道位置環切和壓板滾壓，實現蓮子剝殼。

2）蓮子正位的運動學分析

蓮子在進入剝殼機構前的姿態是影響剝殼率和破碎率的重要因素之一。蓮子個體分離后進入排料器的環形通道，在外力作用下做公轉、自轉、滑移的混合運動。自轉可獲得正位，自轉方向取決于蓮子與容腔內壁 2個接觸點的滑動摩擦力Ft和Fr對蓮子中心軸的合力矩方向。蓮子在各個運動方式轉換點的受力如圖 2所示。蓮子的滾動摩擦力可忽略不計。根據平面力系平衡原理，在O1點蓮子的法向、切向的合力均為0。

法向合力：

切向合力：

式中Ft、Fr為蓮子所受接觸面的切向和徑向滑動摩擦力，N；Nt、Nr為蓮子所受接觸面的切向和徑向支承力，N；mg為蓮子所受重力，N；Fn=mω2R為蓮子所受離心力，N；R為蓮子質心公轉半徑，m；ω為排料輪角速度，rad/s。

由于受上方蓮子的壓力，落入排料輪下方缺口的蓮子不轉動，在脫離上方蓮子后向O1點滾動時Ft＞Fr，做順時針自轉，當蓮子上升到一定高度（第一轉換點O1）時，二力對蓮子軸心的轉矩大小相等方向相反，此時開始不自轉而沿外側柱面滑動，即Ft=Fr，假設各壁面與蓮子的摩擦系數相等，則有Nt=Nr，代入（3）、（4）式并整理得

考慮到＞ 0 ，則α1＜45°,經三角變換后解得

蓮子沿環形通道向上滑移到第二個轉換點O2開始沿著通道內側滾動。假設蓮子沿內、外側滾動的質心公轉半徑近似都等于R，則O2點的受力平衡方程為

法向合力

切向合力

同理，聯立（4）、（5）得

在O2到第3個轉換點O3區間內，蓮子沿環形通道內側滾動。根據受力平衡求得O3點位置角

過了O3點后蓮子又做滑移到O4點，在離心力的作用下與滾道內側脫離接觸，滾到外壁，根據受力平衡求得O4點位置角

式（3）～（10）中α1、α2、α3、α4分別為蓮子運動狀態轉換點O1、O2、O3、O4相對X軸的角度。

過了O4以后輕貼外壁滑落至出口排出，經橡膠片緩沖進入滾槽。

通過上述計算分析，表明蓮子在環形通道內存在滾動和滑動 2種運動形式，由于蓮子運動過程與容腔壁面有 2個接觸點，因此滑動摩擦力始終存在，而滑動摩擦力對蓮子質心的力矩是蓮子運動的阻力矩，根據能量最小原則（與上述正位原理相同），滑動摩擦力Ft和Fr作用在蓮子赤道位置時阻力矩最小（阻力臂最短），因此滑動也有促使蓮子趨向水平狀態的作用。但滾動比滑動的正位效果好。

由式（8）、（9）可知，在一定轉速范圍內排料輪轉速n越高，滾動區間O2O3越小，正位效果就越差。當n增大到一定數值后，蓮子在離心力作用下將始終沿著外壁運動，但考慮到蓮子排出時掉落速度不能太快，因此宜選擇較低轉速n來增大O2O3區間。

本機的排料輪蓮子質心公轉半徑R=0.067 m，轉速n=40 r/min，計算得

α1=?40.13°，α2=49.87°，α3=130.13°，α4=173.11°，O2O3區間圓弧為80.26°。

經排料器初步正位的蓮子在出口處滑落，由緩沖橡膠片承接后，姿態可能發生一定的改變，進入滾槽后還需要經過自由滾動進一步正位，滾槽長度與斜度的選取十分重要，從蓮子滾動效果來看，滾槽斜度取 8°、長度大于35 cm為宜。此外，蓮子分離過程要避免出現碎粒，否則會影響自由滾動甚至擁堵，但只要及時取走碎粒便可恢復正常作業。本設計的排料器一般不出現碎粒現象。

2.3 懸掛式振動剝殼機構

剝殼機構由電機、U形支架、壓板、懸掛式振動切割機構等組成，如圖 3所示。工作時主動輪將蓮子推進由壓板與主動輪組成的切割通道，經刀片環切和主動輪滾壓實現脫殼。為保證環切的有效割痕達到一圈以上，取刀片刃口長度大于蓮子的赤道長度 15%左右。剝殼機構是蓮子剝殼機的核心部件，根據 4種方案剝殼機構的試驗對比結果，懸掛式振動剝殼機構比較理想，其特點是刃口可相對于壓板作往復振動、形成滑切作用。假定蓮子在壓板上做單純滾動，其切割點正好是速度瞬心，刀片相對于壓板作往復振動時，就相當于刀片對靜態的蓮子進行有支撐的往復滑切，切割比較省力。蓮子環切效果與刀片滑切速度相關，滑切速度取決于刀片往復振動的頻率和振幅。由于風扇電機驅動刀片往復振動的頻率固定，因此滑切速度就取決于振幅。振幅過小滑切速度太低，環切效果差，剝殼率低；振幅過大則切割機構振動大，影響切割機構乃至整機的工作狀況。本機取8 mm的振幅能夠較好地滿足要求。

圖3 剝殼機構簡圖Fig.3 Schematic of shelling device

電機與切割機構均安裝在U形支架上，U形支架的后端用銷軸鉸接于機架，并可繞銷軸上下擺動。U形支架前端下方焊有壓板，左右肩部分別固定有弧形導軌。U形支架靠近前端的左右兩側各有一個拉力彈簧與機架連接，以控制壓板的壓力。振動刀座左右肩部對應裝有微型軸承與弧形導軌配合，刀座中線處開有一個長孔，長孔內的微型軸承的內孔套在由電機軸直接驅動的偏心銷軸上，形成偏心滑塊機構，刀座中部上方的凸耳通過螺釘掛在拉力彈簧上，彈簧另一端與焊合在U形支架上的彈簧固定板連接，則刀座由左右導軌和彈簧拉力獲得定位。工作時電機通過偏心銷軸驅動刀座沿弧形導軌左右擺動。刀座上固定有弧形刃口的刀片，刃口穿過壓板之間長縫并凸出壓板下表面適當高度（約0.7 mm），由于弧形導軌的限位作用，在跟隨壓板上下運動時刃口凸出高度可保持改變，同時由于導軌弧線與壓板弧線同圓心，刀片作往復弧線運動過程中刃口的凸出高度也始終保持不變。由于擺動中心與弧線圓心異側，因此擺長在往復振動過程是變化的，由彈簧的伸縮來實現。

切割通道的大小取決于壓板位置（如圖4），切割通道內無蓮子時，由限位撐桿限制壓板的靜態開度，入口處開度及入口角δ的大小均對蓮子粒徑的適應性和喂入的可靠性產生影響。δ應小于蓮子在入口處的最大滑動靜摩擦角，否則蓮子會在入口處反彈回去，特別是遇到大粒蓮子時無法喂入而導致堵塞。所以適當大小的靜態開度和入口角，可提高對不同粒徑蓮子的適應性。此外還可以對主動輪的輪槽和壓板進行增大摩擦系數的處理，使其最大滑動靜摩擦角增大，則入口角δ允許值增大，蓮子粒徑適應范圍即可提高。

圖4 剝殼機構入口的蓮子狀態Fig.4 Lotus seed state at inlet of shelling device

壓板全長可分為入口引導段、刃口段和碾壓段 3個部分，其作用分別為引導喂入、環切外殼和碾壓脫殼。為了防止刃口往復滑切時蓮子與壓板打滑，導致無法有效滑切，把壓板下表面的入口引導段和刃口段加工成齒條狀表面，以增加其摩擦力。

3 多種方案剝殼機構性能對比試驗

共有 4種方案進行對比試驗，試驗條件為：主動輪轉速100 r/min，壓板彈性壓力35 N，同一樣機刀片，每種剝殼方案試驗4次，每次取50粒剛從蓮蓬上剝下來的鮮蓮子。4種方案都是以上述 U形支架為基本結構，不同之處如下：

方案 A：刀片與壓板相對固定，蓮子沿壓板和刃口做純滾動，受穩定的刃口壓力滾切。

方案B：在方案A基礎上加一電機驅動的偏心塊振動裝置，以10 Hz的頻率迫使整個切割機構隨U形支架作上下微幅振動，壓板與刀片固接無相對運動。

方案C：懸掛式振動剝殼機構，刀片沿弧形切割通道相對于壓板作往復運動，頻率8 Hz，壓板表面為光滑的不銹鋼板表面。

方案D：在方案C基礎上，壓板下表面用線切割加工成齒條狀以增大摩擦力，防止刃口往復滑切時蓮子與壓板打滑。

試驗結果如表2所示，表中數據為4次試驗平均值。方案B由于刀座振動產生波動切割，其壓力的波動影響了連貫割破能力，因此不如方案A 的剝殼率，并且對蓮仁的壓痕更明顯（上下振動慣性力作用）。方案C由于壓板摩擦力不夠，在刃口往復振動過程蓮子相對壓板存在來回滑移，形成不完全支撐切割，使滑切作用減弱，剝殼率明顯下降。方案D由于增加了壓板的摩擦力，蓮子與壓板不打滑，能夠有效夾持蓮子，使壓板接觸點處（純滾動的速度瞬心）蓮子質點速度為 0，形成有支撐往復滑切，因此剝殼率高，是其中最有效的切割方案。

表2中數據為每次試驗一次性加工的剝殼數。本機采用方案D設計，剝殼率為92%，整仁率為100%，達到設計指標。切割后蓮殼與仁的分離另行處理，不在此贅述。

表2 不同方案蓮子剝殼試驗結果Table2 Shelling results for different shelling methods

壓板與刃口對蓮子的壓力是影響剝殼質量和剝殼率的重要因素。壓力過大蓮仁出現壓痕，壓力過小則剝殼率下降。蓮仁出現壓痕的原因之一是刃口太鈍，切入之前殼受刃口擠壓發生變形，其壓應力透過外殼作用在仁上時，等效應變區域對稱分布在切割線的兩側[28]，應力超過仁表面的堅實度而產生壓痕。其二是在碾壓階段，殼與仁分離過程中殼的切口邊緣對仁擠壓造成的壓痕，試驗表明當壓板壓力過大時蓮仁會產生約1～2 mm寬的凹痕，故在碾壓階段接觸表面加一層柔性材料對減輕壓痕有一定的效果。剝殼質量和剝殼率是一對矛盾，因此要適當選取切割壓力，壓應力應小于蓮仁單位面積承壓能力（參見表1）。對于往復振動的切割裝置，由于刃口滑切作用，可適當降低刃口壓力，以減輕蓮仁的壓痕，提高剝殼質量。蓮子剝殼質量如圖5所示。

圖5 蓮子剝殼質量Fig.5 Shelling quality of slight injury lotus seeds

4 結 論

1）采用樣機刀片測試蓮子殼的切透力平均值為19.63 N，最大值為25.80 N。考慮到滾切時間短，實際切割壓力取28～35 N為宜。刃口鋒利時取小值，較鈍時取大值。

2）采用本設計內充式排料機構可以逐粒分離而不損傷蓮子，并有正位作用，且結構簡單，對不同粒徑的鮮蓮子有較好的適應性。

3）采用懸掛式振動剝殼機構的設計，實現了刀片對蓮子的往復滑切和刃口高度的限制，剝殼率達 92%，整仁率100%，有輕微壓痕的小于10%。

4）通過4種切割方案性能試驗對比，刀片相對壓板作弧線往復振動、且壓板下表面有防滑條紋的懸掛式振動切割的剝殼機構剝殼率最高。

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Design and test of small fresh lotus seed sheller

Zhu Hengyin, He Jincheng, Fang Wenxi, Ye Dapeng, Liang Shihua
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou350002,China)

Lotus seeds have been manually shelled mostly, because conventional shelling equipment is complexly structured and high pieced, and generally it has a high operating cost and a low reliability, as well as is difficult to be popularized. In this study, a new lotus seed sheller with simple structure and easy operation was developed to improve the reliability, to popularize the shelling mechanization of fresh lotus seed, and to reduce the burden of the farmers. When the newly designed sheller is running, the lotus seeds in the hopper fall into the evenly distributed grooves of the discharge wheel and are discharged singly into the feeding chute. As rolling down from the chute under the action of gravity, the lotus seeds are then normally positioned and fed into the cutting channel at a position where the long axis of the seed is perpendicular to the cutting edge. An annulus cut is made at the equator of the seed with the use of a reciprocating cutting blade. Thereafter, the shell and the kernel of each seed are separated by rubbing the seed surface with the pressing plate and discharged. The cutting device is the primary working device in lotus seed shelling. A comparison study on the effects of shelling methods was conducted. The 4 shelling methods used were: 1) The cutting blade was fixed with the pressing plate; 2) The cutting blade was fixed with the pressing plate but vibrated; 3) The cutting blade reciprocated and the pressing plate had a smooth surface; 4) The cutting blade reciprocated and the pressing plate surface was non-slip. The testing results indicated that the shelling method using a reciprocating cutting blade and a non-slip pressing plate was superior to the others in both shelling rate and shelling quality, which resulted in a shelling rate of 92%, a whole kernel rate of 100%, and a percentage of kernels with slight injury of less than 10%. The shelling method with reciprocating cutting blade and non-slip pressing plate could meet the shelling requirements of fresh lotus seeds with an equatorial diameter ranging from 14 to 23 mm. In order to get a better understanding of the factors closely related to the lotus seed processing quality, the mechanical properties of fresh lotus seed were measured using a universal testing machine (Model 5543, INSTRON, United States of America) in College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, China. The test head moved at a speed of 20 mm/min and stopped when the pressing force dropped by 15%. The samples of 100 seeds from the variety TAIKONG36 were randomly selected and numbered. The cutting force was tested firstly using the prototype blade. Then the same samples were shelled and subjected to the kernel firmness measurement using a 2.2 mm test head. The kernel firmness of each seed was measured right after shelling to minimize the effect of seed moisture loss. The results showed that the average cutting force of the shell was 19.63 N with a maximum value of 25.80 N. The average kernel firmness was 19.02 N with a maximum value of 23.27 N. The average kernel firmness per unit area was 5.00 N/mm2with a maximum value of 6.12 N/mm2. Accordingly, the structure parameters and working parameters of the sheller were determined.

peeling; design; mechanization; lotus seed; mechanical properties

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.004

S226.4

A

1002-6819(2017)-07-0028-08

2016-07-14

2017-04-10

國家科技部科技支撐計劃子項目（2007BAD07B04）；福建省自然科學基金項目（2016J0101）

朱亨銀，副教授，主要從事農業機械、農產品產后加工機械的設計與改進研究。福州 福建農林大學機電工程學院，350002。

Email：zhyli503@sina.com