離心篩網式青核桃脫皮機的設計與實驗

楊忠強,崔寬波,閆圣坤,孫儷娜,阿布里孜·巴斯提,李忠新,王慶惠,*

(1.新疆農業科學院農業機械化研究所,新疆烏魯木齊 830091; 2.烏魯木齊特色林果裝備工程技術研究中心,新疆烏魯木齊 830091)

核桃,又名胡桃,是世界四大干果之一。由于核桃營養保健價值極高,國內外市場日漸走俏,核桃的需求量和種植面積不斷增加。目前,我國核桃栽種面積和產量均居世界首位[1],主要集中在西南地區和西北地區。核桃果實從內到外主要由果仁、果殼、青皮3部分組成,果殼是一層堅硬的木質硬殼,青皮是由數層體積較小且排列緊密的表皮細胞組成,含有大量的葉綠素。核桃果實成熟時,青皮由綠變黃,頂部逐步開裂,青皮與果殼易于剝離,但由于地區氣候和品種的差異,導致果仁和青皮成熟時間不同步,這影響了核桃果仁的品質[3]。我國大部分地區的果農仍使用手工砍剝青皮,雖然簡單直接,但是其勞動強度較大,極易傷手,而且青皮汁液損傷皮膚,衛生條件較差。因此,利用機械方法去除青皮具有重要的研究意義。

影響青核桃脫皮效果的因素有很多,主要集中在核桃的品種、青皮含水率、成熟度以及脫皮結構等。我國核桃品種繁多[4],核桃之間差異較大,核桃果殼越薄,果殼在機械脫皮時越容易破損、開裂;核桃青皮的平均厚度為6～8 mm,含水率一般為87%～92%左右[5],對青皮含水率的控制是難以改變脫皮效果的;青皮開裂程度越大,核桃的成熟度越好,核桃青皮與果殼越容易分離;青核桃脫皮效果還與受加工原理、主要工作部件的結構及參數有關[6]。對于定間隙擠壓脫皮機械,需要對青核桃外形大小進行分級,然后根據外形尺寸進行分批調整加工,對于離心篩網式青核桃脫皮機,主要通過向心力的作用,青核桃與篩網以及青核桃之間的碰撞摩擦脫皮,因其脫皮原理不同,無間隙調節機構,因此加工前不需要對青核桃外形大小進行分級處理。

目前,對于青核桃機械化脫皮的研究主要集中在脫皮機理和脫皮機具兩個方面。脫皮機理的研究主要從加載方向、加載速率以及青核桃的物理性質如體積大小,青皮厚度硬度、果殼厚度硬度、含水率和成熟度等幾個方面進行討論[3-4]。而脫青皮機具主要有切割脫皮法[7-8]、刮削脫皮法[9-10]、擠壓脫皮法[11-12]、撞擊脫皮法[13-14]四種方法。青皮的破裂以及脫皮效果是上述研究的主要評判指標,然而對于如何在得到高脫凈率的同時,降低核桃破損果率以及獲得較高加工效率方面的研究卻較少。針對這種情況,本文介紹一種離心篩網式青核桃脫皮機。根據脫皮機的結構、工作原理,以及在脫皮過程中的受力進行分析,研究青核桃物理特性、脫皮結構對脫皮效果的影響,通過生產率、篩網轉速和作業時間對脫皮效果的影響進行實驗,為同類研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

青核桃原料 選用新疆主栽品種扎343、新新2、溫185、新豐進行,9月上旬采收,青核桃的外形尺寸為(37.6～56.4) mm×(34.8～49.7) mm×(36.7～52.4) mm,青皮含水率為88.2%～94%,核桃殼含水率為31%～35%,核桃仁含水率為24%～29%,青皮平均厚度6.9 mm,產于新疆阿克蘇地區溫宿縣,2016年9月在新疆農業科學院農業機械化研究所實驗室進行實驗,實驗前將購買回的青核桃放于(5±1) ℃的冷庫內保存。

離心篩網式青核桃脫皮機 新疆農業科學院農業機械化研究所自制;JZQ350減速器 淄博博山志學機械廠;TCS-150型電子計價臺秤 貴陽宏立衡器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 青核桃脫皮機的構造及工作原理

1.2.1.1 脫皮機的結構 離心篩網式青核桃脫皮機主要由傳動系統、出料口、篩網、柵條、出口擋料板、螺旋導料裝置、進口擋料板、進料口和機架等組成,如圖1所示的結構。機架上面設置有柵條和篩網組成的滾筒,滾筒的一端設置有進料口,另一端設置有出料口,滾筒上安裝有傳動軸,傳動軸上設置有連接法蘭,進料口端的連接法蘭周向均布若干組柵條,柵條之間的間隙小于核桃果殼短軸直徑而大于青皮厚度,出料口端的連接法蘭周向設置有篩網,網孔的尺寸比脫去青皮的核桃小,傳動軸一端設置有軸承,另一端設置有軸承和聯軸器,聯軸器與減速器連接,固定在機架上的電機驅動電機帶輪,通過皮帶將動力傳遞給傳動皮帶輪,帶動減速器旋轉,從而滾筒旋轉。

圖1 離心篩網式青核桃脫皮機結構示意圖Fig.1 The struction of centrifugal-mesh green walnut peeling machine注:1.出料口;2.傳動軸;3.軸承;4.出口擋料板;5.篩網;6.連接法蘭;7.柵條;8.螺旋導料裝置;9.進口擋料板;10.進料口;11.聯軸器;12.減速器;13.傳動皮帶輪;14.皮帶;15.皮帶罩;16.電機帶輪;17.電機;18.機架。

1.2.1.2 脫皮機的工作原理 工作時青核桃經進料口進入到滾筒中,在滾筒旋轉帶動下,青核桃之間以及青核桃與柵條之間產生碰撞,撞擊作用使核桃青皮破裂,脫離果殼的青皮以塊狀青皮[15]形式從柵條間隙中漏出,柵條內設置有螺旋導向裝置,核桃及未脫干凈的青核桃混合物料在螺旋導向裝置的推送下進入篩網段,在向心力的作用下,混合物料不斷翻滾與篩網及物料之間相互不斷撞擊摩擦,青皮被磨成液汁狀而從篩網孔眼中甩出,青核桃存留在篩網段處,打開出料口,將核桃排出。對于離心篩網式青核桃脫皮機,無間隙調整,加工前不需要對青核桃進行大小分級,對青核桃的品種和成熟度要求較低,大大降低生產成本,適應性強。

1.2.1.3 脫皮機的作用力分析 滾筒中的柵條和篩網是該機的主要部件,工作中,青核桃在柵條段撞擊很短時間內就進入到篩網段,篩網段是該機主要的脫皮工作區域。就單個青核桃而言,青核桃在旋轉篩網中受到篩網的向心力F、篩網的擠壓力F1、篩網的摩擦力F2以及核桃的重力mg,如圖2所示單個青核桃在篩網中的受力圖。按x軸、y軸分解,青核桃中心各個力之間的關系如下:

圖2 青皮核桃受力分析圖Fig.2 Force analysis of green walnut

式(1)

其中,m、ω、R、μ分別代表青核桃的質量、篩網的轉速、篩網半徑、篩網的表面動摩擦系數。

由式(1)可知,影響離心篩網式青核桃脫皮機性能因素有:篩網的轉速ω、篩網的表面動摩擦系數μ、篩網的半徑R、青核桃的質量m,除此之外還和θ角和青核桃的直徑(與篩網的直徑相比可以忽略)以及在篩網中作業時間有關。

1.2.2 單因素實驗 離心篩網式青核桃脫皮機篩網直徑1400 mm,與減速器的速比是31.5∶1,電機是三相異步5.5 kW電機,通過變頻器控制主軸的轉速,使其在20～50 r/min范圍內變化,通過投入量和作業時間控制脫皮機的生產率,通過出料口控制作業時間。

將篩網轉速定為35 r/min,作業時間4 min,生產率分別定為300、600、900、1200和1500 kg/h,研究生產率對脫凈率和破損果率的影響。將生產率定為900 kg/h,作業時間4 min,篩網轉速分別定為20、25、30、35、40、45、50 r/min,研究篩網轉速對脫凈率和破損果率的影響。將生產率定為900 kg/h,篩網轉速35 r/min,作業時間分別定為1、2、3、4、5、6、7 min,研究作業時間對脫凈率和破損果率的影響。

脫凈率(T)[16]的計算方法如下:

式(2)

其中,m1為測試中完全脫皮的核桃質量(kg);m2為測試中未完全脫皮的核桃質量(kg)。

破損果率(P)[16]的計算方法如下:

式(3)

其中,m3為測試中破損果質量(kg);m:測試中出料口樣品總質量(kg)。

1.2.3 正交實驗 根據上述的單因素實驗,選取生產率(A)、篩網轉速(B)、作業時間(C)進行正交實驗,由于脫凈率T與破損果率P對于青核桃脫皮最為重要,所以將T、P作為實驗指標,選用L9(34)正交實驗表,具體的實驗方案見表1。每組重復3次。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels table of orthogonal experiment

1.3 數據處理

所有的實驗均重復3次,利用Excel進行計算,SPSS statistic 19.0對實驗結果進行方差分析,origin 7.5作圖。

2 結果與分析

2.1 生產率對脫皮效果的影響

圖3是生產率對脫凈率和破損果率的影響。從圖3可以看出,隨著生產率的增加,脫皮機的青皮脫凈率和核桃破損果率隨之減少。脫皮機在脫皮過程中是依靠篩網的旋轉帶動青核桃在篩網面上翻滾碰撞及摩擦,撞擊篩網迫使青皮開裂進行脫皮。當生產率較小時,單個青核桃撞擊篩網面的機會變大,破裂的概率也增大,青皮脫凈率較高,隨著生產率的增加,單位時間內撞向篩網面的物料增加,單個青核桃撞擊篩網的概率減少,破裂的概率也減小,青皮脫凈率較低。因此,當脫皮機結構和運行參數一定時,生產率應根據脫皮工藝對脫皮機的性能要求相對保持一致。綜合考慮,生產率在600～1200 kg/h范圍時較為理想。

圖3 生產率對脫凈率和破損果率的影響曲線Fig.3 Effect of productivity on threshing rate and breakage rate

2.2 篩網的轉速對脫皮效果的影響

圖4是篩網轉速對脫凈率和破損果率的影響。從圖4可以看出,脫皮機的青皮脫凈率和核桃破損果率都是隨著篩網轉速的增加而變大。由于篩網轉速的增加使進入到篩網中的青核桃獲得的速度和向心力隨之增大,青核桃撞擊篩網增強,青皮脫凈率變大。同時,核桃果殼的破裂程度也增強,核桃破損果率上升。而對脫皮機的脫皮性能要求是提高生產率和脫凈率,降低核桃的破損果率。在實際生產中,青皮脫凈率和核桃破損果率是相互矛盾的參數,不能單獨通過提高轉速的方法來提高脫凈率和生產率。設計脫皮機時應根據最低允許的破損果率確定脫皮機篩網的轉速從而確定青皮脫凈率,綜合考慮,篩網轉速在25～45 r/min范圍時較為理想。

圖4 篩網轉速對脫凈率和破損果率的影響曲線Fig.4 Effect of mesh rotation speed on threshing rate and breakage rate

2.3 作業時間對脫皮效果的影響

圖5是作業時間對脫凈率和破損果率的影響。從圖5可以看出,隨著作業時間的增加,青皮脫凈率和核桃破損果率隨之增大,脫皮機在脫皮過程中依靠篩網的旋轉帶動青核桃一起加速,青核桃不斷翻滾與篩網碰撞摩擦而進行脫皮。當作業時間較小時,青核桃在篩網面的滾動碰撞較少,破裂的概率就越小,其青皮脫凈率和核桃破損果率就較低。隨著時間的增加,青核桃在篩網面上的滾動碰撞摩擦較多,青皮、果殼破裂的概率也變大,青皮脫凈率和核桃破損果率就較大。綜合考慮,作業時間在2～6 min范圍時較為理想。

圖5 時間對脫凈率的影響曲線Fig.5 Effect of time on threshing rate and breakage rate

2.4 正交實驗

表2是正交實驗結果,表3是脫凈率方差分析結果,表4是破損果率方差分析結果。

表3 脫凈率方差分析結果Table 3 Results of variance analysis for threshing rate

表2 正交實驗結果Table 2 Results of orthogonal experiment

由表2可知,實驗3號青皮脫凈率最高,脫凈率最優方案為A1B3C3,即生產率600 kg/h,篩網轉速為45 r/min,作業時間為6 min。影響脫凈率的因素主次順序為B>A>C。破損果率最低的最優方案為A3B1C1即生產率1200 kg/h,篩網轉速為25 r/min,作業時間為2 min,影響核桃破損果率的因素主次順序為B>C>A以破損果率最低最優方案為A3B1C1進行實驗,其結果脫凈率為80.15%,破損果率為3.81%。

由表3可知,篩網轉速(B)對脫凈率有極顯著影響(p<0.01),而生產率(A)和作業時間(C)對脫凈率也有顯著影響(p<0.05)。由表4可知,篩網轉速(B)對破損果率有顯著的影響(p<0.05),而生產率(A)和作業時間(C)對破損果率的影響不顯著(p>0.05)。

表4 破損果率方差分析結果Table 4 Results of variance analysis for breaking rate

對于脫凈率和破損果率優選方案,在A1B3C3條件下,雖然脫凈率最好,但破損果率明顯偏高;在

A3B1C1條件下破損果率較好,但脫凈率偏低,因此,不予采納。綜合考慮樣機使用情況,結合表3和表4,在保證高脫凈率的同時,還要控制破損果率,同時還要考慮到生產效率和批量加工的問題,所以最終優化選方案為A2B2C2,即生產率為900 kg/h,篩網轉速為35 r/min,作業時間為4 min，扎343青核桃脫凈率為91.02%，破損果率為5.27%。

2.5 方案的驗證

對于優化方案A2B2C2經過3次重復實驗,該參數下設備脫凈率均值為91.02%(行業標準≥88%[16]),破損果率為5.27%(行業標準≤6%[16]),青皮脫凈率較高,而核桃破損果率較低。對新疆主栽的其他核桃品種新新2、溫185、新豐分別進行了脫皮實驗,實驗表明,新新2青核桃脫凈率為92.2%,破損果率為5.1%;溫185青核桃脫凈率為91.8%,破損果率為5.4%;新豐青核桃脫凈率為90.2%,破損果率為4.5%;三種品種的青核桃均獲得較好的脫皮效果。

3 結論

本文設計了一種離心篩網式青核桃脫皮機,沒有間隙調整機構,結構簡單,操作方便,進行青核桃脫皮,不需要進行外形大小分級,適合剛采摘下來的青果,適應性強;以生產率、篩網轉速和作業時間對扎343青核桃脫皮進行單因素實驗,在次基礎上,再進行正交實驗,結果表明:篩網轉速對青皮脫凈率影響最大,生產率和作業時間的影響次之;篩網轉速對核桃破損果率影響最大,而生產率和作業時間對破損果率的影響較小;方案優化后,當生產率為900 kg/h,篩網轉速為35 r/min,作業時間為4 min時,扎343青核桃脫凈率為91.02%,破損果率為5.27%,新新2青核桃脫凈率為92.2%,破損果率為5.1%,溫185青核桃脫凈率為91.8%,破損果率為5.4%,新豐青核桃脫凈率為90.2%,破損果率為4.5%,都可獲得較好的脫皮效果。

[1]呂永來. 2013 年全國省(區、市)核桃、板栗、棗、柿子產量完成情況分析[J]. 中國林業產業,2014(12):34-36.

[2]梁勤安,楊軍,孫穎,等. 核桃青皮剝離過程中影響青皮剝凈率和核桃破碎率的因素分析[J]. 農業工程學報,2004,20(5):225-257.

[3]鄭甲紅,吳東澤,梁金生,等. 青核桃去皮過程的受力分析[J]. 農機化研究,2015,37(8):153-156.

[4]楊忠強,李忠新,楊莉玲,等. 核桃脫青皮技術及其裝備研究[J]. 食品與機械,2013(6):121-124,142.

[5]朱占江,楊忠強,李源,等. 青核桃脫皮力學特性分析[J]. 中國農業科技導報,2017(6):83-89.

[6]楊忠強,李忠新,楊莉玲,等. 核桃脫青皮裝置脫皮性能分析與實驗研究[J]. 農機化研究,2015(1):84-89.

[7]張慶明.一種核桃青皮脫離器:中國,102845811A[P]. 2013-01-02.

[8]云南優昊實業有限公司.一種核桃青皮剝離機:中國,204180872U[P]. 2015-03-04.

[9]楊忠強,李忠新,楊莉玲,等. 核桃脫青皮機的設計與實驗[J].中國農機化學報,2013(5):190-194.

[10]馬騏,雒永春. 青皮核桃脫皮機:中國,104432420A[P]. 2015-03-25.

[11]劉東琴,盧軍黨,王維,等. 滾刷型青核桃脫皮機的研制[J]. 農產品加工,2016(12):63-64.

[12]王亞妮,盧軍黨,王維,等. 一種青核桃去皮機的設計與實驗研究[J].包裝與食品機械,2014(1):32-34.

[13]河北綠嶺果業有限公司.轉篩式青皮核桃脫皮機:中國,203676062[P].2014-07-02.

[14]劉永年.核桃青皮剝離機:中國,202286201[P]. 2012-07-04.

[15]吳東澤,鄭甲紅,梁金生,等. 青核桃塊狀去皮機的研制[J]. 食品與機械,2015(5):129-131.

[16]中華人民共和國工業和信息化部 全國農業機械標準化技術委員會. JB/T12027-2014核桃青皮脫皮機[S].北京:中國標準出版社,2014.