連續(xù)式杏果去核機(jī)設(shè)計(jì)

劉 奎 楊莉玲 朱占江 劉 佳 祝兆帥

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2. 新疆特色林果裝備工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830091)

杏(PrunusvulgarisL.)經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高，杏果實(shí)營養(yǎng)豐富，含有多種有機(jī)成分和人體所必須的維生素及無機(jī)鹽類，杏仁的營養(yǎng)更豐富，含蛋白質(zhì)23%～27%、粗脂肪50%～60%、磷、鐵、鉀、鈣等無機(jī)鹽類及多種維生素[1-2]。新疆作為中國的杏商品基地之一，其種植面積由2003年的7.4×104hm2增加至2013年的1.4×105hm2，10年間翻了1倍，而且隨著杏產(chǎn)業(yè)的不斷熱化，其種植數(shù)量還在逐年增加[3]。

杏子深加工的首要任務(wù)就是去核。目前，杏子去核基本靠人工，每人每小時(shí)去杏核加工產(chǎn)量約20 kg，勞動(dòng)強(qiáng)度大，實(shí)際生產(chǎn)效率低，衛(wèi)生條件差，而近年來以人工為主加工杏子顯然無法滿足日益增長的杏加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，使去核環(huán)節(jié)成為杏加工企業(yè)和杏種植大戶原料處理的瓶頸。

國外關(guān)于杏子去核機(jī)械的研究開始較早，在1965年就有Etheridge[4]發(fā)明出了一種杏子定向切分機(jī)，利用彈簧壓片和輸送裝置實(shí)現(xiàn)杏子的定位，經(jīng)過一段時(shí)間的滾動(dòng)輸送，使杏子的滾動(dòng)輸送截面剛好為杏子騎縫線的截面，到輸送端頭后由同在一個(gè)平面的彈簧定刀將杏子沿騎縫線切成兩瓣，杏核經(jīng)過振動(dòng)從杏肉中脫出，完成切分去核過程。美國的Pacific Engineering Company公司[5]、CTI公司[6]和意大利奧米帕(OMIP)公司[7]都各自研制了杏子自動(dòng)定向輸送切分去核裝備，國外的鮮杏切分去核機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)型龐大，造價(jià)高且實(shí)行嚴(yán)格的專利保護(hù)，無論經(jīng)濟(jì)上和規(guī)模上均難以適應(yīng)中國鮮杏加工企業(yè)。關(guān)于水果去核方面的研究，中國在大棗[8-11]、荔枝[12-15]、檳榔[16]、山楂[17]等方面行成了較為完善的研究體系，但是在黏核及長、寬、厚3個(gè)外形尺寸較接近的杏子去核方面的研究比較少見。梁勤安等[18]曾研究了杏子定向切分去核機(jī)，杏果在進(jìn)入切割系統(tǒng)前，通過兩側(cè)間隙較小并且是張緊的皮帶與底部的輸送裝置形成差速度輸送，從而將水果的騎縫線定向在刀刃線所在平面，實(shí)現(xiàn)沿騎縫線處將杏果切開。這2種杏切分機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于定向和切分。但是研究[19]表明，新疆本地的幾種杏子(賽買提、明星杏、小白杏、理光杏、黑葉杏等)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)——長度、寬度、厚度3個(gè)尺寸(圖1)無明顯的規(guī)律，杏核卡在肉中不容易去除，切出的杏瓣也各式各樣，降低了后續(xù)杏肉制干和杏脯制作出的品相。并且新疆大部分的杏子品種杏肉和杏核黏連程度比國外的大，雖然切開了，但是杏核不易脫落，即使使用其消化吸收研制出的振動(dòng)分離工藝也很難取出，大部分仍需人工輔助取出。

目前尚無有效將新疆的杏子去核的機(jī)具，本試驗(yàn)擬依據(jù)杏果特征，采用人工輔助杏果定位，用十字式刀頭沖壓的原理設(shè)計(jì)一種沖壓式半自動(dòng)連續(xù)去杏核裝置。

圖1 杏子外形特征描述Figure 1 Description of the shape of apricots

1 杏果的物理特性

在新疆杏果產(chǎn)業(yè)基地英吉沙縣杏園中隨機(jī)摘取八九成熟的賽買提杏和明星杏，并分別測(cè)量其物理參數(shù)，包括杏果和杏核的外形尺寸(長、寬、厚)、重量、杏去核所需力度，然后取平均值，見表1。

表1 2種杏果的物理特性

2 去核機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 設(shè)計(jì)要求

杏子去核一定要做到杏肉帶出率少，杏子表面破損率小，最好是沿長度方向豎直切開，并且切分面要平整，無破壞，并且可實(shí)現(xiàn)2種加工方式——去核不切分和切分去核。切分去核后的杏肉可做成杏干和果脯，去核不切分的杏肉可在其中塞入杏仁或其他干果，制作成杏包仁。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要在新疆杏子自身的外形尺寸的基礎(chǔ)上考慮如何給杏子定位；其次，去核沖刀的設(shè)計(jì)既要滿足高沖核率，還要減小對(duì)杏肉的損傷；第三，去核動(dòng)作需與杏子輸送鏈板運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，保證生產(chǎn)效率最高。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

連續(xù)式杏子去核機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由進(jìn)給料鏈板、去核部分、動(dòng)力傳輸部件、機(jī)架構(gòu)成。

1. 機(jī)架 2. 給料鏈板 3. 電機(jī) 4. 去核部分 5. 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 6. 凸輪分割器 7. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 8. 杏核輸送帶 9. 杏肉輸送帶

圖2 杏去核結(jié)構(gòu)簡圖

Figure 2 The structural diagrams of apricot pit remove machine

2.3 工作原理

如圖2所示，考慮到新疆杏子的外形尺寸及黏核的特性，設(shè)計(jì)采用人工擺放的方式給料，由6～7個(gè)工人在喂料區(qū)兩側(cè)將杏子按果柄豎直朝上的方向擺放在給料鏈板中的塑料膠套中，電機(jī)帶動(dòng)去核系統(tǒng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成一下一上的去核動(dòng)作，同時(shí)動(dòng)力通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳到凸輪分割器帶動(dòng)鏈板向前運(yùn)動(dòng)，凸輪分割器保證鏈板一走一停，根據(jù)間歇運(yùn)動(dòng)間隙即鏈板運(yùn)動(dòng)時(shí)間，預(yù)先設(shè)定偏心擺塊的位置，使其在動(dòng)作上配合一致。每次走過一個(gè)鏈板的距離，并且在鏈板將要停止到下一次運(yùn)動(dòng)前的時(shí)間，沖刀也完成1次沖壓去核動(dòng)作。設(shè)備采用鋼制鏈條強(qiáng)度耐磨材料，合金銅為軸銷，提高了產(chǎn)品的耐磨強(qiáng)度，彎曲更靈活，阻力更小，從而可保證長時(shí)間使用不變形。退杏肉的沖桿也與沖刀一起運(yùn)動(dòng)，沖過杏核的杏肉被沖桿沖下，由輸送帶送出，沖掉的杏核也在下方另外收集，由輸送帶送出。

3 關(guān)鍵工作部件設(shè)計(jì)

3.1 杏子定位設(shè)計(jì)

無論是對(duì)杏子進(jìn)行切分還是去核，都要保證在加工的過程中定位后的杏子位置在切分或者去核方向上保持不變，才能保證去核效果。由于新疆的幾種主栽杏子品種(賽買提杏、明星杏、理光杏等)的長度與寬的比例及長度與厚度的比例比較接近，杏子的位置隨機(jī)性很大，因此目前無法較好地使用機(jī)械自動(dòng)定位來實(shí)現(xiàn)杏子的最佳定位。

普通去核設(shè)備僅用較硬材質(zhì)的塑料作為物料的承載裝置，而杏子的皮較薄，這種裝置在去核過程中，杏子受到擠壓或者沖擊，極易造成果肉的損傷，影響后期的商品性。本研究的定位裝置是一種安裝在鏈板上的上大下小的錐形食品級(jí)PP橡膠膠套(圖3)，因?yàn)檐浤z套有彈性，可承受一定的彈性形變。本裝置需人工將杏子豎直擺放在膠套內(nèi)完成定位。這種人工擺放的方法雖然效率較低，但擺放后的杏子在輸送及去核過程中受到膠套的擠壓固定，能很好地在輸送過程中保持豎直形態(tài)，從而保證去核效果，保證去核后產(chǎn)品的品相及商品性。

1. 杏子 2. 膠套 3. 鏈板

3.2 去核部分的設(shè)計(jì)

如圖4所示，去核部分主要由拉桿、刀具安裝座、沖刀等組成。沖刀刀頭由螺母固定在刀安裝座上，沖頭為十字交叉、底部為內(nèi)凹弧形的2個(gè)刀頭組成。根據(jù)杏子和杏核的物理參數(shù)尺寸，將刀頭弧形的兩端距離設(shè)計(jì)為12.00 mm，內(nèi)凹深度設(shè)計(jì)為5.5 mm，刀片厚度設(shè)計(jì)為1.4 mm。

1. 拉桿 2. 刀具安裝座 3. 沖刀 4. 刮料板 5. 杏子 6. 塑料托盒 7. 沖壓支撐板 8. 退杏肉沖桿

圖4 杏去核部分結(jié)構(gòu)簡圖

Figure 4 The structural diagrams of apricot pit remove part

如圖5所示，沖刀刀頭與杏肉的接觸面積小，并且十字爪形刀頭能有效地包裹并頂出杏核。這樣在對(duì)杏子去核和切分的過程中，既較好地保證去核率，還能減少杏肉的損失。

3.3 去核運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如圖6所示，去核部分主要由拉桿、拉桿固定塊、固定導(dǎo)軌等組成。根據(jù)生產(chǎn)率要求，每小時(shí)加工杏子640 kg，計(jì)算給料鏈板的運(yùn)動(dòng)速度為0.12 m(單個(gè)鏈板寬度)/次，每次2 s。其中，鏈板行走時(shí)間為1.2 s，停留時(shí)間為0.8 s。因此除去沖壓的空載行程，沖壓的動(dòng)作應(yīng)在鏈板停滯時(shí)間為0.8 s，整個(gè)行程時(shí)間為2 s。因此設(shè)計(jì)電機(jī)為1 440轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿減速器速比為48。偏心擺塊的偏心距為0.05 m。

1. 沖刀 2. 杏核 3. 杏肉

1. 拉桿 2. 拉桿固定塊 3. 固定導(dǎo)軌 4. 偏心擺塊 5. 傳動(dòng)軸

圖6 去核運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖

Figure 6 The structural diagrams of the motor system design

3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如圖7所示，傳動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)軸鏈輪、傳動(dòng)軸鏈輪等組成。固定導(dǎo)軌固定在機(jī)架上，同時(shí)拉桿固定裝置的背面安裝有上下2個(gè)滑動(dòng)軸承嵌在固定導(dǎo)軌的豎滑槽當(dāng)中，使拉桿固定塊只能做上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)偏心擺塊在拉桿固定裝置的橫滑槽中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，就帶動(dòng)拉桿在豎滑槽中做上下運(yùn)動(dòng)。根據(jù)設(shè)定好的速比，電機(jī)將一部分動(dòng)力通過減速器直接傳遞給去核運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的偏心擺塊，另一部分動(dòng)力通過鏈條鏈輪傳遞到凸輪分割器輸入端，凸輪分割器設(shè)置輸出參數(shù)為，每次轉(zhuǎn)角為60°，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為1.2 s，間隙為0.8 s，再次轉(zhuǎn)動(dòng)60°，如此循環(huán)。根據(jù)間歇運(yùn)動(dòng)間隙即鏈板運(yùn)動(dòng)時(shí)間，預(yù)先設(shè)定偏心擺塊的位置，使其在動(dòng)作上一致。偏心擺塊轉(zhuǎn)1圈的時(shí)間即為鏈板將要停止到下一次運(yùn)動(dòng)前的時(shí)間，即為完成1次沖壓動(dòng)作。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取主栽品種賽買提杏，設(shè)置8組試驗(yàn)，每組隨機(jī)選取100個(gè)大小基本相似的杏子。從定向準(zhǔn)確率、去核合格率、杏肉帶出率、杏核殘留率和生產(chǎn)率6個(gè)方面進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，8組試驗(yàn)平均定向準(zhǔn)確率為100%，說明由人工擺放的方式給料，杏子穩(wěn)定性未受到機(jī)械傳動(dòng)的影響，豎直形態(tài)保持較好。平均去核合格率為96.62%，均較好地完成了杏子加工廠去核的要求。綜合杏肉帶出率為2.38%，杏核殘留率為2.25%，部分不太成熟杏子在去核過程中，杏核會(huì)將部分與其粘連的杏肉帶出，造成破損。生產(chǎn)率為640 kg/h，達(dá)到了預(yù)期設(shè)定的要求。去核后的杏子只是在杏核被沖壓的出口處有一道小口，其他形態(tài)均保持較好，無額外損傷，對(duì)杏肉的破壞度很小。說明整機(jī)能較好地完成新疆主栽杏子品種的去核加工。在實(shí)際生產(chǎn)中，成批量去核加工作業(yè)前，先將杏子按尺寸大小分為2～3個(gè)等級(jí)，然后將設(shè)備換上對(duì)應(yīng)等級(jí)的杏果鏈板(鏈板采用銷子鏈接方式，方便整條直接更換)，再進(jìn)行加工，可以保證杏果的最佳定位保持效果，從而確保后續(xù)去核方位準(zhǔn)確。

1. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸 2. 驅(qū)動(dòng)軸鏈輪 3. 傳動(dòng)軸鏈輪① 4. 傳動(dòng)軸鏈輪② 5. 凸輪分割器驅(qū)動(dòng)軸鏈輪 6. 凸輪分割器 7. 凸輪分割器輸出鏈輪(鏈板傳動(dòng)鏈輪)

圖7 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖

5 結(jié)論

(1) 對(duì)于新疆主栽杏子來說，其長、寬、厚3個(gè)尺寸比較接近，并且無太大規(guī)律性，利用人工擺放給料是目前比較有效的定位方式。

(2) 對(duì)于黏核杏來說，這種沖壓式的去核切分方式比自動(dòng)定位環(huán)切式的效果要好。對(duì)于環(huán)切式[7]的去核切分方法來說，一是存在定位問題，二是在對(duì)杏子環(huán)切后用振動(dòng)的方式將嵌在杏肉中的杏核振處，這對(duì)于黏核杏來說很困難，需要用工具將杏核從杏肉中撥出。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本機(jī)構(gòu)基本可對(duì)杏果一次性完成去核作業(yè)，減少二次重復(fù)性作業(yè)，且去核效果較好。

(3) 該去核機(jī)構(gòu)為凸輪分割器配合偏心塊的驅(qū)動(dòng)沖壓方式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，保證了杏子切分去核生產(chǎn)加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

(4) 本機(jī)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)率主要是由給料鏈板寬度和輸送速度決定。因此，如果設(shè)計(jì)加寬給料鏈板寬度，提高整體運(yùn)行速度，提高工人擺放的熟練程度，以加多了杏子的擺放量，提高生產(chǎn)率，通過配套分級(jí)等前處理設(shè)備，即可滿足杏果加工廠批量加工生產(chǎn)。

(5) 由于本機(jī)具的杏果定位是依靠人工擺放，雖然整體做到了半自動(dòng)化去核，但相對(duì)來說用工量較大，因此本機(jī)構(gòu)在人工定位輔助方面還有待研究提高，從而在保證杏果定位準(zhǔn)確率及生產(chǎn)率的基礎(chǔ)上減少人工使用，提高機(jī)器的自動(dòng)化水平。