柑橘去肉取皮機的設計及控制參數優化

岳東海 涂 琴 吳洪濤

(1. 常州信息職業技術學院，江蘇 常州 213164；2. 南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

柑普茶是近幾年逐漸興起的茶品[1]，兼具陳皮和普洱茶的功效[2-4]。它是將柑橘開蓋后去除其果肉形成果皮，將普洱茶裝入果皮后，進行烘干處理，再用食品級錫箔紙對其進行包裝。目前柑橘的開蓋、去除果肉過程是由人工完成的。這種人工方式生產效率低，工人勞動強度大，已經無法滿足柑普茶生產企業的要求。

目前國內柑普茶果皮的自動分離普遍采用刀具或高壓沖水方式[5-7]實現。刀具方式是采用與柑橘外形輪廓相似的弧狀刀刃分階段對柑橘內部果肉進行清除。即使經過篩選后的柑橘，其外形輪廓還是具有一定差異性，刀具的外形不可能適用所有的柑橘果皮內壁輪廓，存在破壞果皮的可能性，無法保證果皮的完整性。高壓沖水方式是通過高壓噴槍與高壓水泵連接，高壓噴槍從柑橘的開蓋處伸入柑橘內部并轉動，高壓水使果肉脫離。這種方式的缺點是用水量較大，增加了生產成本；果肉與水混合在一起，不利于果肉的回收再利用。

本試驗基于環切取蓋、刀具開腔和高壓吹氣的工作原理，擬設計一種柑橘去肉取皮機構，并通過正交試驗確定其吹氣排肉機構相關參數的最優組合，以期為柑普茶果皮自動分離裝置的設計開發提供技術參考。

1 工作原理與機構設計

1.1 工作原理

柑橘去肉取皮機的工作原理如圖1所示。

環切刀旋轉上升，環切果皮后，再進入果肉內部；環切刀下降時，果蓋被掛在環切刀內壁的“倒刺”上，并跟隨環切刀下降，從而脫離果皮和果肉。當對下一個柑橘進行環切取蓋時，留在環切刀內壁“倒刺”上的果蓋被擠壓，并離開“倒刺”，實現環切取蓋；完成開蓋的柑橘進入開腔工位，鉆頭做旋轉升降運動，高速轉動的鉆頭將柑橘果肉打碎，實現柑橘的開腔；進入吹氣排肉工位，氣管做旋轉升降運動，高壓氣體通過氣管被注入到柑橘的腔體內，將剩余果肉吹離柑橘皮，形成果皮。

1. 果肉 2. 果皮 3. 環切刀 4. 鉆頭 5. 氣管

1.2 機構設計

整機由旋轉與壓緊機構、環切取蓋機構、開腔機構、吹氣機構4部分組成。采用環形4工位布局設計，分別是進出料工位、環切取蓋工位、開腔工位和吹氣排肉工位，其中進出料工位需要人工放料和取料。整機結構如圖2所示。

1.2.1 定位與壓緊機構 由圖3可知，該機構實現圖1中環形布局中4個工位所需的轉動定位，環切取蓋工位的環切刀、開腔工位的鉆頭及吹氣排肉工位的氣管所需升降運動和對柑橘的壓緊動作都是由本機構完成。

1. 進出料工位 2. 環切取蓋工位 3. 開腔工位 4. 吹氣排肉工位

圖2 裝置的實體造型

Figure 2 Solid modeling of machine

機構中轉動定位采用步進驅動方式實現。步進電機2 經渦輪蝸桿減速器1減速后，通過剛性聯軸器3聯結主軸8，并帶動轉盤7轉動實現定位。轉盤7上裝有柑橘模具6，用以放置柑橘。轉盤7轉至對應的工位時，壓板氣缸4 推動壓板5，將柑橘模具6內的柑橘壓緊固定。完成相應工位任務后，壓板氣缸4帶動壓板5離開柑橘模具6，步進電機2帶動轉盤7轉動一個工位。升降板氣缸12推動升降板9實現環切刀、鉆頭及氣管的同步升降運動。

1. 蝸輪蝸桿減速器 2. 步進電機 3. 剛性聯軸器 4. 壓板氣缸 5. 壓板 6. 柑橘模具 7. 轉盤 8. 主軸 9. 升降板 10. 直線軸承 11. 光軸 12. 升降板氣缸

圖3 旋轉與壓緊機構

Figure 3 Rotation and compression mechanism

1.2.2 開蓋機構設計 開蓋機構如圖4所示。該機構用以實現對柑橘開蓋的自動化操作。

開蓋機構采用機械方式實現環切刀2的旋轉升降。螺旋軸6外圓面加工有螺旋槽[8]，隨升降板升降時產生旋轉運動，進而帶動環切刀2轉動。環切刀2進入柑橘底部實現環切取蓋，其內壁的“倒刺”將切下的蓋拉離柑橘果肉。當對下一個柑橘進行環切取蓋時，留在環切刀內壁“倒刺”上的果蓋將被擠壓并離開“倒刺”，果蓋離開“倒刺”后由于阻力作用可能停留在環切刀內壁上，隨著加工柑橘的數量增加，加之環切刀深入柑橘內部較深，在進入柑橘內部過程中，柑橘本體將停留在環切刀內部堆疊的果蓋排擠到滑道3上，通過滑道3滾落至托盤4上。托盤4底部邊緣加工有4個圓孔，環切取蓋過程中產生的部分橘汁，經過這些圓孔進入收集盤1。收集盤1下方邊緣有開口，橘汁經開口流出并收集。托盤4上的果蓋累積到一定量后，會掉落至收集盤1，需人工按時收集取出。開蓋機構中環切刀直徑是28 mm，經試驗測試環切取果蓋成功率達到95%以上。

1. 收集盤 2. 環切刀 3. 滑道 4. 托盤 5. 直線軸承 6. 螺旋軸 7. 軸承座

圖4 開蓋機構

Figure 4 Open cover mechanism

1.2.3 開腔機構設計 開腔機構如圖5所示。該機構可實現對開蓋后柑橘的開腔操作。開腔后柑橘內部形成圓柱形腔體，既排除了大部分果肉，減輕了吹氣排肉機構的負擔，又使吹氣機構中氣管與果肉之間保持一定的空間距離，有助于吹氣機構將果肉排凈。

1. 鉆頭 2. 腔體 3. 聯結管 4. 收集箱 5. 軸承 6. 套筒 7. 聯軸器 8. 直流電機

開腔機構中，鉆頭1通過聯結管3、聯軸器7與直流電機8連接。升降板底部氣缸推動開腔機構做升降運動，直流電機8帶動鉆頭1做高速轉動，實現對柑橘開腔操作。開腔時鉆頭1打碎的果肉由腔體2落在收集箱4內。

1.2.4 吹氣機構設計 圖6所示的吹氣機構是柑橘果肉能否去除干凈的關鍵，直接影響最終的果肉去除率。圖6中金屬氣管5上端聯結有可更換式噴嘴，見圖7。

直流減速電機10通過主動齒輪9、從動齒輪8及聯結套筒6帶動金屬氣管5和噴嘴4做旋轉運動。升降板推動吹氣機構伸入開腔后的柑橘內部，高壓氣體從聯結套筒6底部注入，通過噴嘴4將剩余果肉吹離柑橘內壁，形成果皮，果肉借助氣體回流至收集箱3。氣缸1推動軟橡膠2將果肉清掃出收集箱，由外部容器將果肉收集，以作他用。

2 試驗取皮參數優化

2.1 材料與儀器

2.1.1 材料

柑橘：新會大紅柑(直徑60～65 mm，高度為50～55 mm)，江門市新會區安盛柑園有限公司；

1. 氣缸 2. 軟橡膠 3. 收集箱 4. 噴嘴 5. 金屬氣管 6. 聯結套筒 7. 軸承 8. 從動齒輪 9. 主動齒輪 10. 直流減速電機

圖6 吹氣機構

Figure 6 Air blowing mechanism

圖7 噴嘴外形

2.1.2 主要儀器設備

氣泵空壓機：0.36-8型，福建捷豹商貿有限公司；

電子秤：JTS-LC型，深圳鈺恒電子有限公司；

柑橘去肉取皮機：CCIT-I型，常州信息職業技術學院。

2.2 試驗方法

2.2.1 樣品制備 選取直徑60～65 mm，高度為50～55 mm 的新會大紅柑若干。品質要求：果體飽滿，無破損。用電子秤進行精準稱重。

2.2.2 平均果肉去除率測定 單次試驗柑橘樣本為10個，平均果肉去除率按式(1)計算。

(1)

式中：

δ——平均果肉去除率，%；

Ki——單個柑橘樣本的果肉去除率，%。

單個柑橘樣本果肉去除率數據采用稱重的方式獲取，其分段函數表達式：

(2)

式中：

Wi——柑橘樣本試驗前質量，g；

Qi——柑橘樣本試驗后質量，g；

Ri——柑橘樣本果皮質量，g；

其中樣本果皮稱重前需專用工具將殘留的果肉清理干凈。

2.2.3 生產效率測定 生產效率(P)對應值見表1。

表1 生產效率

2.2.4 多因素正交試驗設計 噴嘴的吹氣壓力、氣孔直徑、升降速度和旋轉速度決定了吹氣機構的工作效果。在保證果肉去除率條件下，確定吹氣壓力、噴嘴氣孔直徑、升降速度和旋轉速度4個參數的最優組合。經過前期試驗測試，噴嘴的升降速度≤25 mm/s時，噴嘴行程能夠有效控制在50 mm。經調研企業泵站氣源壓力一般穩定在0.6～0.8 MPa。前期采用最高壓力給噴嘴供氣，噴嘴升降速度選25 mm/s，噴嘴氣孔直徑3 mm時進行吹氣試驗。當升降次數為3次時，柑橘果皮被吹破，升降次數為2次時，柑橘果肉有殘留。基于上述分析確定4個參數構建因素水平如表2所示。采用L9(34)正交表，以果肉去除率和生產效率作為評估指標。

表2 因素水平

多指標正交試驗的分析方法有兩種：綜合評分法和綜合平衡法[9]。綜合評分法是將多指標化為一個評分指標進行直觀分析；綜合平衡法是分別將各個指標按單指標進行計算分析，再將各指標的分析結果進行綜合平衡，以獲得“最優”試驗方案。生產效率在果肉去除率滿足要求時才具有實際意義，果肉去除率的重要性比生產效率的重要性大，采用綜合評分方法進行正交試驗分析。對二者采用計算加權指標得到綜合評分，以該綜合評分作為終極評估指標。果肉去除率權值為4，生產效率權值為1。綜合評分(S)按式(3)計算。

(3)

2.3 結果與分析

由表3可知，對綜合評分指標的影響次序為A>B>C>D，最佳參數組合為A3B3C3D2。C因素水平直接影響生產效率，且其極差值R相對較小，為獲取更高的生產效率，C因素選擇第1水平(25 mm/s)，最終優選結果為A3B3C1D2。該組合在表2所示正交試驗方案中未有體現，針對該組合進行20次驗證實驗，柑橘果肉去除率達到99%，未有出現果皮破損情況，綜合評分達到99.2分。最終確定參數的最優組合是A3B3C1D2。即噴嘴氣孔直徑3 mm、吹氣壓力0.65 MPa、噴嘴升降速度25 mm/s、噴嘴旋轉速度150 r/min。

表3 正交試驗結果

3 結論

本研究基于環切取蓋、刀具開腔和高壓吹氣的原理，設計了柑橘去肉取皮機。利用多因素正交試驗對機構控制參數進行優化，采用綜合評分法獲得最優參數組合為：噴嘴氣孔直徑3 mm、吹氣壓力0.65 MPa、噴嘴升降速度25 mm/s、噴嘴旋轉速度150 r/min。試驗表明機構運行穩定，果肉去除率99%以上，生產效率是現有人工的3倍。但其工業化應用時設備結構和布局尚需進一步優化。