雙級膠輥式大蒜破瓣裝置的試驗研究

李 寧,許鵬飛,孫 倩,宋井玲,夏連明,蔡善儒,金誠謙

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255000)

0 引言

大蒜營養豐富,風味獨特,用途廣泛,具有殺菌、抑菌、抗毒等醫療和保健功能,對高血脂、糖尿病、心臟病及胃腸病等病癥有減輕癥狀及治療作用[1-6]。我國是重要的大蒜生產國和出口國,2016年大蒜種植面積已超過40.7萬hm2,年總量達440萬t,占世界大蒜種植面積的三分之二[7],出口國際市場占有率接近80%[8-9]。

大蒜的種植和深加工都需要先將大蒜蒜頭破成蒜瓣,隨著大蒜種植業和蒜種深加工產業的發展,大蒜蒜瓣的需求量不斷增加。為滿足大蒜制種和深加工需要機械化破瓣的需求,借鑒物料撕搓法破殼原理設計了雙級輥式大蒜破瓣裝置并進行了試驗研究,以期為大蒜破瓣機械的設計及優化改進提供參考。

1 膠輥式試驗臺的結構與工作原理

搓撕法脫殼利用相對轉動的橡膠輥筒對物料進行搓撕破瓣(殼)。工作時,兩只膠輥水平放置,分別以不同轉速相對轉動,輥面存在一定的線速差,橡膠輥具有一定彈性,摩擦因數較大;物料進入膠輥區,與兩輥面相接觸。物料在被拉入輥間的同時,受到兩個不同方向的摩擦力的撕搓作用進行破瓣(殼);同時,物料受到兩輥面的法向擠壓力的作用,當物料到達輥子中心連線附近時法向擠壓力最大,物料受壓產生彈性、塑性變形,此時物料的外殼也將在擠壓作用下破裂[10]。

本文利用搓撕法脫殼原理和結構對大蒜進行機械化破瓣,設計了雙級膠輥式大蒜破瓣裝置。該裝置主要由快輥、慢輥、間隙調節裝置、A調速電機和B調速電機等構成,如圖1所示。

1.一級快輥 2.一級慢輥 3.一級對輥間隙調節裝置

快、慢輥的直徑相同,轉速不同,形成一定的轉速比。A、B兩個電機分別帶動快慢輥進行轉動,且在A、B電機的下方各有一個小型的調速器,用來調節電機的轉速。為了提高大蒜的破瓣率設計了上下雙級輥子進行破瓣,上層快、慢輥子為一級對輥,下層快、慢輥子為二級對輥,快慢輥之間的間隙通過間隙調節裝置進行調節。為減少對大蒜的損傷,輥子都采用橡膠輥。一級對輥主要是對整頭蒜進行破瓣,因此選擇有軸向寬凹槽的齒型橡膠輥作為一級膠輥;二級對輥則主要是對部分未完全破開的大蒜進行破瓣,未完全破開的大蒜主要是兩瓣或者多瓣結合在一起,所需破瓣力小,因此選擇窄槽普通型橡膠輥,有利于降低大蒜二次破瓣過程中的損傷。膠輥如圖2所示。

圖 2 膠輥

工作時,蒜頭喂入落在一級快慢對輥上,在轉動輥子的作用下進入快慢對輥之間進行破瓣,經一級對輥破瓣后大蒜通過一級對輥之間的間隙落至二級對輥上進行二次破瓣,破瓣后的蒜瓣通過二級對輥之間的間隙排出。

2 大蒜破瓣過程的受力分析

輥式大蒜破瓣裝置的關鍵部件為輥子,蒜頭喂入落在快慢對輥上,在轉動的輥子的作用下進入快慢對輥之間進行破瓣。當蒜頭開始進入對輥之間擠壓破瓣一瞬間時,主要受自身重力G、輥子對蒜頭的支撐力N1,以及蒜頭和快輥之間的摩擦力f1的作用,如圖3所示(右邊慢輥對蒜頭的作用力和左邊快輥一樣,圖中未畫出)。

圖3 大蒜破瓣時的受力分析

將N1和f1力沿著大蒜的豎直方向(y軸)進行分解,則可以得到沿y軸拉引蒜頭的力f1y和阻止蒜頭進入輥子間隙的力N1y。顯然,只有f1y>N1y時輥子才能抓取蒜頭使其進入對輥之間進行破瓣。在整個抓取破瓣的過程中,蒜頭受到輥子的法向力N和切向摩擦力f的合力不斷增大,并向著有利于抓取蒜頭的方向變化。

因此,在蒜頭喂入的瞬間,輥子抓取大蒜的條件為

G+f1cosα+f2cosα≥N1sinα+N2sinα

因為

f1=f2,N1=N2

即

G+2f1cosα≥2N1sinα

大蒜的重力G遠小于破瓣力,可忽略不計,則

2μN1cosα≥2N1sinα

μ≥tanα

φ≥α

由幾何關系得

L=2[(R+r)cosα-R]

輥子間隙需滿足

2[(R+r)cosφ-R]≤L≤2r

式中α—輥子對大蒜的起始抓取角(°);

φ—輥子與大蒜之間的摩擦角(°);

L—輥子間隙(mm);

μ—輥子與大蒜之間的摩擦因數;

R—輥子的半徑(mm);

r—大蒜的半徑(mm)。

當輥子轉動時,大蒜在輥子的摩擦力f1和f2作用下進行轉動,由于快輥和慢輥之間存在一定的速度差,因此大蒜的兩端也存在速度差,蒜頭在進入快慢輥之間的同時向快輥一方自轉,更利于大蒜的破瓣。

3 試驗設計與分析

3.1 試驗材料

試驗選用的蒼山四六瓣大蒜,是山東蒼山的重要種植品種,種植面積占當地大蒜種植面積50%以上。蒼山四六瓣大蒜直徑范圍主要為40～60mm,超過95%以上。因此,選擇直徑在40～60mm之間的大蒜進行試驗,含水率約為42%。

3.2 試驗指標

大蒜破瓣后主要用于作為蒜種種植和大蒜深加工,根據大蒜種植的農藝要求挑選飽滿、無損傷的蒜瓣作為蒜種進行種植[11-12]。大蒜深加工主要是將蒜瓣進行切片或者磨粉等進行銷售[13-14],不管是用作蒜種還是對蒜瓣進行深加工,都要求大蒜破瓣機具有破瓣率高和破損率低的功效,因此試驗選取這兩個指標進行分析。由于目前缺乏大蒜機械化破瓣相應的標準,借鑒JBT 5688.1-1991 花生剝殼機技術條件定義破瓣率和破損率。

設大蒜的破瓣率為y、破損率為y1,y和y1的計算公式為

y=G1/G0

y1=G2/G0

式中G1—破瓣后,所有單瓣蒜的質量之和 (kg);

G2—破瓣后,破損蒜瓣和破碎蒜瓣質量之和(kg);

G0—破瓣后,所有蒜瓣即單瓣蒜和多瓣蒜的質量之和(kg)。

3.3 試驗設計與結果分析

3.3.1 一級對輥試驗設計與分析

只安裝一級對輥,考察對輥的直徑、對輥的間隙、對輥的轉速比和喂入量對大蒜的破瓣率和破損率的影響,進行有交互作用的四因素三水平的正交試驗。試驗因素水平表如表1所示;考慮兩因素的二級交互作用,試驗安排和結果如表2所示。

表1 試驗因素水平表

表2 試驗安排與結果

試驗數據的方差分析結果如表3所示。由表3可知:一級對輥的間隙對破瓣率有著非常顯著的影響,一級膠輥的轉速比、一級對輥的直徑和一對膠輥的間隙對大蒜的破瓣率有著顯著的影響,影響因素的主次順序為一級對輥的間隙>一級對輥的轉速比>一級對輥的直徑和一級對輥的間隙的交互作用>一級對輥的間隙和喂入量的交互作用;一級對輥的間隙、一級對輥的直徑和一級對輥的間隙的交互作用對大蒜的破損率有著非常顯著的影響;一級對輥的間隙和喂入量的交互作用對大蒜的破損率有著顯著的影響,影響因素的主次順序為一級對輥的間隙>一級對輥的直徑和一級對輥的間隙的交互作用>一級對輥的間隙和喂入量的交互作用。

表3 破瓣率和破損率的方差分析表

F0.01(2,10)=7.56,F0.05(2,10)=4.10,F0.01(4,10)=6,F0.05(4,10)=3.48。

試驗為雙指標試驗,破瓣率越大越好,破損率越小越好。根據試驗設計安排表,求得各因素不同水平所對應的K值,如表4所示。K值表示的是同一水平下對應的破瓣率或破損率之和。通過K值求得最佳方案為:一級對輥的直徑為130mm,一級對輥的間隙為15mm,大蒜喂入量為100g/s,一級對輥的轉速比為1∶2,破瓣率為91.6%,破損率為1.6%。破瓣率還未達到期望的要求,因此還需添加二級對輥進行破瓣。

表4 各因素破瓣率和破損率的K值

續表4

3.3.2 二級對輥試驗設計與分析

因為二級對輥傳動方式也是利用A、B兩個電機進行帶動,所以二級對輥的轉速比和一級對輥一致。通過一級對輥的試驗分析可知,膠輥的直徑對指標影響較小,因此主要考察二級輥子的間隙對破瓣率和破損率的影響。選取一級對輥破瓣最佳方案即A1B1C1D1對二級對輥的間隙進行單因素試驗,試驗選取二級對輥的直徑為130mm,試驗結果如圖4和圖5所示。

圖4 二級對輥的間隙對破瓣率的影響

圖5 二級對輥間隙對破損率的影響

由圖4和圖5可知:破瓣率和破損率的整體變化趨勢是隨著二級對輥的間隙的增大而逐漸變小;二級對輥的間隙在15～20mm區間時,大蒜破瓣率的變化浮動較小;二級對輥的最小間隙在15～25mm時大蒜的破損率變化幅度較小;二級對輥的間隙在15～20mm時,大蒜的破瓣率在95%以上,且破損率均在4%以下。借鑒JBT 5688.1-1991 花生剝殼機技術條件,要求花生剝殼機花生的剝凈率≥95%,花生的破傷率≤4%,通過綜合分析得出二級對輥的間隙在15mm時為最佳破瓣方案,破瓣率95.9%,破損率最低3.7%。

4 結論

1) 一級對輥的間隙對破瓣率有著非常顯著的影響,一級對輥的轉速比、一級對輥的直徑和一級對輥的間隙的交互作用、一級對輥的間隙和喂入量的交互作用對大蒜的破瓣率有著顯著的影響。影響因素的主次順序為:一級對輥的間隙>一級對輥的轉速比>一級對輥的直徑和一級對輥的間隙的交互作用>一級對輥的間隙和喂入量的交互作用。

2) 一級對輥的間隙、一級對輥的直徑和一級對輥的間隙的交互作用對大蒜的破損率有著非常顯著的影響。一級對輥的間隙和喂入量的交互作用對大蒜的破瓣率有著顯著的影響。影響因素的主次順序為:一級對輥的間隙>一級對輥的直徑和一級對輥的間隙的交互作用>一級對輥的間隙和喂入量的交互作用。

3) 當一級對輥和二級對輥間隙的間隙均為15mm,一級、二級對輥直徑均為130mm,一級、二級對輥的轉速比均為1∶2,喂入量為100g/s時,雙級輥式大蒜破瓣裝置破瓣率為95.9%,破損率3.7%。