蓮子剝蓬機的設計與試驗

潘 松,廖 禺,劉 云,王康軍,陳立才,曹志軍

(1.江西省農業科學院 農業工程研究所,江西 南昌縣 330200;2.江西省農業綜合執法大隊,南昌 330000;3.廣昌縣興蓮機械制造有限公司,江西 廣昌 344900)

0 引言

蓮子為睡蓮科蓮的種子[1-3],生于小巧玲瓏的蓮蓬(蓮房)中,屬蓮的副產品,我國大部分地區均有種植,主要盛產于南方[3],是我國的特產之一。以生產蓮子為主的蓮,稱為子蓮,被譽為中國四大子蓮之鄉的江西贛州、福建建寧、湖南湘潭、湖北洪湖,均是聞名的子蓮產區[2-5]。蓮子營養豐富,含有人體所需的蛋白質、碳水化合物和鈣、磷、鐵及多種維生素等元素[6],是老幼皆宜的食品。2018年,我國蓮子種植面積約61.3萬hm2,同比2017年的55.75萬hm2增長了10.2%;蓮子產量約15.48萬t,同比2017年的14.05萬t增長了10.18%[7]。

傳統的蓮子加工需要經過采摘、剝離蓮蓬、剝殼、去皮、捅芯、干燥等一系列的過程[2]。剝蓮蓬也叫剝蓮子,即把蓮子一個個從蓮蓬里剝取出來,一直是純手工勞動完成,效率非常低,且易傷手指,1個成年人1h最多可剝離蓮蓬12kg(1天按10h計算,1天最多可剝離蓮蓬120kg),嚴重影響后續工序的進行。另外,蓮蓬采收季節多在高溫季節,采摘后的蓮蓬仍然是有生命的機體,其呼吸作用及生理代謝都處于較高水平,耐貯存性較差,在自然條件下極易發生褐變、衰老等品質劣變問題[8]。市場上新鮮蓮子貨架期一般在3～5天[9],新鮮蓮子的供應很難滿足市場的需求。

因此,要實現蓮子產業的規模化、產業化,依靠手工剝離蓮蓬難以實現,嚴重地影響了生產效率。蓮子采摘當天干燥的品質最好,隔天就容易變質,蓮農都不敢大量種植,嚴重影響了蓮農的收入。隨著蓮子產業的發展和農村勞動力的日益短缺,以及勞動力成本的不斷提高,研發蓮子加工機械對提升蓮子產業發展具有重要的意義。因此,設計一種能代替人工剝離蓮蓬的新型機械成為當前急需解決的問題。

近年來,有研究者針對蓮子剝蓬機進行了研究。賴明全[10]發明了一種新鮮蓮蓬脫粒機,蓮蓬進入進料口,通過蓮蓬破碎機構破碎后進入分料機構,達到破碎蓮蓬的目的。這種機械破碎蓮蓬采用彈簧鋼絲,但彈簧鋼絲粗,材質較硬,撞擊力強,在高速擊打時很容易打傷蓮肉,有的蓮子表面殼都會擊爛,效果不甚理想。張禮歡[11]發明了一種蓮蓬脫粒機,采用柔性葉片之間的交錯分布結構破碎蓮子,在機殼下方設有篩選機構,使蓮子與蓮蓬分離。這種機械在實際使用中蓮蓬剝出的蓮子很多還會被蓮蓬里面的小膜包裹住,不能充分將蓮子與蓮蓬分離,需要人工二次參與。黃小從[12]發明了電動蓮蓬快速脫粒機,在電機的輸出軸上設有若干對交錯成十字型的撕料棒,打碎蓮蓬外殼,使較大的蓮蓬碎片從蓮蓬格網篩下滑到機架外,較小的蓮蓬碎片和蓮子一起下落到蓮子格網篩上,再落入收集箱。這種機械在實際使用中蓮蓬剝出的蓮子很多還會被蓮蓬里面的小膜包裹住,不能充分將蓮子與蓮蓬分離,需要人工二次參與,且對部分蓮子的損傷較大。饒學雄[13]等發明了一種蓮蓬脫粒機,利用預脫粒定刀與脫粒定刀想配合,將蓮子外殼撕碎。這種機械在實際使用中蓮蓬剝出的蓮子的損傷較大。曹志軍[14-17]等發明了一種農業蓮蓬自動剝離機、一種蓮蓬脫粒機及蓮蓬破碎機,這幾種機械使用時蓮子與破碎的蓮蓬碎屑不易分離,分離過程很繁瑣。以上研究均沒有形成產業化,未投入生產實際使用。

本研究在現有的各類蓮蓬脫粒機、蓮蓬破碎機基礎上,針對現有機械作業效果不佳、傷蓮率較高等特點,優化設計了一種全新的蓮子剝蓬機,旨在降低損傷率,提高機器的剝蓬效率。

1 蓮子剝蓬機總體設計

1.1 鮮蓮蓬物理參數及剝蓬設計思路

選擇江西省廣昌縣出產的鮮蓮蓬,形體呈不規則的橢球形,進行初步測量。鮮蓮蓬球面直徑分布范圍為12～21cm,錐面高度分布范圍為6～10cm。經對蓮子(外殼有可見的茶褐色斑塊,且發芽口部位的內衣有明顯可見的粘液)進行測量,蓮子粒度大小范圍為φ15～φ21mm,蓮子橢圓度范圍為最大外徑與最小外徑差值不超過2mm。蓮子被厚厚的蓮蓬皮包裹,蓮子與蓮蓬皮有一定的間隙。相對來說,蓮子具有較好的韌性和強度,對蓮蓬施加一定圍內的壓力進行碾搓,能夠將蓮蓬搗碎而不會對蓮子產生損傷。

設計的基本思路是:利用蓮子和蓮蓬的結實度有很大的差異、蓮子本身比蓮蓬的蜂窩狀結構硬度更大的特點,在同樣強度的力度下,將蓮蓬的蜂窩狀結構破碎的同時不會損傷蓮子。設計時,考慮使用鋼絲輪將蓮蓬先破碎,再將破碎的蓮蓬與蓮子通過帶齒滾輪進行分離,從而達到剝蓬的目的。具體來說,就是蓮蓬經過鋼絲輪撕碎,第1道粉碎初步形成蓮蓬蜂窩被撕碎、蓮子和蓮蓬混合在一起的狀態,再經過脫模骨架;第2道粉碎形成破碎的蓮蓬與蓮子混合物,然后再進行分離。根據實際生產經驗,機械加工后的蓮子損傷率要不大于5%,剝蓬率要不小于98%,這樣的機器才有實際的研發價值。

1.2 第一代蓮子剝蓬機結構與工作原理

根據以上思路,設計了第1代蓮子剝蓬機樣機圖。第1代蓮子剝蓬機主要由進料口、蓮蓬破碎裝置、蓮蓬碎屑分離裝置、出料口、動力系統、蓮子收集箱、碎屑收集箱等7部分組成[9-10],如圖1～圖4所示。

1.進料口 2.料倉 3.第2電機 4.第1主動輪 5.第1傳送帶 6.第1保護罩 7.第1從動輪 8.出料口 9.第1電機 10.第1保護罩圖1 立體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional structure。

1.進料口 2.蓮蓬破碎裝置 3.料倉 4.第2電機 5.漏料孔 6.支架 7.第1彎折部 8.蓮蓬碎屑分離裝置 9.出料口 10.蓋板 11.導料板 12.第1間隙 13.料倉 14.第1電機 15.第1主動輪 16.第1傳送帶 17.第1防護罩 18.軸承 19.第1從動輪圖2 剖面結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of section structure。

1.軸承 2.第1從動輪 3.鋼絲輪 4.毛刷 5.凸起部 6.轉軸 7.軸承圖3 蓮蓬破碎裝置結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of lotus seed pod crushing device。

1.第2從動輪 2.第2輥體 3.第1輥體 4.第2間隙 5.齒牙圖4 蓮蓬碎屑分離裝置結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the detrital separation device of lotus seed pod。

由圖1、圖2可以看出:蓮蓬由進料口進入到料倉,蓮蓬破碎裝置的轉軸帶動刷毛軸轉動,蓮蓬會與轉軸上的鋼絲輪接觸,將整個蓮蓬破碎,但不會損傷蓮子;然后,通過蓮蓬碎屑分離裝置,最終實現蓮子不損傷剝離的效果。

2 第1代蓮子剝蓬機關鍵工作機構設計

2.1 蓮蓬破碎裝置設計

圖3中,蓮蓬破碎裝置包括轉軸和位于轉軸上破碎部分。破碎部分包括多根刷毛,形成鋼絲輪,轉軸由第1電機驅動轉動,轉軸帶動鋼絲輪轉動。鋼絲輪是破碎蓮蓬的主要工作部件,要求輪結構簡單、成本低且性能穩定,同時要有較高的強度、彈性和耐磨性。本設計鋼絲輪用鋼絲制作,直徑為0.3mm,密集排列。根據人體一般送料的活動寬度,設計鋼絲輪工作幅寬為300mm,且鋼絲輪用直徑32mm軸縱向固定在喂入口上。考慮到轉速過快,會將蓮子劃傷,因此通過計算設計轉速為800r/min。從使用方便性、環保性出發,破碎裝置、碎屑分離裝置分別選擇用電機作為動力,電機分別選擇用功率為1.5、3kW。蓮蓬進入到料倉的時候,會與轉軸上的鋼絲輪接觸,可以將整個蓮蓬破碎,因為蓮子本身比蓮蓬的蜂窩狀結構更硬,蓮蓬的蜂窩狀結構破碎,但蓮子本身并不會損傷,最終實現蓮蓬剝蓬。

2.2 蓮蓬碎屑分離裝置設計

圖4中,蓮蓬破碎后,蓮子和蓮蓬碎屑還是混合在一起的,設計蓮蓬碎屑分離裝置,可以將蓮蓬碎屑去除掉,從而將蓮子分離出來。蓮蓬碎屑分離裝置包括相對轉動的第1輥體和第2輥體,設計輥體長度L為500mm。其中,第1輥體上設有齒牙,直徑為50mm;第2輥體為光軸,直徑為20mm;考慮到齒牙在蓮子與碎屑分離的時候不會損傷蓮子且可以將碎屑分離,間隙設計成2～3mm,轉速為380r/min。由于蓮蓬碎屑通常都是不規則結構,而蓮子本身通常都是表面光滑的橢圓結構,所以在第1輥體和第2輥體相對轉動時蓮蓬碎屑會被齒牙咬住,卷進到第1輥體和第2輥體之間,并向第1輥體和第2輥體的下方運動;但是,蓮子本身是光滑的,所以只會在第1輥體和第2輥體的表面運動,并不會被咬到第1輥體和第2輥體之間去。這樣即可將蓮蓬碎屑去除掉,將蓮子分離出來,便于進行后續的蓮子脫殼、去皮及通芯的操作。

3 第1代蓮子剝蓬機試驗

3.1 試驗材料

試驗所使用的蓮蓬來源于廣昌,為常見的太空蓮品種,蓮蓬當天采收當天處理。試驗日期為2017年7月22日,晴,室溫30～33℃,大氣壓0.101 0MPa,在室內進行。選擇成熟蓮蓬扁圓形,蓮面平或凸,直徑13～18cm,高6.5～8cm,結實率84.6%～89.7%。

3.2 試驗方法

針對試制出的第1代蓮子剝蓬機進行試驗,評估其整體加工性能。準備好試驗所需儀器,即秒表、天平、電表等器具。試驗樣機按使用說明書的要求進行調整和維護保養,共測2次。

試驗樣機先空運轉10min,檢測機器是否能正常運轉。空運轉后,進行試剝試驗,時間不超過10min。試剝蓬結束后,準備試驗的蓮蓬不少于200kg,開始正式試驗。測出試驗的蓮蓬質重W、試驗時間T、耗電量G,分別計算噸料電耗及生產率。另外,隨機選取試驗的蓮蓬1 000個進行試驗,正式試驗結束后分別計算損傷的蓮子數、未剝蓬數,計算損傷率及剝蓬率。

3.3 試驗結果

樣機試驗得到的結果如表1所示。結果表明:第1代蓮子損傷率為12.3%～14.6%,損傷較大,不能滿足生產加工的品質需要,下一步要想辦法解決蓮子損傷率高的問題。

表1 蓮子剝蓬機試驗參數表Table 1 Parameter table of lotus seed stripping machine experiment。

4 改進優化

經研究分析,蓮子剝蓬機蓮蓬破碎裝置設計合理,符合農藝要求。但蓮蓬碎屑分離裝置設計存在如下缺陷:第1輥體和第2輥體的相對轉動時會損傷蓮子,導致蓮子損傷大。現改變蓮子與碎蓮蓬分離方式,采用傳送帶原理,設計傳送帶速度為20m/min,由下向上傳送。利用蓮子自身的質量及與傳送帶之間產生的摩擦力,沿著傳送帶方向向上運送,而蓮蓬碎屑直接掉落。用4.5kW電機作為傳送帶的動力,保證功率合理配置。圖5、圖6為改進后的第2代蓮子剝蓬機樣機外觀圖、結構剖視圖。

圖5 外觀圖Fig.5 Appearance of the figure。

圖6 結構剖視圖Fig.6 Structural profile。

5 第二代蓮子剝蓬機試驗

5.1 試驗材料

試驗日期為2018年8月17日,晴,室溫32℃～35℃,氣壓值1012hPa,在室內進行。其余同3.1節。

試驗所使用依然選擇廣昌的蓮蓬,為常見的太空蓮品種,蓮蓬當天采收當天處理。試驗日期為2018年8月17日-8月19日,晴,室溫32～35℃,大氣壓0.101 2MPa,在室內進行。選擇成熟蓮蓬扁圓形,蓮面平或凸,直徑13～17.5cm,高7.0～9.5cm,結實率85.2%～90.5%。

5.2 試驗方法

同3.2節,測5次。

5.3 試驗結果

樣機試驗得到的結果如表2所示。由表2可知:第2代蓮子剝蓬機損傷率小,耗電少,效率高,工效相當于人工的8倍左右,極大地提高了生產效率。

表2 蓮子剝蓬機試驗參數表Table 2 Parameter table of lotus seed stripping machine experiment。

6 結論

1)設計的蓮子剝蓬機以電機為動力,可一次性完成蓮蓬剝離作業。整機設計合理,結構簡單,操作維護方便,適應性強,具有節能環保、勞動強度低、生產率高及性能穩定可靠等優點。

2)對試驗樣機進行了剝蓬試驗,結果表明:該機作業性能穩定,剝蓬率、損傷率和生產率平均值分別為100%、2.59%和109.02kg/h,滿足農藝要求,適用于蓮蓬的機械化作業。