臥式青核桃脫皮機關鍵部件優化與試驗

楊忠強 郭 輝 馬月虹

(1. 新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2. 新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

中國核桃種植面積和產量均居世界首位，是世界重要的核桃生產國和消費大國。新疆是中國核桃第二大集散地[1]，其堅果種植面積達5.043×105hm2，其中核桃種植面積達3.909×105hm2，占總種植面積的3/4以上；而堅果總產量達1.036×106t，其中核桃產量達8.368×105t，占總產量的4/5以上[2]。由于核桃加工期集中且規模較大，采后因加工不及時導致的損失在12%以上。

脫青皮是核桃采后加工的首要且最重要的環節。機械法脫皮是替代人工脫皮最有效的手段，且符合衛生條件。目前，機械法脫皮主要集中在對脫皮機構的研發和脫皮機理的研究。其中，脫皮機構的研發主要采用切割脫皮[3-5]、擠壓脫皮[6-7]、刮削脫皮[8-10]、撞擊脫皮[11-13]及混合法脫皮[14]。混合法脫皮主要是利用上述4種方法中的兩種或多種脫皮方法進行組合脫皮，如臥式青核桃脫皮機，該設備既有刀片的切割，又有板刷與鏈板組成的擠壓通道，生產率較高，適合批量化、規模化加工，可以配套于成套設備中使用。脫皮機理的研究主要是對青核桃的力學特性、物理特性等方面的探討[15-17]。目前，中國在核桃脫皮加工工藝方面還缺乏系統研究，脫皮加工粗放，未能實現標準化、精細化生產，多以單機加工為主，成套性較差。鄭甲紅等[17]對青核桃進行了擠壓試驗，確定了外形大小并不是決定因素，無需分級加工。對于無間隙調節機構的離心篩網式青核桃脫皮機[12]，因其結構與原理不同，為獲得更好的效果可進行分級處理，但該類型脫皮機采用間歇式生產，無法真正實現連續化、批量化加工。而臥式青核桃脫皮機[14]因其結構和原理與離心篩網式青核桃脫皮機不同，作業前需根據原料外形大小進行分級處理，然后確定間隙調節機構的間隙范圍并進行分批次加工，該機可以配套在連續生產線中進行連續化、批量化加工。

由于中國栽培和育種的核桃品種主要追求出仁率高、殼薄。然而，在核桃實際生產加工中，殼薄的品種普遍裂果較多，外形尺寸差異性較大，若不進行分級，直接進入脫皮通道中，外形尺寸較小的青核桃未接觸到板刷而未受到擠壓，直接輸送到出料口，造成漏脫，同時，外形尺寸較大的青核桃所受作用強度較大而造成硬殼破損。成熟度是衡量核桃果實是否成熟的一個最重要指標，而目前有關青核桃成熟的標準尚未建立，果農一般將青皮裂口程度作為判斷核桃果實是否成熟的標準。青皮裂口越大，核桃成熟度越高，青皮與硬殼越容易分離。江林曦[18]通過回歸試驗獲得了核桃青皮的彈性模量隨含水率變化的函數關系，否定了關于控制青皮含水率提高脫皮性能的方案。因此，機械脫皮前分級、熟化等預處理措施是提高該設備脫皮效果的重要因素。

影響脫皮機構脫皮性能的因素除脫皮工藝、核桃品種、成熟度及含水率等因素外，還與脫皮機構的結構和參數有關[19]。其關鍵部件尤其是板刷、刀片及刀片的排列方式還需進一步試驗。文章擬介紹臥式青核桃脫皮機的整體結構、工作原理、脫皮通道間隙調節機構、脫皮通道角度調節機構，通過選擇不同的板刷類型、刀片類型及刀片排列方式進行脫皮性能的試驗，旨在為臥式青核桃脫皮機的優化提供依據。

1 整體結構與工作原理

1.1 臥式青核桃脫皮機

臥式青核桃脫皮機部件構成見圖1。

青核桃從進料口落至鏈板機構表面，電機減速器驅動主軸轉動，帶動鏈板機構水平向前運動，在布料裝置的作用下，平鋪一層進入由上板刷機構與下鏈板機構組成的脫皮通道中，前噴水管不斷對青核桃進行噴灑潤滑，鏈板上安裝有不同方向的刀片，在脫皮通道中，青核桃不斷受到擠壓摩擦，刀片更易將青皮切裂，然后在板刷的梳刷作用下，將青皮去除，混合物料一起輸送至出料口，進入下一青皮分離清洗環節。

1. 角度調節手輪 2. 間隙調節手輪 3. 外罩升降裝置 4. 板刷機構升降裝置 5. 電機減速器 6. 板刷機構 7. 鏈板機構 8. 脫皮通道 9. 外罩 10. 布料裝置 11. 進料口 12. 機體 13. 前噴水管 14. 刀片 15. 軸承安裝板 16. 出料口 17. 后噴水管

脫皮通道由板刷機構與鏈板機構組成。工作狀態下，可以通過間隙調節手輪控制上板刷機構與下鏈板機構之間的距離，滿足不同外形尺寸的青核桃脫皮，也可以通過角度調節手輪控制上板刷機構與鏈板機構之間形成脫皮通道的傾斜角度，形成間隙由大到小的構形。核桃青皮逐漸脫落，外形尺寸不斷變小，前進過程中，通道間隙也逐漸減小，更符合青核桃到核桃之間的外形尺寸變化過程，提高青皮脫凈率，減少核桃破損果率。

1.2 脫皮通道的間隙調節機構

脫皮通道的間隙調節機構見圖2。其間隙調節的目的主要是適應不同外形大小及品種的青核桃進行脫皮作業，以提高脫皮性能。該機構可以實現板刷的升降，調節脫皮通道的間隙，還可以實現多組板刷同步升降，保證多組板刷機構與鏈板機構形成的脫皮通道間隙一致。螺桿升降機與板刷安裝架固定，帶動螺桿升降機的推桿前進或后退，推動兩側調節板水平沿導軌前進或后退，兩側調節板上設置有傾斜的長條孔，板刷安裝架上設置有豎直的長條孔，調節軸沿傾向長條軸孔向上或向下滑動，調節軸帶動板刷安裝板沿板刷安裝架豎直長條孔上升或下降，從而實現脫皮通道間隙調大或調小，脫皮通道間隙h主要通過調節板上調節軸上升的標尺距離確定。

1.3 脫皮通道的角度調節機構

脫皮通道的角度調節機構見圖3。脫皮過程中，核桃青皮不斷脫落變小，同時擠壓間隙逐漸減小，以適應青核桃與核桃之間的尺寸差異，從而實現最佳的脫皮性能。該機構可以實現脫皮通道角度θ調整，還可以實現多組板刷與鏈板之間的角度一致性。螺桿升降機與板刷安裝架固定，帶動螺桿升降機的推桿前進或后退，從而帶動拉桿前進或后退，拉桿帶動板刷安裝板繞調節軸旋轉，板刷安裝板上安裝有板刷，同時調節拉桿帶動多組板刷繞各自調節軸旋轉，從而實現多組板刷角度調節的一致性，脫皮通道角度θ主要通過板刷安裝板與豎直方向的夾角確定。

1. 調節軸 2. 脫皮通道 3. 調節板 4. 板刷 5. 導軌 6. 刀片 7. 鏈板機構 8. 板刷安裝架 9. 間隙調節手輪 10. 螺桿升降機

1. 板刷安裝架 2. 調節軸 3. 板刷 4. 板刷安裝板 5. 調節拉桿 6. 脫皮通道 7. 刀片 8. 鏈板機構 9. 拉桿 10. 螺桿升降機 11. 角度調節手輪

2 關鍵部件結構形式與參數

2.1 板刷

板刷表面的動摩擦系數是影響脫皮性能的因素之一。臥式青核桃脫皮機板刷的類型主要有3種(圖4)：① a型鋼絲板刷，單根鋼絲直徑1 mm，長度80 mm，密度6 198個/m2；② b型鋼絲繩板刷，鋼絲繩直徑5 mm，長度80 mm，密度4 888個/m2；③ c型鋼絲繩板刷，鋼絲繩直徑5 mm，長度80 mm，密度8 444個/m2。

2.2 刀片

由于刀片參與核桃青皮切割過程，因此，刀片類型也是影響脫皮性能的關鍵因素之一。臥式青核桃脫皮機刀片的類型主要有3種(圖5)：① d型刀片采用U型，兩邊高度一致，均為8 mm，且與鏈板垂直；② e型刀片采用U型，但兩邊高度不一致，分別為8，5 mm，與鏈板不垂直；③ f型刀片采用U型，但兩邊高度不一致，高8 mm一側與鏈板垂直，高3 mm一側與鏈板不垂直。

圖4 板刷的類型

圖5 刀片的類型

2.3 刀片排列形式

通過分析，鏈板表面的動摩擦系數也是影響脫皮性能的因素之一。而刀片排列方式是影響鏈板動摩擦系數的因素之一，試驗選擇的排列方式如圖6所示，g型排列方式刀片采用一排傾斜，一排平行方式，h型刀片采用米字型排列方式。

圖6 刀片的排列方式

3 材料與方法

3.1 材料與儀器

青核桃：選用新疆主栽的新新2、溫185、扎343 品種，于2019年9月上旬新疆喀什葉城縣采收，外形尺寸(棱徑×短徑)為(42.7～46.3) mm×(44.5～47.65) mm，分級后，青皮平均厚度為6.81 mm，青皮含水率為89.0%～95.5%，核桃殼含水率為32.7%～38.4%，核桃仁含水率為24.0%～33.2%，成熟度較好，于新疆農業科學院農業機械化研究所實驗室進行試驗，試驗前于(5±1) ℃保鮮庫內保存；

臥式青核桃脫皮機：新疆農業科學院農業機械化研究所自制；

減速器：RV130型，浙江午馬減速機有限公司；

電機：YE2-112M-4型，上海左力電機有限責任公司；

電子計價臺秤：TCS-150型，貴陽宏立衡器制造有限公司。

3.2 試驗方法

3.2.1 單因素試驗 臥式青核桃脫皮機減速器速比為30，電機為三相異步4 kW電機，通過變頻器控制主軸的轉速，喂入量控制脫皮機的生產率，由于采用輸送帶均勻喂入，該機生產率為3 t/h。前期試驗發現，當喂入量為2 000 kg/h，主軸轉速為30 r/min，脫皮間隙為35 mm，脫皮角度為2°時，脫皮性能較好。

(1) 主軸轉速：當喂入量為2 000 kg/h，脫皮間隙為35 mm，脫皮角度為2°時，考察主軸轉速(15，20，25，30，35，40，45 r/min)對青皮脫凈率與核桃破損果率的影響。

(2) 喂入量：當主軸轉速為30 r/min，脫皮間隙為35 mm，脫皮角度為2°時，考察喂入量(500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，3 500 kg/h)對青皮脫凈率與核桃破損果率的影響。

(3) 核桃品種：當喂入量為2 000 kg/h，主軸轉速為30 r/min，脫皮間隙為35 mm，脫皮角度為2°時，考察核桃品種對青皮脫凈率與核桃破損果率的影響。

3.2.2 脫凈率和破損果率的測定 分別按式(1)、(2)計算青皮脫凈率和核桃破損果率[20]。

(1)

(2)

式中：

T——脫凈率，%；

m1——完全脫皮的核桃質量，kg；

m2——未完全脫皮的核桃質量，kg；

P——破損果率，%；

m3——破損果質量，kg；

m——出料口樣品總質量，kg。

3.2.3 數據處理 所有試驗重復3次，利用Excel軟件進行計算和作圖。

4 結果與分析

4.1 設備特性對脫皮性能的影響

4.1.1 板刷類型 由圖7可知，脫凈率c型>a型>b型，破損果率a型>c型>b型。a型板刷是由直徑為1 mm的鋼絲栽種而成，若鋼絲直徑<0.8 mm，形成的板刷強度不夠，若鋼絲直徑>2 mm，形成的板刷強度較強，易戳進核桃內部，造成核桃破損，且栽種的板刷其鋼絲易松動脫落，穩定性較差；b型板刷采用鋼絲繩穿成U型，鋼絲繩直徑為5 mm，鋼絲繩替代鋼絲，提高了其穩定性，但其密度小，整體硬度和擾度較小，青皮脫凈率和核桃破損果率均較其他兩種板刷小，且鋼絲繩之間易卡核桃，造成清理困難；c型板刷較b型增加了密度，提高了板刷整體的硬度和擾度，板刷的整體彈性較強，脫皮作用較為柔和，大大提高了脫凈率和穩定性，減少破損果率。因此，采用c型板刷作為臥式青核桃脫皮機的關鍵部件。

圖7 板刷類型對青皮脫凈率及破損果率的影響

4.1.2 刀片類型 由圖8可知，脫凈率f型>e型>d型，破損果率d型>e型>f型，U型刀片直接與青核桃接觸而參與脫皮過程，刀片的切刃應盡可能與青皮的厚度相匹配，切刃過高易損壞核桃，過低不易將青核桃切裂。f型刀片的單刃相比d型的雙刃更易切破青皮，而且雙刃需獲得較大的擠壓力才能將青皮切破，因而造成較大的破損果率。試驗還發現，d型的U型刀片在試驗過程中，U型槽內易堆積青皮雜質，且不能及時將雜質排除。相比之下，f型刀片在噴水裝置的作用下，清理雜質更容易且及時，因此采用f型刀片作為臥式青核桃脫皮機的關鍵部件。

4.1.3 刀片的排列方式 由圖9可知，h型較g型獲得較高的脫凈率和較低的破損果率，可能是h型排列更均勻，且增加U型刀片刀刃與鏈板輸送方向的傾斜角度，更有利于刀刃與青核桃的滑動切割，將青皮切破，并促使青核桃在脫皮通道中走S型軌跡，提高了青皮脫凈率，減少了青核桃與刀片刀刃正面的碰撞和摩擦，因此采用h型排列方式為臥式青核桃脫皮機的刀片排列形式。

圖8 刀片類型對青皮脫凈率及破損果率的影響

圖9 刀片的排列方式對青皮脫凈率及破損果率的影響

4.2 運動參數對脫皮性能的影響

4.2.1 主軸轉速 楊忠強等[12]研究表明，篩網轉速對脫凈率的影響極顯著(P<0.01)，對破損果率影響顯著(P<0.05)。由圖10可知，脫凈率和破損果率均隨主軸轉速的增加而升高。主軸轉速越快，進入脫皮通道的青核桃獲得的速度和動能越大，青核桃所受的撞擊力變大，其青皮易被撞擊破裂，同時，核桃硬殼破損也大大增加。為了提高機具的脫凈率和生產率，降低核桃破損果率，臥式青核桃脫皮機主軸轉速的選擇需滿足破損果率≤6%[20]，并盡可能提高青皮脫凈率和生產率，故確定主軸轉速為25～35 r/min 較為理想。

4.2.2 喂入量 采用機械脫皮時，大量的物料及雜質無規則進入脫皮通道，使板刷與刀片對物料產生的作用強度隨機性變大，不易實現精準控制，核桃硬殼易遭受破損。由圖11可知，脫凈率和破損果率均隨喂入量的增加而不斷減小。脫皮作業過程中，喂入量直接決定了設備的生產率，但喂入量應與脫皮能力相匹配，若喂入量過大，進入脫皮通道單位面積內的青核桃數量不斷增加，單個青核桃所受的擠壓力變小，青皮破裂的概率降低，青皮脫凈率和核桃破損果率隨之降低，不能及時全部脫皮，青皮會不斷地堆積在刀片的凹槽和板刷的縫隙中，不僅降低了脫皮能力，還使得青皮不能及時排出脫皮通道。因此，確定喂入量為1 000～3 000 kg/h較為理想。

圖10 主軸轉速對脫凈率和破損果率的影響

圖11 喂入量對脫凈率和破損果率的影響

4.2.3 核桃品種 由圖12可知，青皮脫凈率扎343>新新2>溫185，核桃破損果率溫185>扎343>新新2。新新2核桃外形為長圓形，縫合線窄且緊密較平，殼面光滑，溝紋淺細且較稀，殼厚1.2 mm，出仁率為53.2%；溫185核桃外形為長圓形，縫合線寬且緊密較凸，殼面粗糙，溝紋深粗且較密，殼厚0.8 mm，出仁率為65.9%；扎343核桃外形為卵圓形，縫合線窄且緊密較平，殼面光滑，溝紋較淺細且較稀，殼厚1.16 mm，出仁率為54.0%[21]；三者均屬于薄皮核桃，相比之下，扎343的殼面溝紋較新新2更細更稀，因此，扎343的青皮與核桃粘連較新新2差，更易脫皮，溫185殼面粗糙，溝紋深粗且較密，青皮與核桃粘連較好，脫皮較差。殼厚新新2>扎343>溫185，殼薄強度小，脫皮時易破損，因此，品種對核桃破損果率的影響顯著(P<0.05)。

圖12 品種對核桃脫凈率和破損果率的影響

5 結論

臥式青核桃脫皮機結構和原理適合配套于連續化、批量化加工的成套設備中。通過對臥式青核桃脫皮機關鍵部件進行試驗，確定了該設備所采用的板刷類型、刀片類型及刀片排列方式，得出臥式青核桃脫皮機的最佳運動參數為主軸轉速25～35 r/min，喂入量1 000～3 000 kg/h。采用新的板刷類型、刀片類型及刀片排列方式，當喂入量為2 000 kg/h，主軸轉速為30 r/min，脫皮間隙為35 mm，脫皮角度為2°時，新新2 青核桃脫凈率為92.12%，破損果率為4.28%，溫185青核桃脫凈率為90.32%，破損果率為6.17%，扎343青核桃脫凈率為94.69%，破損果率為4.77%，不同品種的青核桃均可以獲得較好的脫皮效果。試驗雖然對臥式青核桃脫皮機進行了結構和運動參數的優化，但對于該結構下的脫皮間隙、脫皮角度、主軸轉速及喂入量等可控條件需做進一步的研究，找出影響該機可控因素的主次順序，更好實現脫皮效果的顯著提升，為核桃采后加工產業化提供依據。