揉搓式豌豆脫皮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

摘要：針對(duì)現(xiàn)有豌豆脫皮機(jī)械存在的生產(chǎn)效率低、脫皮效果差等問(wèn)題，介紹了新型揉搓式豌豆脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)原理，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)功率及生產(chǎn)效率進(jìn)行總體設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)對(duì)其行星軸及主軸等主要零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)的豌豆脫皮機(jī)生產(chǎn)效率可達(dá)3 000 kg/h以上，完全能夠滿足規(guī)模淀粉企業(yè)的生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：揉搓式豌豆脫皮機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：S226.4；TS214.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）18-4507-03

豌豆淀粉是制作粉絲、粉皮的主要原料，目前在提取豌豆淀粉過(guò)程中，通常采用傳統(tǒng)的酸漿沉淀法[1]，這種方法是將原料浸泡一定時(shí)間后便直接帶皮粉碎，后續(xù)的脫渣工序麻煩，并且粉碎后的豆皮影響了淀粉質(zhì)量，進(jìn)而降低粉絲質(zhì)量。因此，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)粉絲的技術(shù)關(guān)鍵之一是將豌豆預(yù)先脫皮。傳統(tǒng)的豆類(lèi)脫皮方法主要有碾壓法、剪切法，撞擊法等。李宏偉等[2]發(fā)明的豆類(lèi)濕法去皮機(jī)，其原理是經(jīng)2個(gè)脫皮輥脫皮后在浮選槽和分離器中以旋流方式實(shí)現(xiàn)分離；黃和祥[3]設(shè)計(jì)的豌豆剝殼機(jī)用快慢膠輥實(shí)現(xiàn)豌豆剝殼；周玉林等[4]基于對(duì)大豆物理特性的分析，制定了去雜質(zhì)→均勻加熱→短時(shí)通風(fēng)干燥的大豆脫皮工藝，通過(guò)設(shè)計(jì)的脫皮裝置完成脫皮。

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的一些豌豆脫皮機(jī)生產(chǎn)效率較低、脫皮效果不如人意，無(wú)法滿足規(guī)模食品加工業(yè)生產(chǎn)要求。對(duì)此，設(shè)計(jì)了一款采用揉搓、擠壓等技術(shù)方案對(duì)經(jīng)過(guò)浸泡的豌豆進(jìn)行脫皮的揉搓式豌豆脫皮機(jī)，現(xiàn)介紹其結(jié)構(gòu)原理，并對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 揉搓式豌豆脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

揉搓式豌豆脫皮機(jī)主要由行星傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、內(nèi)壁設(shè)有螺旋狀棱骨的滾筒、承托裝置、進(jìn)料斗及出料口等組成（圖1）。其中行星傳動(dòng)裝置包括1個(gè)太陽(yáng)輪、3個(gè)行星輪、3條行星軸以及2副行星架，行星架均固定在主軸上，3條行星軸分別嵌套于2副行星架之間，同時(shí)行星軸左端穿過(guò)行星架后，端部安裝行星輪。3個(gè)行星輪分別與固定的太陽(yáng)輪嚙合，并繞其回轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)裝置包括功率不同的2臺(tái)減速電機(jī)，大功率減速電機(jī)與行星傳動(dòng)裝置的主軸聯(lián)接，該主軸空套支承在固定的太陽(yáng)輪中心孔及右端軸承孔內(nèi)。

承托裝置包括2對(duì)托輥、鏈輪和鏈條等。鏈輪與其中一個(gè)托輥安裝在與小功率減速電機(jī)聯(lián)接的傳動(dòng)軸上，通過(guò)鏈條與另一托輥同軸固定的鏈輪共同聯(lián)接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。滾筒兩端敞開(kāi)、內(nèi)表面設(shè)有棱骨、圓筒狀，外圈裝有2副滾輪，與承托裝置的托輥相嚙合。

行星軸上等間距裝有揉搓輥，揉搓輥與行星軸之間通過(guò)花鍵聯(lián)接。各揉搓輥沿圓周裝有彈性揉搓爪（圖2），其揉搓力可以通過(guò)選用合適的揉搓爪材料及形狀確定。

1.2 脫皮原理

豌豆浸泡后由進(jìn)料口進(jìn)入滾筒內(nèi)，進(jìn)入脫皮區(qū)域（彈性揉搓爪與滾筒之間）后，豌豆受到來(lái)自彈性揉搓爪與滾筒之間的正壓力和摩擦力的共同作用。此作用主要由滾筒與濕豌豆之間摩擦力F和彈性揉搓爪與濕豌豆之間摩擦力f組成一對(duì)摩擦剪切力（圖3）完成。力的產(chǎn)生及其大小取決于揉搓爪與滾筒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及壓縮量等因素。設(shè)任一位置A點(diǎn)揉搓爪的曲率半徑為r，滾筒的半徑為R，R>r且滾筒中心O與揉搓爪的曲率中心Q不重合，其偏心距為D。由此形成的楔形空間，加強(qiáng)了對(duì)豌豆的揉搓效果。楔形空間內(nèi)A點(diǎn)的徑向間隙（h）為h=R-Dcosα-rsinβ，則豌豆壓縮量（x）為x=d-（R-Dcosα-rsinβ）=d-R+Dcosα+rsinβ，式中d為豌豆直徑，α、β為位置角。豌豆在工作區(qū)域隨著滾筒、行星架、彈性揉搓輥轉(zhuǎn)動(dòng)并同時(shí)做軸向移動(dòng)，經(jīng)多次擠壓揉搓，最終實(shí)現(xiàn)脫皮。

1.3 工作原理

浸泡好的豌豆由進(jìn)料斗進(jìn)入滾筒后，在大功率減速電機(jī)的作用下，主軸驅(qū)動(dòng)著2行星架及行星軸回轉(zhuǎn)，由于行星輪與太陽(yáng)輪的嚙合作用，使得行星軸驅(qū)動(dòng)著揉搓輥隨著行星架公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還進(jìn)行與公轉(zhuǎn)方向相同的自轉(zhuǎn)。滾筒通過(guò)承托裝置在小功率減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，朝著與行星架轉(zhuǎn)向相反的方向旋轉(zhuǎn)。在靜摩擦力和離心力的作用下，豌豆會(huì)隨著滾筒內(nèi)壁向上回轉(zhuǎn)，由于行星架、揉搓輥的旋轉(zhuǎn)方向與滾筒的旋轉(zhuǎn)方向相反，揉搓輥在對(duì)豌豆進(jìn)行反復(fù)揉搓的同時(shí)，會(huì)將豌豆向反方向抬起。物料經(jīng)揉搓輥的揉搓作用后，分成左右兩部分，由于揉搓輥沿螺旋線分布，物料在經(jīng)過(guò)揉搓輥循環(huán)揉搓的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了向出料口方向的軸向輸送。

2 總體設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 功率計(jì)算

2.1.1 驅(qū)動(dòng)滾筒回轉(zhuǎn)所需理論功率 當(dāng)揉搓輥工作時(shí)，濕豌豆會(huì)夾在彈性揉搓爪與滾筒之間，彈性揉搓爪此時(shí)處于彈性壓縮狀態(tài)，由于行星軸的公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)，揉搓輥與滾筒存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即產(chǎn)生所需要揉搓力（Frd）。Frd=μ·Ny，式中，F(xiàn)rd為單個(gè)揉搓輥產(chǎn)生的揉搓力；μ為滾筒與揉搓輥彈性揉搓爪之間摩擦系數(shù)，μ=0.5；Ny為單個(gè)揉搓輥與滾筒之間的正壓力。

脫皮過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)滾筒的功率是在不斷變化的，當(dāng)有兩排揉搓輥處于工作狀態(tài)時(shí)其驅(qū)動(dòng)功率最大。則此時(shí)揉搓輥與滾筒之間總的摩擦力（Fr）為Fr=2KFrd/3，式中，K為揉搓輥數(shù)量。驅(qū)動(dòng)滾筒所需的轉(zhuǎn)矩（Mt）為Mt=FrDt/2/1 000，式中，Dt為滾筒內(nèi)徑。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得Ny=40.00 N，確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)后計(jì)算得驅(qū)動(dòng)滾筒回轉(zhuǎn)所需的功率（Pt）為Pt=Mt·nt/9 549=0.28 kW，式中，nt為滾筒轉(zhuǎn)速，單位r/min。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)主軸所需功率 由結(jié)構(gòu)分析可知，驅(qū)動(dòng)主軸所需的總功率Pz應(yīng)包括驅(qū)動(dòng)行星架回轉(zhuǎn)所需功率Pj、驅(qū)動(dòng)揉搓輥回轉(zhuǎn)所需功率Pr和揉搓輥抬高物料所需功率Pl。由于揉搓輥在行星軸上不僅繞太陽(yáng)輪進(jìn)行公轉(zhuǎn)，同時(shí)隨著行星軸進(jìn)行自身回轉(zhuǎn)，則驅(qū)動(dòng)一排揉搓輥回轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩（Mr）為Mr=

Fr（Dr+h）/2/1 000，式中，Dr為揉搓輥基體直徑；h為彈性揉搓爪最遠(yuǎn)處到揉搓輥基體的最短距離，單位mm。則驅(qū)動(dòng)揉搓輥回轉(zhuǎn)所需功率（Pr）為 Pr=

Mrnl/9 549=0.46 kW，式中，nl為行星輪轉(zhuǎn)速，單位

r/min。行星軸在行星架的作用下繞太陽(yáng)輪進(jìn)行回轉(zhuǎn)，則行星軸對(duì)行星架的切向分力（Fj）為Fj=Fr+2×

1 000Mr/Dx，式中，Dx為行星輪分度圓直徑，單位mm。驅(qū)動(dòng)行星架回轉(zhuǎn)所需功率（Pj）為Pj =Mjnj/9 549=FjDj/2/1 000nj/9 549=0.80 kW，式中，nj為行星架轉(zhuǎn)速，單位r/min；Dj為行星架回轉(zhuǎn)直徑，單位mm。

揉搓輥在隨著行星軸回轉(zhuǎn)的同時(shí)會(huì)將物料沿著滾筒內(nèi)壁抬高，抬高濕豌豆的質(zhì)量（ml）大約為ml=vl·ms=0.83 kg，式中：vl為單個(gè)揉搓輥抬高物料的體積，vl=0.001 2 m3；ms為濕豌豆的密度，ms=700.6 kg/m3。一排揉搓輥抬高物料所需要轉(zhuǎn)矩（Ml）為Ml=ml·g·sinαl·k·Dt×2/3/2/1 000=25.74 N·m，式中：αl為物料沿著滾筒內(nèi)壁被抬高的角度，取αl=45°。揉搓輥抬高物料所需要的功率Pl為Pl=MlDj/9 549=0.81 kW，由此得驅(qū)動(dòng)主軸所需的總功率（Pz）為Pz=Pj+Pr+Pl=2.07 kW。

2.2 生產(chǎn)率計(jì)算

2.2.1 干/濕豌豆密度的測(cè)量 要計(jì)算脫皮豌豆的生產(chǎn)率，必須要測(cè)定豌豆的密度。試驗(yàn)中，用天平稱(chēng)取質(zhì)量為m（g）干豌豆顆粒，將其浸入盛有純凈水的量杯內(nèi)，測(cè)得液體前后體積變化量為v1（mL），即為所取干豌豆的體積，則干豌豆的密度（q）為q干=m干/v1。另取適量豌豆將其在一定水溫下浸泡48 h后，用同樣方式測(cè)得相應(yīng)的濕豌豆質(zhì)量為m濕，測(cè)得其體積為v2，則濕豌豆密度（q濕）為q濕=m濕/v2。重復(fù)3次求其平均值。試驗(yàn)中豌豆體積設(shè)為0.001 2 m3，測(cè)定得到干、濕豌豆密度分別為Q干=835.0 kg/m3、Q濕=700.6 kg/m3。

2.2.2 理論生產(chǎn)率計(jì)算 揉搓式豌豆脫皮機(jī)工作過(guò)程中，被推移物料在滾筒橫截面底部近似形成一扇形環(huán)。設(shè)扇形環(huán)占整個(gè)圓周的1/3，行星架每旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，設(shè)物料被軸向推移揉搓輥軸向?qū)挾鹊囊话?，則單個(gè)揉搓輥軸向推移物料質(zhì)量（M濕）為：

3.2 主軸

設(shè)計(jì)的揉搓式豌豆脫皮機(jī)的主軸由于同時(shí)受到行星架徑向載荷的作用，故其受力狀況為彎扭組合。

。

4 小結(jié)

新型揉搓式豌豆脫皮機(jī)基本原理是通過(guò)多次揉搓、擠壓而達(dá)到使豌豆脫皮之目的。在介紹該豌豆脫皮機(jī)主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)率、驅(qū)動(dòng)功率等主要性能參數(shù)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)計(jì)算，還對(duì)行星軸和主軸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)后的脫皮機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1）揉搓式豌豆脫皮機(jī)預(yù)期生產(chǎn)率高且脫皮效果好，生產(chǎn)效率可達(dá)3 000 kg/h以上，完全可以滿足規(guī)模淀粉企業(yè)的生產(chǎn)需求。

2）揉搓輥在隨著行星架公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著行星軸做旋轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相同的自轉(zhuǎn)，由于該轉(zhuǎn)向與滾筒的旋轉(zhuǎn)方向相反，加大了揉搓輥與滾筒之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，從而可以改善豌豆的脫皮效果。

3）主軸貫穿滾筒兩端，同步驅(qū)動(dòng)2個(gè)行星架，避免了由于揉搓阻力造成的行星軸的扭曲。

4）可根據(jù)豌豆的不同特性設(shè)定揉搓輥數(shù)量，以提高設(shè)備的適用能力，保證良好脫皮效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王德培.綠豆和豌豆淀粉的分離方法及其品質(zhì)特性[J].仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，9（2）：93-97.

[2] 李宏偉，鄭裕國(guó)，胡學(xué)和.豆類(lèi)濕法去皮機(jī)[P].中國(guó)：91101995.2， 1992-10-21.

[3] 黃和祥.豌豆剝殼機(jī)械的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（2）：109-110.

[4] 周玉林，夏韌毅.大豆脫皮機(jī)原理[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2003， 19（3）：72-74.