鮮蓮剝殼技術研究進展與探討

梁詩華　林毅鑫　范澤澤　張俊　何金成

摘要：由于蓮子的種類繁多，尺寸大小不同、外殼堅韌、蓮子殼與仁間隙較小等問題的存在，現(xiàn)有的脫殼技術適應性不高，存在著損傷蓮子、效率低下等問題。為了改善鮮蓮子剝殼機的加工現(xiàn)狀，分析總結了蓮子的物理機械特性及脫殼技術的研究現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有脫殼技術存在的不足，為鮮蓮子脫殼機械關鍵機構設計和試驗研究提供了依據(jù)，并提出一種鮮蓮子脫殼新技術方法。

關鍵詞：蓮子；物理機械特征；脫殼技術

中圖分類號：S226 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）04-0603-05

蓮子又名水芝丹，是中國多年水生蔬菜栽培中的特種宿根草本經(jīng)濟植物，屬睡蓮科蓮屬（Nympheaceae nelumbo Adans）[1]。中國蓮子主要盛產(chǎn)在南方，分布在福建、浙江、湖北等地，以江西省贛州市和福建省建寧市產(chǎn)者最佳。隨著生活水平提高，人們更具有保健意識，又因蓮子營養(yǎng)價值十分豐富，含有豐富的脂肪、淀粉和黃酮類物質(zhì)等有效成分，是一種高級的滋補品[2，3]。蓮子作為中國出口特色的農(nóng)副產(chǎn)品，其出口產(chǎn)量也持續(xù)走高。2012-2014年，中國蓮子出口數(shù)量均達到3 600 t以上[4]?？梢姡徸赢a(chǎn)量在不斷擴大。與之相應的蓮子生產(chǎn)加工也越來越受到人們的關注，蓮子剝殼技術取得了一定的進展。

蓮子剝殼是蓮子加工工序中難度最大的一個工序。本研究主要從蓮子的物理機械特征和蓮子剝殼機技術研究方面入手，對中國目前蓮子剝殼技術的研究現(xiàn)狀進行了分析與總結，為蓮子機械關鍵機構設計和試驗研究提供一定的參考，并提出了一種新的蓮子脫殼設備。

1 蓮子物理機械特性研究

蓮子主要盛產(chǎn)于中國，因此國內(nèi)學者對蓮子物理特性做了大量研究，這些工作為各種生產(chǎn)機械的研制和改進提供了有效數(shù)據(jù)和理論基礎。蓮子屬于多孔介質(zhì)[5]。蓮殼主要成分是纖維素和半纖維素等[6]。蓮子外殼比較堅硬，具有皮層外表面1/3左右較堅韌、剩余2/3部分較脆的特點。且蓮子的殼與仁之間的間隙較小，蓮子仁極易被劃傷[7]。劉木華等[8]對百葉蓮的外形尺寸、蓮子殼厚度、蓮仁和蓮子殼的密度等進行了測量，測量出蓮子長徑和中徑的分布范圍，指出蓮殼厚度的平均值為0.729 mm，為蓮子切割的進刀量提供了理論依據(jù)，同時，得出蓮殼與蓮仁密度相差較大，可使用重力式或水選法進行殼仁分離。謝麗娟等[9-11]用壓縮試驗方法對不同工況下的干殼蓮子的機械特性進行了測量，結果表明，蓮子破殼力與等級呈正相關，相關系數(shù)為0.995，蓮子中部所需要破殼力最大，同一部位破殼力相差不大，且加載速率與破殼力之間沒有顯著關系，并應用ANSYS軟件對蓮子進行三種受力工況應力應變情況仿真，指出以均布線載荷蓮子短徑方向加載是蓮子破殼的最佳施力方式。趙小廣等[12]對來自湖北洪湖地區(qū)的紅、白干殼蓮子進行了三維尺寸、千粒重、殼厚、含水率等物理參數(shù)測量。葉香美等[13]在對紅、白蓮子物理參數(shù)測量的基礎之上，比較分析不同含水率條件下物理參數(shù)的變化。趙繼瑞[14]對蓮子殼的結構和性能進行了研究，其中測得蓮子殼硬度為0.238 GPa和彈性模量為6.353 GPa。張松等[15]進行了不同條件下的鮮蓮子殼對剪切破裂力和破裂變形量的相關分析。研究發(fā)現(xiàn)，鮮蓮子尺寸大小對破殼剪切力和變形量均沒有顯著影響，而與鮮蓮子含水率、放置時間、刀具角度有顯著關系。試驗證明，鮮蓮子含水率越高，放置時間越短，剪切力和變形量就越小。刀具角度為60°剪切力和變形量最小。馬秋成等[16]測量蓮仁、蓮殼、仁碎片、蓮子在空氣動力下實際懸浮速度的范圍分別為11.230～14.680 m/s，2.511～4.891 m/s，6.505～7.865 m/s，12.573～16.289 m/s和12.533～16.017 m/s。蓮子殼仁分離氣流流速在7.865～11.230 m/s。

2 蓮子剝殼設備研究進展

蓮子的加工過程大致可以分為分級—剝殼—去芯3個步驟。中國對蓮子剝殼機的研究始于20世紀60年代，研究主要集中在院校、科研單位及蓮子加工企業(yè)，蓮子剝殼從手工、半自動剝殼轉向機械自動化剝殼[17]。但從總體應用情況看，蓮子剝殼技術方面還不夠成熟，還未實現(xiàn)真正的自動化生產(chǎn)，目前市面上還未出現(xiàn)三個連續(xù)操作的一體化設備，基本都是三個相獨立研究或是兩兩組合的機械設備[18]。下面著重介紹常見的蓮子分級機[19]與蓮子脫殼技術。

2.1 蓮子分級機

蓮子根據(jù)其產(chǎn)地、品種等不同，其尺寸大小不一。因此，在進行蓮子脫殼前，需要對蓮子進行分級，根據(jù)不同的分級原理，蓮子分級主要分為圓孔式、柵欄式、篩桿式、螺桿式以及振動篩網(wǎng)式分級。

2.1.1 圓孔式滾筒分級 不同孔徑的篩板從小到大的排列組成滾筒，且滾筒軸線與水平線成一定的傾斜角度安裝。蓮子從滾筒高端進入，在電機的帶動之下，滾筒繞自身軸線做旋轉運動，蓮子靠重力作用自動掉落相適宜的孔徑，進而達到蓮子分級的效果[20]。這種分級方式雖然成本低，加工簡單，但是容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

2.1.2 柵欄式滾筒分級 柵欄式滾筒分級是將圓孔式滾筒分級換成沿著滾筒軸線平行分布柵欄形式滾筒[21]，一定程度上避免了蓮子在圓孔中形成堵塞的現(xiàn)象，由于柵欄節(jié)數(shù)僅分為三節(jié)，即使每節(jié)滾筒中的柵欄間隙逐節(jié)增大，面對蓮子尺寸不一現(xiàn)象，柵欄式滾筒分級精度仍然不是很高（圖1）。

2.1.3 篩桿式分級 篩桿式分級是通過兩篩桿之間的間隙變化對干蓮子尺寸大小的分級。工作過程為干殼蓮子從出料口排出之后，進入由平行排列同向轉動的兩根篩桿與放置于篩桿之上的導流桿構成的篩分通道，蓮子在此過程中不斷調(diào)整自身的位置，當干殼蓮子尺寸小于兩根篩桿之間的間隙，蓮子受到重力作用下落，進行干殼蓮子分級[22]。這種分級方式可以保證分級精度，但分級效率低下。

2.1.4 螺桿分級 杜錚等[23]采用一對螺桿組對干殼蓮子分級，螺桿組由帶有螺紋的螺桿輥和有一定錐度錐輥構成，且兩根輥安裝在同一個水平面上。蓮子在電機的帶動下，經(jīng)由進料裝置輸出，并在螺桿輥的推動下進入螺桿組分級裝置，蓮子在分級通道中均按長軸水平排列進行移動，當蓮子中徑小于輥間距時，蓮子在重力和分級螺桿組的共同作用下掉入出料裝置，從而實現(xiàn)蓮子分級。這種蓮子分級方式相比柵欄式滾筒的精度大大提升，但螺桿組的轉向、螺桿轉速、螺桿頭數(shù)和螺紋升角對蓮子分級準確率和分級產(chǎn)量影響較為復雜。試驗結果表明，分級準確率和產(chǎn)量呈現(xiàn)相反的趨勢，但蓮子分級準確率高時，蓮子分級產(chǎn)量卻低，反之亦然。螺桿式蓮子分級機結構復雜（圖2）、受多種因素的影響。

2.1.5 振動篩網(wǎng)式分級 多組振動式蓮子分級裝置，是由12種篩孔尺寸不同的篩網(wǎng)分為4組，每組篩網(wǎng)水平分布從高到低排列，每組有3種篩孔尺寸不同篩網(wǎng)垂直分布，通過振幅調(diào)節(jié)桿對篩網(wǎng)進行的上下振動和前偏心軸的轉動實現(xiàn)篩網(wǎng)周期性水平往復運動，其工作過程為不同尺寸的蓮子進入料斗掉入第一組蓮子分級機構的篩網(wǎng)，在振動下，蓮子往前竄動，大于第一塊篩網(wǎng)孔徑的蓮子會慢慢跳到篩網(wǎng)末端的出料口，而小于篩網(wǎng)孔徑的蓮子則會掉入第二塊篩網(wǎng)中繼續(xù)篩選，第二塊篩網(wǎng)中較大的蓮子會通過末端出料口進入第二組篩網(wǎng)，較小的蓮子則會掉入第三個篩網(wǎng)，以此類推，最后可將蓮子分為13級別，分級精度高達0.3 mm[24]。這種方式分級均勻，成本低，但蓮子種類不同，需要根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)篩網(wǎng)振幅。

2.2 鮮蓮子脫殼機研究進展

目前蓮子脫殼分為干蓮子脫殼和鮮蓮子脫殼。蓮子脫殼主要是通過機械方式在蓮子短徑處進行環(huán)切之后，進行剝殼。干蓮子脫殼主要有撕搓式法[25]、輥刀式法[26-29]等。本研究主要介紹鮮蓮子主要機械脫殼方法滾切式和擠壓式。

2.2.1 滾切式 滾切式蓮子脫殼是最常見鮮蓮子脫殼的方式，分為人工手搖脫殼[30]和機械脫殼[31]2種。滾切式蓮子脫殼就是在蓮子處于滾動的狀態(tài)下，用刀片對蓮子環(huán)切。目前最常見的3種形式的滾切方式，第一種是利用彈簧壓力和搓輥摩擦作用進行滾切，蓮子的切割部分主要由套筒、蓮子、調(diào)節(jié)彈簧、圓盤刀片、輸送盤和搓輥組成（圖3）。通過拔銷軸驅(qū)動槽輪帶動輸送輥作間歇運動，蓮子在停歇過程中落入兩個套筒之中，由輸送輥將蓮子輸送到切割通道，蓮子通過刀具上彈簧施加的壓力受搓輥摩擦作用而滾動，進而帶動圓盤刀片繞其軸轉動，完成刀片對蓮子的環(huán)切。試驗表明，以剝凈率、破碎率為評價指標，蓮子剝殼的影響因素從大到小依次是拔銷軸轉速、刀具軸轉速和搓輥軸轉速[32]。第二種是靠主動輪、切割滑道的擠壓和調(diào)節(jié)彈簧壓力作用下進行滾切。切割滑道、導向槽及切割刀片等構成切割組件（圖4），蓮子在主動輪的帶動下進入調(diào)整通道，調(diào)整通道的空間由大逐漸變小，在此過程中，蓮子在調(diào)整滑道的導向面與主動輪擠壓和摩擦共同作用下，自動調(diào)整切割姿勢，之后進入切割通道，切割通道在導向槽的下部，由均勻分布的3個調(diào)節(jié)孔組成，且切割刀片只露出0.5～0.9 mm，通過調(diào)節(jié)彈簧和螺釘?shù)呐浜希詣诱{(diào)節(jié)蓮子切割大小，保證蓮子順利切割而不傷及蓮仁，同時進行多個蓮子切割[33]。第三種是通過拉力彈簧，使壓板和刀片壓住蓮子實現(xiàn)滾切（圖5）。蓮子裝入料斗，進入由排料輪蓋與排料輪設有的若干缺口形成的槽穴，隨槽輪轉動落入滑槽，在自轉與公轉過程中逐漸擺正位置，進入切割組件的入口，U型搖臂在拉力彈簧和蓮子支撐力作用下，進行上下運動以適合不同直徑的蓮子，實現(xiàn)對槽輪上鮮蓮子的切割。之后通過擠壓實現(xiàn)對蓮子的剝殼，并由旋轉的槽輪排出分離的蓮仁與蓮子殼[34]。蓮子關鍵部件的局部放大圖見圖6。

2.2.2 擠壓式 擠壓脫殼法就是用擠壓的方式使蓮子的外殼與仁分離。吳傳宇等[35]利用擠壓的方法實現(xiàn)了蓮子外殼與蓮仁的分離（圖7），在試驗中先將蓮子固定在模套階梯孔套中，在擠壓前對根部進行處理，切出一字或十字長度為15 mm的切痕，然后利用擠壓桿向下的擠壓，當蓮子受到擠壓桿的作用向下移動過程中，蓮子的外殼受到孔壁的摩擦和階梯臺階的阻擋作用，從而實現(xiàn)蓮子殼與蓮子仁的分離。

3 存在的問題

綜述所述，目前中國在蓮子類的切割研究方面一直沒有很大的突破，不管從分級還是鮮蓮子脫殼方法上并沒有提高，根據(jù)上述研究分析，目前鮮蓮子類的切割方面還存在以下的問題：

1）鮮蓮子在進行脫殼的過程中，蓮子主要是靠外部旋轉帶動蓮子轉動，并利用彈性通道適應蓮子的不同尺寸，不能保證恒力切割，經(jīng)常造成蓮子不同程度的割傷和較為嚴重壓痕，影響蓮子的市場價值與后期蓮子的儲存。

2）在設計的蓮子切割裝置中，主要是依靠彈性調(diào)整和切割刀片露出的間隙對不同尺寸大小的蓮子進行切割，只能保證絕大部分的蓮子切割效果，如果蓮子體積太大或太小切割效果并不理想，這樣就需要在切割之前做好蓮子的分級工作以便于進行切割。

3）智能化程度低。蓮子剝殼機脫殼方式均采用純機械的切割方式，可考慮在后續(xù)開發(fā)及研究中與智能技術相結合，進一步提高機器智能化與機械化水平，滿足社會生產(chǎn)的需求與需要。

4 展望與結論

近年來，隨著機電一體化技術推廣、制造技術水平的提高，生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。研制適用性廣、自適應能力強、精準度高、小型化的加工蓮子剝殼機，以滿足實用性要求，是順應時代的必然趨勢。

針對現(xiàn)存的蓮子脫殼均是蓮子靠外部旋轉帶動下，進而帶動蓮子旋轉的情況，提出一種新的蓮子剝殼方式，即利用蓮子導電性能，通過電機控制刀具精準進給量，實現(xiàn)不同尺寸蓮子的精準切殼；同時，充分利用蓮子外殼的質(zhì)地特性，實現(xiàn)剝殼。進一步提高剝殼設備的通用性、智能化和破殼率；降低蓮子的破損率，提高蓮子的良品率。

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