鮮蠶豆豆莢剝皮機(jī)的設(shè)計(jì)

郭全林，柳鵬旭，郭紅剛，朱乾隆，史晟澤，張麗玲

（新疆工程學(xué)院　新疆　烏魯木齊　830013）

0　引言

蠶豆在我國已有2000余年的栽培歷史。近10年來，中國蠶豆生產(chǎn)面積達(dá)130多萬hm2，占世界總面積的45.7%，在我國食用豆類中種植面積位居第一。鮮蠶豆蛋白質(zhì)含量高達(dá)30%左右，且不含膽固醇，可以提高食品營養(yǎng)價(jià)值，改善人們的膳食營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)體質(zhì)?，F(xiàn)代人還認(rèn)為蠶豆也是抗癌食品之一，有預(yù)防腸癌的作用。鮮蠶豆作為人們餐桌上的健康食品，在加工或作為出口商品時(shí)，需要對鮮蠶豆豆莢剝皮加工。鮮蠶豆在制取蛋白質(zhì)時(shí)，剝皮的目的是為了提高出蛋白質(zhì)率，提高蛋白質(zhì)和餅粕的質(zhì)量，利于軋胚等后續(xù)工序的綜合利用。傳統(tǒng)的鮮蠶豆豆莢剝皮為人力手工剝皮，人工剝皮不僅手指易疲勞、受傷，而且工效很低，因此蠶豆產(chǎn)區(qū)廣大農(nóng)民迫切要求用機(jī)器來代替手工剝皮。鮮蠶豆豆莢剝皮機(jī)的誕生可以很大程度上改變這種局面，使蠶豆產(chǎn)區(qū)的農(nóng)民不必再采用原始的剝皮方法進(jìn)行剝皮，從而大大地減輕了農(nóng)民的體力勞動(dòng)，同時(shí)還提高了鮮蠶豆豆莢剝皮的效率。通過檢索未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外有專為鮮蠶豆豆莢剝皮的機(jī)械，只有干蠶豆豆莢剝皮機(jī)械，用此機(jī)械為鮮蠶豆豆莢剝皮，剝皮效率低，鮮蠶豆破損率高。為解決此問題利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)對鮮蠶豆豆莢剝皮機(jī)械的工作部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，研究新的脫皮機(jī)理。

1　我國現(xiàn)有的蠶豆剝皮原理

1.1　封閉式紋桿滾筒，柵條凹板式蠶豆剝皮裝置

圖1　柵條凹板式蠶豆剝皮機(jī)

剝皮裝置是在一個(gè)圓筒上鑲上若干根紋桿組成的封閉式紋桿滾筒，下面裝有若干根圓鋼條組成的柵條式凹板，如圖1所示。在該機(jī)構(gòu)中蠶豆進(jìn)口大（30～50 mm），出口?。?0～25 mm)。工作時(shí)，蠶豆豆莢在滾筒的推動(dòng)下由進(jìn)口向出口端運(yùn)動(dòng)，在滾筒和凹板的沖擊、擠壓、揉搓作用下直接脫皮，蠶豆豆莢受剝皮機(jī)的直接搓擦作用，強(qiáng)制脫皮，故破碎率高，無法用于鮮蠶豆剝?nèi)ザ骨v。

1.2　封閉橡膠板滾筒，直立橡膠板式剝皮裝置

該機(jī)的剝皮部件是由封閉膠輥和直立膠板組成，剝皮原理系擠壓式，如圖2所示。作業(yè)時(shí)，蠶豆豆莢在膠輥的推動(dòng)下，通過剝皮間隙（5～20 mm），由膠輥和膠板的擠壓作用脫皮，避開了剝皮部件的揉搓作用，破碎率有所降低，但仍在15%以上。另外，因直徑小于剝皮間隙的小果未經(jīng)剝皮便被分離出來，故一次剝凈率很低，只有30%左右。所以不得不增設(shè)循環(huán)機(jī)構(gòu)，以使蠶豆經(jīng)多次擠壓脫皮，致使機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大，造價(jià)較高。

圖2　直立橡膠板式剝皮機(jī)

1.3　開式紋桿滾筒，編織凹板式蠶豆剝皮裝置

剝皮部件采用了由兩根金屬紋桿組成的開式紋桿滾筒和用編織絲網(wǎng)制成的編織凹板，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。作業(yè)時(shí)，蠶豆豆莢在滾筒的推動(dòng)下，受擠壓揉搓脫皮，該結(jié)構(gòu)與封閉滾筒式不同，蠶豆豆莢受到開式滾筒的攪拌作用，剝皮力帶有柔性，但鮮蠶豆豆莢破碎率較高。

圖3　編織凹板式蠶豆剝皮機(jī)

采用干蠶豆剝皮機(jī)為鮮蠶豆豆莢剝皮，會(huì)造成鮮蠶豆破碎率較高，蠶豆和豆莢皮不易分離，生產(chǎn)效率不高等缺點(diǎn)，目前市場上還沒有一款專門為鮮蠶豆剝皮的機(jī)械設(shè)備，為此我們設(shè)計(jì)了鮮蠶豆豆莢剝皮機(jī)。

2　鮮蠶豆豆莢剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)原理

在設(shè)計(jì)鮮蠶豆豆莢剝皮機(jī)模仿人力手工剝皮時(shí)的步驟，首先通過一級(jí)進(jìn)料軸對鮮蠶豆豆莢進(jìn)行破切，使鮮蠶豆豆莢每一粒蠶豆有一個(gè)以上的切口，再通過二級(jí)進(jìn)料軸凹凸?jié)L輪對鮮蠶豆豆莢進(jìn)行柔性擠壓，使鮮蠶豆籽粒和豆莢皮分離，完成鮮蠶豆豆莢剝皮工作，其結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖4　鮮蠶豆豆莢剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖5　鮮蠶豆剝皮機(jī)三維示意

鮮蠶豆沿著圖4所標(biāo)路徑，鮮蠶豆皮在擠壓后是帶狀結(jié)構(gòu)，只能沿著篩網(wǎng)板滑落，蠶豆籽通過篩網(wǎng)眼落入收集器當(dāng)中。

2.1　進(jìn)料口的設(shè)計(jì)

鮮蠶豆豆莢進(jìn)入進(jìn)料口后通過攪拌軸的攪拌擠壓作用使鮮蠶豆豆莢進(jìn)入一級(jí)軸進(jìn)料軸，攪拌軸設(shè)計(jì)成兩葉片形式，葉片是圓潤的邊角，這樣對鮮蠶豆豆莢只有按壓作用，不會(huì)對鮮蠶豆豆莢造成損傷，其結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6　攪拌軸

2.2　一級(jí)軸設(shè)計(jì)

圖7　一級(jí)進(jìn)料軸

一級(jí)軸設(shè)計(jì)成為滾刀形狀，圓周銑四個(gè)均布軸向槽，槽深1.5 mm，通過我們對鮮蠶豆豆莢的測量，豆莢的平均皮厚度為1.5 mm，當(dāng)該軸的刀片對鮮蠶豆豆莢進(jìn)行切割時(shí)只能切出1.5mm深的切口，不會(huì)把蠶豆切碎，刀片間距6 mm，保障了每粒蠶豆有一道以上切口.滾刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在對鮮蠶豆豆莢破切時(shí)，又起到向下一個(gè)加工區(qū)拖拽的作用，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，當(dāng)蠶豆豆莢進(jìn)入一級(jí)被動(dòng)軸時(shí)，被動(dòng)軸旋向和一級(jí)軸相同可以把破切好的鮮蠶豆豆莢輸送到二級(jí)進(jìn)料軸。

2.3　擋板設(shè)計(jì)特點(diǎn)

一級(jí)軸對面是擋板，一級(jí)軸和擋板之間有10 mm間隙，直徑較小的鮮蠶豆豆莢能通過，當(dāng)直徑較大時(shí)，擋板會(huì)受到鮮蠶豆豆莢的擠壓向回壓縮，使大小鮮蠶豆豆莢都能通過，擋板寬度為20 mm，這樣可以將不同直徑的鮮蠶豆豆莢按壓在一級(jí)進(jìn)料軸上。

2.4　剝皮原理

鮮蠶豆豆莢在入二級(jí)進(jìn)料軸及軋入瞬間，可按剛性體分析受力情況如圖8。當(dāng)物料由于自身重量及攪拌軸的攪拌擠壓力落到兩輥之間時(shí)，鮮蠶豆豆莢外表面與轉(zhuǎn)動(dòng)的軋輥表面接觸，接觸點(diǎn)為A1、A2，與軋輥中心O1和 O2的速線為 O1A1、O2A2，與中心線 O1O2之間的夾角α相等，α為軋入角，此時(shí)物料所受的力為：徑向力N，摩擦力F及物料本身的重量及攪拌軸的攪拌擠壓力m，它們的關(guān)系為：F=fN，式中f為豆皮與軋輥之間的摩擦系數(shù)（f=tanψ），ψ為摩擦角。

設(shè)垂直O(jiān)1O2方向的力向下為正，則y方向合力為：

由上式可以看出，鮮蠶豆豆莢軋入軋輥的條件可滿足即：Py＞O。

圖8　脫粒等速受力分析

當(dāng)鮮蠶豆豆莢到達(dá)一級(jí)進(jìn)料軸時(shí)，一級(jí)進(jìn)料軸對所有通過的鮮蠶豆豆莢進(jìn)行破切，鮮蠶豆豆莢通過攪拌軸的擠壓，以及一級(jí)軸滾刀軸的推送進(jìn)入二級(jí)進(jìn)料軸，二級(jí)進(jìn)料軸設(shè)計(jì)成為凹凸相間的結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)邊緣圓滑在擠壓蠶豆時(shí)不會(huì)使蠶豆擠壓破碎，二級(jí)被動(dòng)軸圓周是邵氏硬度60～65的橡膠，為了使鮮蠶豆豆莢更快破裂及豆粒順利擠出，采用了二軋輥差速裝置，從而使豆皮除了受擠壓外還受到剪切力作用，這樣可使豆皮更快撕裂，鮮蠶豆豆莢軋入軋輥后，受力情況如圖8所示。將鮮蠶豆豆莢所受力都分解成X和Y方向的力，當(dāng)鮮蠶豆豆莢被送入二級(jí)進(jìn)料軸和被動(dòng)軸之間的擠壓分離區(qū)時(shí)，被二級(jí)被動(dòng)軸橡膠凹凸結(jié)構(gòu)把鮮蠶豆從豆莢中擠壓出來，完成鮮蠶豆豆莢和蠶豆籽的分離。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

鮮蠶豆豆莢剝皮機(jī)經(jīng)過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，完成了結(jié)構(gòu)原理的設(shè)計(jì)，制作了原理性樣機(jī)，在兩年的蠶豆采摘季進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)，每次對100 kg鮮蠶豆進(jìn)行剝皮試驗(yàn)，得到了以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1　鮮蠶豆豆莢剝皮試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出人工剝皮效果較好，但衛(wèi)生難以保障、效率低；其他幾種剝皮機(jī)械剝皮率較低，破損率較高不適合鮮蠶豆豆莢剝皮加工。我們制作的小型樣機(jī)剝皮率達(dá)到96%，只有直徑特別小的蠶豆豆莢不能剝皮，有待今后解決，鮮蠶豆籽粒破損率15%，主要原因是擠壓對輥表面材質(zhì)柔韌性選擇不盡合理，需要進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]王錚.新鮮豆類脫皮機(jī)的研究[J].浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1993，19（3）：272～274.

[2]徐潤邑，田恩平，杜守宇，劉春光.寧夏旱作農(nóng)業(yè)理論與實(shí)踐[J].寧夏農(nóng)林科技，2013，54（6）：4～8.

[3]谷成林，段紅平.中國蠶豆生產(chǎn)的回顧與發(fā)展趨勢[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20（5）：671～675.

[4][美]亨德森（S·M·Henderson），[美]佩里（R·L·Perry） 著，丁霄霖等譯.農(nóng)產(chǎn)品加工工程[M].農(nóng)業(yè)出版社：1984.

[5]付興利，畢吉福，李晶，佟富強(qiáng).美國UB1250型種子清選機(jī)簡介[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2002（9）：41.

[6]曹麗娜，田曉霞.三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].裝備制造技術(shù)，2014（6）：97～99.

[7]周良墉.DTJ100 型花生米脫衣機(jī)[J].南方農(nóng)機(jī)，2005（4）：40.

[8]嚴(yán)俊峰，蒲光榮.UG/Grip技術(shù)在誘導(dǎo)輪三維設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].流體機(jī)械，2005，33 （11）：40～42.

[9]石永峰.蠶豆及其食品加工[J].西部糧油科技，1994（2）：39～42.