花生種子剝殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

汪　迎，魯　放，馮家慧，王戰(zhàn)偉

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，鄭州　450001)

0　引言

由于花生的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與使用價(jià)值很高，可以用于加工各種植物油，也可以加工成各種食品，所以花生的需求量極大。我國(guó)是世界上花生種植的重要國(guó)家，花生種子的優(yōu)劣直接影響著花生的收成?；ㄉN子對(duì)破碎、損傷、種皮和胚芽的破損，以及對(duì)花生的色澤都有嚴(yán)格要求[1-2]，而普遍的花生剝殼機(jī)主要以打擊、輾搓、擠壓的方式，對(duì)果仁的損失嚴(yán)重，莢果的剝凈率低。為確保種用花生的質(zhì)量，目前主要是手工剝殼，效率很低[3-4]。為了實(shí)現(xiàn)花生種子剝殼的機(jī)械化，設(shè)計(jì)一臺(tái)對(duì)花生仁物理破壞低、剝凈率高、花生仁破損率低的花生種子剝殼機(jī)，運(yùn)用自適應(yīng)切割剝殼與柔性剝殼相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)剝殼。

1　整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1整體結(jié)構(gòu)介紹

剝殼機(jī)主要由進(jìn)料裝置、剝殼裝置及出料裝置組成，如圖1所示。

1)進(jìn)料裝置由進(jìn)料口與傾斜的震動(dòng)擋板組成。其中，可以儲(chǔ)存莢果，并能控制進(jìn)料的低部開(kāi)口的大小調(diào)節(jié)莢果下落的速度；震動(dòng)擋板主要是對(duì)落入的花生進(jìn)行初步排放，讓花生莢果處于側(cè)放狀態(tài)，并在重力的作用下進(jìn)入剝殼室。

2)剝殼裝置由傳送帶、壓塊、切割刀、滾筒及直板組成。傳送帶兩側(cè)裝有擋板，旨在保證花生莢果縱向傳送；壓塊是為了固定莢果，便于切割刀對(duì)莢果進(jìn)行處理。物料在傳送帶的作用下進(jìn)入滾筒處，滾筒與直板套有一定厚度的橡膠，且橡膠表面有凸起，增大與花生莢果的摩擦力，讓花生殼在搓擦力的作用下直接脫殼。

3)出料裝置由風(fēng)機(jī)、篩網(wǎng)、儲(chǔ)存箱組成。在花生殼與果仁分離后直接落入出料裝置中，果仁與殼的質(zhì)量不同，在風(fēng)機(jī)的吹動(dòng)下，落入不同的區(qū)域，通過(guò)篩網(wǎng)落入不同的儲(chǔ)存箱中。

1.進(jìn)料口　2.減料控制開(kāi)關(guān)　3.帶擋板傳送帶　4.壓塊 5.滾筒　6.直板　7.風(fēng)機(jī)　8.儲(chǔ)存箱　9.震動(dòng)擋板

1.2種子剝殼機(jī)的工作原理

該剝殼機(jī)采用帶有自適應(yīng)裝置的切割方式與搓擦方式相結(jié)合的方法，先對(duì)莢果進(jìn)行切割處理再通過(guò)摩擦力將殼與果仁分離，工作流程如圖2所示。

工作過(guò)程：花生倒入進(jìn)料斗，在重力的作用下沿錐形的擋板堆積在料斗里；在進(jìn)入切割裝置之前，料斗低部的開(kāi)口設(shè)置一定，讓花生緩慢落入震動(dòng)的斜板上，通過(guò)微小幅度的震動(dòng)，讓花生基本處于側(cè)放狀態(tài)，并緩慢導(dǎo)入各個(gè)通道中，使得花生能有序地進(jìn)入下一環(huán)節(jié)；進(jìn)入切割系統(tǒng)中，花生上方會(huì)有一個(gè)壓塊下落固定住花生莢果，前后兩側(cè)有切割刀對(duì)花生殼進(jìn)行切割，切割后的花生在傳送帶的作用下進(jìn)入剝殼系統(tǒng)；剝殼系統(tǒng)由帶有橡膠的滾筒與直板組成，橡膠上有凸起，在摩擦力的作用下完成去殼；落入篩選系統(tǒng)，吹風(fēng)機(jī)吹殼，1個(gè)剝殼周期完成。

圖2　花生種子剝殼機(jī)工作流程圖

2　花生種子剝殼機(jī)剝殼室的設(shè)計(jì)

2.1自適應(yīng)切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

花生殼是一種介于晶體和非晶體之間的非有序晶體結(jié)構(gòu)，交織的韌性纖維使之有很強(qiáng)的彈性[5]，而其沿棱線見(jiàn)分布的纖維組織不均勻，是花生殼斷裂最薄弱的地方，最容易破裂。所以，切割刀對(duì)莢果脊線進(jìn)行處理，自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)花生莢果進(jìn)行定位。

花生莢果緩慢(見(jiàn)圖3)進(jìn)入剝殼室，落入一個(gè)帶有微小震動(dòng)的傾斜平臺(tái)上，在震動(dòng)及重力的作用下花生莢果基本處于側(cè)放狀態(tài)，并不斷向下滑動(dòng)，落入傳送帶中；傳送帶被隔板分成若干條小道，擋板的寬度略大于花生莢果的寬度，確保每次進(jìn)入時(shí)只有1個(gè)花生莢果，且為縱向前進(jìn)，在傳送帶的作用下花生到達(dá)切割部件?；ㄉv果上部會(huì)落下一個(gè)固定莢果的壓塊，切割刀從莢果兩側(cè)的縱脊線處進(jìn)行切割，完成切割處理；傳送帶運(yùn)行，進(jìn)入脫殼系統(tǒng)中。

圖3　自適應(yīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

切割刀初始位于壓塊與傳送帶正中間位置(見(jiàn)圖3)，當(dāng)花生莢果到達(dá)切割區(qū)域，上部落下帶有位移傳感器的壓塊，固定莢果，根據(jù)花生的厚度下降一定位移，位移傳感器將信號(hào)傳給控制系統(tǒng)如圖4所示?？刂破鬏斎氲某绦?yàn)楫?dāng)傳感器移動(dòng)位移為l時(shí)，切割刀向下移動(dòng)l/2的距離，接收到指令之后，切割刀下降使切割刀一直與花生的脊線一直在同一水平線上完成切割[5-7]。

根據(jù)花生殼外部的特點(diǎn)與形狀，選用楔形切割刀。設(shè)計(jì)兩個(gè)切割刀在花生兩側(cè)對(duì)莢果的脊線進(jìn)行處理，當(dāng)切割刀與花生莢果接觸時(shí)，進(jìn)行受力分析[8-10]，如圖5所示。

圖4　控制位移裝置圖

圖5　花生莢果受力分析圖

花生莢果在切割時(shí)的壓力為

N=SP

其中，N為剝殼壓力；S為切割刀楔形面與花生殼的接觸面積；P為殼的抗壓強(qiáng)度。

花生莢果受到的軸受力為

其中，T為切割刀對(duì)殼的軸受力；a為刀刃角。

當(dāng)莢果受到正壓力大于臨界壓力F時(shí)，殼發(fā)生破裂。切割片發(fā)生移動(dòng)時(shí)，軸受力T對(duì)花生殼進(jìn)行一定距離的剪切。

殼厚及殼仁間距L為

其中，D為莢果寬度；d為仁的寬度；l為殼的厚度。

通過(guò)對(duì)花生殼厚度的測(cè)量，以及殼與仁之間的距離分析，確定切割的深度，如表1所示。

表1　花生莢果的相關(guān)參數(shù)

由表1可知：設(shè)定傳送帶的寬度為19mm，考慮到脫殼的效率共設(shè)定6條傳送帶同時(shí)工作，傳送帶切割刀對(duì)殼的切割力為26N，殼與果仁的距離范圍為3.70～4.75mm，切割深度定為4.0mm[8-9]。

2.2剝殼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

剝殼系統(tǒng)由橡膠滾筒與橡膠直板組成，滾筒是封閉式，表面橡膠層設(shè)有小突起，凸起的作用是增大花生莢果與滾筒的摩擦力[11-12]。橡膠直板固定不動(dòng)，擋板與滾筒間隙的大小可以根據(jù)脫殼花生的厚度調(diào)整[13]。橡膠有一定的厚度，可以減小對(duì)花生莢果的壓力，主要是對(duì)花生殼的搓擦作用讓花生殼從結(jié)合面分開(kāi)，花生仁直接落下離開(kāi)剝殼室，不與未剝花生果在一起反復(fù)搓擦，減少花生果仁的外部損傷，保持了花生仁紅衣色澤。

對(duì)花生莢果進(jìn)行受力分析如圖6所示，即

mg+F3cosβ≥P1sinβ+F

其中，m為一顆花生的質(zhì)量；F3為滾筒對(duì)花生的摩擦力；F為莢果的結(jié)合力；P1為滾筒對(duì)花生的支持力；P2直板對(duì)莢果的壓力。當(dāng)左右兩邊相等時(shí)，花生殼結(jié)合面剛好完全分離。

滾筒外緣的線速度為

v=nπD/60

其中，n為滾筒轉(zhuǎn)速；D為滾筒直徑，v為滾筒外緣速度。

花生莢果簡(jiǎn)化能量分析，即

其中，s為花生發(fā)生的位移。

圖6　剝殼裝置簡(jiǎn)圖及受力分析

2.2.1滾筒直徑與轉(zhuǎn)速的確定

滾筒直徑大小與轉(zhuǎn)動(dòng)速度直接影響著脫殼的效率。滾筒轉(zhuǎn)速太快，花生莢果在間隙呆的時(shí)間過(guò)短，還未分離就已經(jīng)離開(kāi)剝殼室；轉(zhuǎn)速太慢，對(duì)花生殼的摩擦力很小，脫殼的力度不夠，花生莢果離開(kāi)脫殼室也不能完全破裂，且整體的生產(chǎn)效率降低。根據(jù)分析大量數(shù)據(jù)分析，滾筒直徑設(shè)置為70mm，轉(zhuǎn)速主要根據(jù)剝殼花生品種及受力公式計(jì)算進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2.2橡膠的厚度

滾筒有喂入花生和搓擦的作用，橡膠的作用是減小對(duì)花生莢果的壓力，增大莢果與滾筒的摩擦力，從而更利于脫殼。為了減少金屬的使用對(duì)果仁格外的物理傷害，橡膠通過(guò)硫化壓合的方式固定[5]。通過(guò)分析與參考大量文獻(xiàn)，將橡膠的厚度定位40mm。

2.2.3滾筒與直板的距離確定

橡膠直板在機(jī)器休眠狀態(tài)下是可以來(lái)回移動(dòng)的，主要根據(jù)所要?jiǎng)儦さ幕ㄉN子的特性確定距離的大小。一般設(shè)為與果仁的厚度大小一致，花生果仁在下落時(shí)對(duì)其沒(méi)有任何力的作用且莢果不能直接落下?；ㄉv果是單個(gè)喂入的，每個(gè)滾筒與直板的寬度略大于花生的長(zhǎng)度。

3　試驗(yàn)

試驗(yàn)主要考察脫殼機(jī)工作時(shí)的基本性能即剝凈率與破損率。本試驗(yàn)以白沙花生為試驗(yàn)對(duì)象，含水量為9.6%，大部分花生莢果的大小范圍是長(zhǎng)度約18～22mm、厚度約14～18mm，花生莢果已初步經(jīng)過(guò)篩選去掉雜質(zhì)?；ㄉ奈谷胨俣葹?kg/min，滾筒與夾板的距離為10mm。本試驗(yàn)主要研究切割刀切割力度及滾筒轉(zhuǎn)速這兩個(gè)主要因素對(duì)脫殼指標(biāo)的影響，其它條件均固定不變，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

以剝凈率與破損率為試驗(yàn)指標(biāo)，則剝凈率為

其中，M1為花生總質(zhì)量；M2為未脫殼花生質(zhì)量。

破損率為

其中，M3為已剝花生的果仁質(zhì)量；M4為破損果仁的質(zhì)量。

目前，剝殼機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)剝凈率≥98.00%，破損率≤4.50%。每次均加入50kg的花生莢果，并稱量剝殼后的果仁的質(zhì)量、未剝殼的花生莢果質(zhì)量和破損花生果仁的質(zhì)量。

3.1切割刀切割力度對(duì)脫殼指標(biāo)的影響

固定其它條件不變，以切割刀切割力度為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)?；ㄉv果穿透力度分析理論切割力度定位為22.5、25.8、35.0N。記錄在各個(gè)力度下試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)值，如表2所示。

表2　切割刀切割力度下的性能參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明：花生的剝凈率與破損率隨著切割力度的增大而增加。當(dāng)力度大與25.80N時(shí)，剝凈率沒(méi)有明顯的增加，而花生果仁的破損率卻大幅度的升高；在切割力度在25.80N時(shí)，綜合試驗(yàn)指標(biāo)最佳。切割刀在不同力度下剝凈率均大于98.0%，剝凈率均值為98.50%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；破損率雖然隨著切割力度不斷增加，但均值仍遠(yuǎn)小于4.50%。結(jié)果表明：自適應(yīng)切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)明顯優(yōu)化種子剝殼機(jī)的性能。

3.2滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)脫殼指標(biāo)的影響

固定其它條件不變，以滾筒轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。根據(jù)花生物理特性的分析理論，轉(zhuǎn)速分別定位275、315、355r/min，記錄每個(gè)轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果并求平均值，如表3所示。

表3　轉(zhuǎn)速變化與性能參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明：花生的剝凈率與破損率隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加而上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于315r/min時(shí)，花生的剝凈率沒(méi)有明顯增長(zhǎng)，而花生破損率卻上升很快；在轉(zhuǎn)速為315r/min時(shí)，綜合試驗(yàn)指標(biāo)最佳。在試驗(yàn)的不同轉(zhuǎn)速中，破損率隨轉(zhuǎn)速的增大而增加，但其均值為1.17%，遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值，剝凈率也在其范圍內(nèi)。所以，滾筒剝殼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)明顯地降低了破損率。

3.3各部件在最佳狀態(tài)下的試驗(yàn)指標(biāo)

在5次試驗(yàn)中，破損率最高為1.03%，最低為0.92%，平均值為0.982%；剝凈率在98.82%～99.04%范圍，其均值為98.90%。破損率與剝凈率曲線如圖7所示。根據(jù)目前種子剝殼機(jī)的行業(yè)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于指標(biāo)數(shù)值；特別是果仁破損率，明顯優(yōu)于指標(biāo)水平。通過(guò)自適應(yīng)切割系統(tǒng)與搓擦剝殼系統(tǒng)的結(jié)合，種子剝殼機(jī)性能有明顯改善，破損率明顯優(yōu)化。這表明，剝殼時(shí)花生果仁受到的外部物理?yè)p失明顯降低，果仁胚與胚芽完整性增大，利于種子的發(fā)芽與生長(zhǎng)[14]。

圖7　破損率與剝凈率曲線圖

影響剝凈率與破損率的因素有很多，如花生含水量、切割刀切割深度、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒與直板的距離等。本次試驗(yàn)只對(duì)設(shè)計(jì)的剝殼機(jī)的性能進(jìn)行分析，所以通過(guò)參考文獻(xiàn)及大量的試驗(yàn)，將剝殼機(jī)的各種參數(shù)處于最佳狀態(tài)來(lái)統(tǒng)計(jì)其剝凈率與破損率。

4　結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了帶有自適應(yīng)切割系統(tǒng)的花生種子剝殼機(jī)，通過(guò)切割方式與搓擦方式相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)花生脫殼，提高了脫凈率與脫殼效率，降低了花生的破損率。各部件都能靈活移動(dòng)，提高了剝殼機(jī)對(duì)不同品種、不同形狀的適用性。

2)本種子剝殼機(jī)首先通過(guò)自適應(yīng)切割系統(tǒng)對(duì)花生莢果進(jìn)行初步破損處理，再由柔性的橡膠滾筒對(duì)殼的搓擦將果仁與殼分開(kāi)，并立刻離開(kāi)剝殼室，有效地減小了果仁受到的物理?yè)p失。

3)該種子剝殼機(jī)其對(duì)果仁的破損率明顯降低，剝凈率高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但還需進(jìn)一步優(yōu)化。

4)影響種子剝殼機(jī)的因素有很多，試驗(yàn)只對(duì)關(guān)鍵部件切割刀力度及滾筒轉(zhuǎn)速詳細(xì)分析，其它最佳數(shù)據(jù)也以同樣方式進(jìn)行確定。

5)對(duì)設(shè)計(jì)的剝殼機(jī)進(jìn)行了脫殼性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：橡膠厚度為40mm，滾筒與直板的距離為11mm，滾筒轉(zhuǎn)速為315r/min，花生脫凈率為98.90%，花生破損率為0.98%，均優(yōu)于目前種子脫殼機(jī)的平均水平。

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