全自動(dòng)鮮蓮子剝殼去膜機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

朱建錫，費(fèi)焱，陳斌，鄭濤，陳長卿，馮建成

(浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江金華，321017)

0 引言

蓮子作為我國特色農(nóng)產(chǎn)品，種植區(qū)域主要集中在浙江、福建、江蘇、湖北、湖南、臺(tái)灣等省份[1-3]。其中，武義宣蓮、福建建蓮、湖南湘蓮、廣昌白蓮并稱為中國四大名蓮[4]。經(jīng)過有關(guān)部門對全國多個(gè)城市的食品、中藥材和保健品三個(gè)市場調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)從2010年至今，市場對蓮子及其副產(chǎn)品(荷葉、蓮芯、蓮須、荷梗、蓮藕等)的需求量每年都在增加，價(jià)格每年也都在上漲[5-6]。

將蓮子從蓮蓬中取出后，首先需要對鮮蓮進(jìn)行剝殼和去膜[7]。我國對蓮子剝殼去膜技術(shù)的研究主要集中在高校和大型蓮子加工企業(yè)，剝殼去膜技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，由最初的手工，半自動(dòng)加工方式發(fā)展到現(xiàn)在的剝殼去膜一體機(jī)，在效率方面有了很大的提高[8-14]。但現(xiàn)有的鮮蓮剝殼去膜機(jī)采用純機(jī)械式設(shè)計(jì)[15]，各工作部件均由主電機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)[16]，傳動(dòng)復(fù)雜，所用零件非標(biāo)定制，生產(chǎn)成本高，穩(wěn)定可靠性差，對蓮子的自適應(yīng)程度低，加工過程中容易對蓮子造成損傷[17-19]，造成蓮仁表面割痕或搓傷，烘干后的白蓮色澤灰暗，刀痕明顯，影響銷售。

針對目前市場上的鮮蓮子剝殼去膜機(jī)傳動(dòng)復(fù)雜、各工作部件相互關(guān)聯(lián)，調(diào)節(jié)困難等問題，參考現(xiàn)有的鮮蓮子剝殼、去膜機(jī)理，將鮮蓮子剝殼去膜機(jī)進(jìn)行模塊化、電氣化改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡單、可靠穩(wěn)定、售價(jià)便宜、參數(shù)調(diào)節(jié)方便的全自動(dòng)剝殼去膜機(jī)供蓮農(nóng)使用。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)的全自動(dòng)剝殼去膜機(jī)主要包括循環(huán)水箱、機(jī)架、主輸送裝置、進(jìn)料裝置、剝殼裝置、去膜裝置及電氣控制裝置和輔助裝置等部件，如圖1所示。其中，進(jìn)料裝置安裝在機(jī)架面板前方，以實(shí)現(xiàn)鮮蓮子的逐顆連續(xù)進(jìn)料；進(jìn)料裝置下方設(shè)有主輸送裝置，完成鮮蓮子在整個(gè)工序上的輸送；在進(jìn)料裝置右側(cè)，輸送帶傳送方向上依次安裝有割刀部件(在鮮蓮子短徑方向?qū)ι彋みM(jìn)行環(huán)切)、滾搓去殼部件(在輸送帶和壓板的共同作用下，使切割后的蓮殼能夠在一定距離內(nèi)掉入)、水沖去膜裝置(對蓮仁進(jìn)行夾持旋轉(zhuǎn)，并使用具有一定壓力的水刀對蓮膜進(jìn)行去除)；在輸送帶末端，水沖去膜裝置下方安裝有滑槽，以實(shí)現(xiàn)對蓮仁的收集。變頻調(diào)速電機(jī)、滑軌、電磁鐵、限位開關(guān)等動(dòng)力、控制部件安裝于機(jī)架背面。整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 鮮蓮子剝殼去膜機(jī)整機(jī)三維結(jié)構(gòu)

表1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of the machine

1.2 鮮蓮子物理參數(shù)測量統(tǒng)計(jì)

浙江地區(qū)當(dāng)屬武義的宣蓮最為出名，本研究以武義柳城種植的鮮蓮子作為測量樣本，進(jìn)行物理參數(shù)的測量和統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)的機(jī)械部件設(shè)計(jì)提供參考，測量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鮮蓮子物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab. 2 Statistics of physical parameters of fresh lotus seeds

2 關(guān)鍵工作裝置設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)料裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作原理

設(shè)計(jì)的單顆連續(xù)進(jìn)料裝置如圖2所示，主要由圓弧軌道、槽輪、振動(dòng)盤、直振送料器、直振送料器底座、料斗以及槽輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。當(dāng)鮮蓮子倒入料斗后，在直振送料器的作用下，鮮蓮子會(huì)逐漸進(jìn)入振動(dòng)盤滑槽中，根據(jù)對帶殼鮮蓮子長徑的測量，設(shè)計(jì)滑槽寬度為25 mm，并且在滑槽上設(shè)有帶圓弧開口的壓條以確保鮮蓮子在滑槽中單顆連續(xù)排列?；矍岸朔忾]，下端設(shè)有開口，當(dāng)槽輪凹槽旋轉(zhuǎn)至滑槽開口下端時(shí)，鮮蓮子在振動(dòng)推進(jìn)力的作用下掉入槽輪凹槽中。隨著槽輪的旋轉(zhuǎn)，在凹槽中的鮮蓮子掉入圓弧軌道，在槽輪推力和鮮蓮子自身重力的作用下，鮮蓮子在圓弧軌道上作自由滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)至主輸送帶上。

圖2 進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)

2.1.2 鮮蓮子在圓弧軌道上運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

鮮蓮子進(jìn)入剝殼裝置時(shí)的姿態(tài)是影響蓮殼切割及脫殼效果的關(guān)鍵因素之一[20]。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：只有當(dāng)鮮蓮子進(jìn)入剝殼裝置時(shí)使其長徑處于水平位置并垂直于刀片刃口，即刀刃在鮮蓮子短徑所在的圓周位置進(jìn)行環(huán)切一圈，才能進(jìn)行有效脫殼，因此在鮮蓮子進(jìn)入剝殼裝置前必須對其進(jìn)行導(dǎo)正。

鮮蓮子在圓弧軌道上的受力分析如圖3所示。以槽輪中心為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸的平面坐標(biāo)系，建立鮮蓮子在槽輪中所受平面匯交力系平衡方程(鮮蓮子的滾動(dòng)摩擦力忽略不計(jì))。

圖3 鮮蓮子在圓弧軌道上的受力圖

法向合力

Fn+mgsinα1-Nr-Fr=0

(1)

切向合力

Nt+Ft-mgcosα1=0

(2)

其中：Fr=Nt·μ=mgμcosα1

(3)

Ft=Nr·μ=(Fn+mgsinα1)·μ

(4)

式中：Fn——鮮蓮子所受的離心力，F(xiàn)n=mω2R，N；

R——鮮蓮子質(zhì)心公轉(zhuǎn)半徑，m；

ω——槽輪角速度，rad/s；

Ft——鮮蓮子所受接觸面的切向滑動(dòng)摩擦力，N；

Fr——鮮蓮子所受接觸面的徑向滑動(dòng)摩擦力，N；

Nt——鮮蓮子所受接觸面的切向支撐力，N；

Nr——鮮蓮子所受接觸面的徑向支撐力，N；

mg——鮮蓮子所受重力，N；

μ——鮮蓮子滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

根據(jù)受力分析可知，鮮蓮子在圓弧軌道上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于Ft和Fr對其中心軸的合力矩，T=(Ft-Fr)·r，其中r為鮮蓮子短徑。當(dāng)FtFr，合力矩T>0，鮮蓮子在圓弧軌道上滾動(dòng)。由式(3)、式(4)可知，隨著鮮蓮子的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)α1逐漸增大，因此Ft逐漸增大、Fr逐漸減小，當(dāng)Ft=Fr時(shí)，假設(shè)圓弧軌道和槽輪與鮮蓮子接觸面的摩擦系數(shù)相等，則有Nt=Nr，與式(1)、式(2)聯(lián)立求解可得

(5)

將進(jìn)料槽輪角速度ω=π/2 rad/s，鮮蓮子質(zhì)心公轉(zhuǎn)半徑R=0.053 m，重力加速度g=9.8 m/s2代入式(5)求得α1=44.46°<45°，鮮蓮子在圓弧軌道上轉(zhuǎn)過的角度大于α1之后即開始公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此圓弧軌道的設(shè)計(jì)可保證鮮蓮子在進(jìn)入剝殼裝置前進(jìn)行一定長度的滾正運(yùn)動(dòng)。

2.2 滾動(dòng)剝殼裝置設(shè)計(jì)

滾動(dòng)剝殼裝置主要由割刀部分和滾搓去殼部分組成，如圖4所示。

圖4 滾動(dòng)剝殼裝置結(jié)構(gòu)圖

割刀部分和滾搓去殼部分均設(shè)有張緊機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)壓板與主輸送帶之間的距離和壓緊力。根據(jù)對鮮蓮子尺寸的測量統(tǒng)計(jì)，初步設(shè)定調(diào)節(jié)壓板與主輸送帶之間的距離為15 mm，調(diào)節(jié)壓板與主輸送帶之間的距離為12 mm，調(diào)節(jié)壓板的壓緊力為30 N。采用螺栓頂緊方式對刀片進(jìn)行固定，刀片深度可調(diào)，并在刀片兩邊 2 mm 處增加鋸齒壓條，對進(jìn)入壓板的鮮蓮子進(jìn)行卡位，確保刀片對蓮殼進(jìn)行同一圓周的切割。此外，壓板底面粘有橡膠平條，以防止在滾搓去殼過程中壓板對掉殼后的蓮仁產(chǎn)生壓痕。

2.3 水沖去膜裝置設(shè)計(jì)

水沖去膜裝置主要由壓料平板、光電接近開關(guān)、推拉式電磁鐵、往復(fù)凸輪機(jī)構(gòu)、水刀機(jī)構(gòu)、夾持滾輪組成，如圖5所示。其中，壓料平板和電磁鐵上各安裝有一個(gè)可自轉(zhuǎn)的夾持滾輪；電磁鐵的開合放料時(shí)間由繼電器控制(決定水沖時(shí)間)、并由限位開關(guān)觸發(fā)。經(jīng)殼仁分離后的蓮子隨著主輸送帶的搓滾，經(jīng)過壓料平板時(shí)對其頂升并觸發(fā)接近開關(guān)，此時(shí)時(shí)間繼電器開始計(jì)時(shí)，鮮蓮子在2個(gè)夾持滾輪和主輸送帶的夾持下進(jìn)行原位空轉(zhuǎn)，水刀機(jī)構(gòu)在往復(fù)凸輪機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下對蓮膜進(jìn)行去除。設(shè)計(jì)的往復(fù)凸輪機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，并采用變頻器對電機(jī)的轉(zhuǎn)速(往復(fù)頻率)進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用時(shí)間繼電器對推拉式電磁鐵的吸合時(shí)間進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)可調(diào)。

圖5 水沖去膜裝置結(jié)構(gòu)圖

2.4 整機(jī)工作參數(shù)匹配計(jì)算

為使全自動(dòng)剝殼去膜機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地作業(yè)并具有較高的加工效率以及合格率，需要對槽輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、主輸送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)有剝殼去膜機(jī)使用情況，期望該全自動(dòng)鮮蓮子剝殼去膜機(jī)的作業(yè)效率約為15 kg/h，由此估算鮮蓮子單顆進(jìn)料間隔時(shí)間應(yīng)在1.0 s左右，但該剝殼去膜機(jī)的作業(yè)效率主要取決于水沖去膜裝置的工作性能，為保證較好的去膜效果、較低的破損率，水槍往返頻率、噴嘴壓力都需要控制在一定的范圍內(nèi)，因此設(shè)定去膜時(shí)間為1.0 s，即：鮮蓮子單顆進(jìn)料間隔時(shí)間為1.0 s。

2.4.1 進(jìn)料槽輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及鮮蓮子滾動(dòng)導(dǎo)正距離計(jì)算

根據(jù)初步選定的鮮蓮子單顆進(jìn)料間隔時(shí)間，可得進(jìn)料裝置槽輪角速度ω=π/2 rad/s，電機(jī)轉(zhuǎn)速為15 r/min，代入式(5)求得α1=44.46°，通過圖解可得鮮蓮子在圓弧軌道上的滾動(dòng)距離為91.2 mm，該距離可滿足鮮蓮子滾動(dòng)導(dǎo)正要求。

2.4.2 主輸送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算

為提高切割脫殼合格率，應(yīng)盡可能避免同時(shí)有2顆鮮蓮子進(jìn)入剝殼壓板內(nèi)。假設(shè)鮮蓮子在主輸送帶的帶動(dòng)下沿壓板作勻速純滾動(dòng)，鮮蓮子與主輸送帶接觸點(diǎn)線速度相同，壓板長度為165 mm、主動(dòng)輪半徑為34 mm，則主輸送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)大于46.4 r/min。

3 整機(jī)剝殼去膜試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所使用的鮮蓮子均采摘于武義縣柳城鎮(zhèn)源口村，蓮子品種為宣蓮?fù)辽?，蓮子?dāng)天采摘后即用于試驗(yàn)。得到試驗(yàn)蓮子后隨機(jī)取一籃蓮子進(jìn)行機(jī)器調(diào)試，主要將振動(dòng)盤頻率、進(jìn)料槽輪轉(zhuǎn)速和輸送皮帶轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配，并對噴槍壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)蓮子的去膜和破損情況確定噴槍壓力合理范圍為0.9～1.1 MPa。整機(jī)(圖6)能夠穩(wěn)定完成剝殼去膜作業(yè)后，隨機(jī)選取3組500顆蓮子進(jìn)行試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)3組試驗(yàn)的加工合格率、破損率和加工效率，從而得到剝殼去膜機(jī)的加工性能指標(biāo)。其中，加工合格率：鮮蓮子經(jīng)機(jī)器剝殼去膜后完整的蓮仁占總數(shù)的百分比；破損率：鮮蓮子經(jīng)機(jī)器剝殼去膜后受到損傷的蓮仁占總數(shù)的百分比；加工速率：記錄每組試驗(yàn)從第一顆蓮子進(jìn)入槽輪到最后一顆蓮仁離開輸送皮帶所用的時(shí)間，單位為顆/min；加工效率：由加工速率和稱重統(tǒng)計(jì)的每千克蓮子顆數(shù)計(jì)算所得，單位為kg/h。除了完整和破損的蓮仁，試驗(yàn)中還出現(xiàn)有未脫殼或脫殼不完整、未去膜或去膜不完整的蓮子均視為加工不合格。

圖6 全自動(dòng)鮮蓮子剝殼去膜機(jī)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

分別對3組試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表3所示。改進(jìn)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)鮮蓮子剝殼去膜機(jī)平均加工合格率為91.5%，破損率為2.5%，加工速率約為58顆/min，加工效率約為15.4 kg/h，總體來說，整機(jī)具有較好的加工合格率、較低的破損率以及較高的加工效率，可滿足蓮農(nóng)使用要求。

表3 鮮蓮子剝殼去膜試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Husking and peeling experiment results of fresh lotus seed

試驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的全自動(dòng)鮮蓮子剝殼去膜機(jī)對蓮子的大小具有較好的適應(yīng)性，但機(jī)器對蓮子的成熟度有一定的要求。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)挑選出的未脫殼或脫殼不完整、未去膜或去膜不完整的蓮子均為蓮殼帶褐色或蓮膜帶清晰褐色條紋的蓮子，而破損的蓮子均為成熟度未達(dá)到干蓮加工要求的蓮子。由1、2組試驗(yàn)可知，提高加工速率就必須要提高各個(gè)機(jī)構(gòu)的工作轉(zhuǎn)速和噴槍水壓，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致破損率的增加。在進(jìn)行第3組試驗(yàn)時(shí)由于機(jī)器的操作者對該批次的蓮子成熟度有了一定的掌握，能夠綜合考慮各工作參數(shù)，因此提高了加工合格率降低了破損率。

4 結(jié)論

1) 研制了一種模塊化、電氣化設(shè)計(jì)的全自動(dòng)鮮蓮子剝殼去膜機(jī)，根據(jù)鮮蓮子剝殼、去膜工序要求將整機(jī)分為進(jìn)料裝置、剝殼裝置、去膜裝置、主輸送裝置四個(gè)模塊，通過對鮮蓮子在圓弧軌道上的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并求解，可知：設(shè)計(jì)的圓弧軌道與槽輪進(jìn)料機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到鮮蓮子的單顆連續(xù)進(jìn)料及滾動(dòng)導(dǎo)正要求。

2) 通過整機(jī)剝殼去膜試驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的全自動(dòng)鮮蓮子剝殼去膜機(jī)平均加工合格率為91.5%，破損率為2.5%，加工速率約為58顆/min，加工效率約為15.4 kg/h，總體來說，整機(jī)具有較好的加工合格率、較低的破損率以及較高的加工效率，可滿足蓮農(nóng)使用要求。

3) 通過整機(jī)主要工作參數(shù)的匹配計(jì)算與試驗(yàn)調(diào)試，為后續(xù)對各參數(shù)之間的相關(guān)性及其對試驗(yàn)結(jié)果的影響進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)的研究，進(jìn)一步提高加工合格率和效率，減少破損率打下了良好的基礎(chǔ)。