連續(xù)式杏果切分去核機(jī)的設(shè)計與試驗

毛吾蘭，郭俊先，祝兆帥

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830000）

0 引言

【研究意義】杏（PrunusvulgarisL.）杏果實含有多種有機(jī)成分和維生素及無機(jī)鹽類，杏仁營養(yǎng)更豐富，含蛋白質(zhì)23%～27%、粗脂肪50%～60%、磷、鐵、鉀、鈣等無機(jī)鹽類及多種維生素[1-2]。新疆是我國杏商品基地之一，英吉沙縣賽買提杏品種約占64.5%，面積0.49×104hm2，產(chǎn)量3.8×104t，是新疆栽培面積最大，產(chǎn)量最多的杏品種。賽買提杏果實大，單果重在35 g以上，果肉厚，果肉與果核易分離，即使充分成熟后杏果實仍然具有一定的硬度，適合機(jī)械化切分去核作業(yè)[3]。隨著杏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其種植面積還在逐年增加[4]。鮮杏去核是鮮杏精深加工生產(chǎn)中的重要一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，優(yōu)質(zhì)、高效、清潔去核對鮮杏加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要影響[5]，而鮮杏去核是鮮杏加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國內(nèi)有對鮮杏去核機(jī)已有文獻(xiàn)研究報道[6-7]。鄧干然等[8]研制了YGGH200型對輥式鮮杏去核機(jī)。水果由推壓裝置送于兩輥之間，在兩輥擠壓之下，大部分果肉被擠入不銹鋼齒輥中的齒間間隙中，果核則使橡膠輥子的表面膠層變形并凹入其中[9]，再經(jīng)兩輥子下方的核肉分離調(diào)節(jié)裝置使核肉分離，分離后果核在橡膠層彈性作用下脫離橡膠輥子落入果核收集裝置，果肉則由類似梳子式的回收裝置將嵌在齒盤間果肉梳出，流入果肉收集斗中[10]，達(dá)到核果自動分離。該設(shè)備切分去核后果肉的完整性差，對輥式水果去核機(jī)生產(chǎn)效率雖然高，但是去核后果肉成為碎塊狀，破壞了果肉的完整性，僅用于果汁、飲料等的生產(chǎn)。氣動式杏子去核機(jī)[11]，其沖核機(jī)構(gòu)是去核機(jī)關(guān)鍵部分。去核時，將杏子放于托盤對應(yīng)的盛料孔中，經(jīng)過沖核切分機(jī)構(gòu)下方的送料機(jī)構(gòu)推送到底板上，此時動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動沖核切分機(jī)構(gòu)在導(dǎo)向裝置的引導(dǎo)下做上下的往復(fù)運動，在帶動沖頭向下運動時，沖頭穿過準(zhǔn)確固定在托盤上的盛料孔時完成杏子去核，沖頭上翅片完成杏子切分，被沖下的杏核掉入機(jī)架下部的接核盤中，完成作業(yè)。此類去核機(jī)機(jī)具需人工放置托盤，勞動強度較大，生產(chǎn)效率受人工熟練程度影響，且需要配套氣泵使用，單機(jī)操作效率低。6QHX-3型杏切分去核機(jī)[12]切分去核工作部件的主要功能是沿著杏果實的縫合線一周將果實切開，并將杏核剔除[13]。工作過程為進(jìn)入定向通道中的杏果實在定向帶的作用下作平面運動，繞杏果實某一軸線作穩(wěn)定轉(zhuǎn)動[14]，杏果實送入到切分去核工作部件前已完成定向，旋轉(zhuǎn)著的圓盤刀與杏果實接觸后，鋒利刀刃切開杏果實，在浮動切分護(hù)條作用下，旋轉(zhuǎn)著圓盤刀撥動杏果實轉(zhuǎn)動，沿騎縫線一周將杏果實一分為二切開。此設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上料雖然不需要人工輔助，但切分設(shè)備的自動定向原理完全是依據(jù)水果的外形特征來實現(xiàn)的，要求鮮杏近似橢球體且滿足長徑≥騎徑≥橫徑[15-16]。當(dāng)水果的騎徑大于橫徑2 mm以上時定向切割的效果最佳[17]。【本研究切入點】鮮杏切分去核是鮮杏精深加工的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前鮮杏去核加工效率還不夠高，傳統(tǒng)鮮杏去核設(shè)備果肉損失率較高，無法滿足生產(chǎn)需求。目前國內(nèi)杏核果類的去核設(shè)備較多，但實際市場上滿足生產(chǎn)要求的去核設(shè)備較少。需開展以提高鮮杏加工效率、減少果肉損失、生產(chǎn)率低下的相關(guān)研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】設(shè)計一種連續(xù)式杏果去核機(jī)，針對新疆英吉沙縣烏恰鎮(zhèn)賽買提杏近球形物料特性，提出曲軸連桿式去核機(jī)構(gòu)，由分割器實現(xiàn)去核機(jī)構(gòu)的往復(fù)運動和輸送鏈的間歇式運動，并通過上料機(jī)構(gòu)提高自動上料率，提高去核效率、減少果肉損失率。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 賽買提杏

物料選取英吉沙縣烏恰鎮(zhèn)賽買提杏，選常規(guī)等級鮮杏，橫徑長為30～45 mm，重量范圍為30～50 g，含糖量（可溶性固形物含量）≥20%。

1.1.2 連續(xù)式杏果切分去核機(jī)

連續(xù)式杏果切分去核機(jī)主要由輸送鏈、限料刷、去核機(jī)構(gòu)、卸料口等組成。其中去核機(jī)構(gòu)工作時做上下往復(fù)運動對鮮杏進(jìn)行去核，輸送機(jī)構(gòu)和去核機(jī)構(gòu)與分割器相連，去核機(jī)構(gòu)上下往復(fù)運動分主要有4個階段：向下沖程、去核沖程、刀具和杏肉分離回程、上升回程，設(shè)備工作時的工作原理由分割器實現(xiàn)輸送鏈的間歇式運動，通過間歇驅(qū)動輸送鏈傳動，在上升回程和向下沖程時間內(nèi)，鮮杏由輸送鏈送至去核機(jī)構(gòu)下面并停止運動，此時去核機(jī)構(gòu)做垂直向下運動，杏核實現(xiàn)去核過程。下料時再通過間歇驅(qū)動輸送鏈傳動，在上升回程和向下沖程時間內(nèi)，輸送鏈完成間歇式直線運動，把切分好杏肉送走，完成整個鮮杏去核的過程。圖1～2

圖1 連續(xù)式杏果去核機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of continuous apricot kernel remover

1.2 方法

1.2.1 杏去核同軸壓縮

杏在切分去核時，主要果肉損失表現(xiàn)在杏核分離時對杏肉的破壞，分析杏去核過程受力。由于刀具和杏核彈性模量較大，在受力情況下幾乎不發(fā)生形變，視作剛體。圖3

圖3 杏去核時受力情況Fig.3 Stress analysis of apricot during enucleation

刀具作用在杏上壓力與窩眼作用在杏上支持力公式（1）。

圖2 去核機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of denuclearization mechanism

式中，F(xiàn)1為窩眼對杏1支持力，N；F2為窩眼對杏2支持力，N；F3為窩眼對杏3支持力，N；Fn為窩眼對杏n的支持力，N；F支為窩眼作用在所有杏上的支持力之和，N；F壓為刀具作用在所有杏上的壓力之和，N。

在刀具對杏施加的切割力下杏肉和窩眼都發(fā)生了形變，采用ANSYS有限元分析窩眼變形量以及許用材料的彈性模量。將杏放置于托盤上，托盤上的內(nèi)凹稱作窩眼，刀具和窩眼（杏托盤）固定在電子壓力試驗機(jī)，開展杏同軸壓縮實驗。

1.2.2 杏物料特性測定

窩眼的尺寸要與杏的外形尺寸基本一致，增加杏的受力面積，減少窩眼對杏的局部破壞，測定杏和杏核的外形尺寸、硬度等物料特性。

1.2.3 杏肉切分

選擇不同時期的英吉沙縣賽買提杏作為材料，根據(jù)不同時期采摘的鮮杏將其按成熟度分成3個等級，成熟度分別為80%、90%和100%，取不同成熟度平均值作為數(shù)據(jù)。

杏上料時姿態(tài)擺放隨機(jī)性較大，且杏切分時杏肉損失率與姿態(tài)擺放相關(guān)。設(shè)置4個工位以實現(xiàn)人工輔助杏擺正姿態(tài)。

進(jìn)行杏肉切分試驗，分析杏成熟度以及杏質(zhì)量在杏肉切分過程中顯著性，計算損失率。

式中，M為杏重量，kg；M1為切分后杏核重量，kg；M2為切分后杏肉重量，kg；φ為損失率。

1.2.4 切分刀具性能

選取合理的切分刀具，實現(xiàn)最佳的杏切割去核作業(yè)效果，對市面上現(xiàn)有去核刀具進(jìn)行對比試驗，選取較為典型的3種刀具，設(shè)計刀具與損失率間的關(guān)系試驗。3種刀具分別為十字型交叉刀具，圓形平面刀具，圓形內(nèi)凹刀具。圖4

圖4 十字型交叉刀具Fig.4 Cross cutting tool

1.2.5 連續(xù)式杏果切分去核機(jī)性能

試驗場地設(shè)在新疆農(nóng)科院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，設(shè)備儀器主要有：游標(biāo)卡尺、手套、電子天平、連續(xù)式杏果切分去核機(jī)。在英吉沙縣林業(yè)局果樹資源圃采摘賽買提杏，并隨機(jī)采摘，剔除蟲果，選取90%成熟度、橫徑長30～45 mm、重量范圍為30～50 g的鮮杏480 kg，分成6組試驗。人工輔助擺正鮮杏姿態(tài)，使杏擺放至達(dá)到適合切分去核姿態(tài)，機(jī)構(gòu)往復(fù)運動38次/min，輸送鏈每1 s前進(jìn)145 mm，刀具架上成兩排安裝8個刀具，對8個杏果去核，統(tǒng)計加工時間、去核合格率、杏果損失率、杏核破損率4項指標(biāo)數(shù)據(jù)，評價樣機(jī)性能。圖5

圖5 樣機(jī)現(xiàn)場Fig.5 Testing site

2 結(jié)果與分析

2.1 輸送鏈中托盤窩眼的設(shè)計

2.1.1 杏去核同軸壓縮變化

研究表明，英吉沙縣賽買提杏為90%成熟度，刀具可對杏施加力的最大值為30 N≤F支≤40 N。圖6

圖6 杏去核同軸壓縮變化Fig.6 Coreless coaxial compression test

2.1.2 杏物料特性參數(shù)變化

研究表明，長徑范圍為39.55～45.78 mm，呈正態(tài)分布的趨勢，多數(shù)集中在40 mm左右。該數(shù)據(jù)可為機(jī)械化切分鮮杏時尺寸的分級處理提供支撐，保證機(jī)械最佳的作業(yè)性能。表1

表1 杏物料特性測量變化Table 1 Material characteristics measurement of apricot

對杏核厚度、重量、硬度等物料參數(shù)完成測定。杏核寬度總體上滿足25 mm以下，杏核在去核過程中可順利通過窩眼。表2

表2 杏物料特性測量變化Table 2 Material characteristics measurement of apricot

杏長徑、橫徑、騎徑3個尺寸無明顯相關(guān)規(guī)律。

2.1.3 托盤窩眼結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究表明，在切割力作用下，杏肉和窩眼都發(fā)生了形變，窩眼變形量小于許用材料的彈性模量為2～4 MPa。托盤窩眼材料選用食品級硅膠材料，主要成分為SiO2·nH2O，無毒無味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。窩眼的尺寸參數(shù)為窩眼內(nèi)徑25 mm，窩眼外徑45 mm，整體厚度3 mm，符合英吉沙縣賽買提杏的物料特性。窩眼內(nèi)徑設(shè)計為十字切口。圖7

圖7 托盤窩眼結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic diagram of tray hole structure

2.2 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 杏肉切分

研究表明，切分時杏的成熟度等影響因素對杏肉損失率影響較大。當(dāng)英吉沙縣賽買提杏90%成熟度，果柄朝下，且延騎縫線切分時，損失率較小。表3

表3 設(shè)備指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of equipment index data

2.2.2 輸送鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究表明，整個輸送鏈采用2條304材質(zhì)的不銹鋼單側(cè)耳節(jié)距為19.05 mm鏈條和70個托盤組成，可按工序為上料輸送區(qū)、人工輔助杏果定位區(qū)、去核區(qū)和出料區(qū)。其中上料區(qū)包括托盤輸送鏈、上料斗和限料刷。托盤為厚度10 mm的食品級樹脂材料，并安裝一排10個硅膠窩眼，上料區(qū)的托盤輸送鏈與水平面夾角30°，運行時每個窩眼帶動一個鮮杏自動上料，限料刷把多余的鮮杏掃下，回到上料斗。

2.3 去核機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.3.1 切分刀具性能

研究表明，得到英吉沙縣賽買提杏在90%成熟度，果柄朝下，且延騎縫線切分時，且選擇切分刀具類型為圓形內(nèi)凹刀具時，杏肉損失率最小，選擇將圓形內(nèi)凹刀具作為去核機(jī)構(gòu)上的切分刀。表4

表4 杏果切分刀具與損失率關(guān)系Table 4 Relationship between cutting tools and loss rate of apricot fruit

2.3.2 杏果去核機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究表明，去核機(jī)構(gòu)由1個刀具架、10個刀具、2個曲軸連桿、4個滑臺支撐桿和4個直線軸承組成，其中由曲軸連桿驅(qū)動刀具架做上下的往復(fù)運動，刀具架在4個刀架支撐桿限位下，杏果與去核刀具刀頭準(zhǔn)確對位。將去核刀具設(shè)置為圓形內(nèi)凹刀具，刀具頂桿直徑為6 mm的304不銹鋼材質(zhì)的實心桿，頂端內(nèi)凹直徑5 mm半圓，兩邊是1 mm厚帶刃刀片。

2.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

研究表明，設(shè)備中的去核機(jī)構(gòu)做上下往復(fù)運動，根據(jù)鮮杏的大小和窩眼的深度，刀具架以量程150 mm做往返運動。根據(jù)生產(chǎn)要求，每小時加工杏600 kg以上，連著刀具的曲軸的轉(zhuǎn)速為38 r/min，即1.58 s刀具架完成一次整個行程。傳送鏈做間歇式直線運動，0.79 s向前運動228.6 mm，停留時間為0.97 s，因此設(shè)計輸送系統(tǒng)電機(jī)為1 440 r/min，蝸輪蝸桿減速器速比為38，連著刀具的曲軸偏心距為75 mm。輸送鏈鏈輪型號為6分12齒，根據(jù)設(shè)定好的速比，電機(jī)將動力通過減速器直接傳遞給去核機(jī)構(gòu)的曲軸和其同軸的凸輪分割器輸入端，凸輪分割器DF80設(shè)置輸出參數(shù)靜動比1∶1，驅(qū)動角180°，凸輪分割器輸出端與6分24齒鏈輪同軸相連，并通過鏈條將動力傳遞給輸送鏈。根據(jù)輸送鏈間歇運動時間，預(yù)先設(shè)定曲軸的姿態(tài)位置，使其在動作上一致。當(dāng)曲軸偏心軸與地面平行時，即去核刀具架上升至70 mm處，凸輪分割器驅(qū)動同軸鏈輪開始180°旋轉(zhuǎn)，即輸送鏈向前運動，開始下一次沖壓動作。圖8

圖8 杏果去核機(jī)構(gòu)Fig.8 Apricot kernel removal mechanism

2.5 連續(xù)式杏果切分去核機(jī)性能

研究表明，6組實驗去核合格率≥95%，主要受人工輔助擺正時出現(xiàn)的人工失誤，但杏穩(wěn)定性未受到輸送鏈間歇式運動的影響，杏核豎直形態(tài)保持較好，平均生產(chǎn)率為638 kg/h，均較好地完成了杏加工去核要求。綜合杏肉損失率≤3.5%，部分過于成熟軟化的杏在去核過程中，杏核會將部分杏果撕裂帶出，造成損失。切分去核后的杏肉形態(tài)均保持較好，無額外損傷，對杏肉的破壞度很小。整機(jī)能較好地完成英吉沙縣90%成熟度賽買提杏品種的去核加工。在實際生產(chǎn)中，成批量去核加工前，把較小（≤20 g）的鮮杏剔除，保證去核合格率。表5

表5 設(shè)備試驗指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 5 Equipment test index data

3 討論

目前，國外生產(chǎn)核果去核設(shè)備主要有美國、意大利等國家[18]。美國FMC Foodteeh生產(chǎn)的300A型切分去核設(shè)備，專門用于桃子去核，去核后果肉保持完整，適用于制作速凍桃肉、桃子罐頭，桃脯和制干產(chǎn)品。意大利BERTUZZI公司也推出一種對滾式去核機(jī)。其核心工作部件是由根硬度適中的膠輥和由若干圓盤[19]（外緣錠有矩形齒）組成的齒輥構(gòu)成，鮮杏從二輥之間通過時，齒輥將杏核擠出，去核機(jī)不需要對水果定向[20]，結(jié)構(gòu)相對簡單，但去核后，果肉被破碎，只能用作果汁、果醬等產(chǎn)品。

設(shè)計的連續(xù)式杏果去核機(jī)與氣動式杏子去核機(jī)相比較，不需人工放置托盤，勞動強度較小，生產(chǎn)率得到提高，試驗發(fā)現(xiàn)，機(jī)械設(shè)備的杏果肉損失率為3.5%，相比氣動式杏子去核機(jī)杏果肉損失率為4.5%而說有所提高。

設(shè)備使用前需對鮮杏分級，切分去核效果才能實現(xiàn)最佳，但現(xiàn)有的分級設(shè)備在分級時，易造成對鮮杏的機(jī)械損傷，后續(xù)需針對鮮杏的分級設(shè)備進(jìn)行深入研究，實現(xiàn)完善的鮮杏加工成套工藝及裝備。

4 結(jié)論

4.1 設(shè)計的連續(xù)式杏果去核機(jī)實現(xiàn)了自動上料，有效去核和減少果肉損失。主要由輸送鏈上料、限料刷、去核機(jī)構(gòu)、卸料口輸出等裝置組成。

4.2 連續(xù)式杏果切分去核機(jī)實現(xiàn)自動上料，人工輔助擺正（果柄朝下，且延騎縫線切分），以90%成熟度英吉沙縣賽買提杏測試，測試滿足設(shè)計要求，其中生產(chǎn)率638 kg/h，杏肉損失率≤3.5%。

4.3 去核機(jī)需要人工輔助擺正，整體做到了半自動化切分去核，提高了去核率、降低了損傷率。