王旺平 谈易腾
WANG Wang-pingTAN Yi-teng
(武汉轻工大学机械工程学院,湖北 武汉 430024)
(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan,Hubei 430024,China)
莲子是睡莲科水生草本植物莲的种子,主要由莲皮(壳)、莲衣、莲仁、莲心等组成[1,2]。新鲜莲子由于其营养价值高,味道鲜美,口感爽脆,深受人们喜爱[3]。传统的新鲜莲子剥皮、去衣主要是采用人工方式,工人劳动强大度,产品质量参差不齐。
新鲜莲子和干壳莲子的差异性较大,新鲜莲子外皮松软,莲衣包裹在莲仁外部,食用之前一般需清理外衣,否则口感生涩,影响食用品质。干壳莲子外壳非常坚硬,壳仁之间间隙小,抗压强度较高,莲衣一般通过磨削的方式去除。现有的干壳莲子剥壳技术和设备不能适用于新鲜莲子的剥皮去衣[4-8]。余群等[9,10]研制了一种鲜莲子剥皮机,该机采用半圆形刀具对莲子进行环切,并采用了柔性环形通道设计,可保证莲子剥皮率与莲仁完整率,但该机采用单通道设计,产量较低,且不能对莲子进行去衣处理,功能单一。
基于对新鲜莲子的几何、物理机械性能的研究,研发了一种新鲜莲子剥皮去衣机,该机采用滚切的方法对莲子进行切割剥皮,采用高压水喷射去除莲衣,生产效率高,适应性强,可以满足当前新鲜莲子加工中机械剥皮的应用需要。
要实现新鲜莲子的剥皮去衣,必须完成莲子的供料、切割、剥皮以及去衣4个环节。所设计的新鲜莲子剥皮机主要由传动机构、进料机构、位姿调整结构、输送结构、切割机构、剥皮机构、去衣机构及机架等组成。莲子位姿调整机构与去衣机构分别位于传送机构的两端,切割机构与剥皮机构依次并排位于传送机构的传送带作业面的上方。该机的总体结构见图1。
图1 新鲜莲子剥皮机总体结构图Figure 1 The structure of fresh lotus seed peeler
该机的主要工作原理:待剥皮的新鲜莲子置于进料斗1中,在位姿调整机构和输送机构2的作用下,莲子遵循最小势能原则,以长轴为滚动中心,进入切割机构3。当莲子以滚动的方式通过柔性割壳刀架4时,其莲皮被切割刀至少环切一周且被分成两半。莲子在传送带的作用下,继续滚动至剥皮机构5,在剥皮机构5挤压力的作用下,莲皮与莲仁分离。剥皮后的莲子在继续滚动的同时,去衣机构6中的高压喷水枪将莲仁的白色外衣切开、冲洗使其剥落。剥皮去衣之后的莲子从出料口7排出。
根据结构设计,主动轴与电机的中心距为450~500 mm,其转速根据产量等计算为180 r/min。综合考虑,本传动系统采用链传动,选用减速电机传动。传动机构简图见图2。
图2 传动机构简图Figure 2 The structure of transmission mechanism
为保证莲子沿短轴直径的切割,莲子输送时,必须实现莲子以其长轴进行滚动。莲子从进料口排出之后,根据最小势能原则,莲子必然会以长轴为轴线进行滚动。为了防止莲子在进料斗底部发生堵料现象,将进料斗设计成上大下小的结构,可以有效降低进料口下方出口的压力。同时,电机工作时的横向振动也可在一定程度上松动料层,能有效防止莲子的堵料,实现连续输送。
莲子由进料斗,通过输送带进入输送机构的过程中,大部分莲子完成了长轴方向的取向,但由于莲子粒度的差异,不能完全保证其短轴直径的最大界面与切割刀片在同一平面,因此,必须对其进行位姿调整。
输送机构的结构简图见图3。输送机构主要由主动轴、输送带、搓辊、浮动支架等组成。莲子在输送带和输送滚轮的作用下,进入输送机构。在搓辊摩擦力以及两侧挡板的作用下,莲子完成沿长轴方向的取向。
切割机构简图见图4。为了满足不同短轴直径的莲子的剥皮要求,切割机构必须设计成浮动结构。切割刀安装在安装座上,安装座通过一组弹簧进行预压,安装在其上方的导杆,可以允许其在机架上上下滑动。当莲子尺寸较大时,刀架可以向上滑动,避免了对莲子的挤压,减小了莲子的破损率。当莲子尺寸较小时,刀架杆上的弹簧也可保证莲子与切割刀接触。莲子在滚动的过程中,莲皮被切割刀环切至少一周,且被分成两半。
图3 供料与输送机构简图Figure 3 The structure ofconveying mechanism
图4 切割机构示意图Figure 4 The structure ofcutting mechanism
本设计选用条形刀片,在切割时要求刀片薄而锋利,且在切割时不能切伤莲仁。所设计的刀片厚度为1 mm,刀刃角度为30°~45°,刀刃高度为1 mm,材料为9Cr WMn或9CrSi,表面真空淬火处理,刀片表面硬度为HRC55~60。安装时切割刀刀刃高出安装座0.6~0.8 mm,这样既能有效的切割莲皮又不伤及莲仁。
切割之后的莲子被输送机构送到剥皮机构进行剥皮分离处理。其机构简图见图5。在剥皮机构的上方安装带有毛毡条且可以调节高度的固定架,其高度可根据莲子大小进行调节。在输送带的下方安装有浮动支架,通过调节弹簧拉力,可以得到合适的挤压力。若此力较大,则可能压碎莲子,增加莲子的破损率;太小则不能完全将莲皮和莲仁分开。
(1)处理量:30 kg/h;
(2)一次剥壳率:≥92%;
(3)莲仁破损率:≤5%;
(4)仁壳分离率:≥90%;
(5)动力配备:0.22 k W。
图5 剥皮机构示意图Figure 5 The structure of peeling mechanism
所研制的多功能新鲜莲子剥皮机主要有以下特点:
(1)采用了独特的柔性切割机构,能对不同粒度尺寸的对莲子进行脱皮处理。剥皮效率与质量较以往的莲子剥皮(壳)设备高。
(2)将剥皮与去衣结合在一起,功能全面。通过切割机构、剥皮机构、去衣机构的依次分列布置,可同时完成莲子的剥皮去衣。
(3)在实现多功能的前提下,传动系统结构简单,成本低,且采用双通道并联设计,提高了生产率。
1 郑宝东,郑金贵,曾绍校.我国主要莲子品种营养成分的分析[J].营养学报,2003,25(2):153~156.
2 赵小广,宗力,谢丽娟.干壳莲子物理参数试验研究[J].食品与机械,2006,22(2):53~55.
3 李卓瓦.莲子的营养价值及加工利用[J].农产品加工,2008(6):42~43.
4 王旺平,杜先锋,周均生.BK25型莲子剥壳机的研制[J].食品与机械,2009,25(2):103~105.
5 王飞,陈义厚.莲子穿心脱壳机的设计与研究[J].机械研究与应用,2006,19(5):79~80.
6 郑传祥.莲子脱壳机设计与试验[J].农业机械学报,2003,34(5):106~108.
7 黄兴元,熊伟明,京玉海,等.滚切式莲子剥壳机及其试验研究[J].食品与机械,2012,28(4):139~142.
8 张永林,易启伟,余群,等.多联辊刀式莲子剥壳机的结构与工作原理[J].农业工程学报,2008,24(12):76~79.
9 余群,易启伟.鲜莲子自动化剥壳技术及设备[J].农机化研究,2010,32(6):140~142.
10 王旺平,张永林,易启伟.新鲜莲子脱皮机的研制[J].农业机械,2011(6):149~151.