鲜蚕豆豆荚剥皮机的设计

郭全林，柳鹏旭，郭红刚，朱乾隆，史晟泽，张丽玲

（新疆工程学院　新疆　乌鲁木齐　830013）

0　引言

蚕豆在我国已有2000余年的栽培历史。近10年来，中国蚕豆生产面积达130多万hm2，占世界总面积的45.7%，在我国食用豆类中种植面积位居第一。鲜蚕豆蛋白质含量高达30%左右，且不含胆固醇，可以提高食品营养价值，改善人们的膳食营养结构，增强体质。现代人还认为蚕豆也是抗癌食品之一，有预防肠癌的作用。鲜蚕豆作为人们餐桌上的健康食品，在加工或作为出口商品时，需要对鲜蚕豆豆荚剥皮加工。鲜蚕豆在制取蛋白质时，剥皮的目的是为了提高出蛋白质率，提高蛋白质和饼粕的质量，利于轧胚等后续工序的综合利用。传统的鲜蚕豆豆荚剥皮为人力手工剥皮，人工剥皮不仅手指易疲劳、受伤，而且工效很低，因此蚕豆产区广大农民迫切要求用机器来代替手工剥皮。鲜蚕豆豆荚剥皮机的诞生可以很大程度上改变这种局面，使蚕豆产区的农民不必再采用原始的剥皮方法进行剥皮，从而大大地减轻了农民的体力劳动，同时还提高了鲜蚕豆豆荚剥皮的效率。通过检索未发现国内外有专为鲜蚕豆豆荚剥皮的机械，只有干蚕豆豆荚剥皮机械，用此机械为鲜蚕豆豆荚剥皮，剥皮效率低，鲜蚕豆破损率高。为解决此问题利用计算机辅助设计技术对鲜蚕豆豆荚剥皮机械的工作部件进行设计，优化结构，研究新的脱皮机理。

1　我国现有的蚕豆剥皮原理

1.1　封闭式纹杆滚筒，栅条凹板式蚕豆剥皮装置

图1　栅条凹板式蚕豆剥皮机

剥皮装置是在一个圆筒上镶上若干根纹杆组成的封闭式纹杆滚筒，下面装有若干根圆钢条组成的栅条式凹板，如图1所示。在该机构中蚕豆进口大（30～50 mm），出口小（10～25 mm)。工作时，蚕豆豆荚在滚筒的推动下由进口向出口端运动，在滚筒和凹板的冲击、挤压、揉搓作用下直接脱皮，蚕豆豆荚受剥皮机的直接搓擦作用，强制脱皮，故破碎率高，无法用于鲜蚕豆剥去豆荚。

1.2　封闭橡胶板滚筒，直立橡胶板式剥皮装置

该机的剥皮部件是由封闭胶辊和直立胶板组成，剥皮原理系挤压式，如图2所示。作业时，蚕豆豆荚在胶辊的推动下，通过剥皮间隙（5～20 mm），由胶辊和胶板的挤压作用脱皮，避开了剥皮部件的揉搓作用，破碎率有所降低，但仍在15%以上。另外，因直径小于剥皮间隙的小果未经剥皮便被分离出来，故一次剥净率很低，只有30%左右。所以不得不增设循环机构，以使蚕豆经多次挤压脱皮，致使机器结构复杂、庞大，造价较高。

图2　直立橡胶板式剥皮机

1.3　开式纹杆滚筒，编织凹板式蚕豆剥皮装置

剥皮部件采用了由两根金属纹杆组成的开式纹杆滚筒和用编织丝网制成的编织凹板，其结构如图3所示。作业时，蚕豆豆荚在滚筒的推动下，受挤压揉搓脱皮，该结构与封闭滚筒式不同，蚕豆豆荚受到开式滚筒的搅拌作用，剥皮力带有柔性，但鲜蚕豆豆荚破碎率较高。

图3　编织凹板式蚕豆剥皮机

采用干蚕豆剥皮机为鲜蚕豆豆荚剥皮，会造成鲜蚕豆破碎率较高，蚕豆和豆荚皮不易分离，生产效率不高等缺点，目前市场上还没有一款专门为鲜蚕豆剥皮的机械设备，为此我们设计了鲜蚕豆豆荚剥皮机。

2　鲜蚕豆豆荚剥皮机结构原理

在设计鲜蚕豆豆荚剥皮机模仿人力手工剥皮时的步骤，首先通过一级进料轴对鲜蚕豆豆荚进行破切，使鲜蚕豆豆荚每一粒蚕豆有一个以上的切口，再通过二级进料轴凹凸滚轮对鲜蚕豆豆荚进行柔性挤压，使鲜蚕豆籽粒和豆荚皮分离，完成鲜蚕豆豆荚剥皮工作，其结构如图4、图5所示。

图4　鲜蚕豆豆荚剥皮机结构示意

图5　鲜蚕豆剥皮机三维示意

鲜蚕豆沿着图4所标路径，鲜蚕豆皮在挤压后是带状结构，只能沿着筛网板滑落，蚕豆籽通过筛网眼落入收集器当中。

2.1　进料口的设计

鲜蚕豆豆荚进入进料口后通过搅拌轴的搅拌挤压作用使鲜蚕豆豆荚进入一级轴进料轴，搅拌轴设计成两叶片形式，叶片是圆润的边角，这样对鲜蚕豆豆荚只有按压作用，不会对鲜蚕豆豆荚造成损伤，其结构如图6。

图6　搅拌轴

2.2　一级轴设计

图7　一级进料轴

一级轴设计成为滚刀形状，圆周铣四个均布轴向槽，槽深1.5 mm，通过我们对鲜蚕豆豆荚的测量，豆荚的平均皮厚度为1.5 mm，当该轴的刀片对鲜蚕豆豆荚进行切割时只能切出1.5mm深的切口，不会把蚕豆切碎，刀片间距6 mm，保障了每粒蚕豆有一道以上切口.滚刀的结构设计可以在对鲜蚕豆豆荚破切时，又起到向下一个加工区拖拽的作用，其结构如图7所示，当蚕豆豆荚进入一级被动轴时，被动轴旋向和一级轴相同可以把破切好的鲜蚕豆豆荚输送到二级进料轴。

2.3　挡板设计特点

一级轴对面是挡板，一级轴和挡板之间有10 mm间隙，直径较小的鲜蚕豆豆荚能通过，当直径较大时，挡板会受到鲜蚕豆豆荚的挤压向回压缩，使大小鲜蚕豆豆荚都能通过，挡板宽度为20 mm，这样可以将不同直径的鲜蚕豆豆荚按压在一级进料轴上。

2.4　剥皮原理

鲜蚕豆豆荚在入二级进料轴及轧入瞬间，可按刚性体分析受力情况如图8。当物料由于自身重量及搅拌轴的搅拌挤压力落到两辊之间时，鲜蚕豆豆荚外表面与转动的轧辊表面接触，接触点为A1、A2，与轧辊中心O1和 O2的速线为 O1A1、O2A2，与中心线 O1O2之间的夹角α相等，α为轧入角，此时物料所受的力为：径向力N，摩擦力F及物料本身的重量及搅拌轴的搅拌挤压力m，它们的关系为：F=fN，式中f为豆皮与轧辊之间的摩擦系数（f=tanψ），ψ为摩擦角。

设垂直O1O2方向的力向下为正，则y方向合力为：

由上式可以看出，鲜蚕豆豆荚轧入轧辊的条件可满足即：Py＞O。

图8　脱粒等速受力分析

当鲜蚕豆豆荚到达一级进料轴时，一级进料轴对所有通过的鲜蚕豆豆荚进行破切，鲜蚕豆豆荚通过搅拌轴的挤压，以及一级轴滚刀轴的推送进入二级进料轴，二级进料轴设计成为凹凸相间的结构，凸台边缘圆滑在挤压蚕豆时不会使蚕豆挤压破碎，二级被动轴圆周是邵氏硬度60～65的橡胶，为了使鲜蚕豆豆荚更快破裂及豆粒顺利挤出，采用了二轧辊差速装置，从而使豆皮除了受挤压外还受到剪切力作用，这样可使豆皮更快撕裂，鲜蚕豆豆荚轧入轧辊后，受力情况如图8所示。将鲜蚕豆豆荚所受力都分解成X和Y方向的力，当鲜蚕豆豆荚被送入二级进料轴和被动轴之间的挤压分离区时，被二级被动轴橡胶凹凸结构把鲜蚕豆从豆荚中挤压出来，完成鲜蚕豆豆荚和蚕豆籽的分离。

3　试验验证

鲜蚕豆豆荚剥皮机经过计算机辅助设计，完成了结构原理的设计，制作了原理性样机，在两年的蚕豆采摘季进行了验证性试验，每次对100 kg鲜蚕豆进行剥皮试验，得到了以下试验数据。

表1　鲜蚕豆豆荚剥皮试验数据对比

通过试验数据可以看出人工剥皮效果较好，但卫生难以保障、效率低；其他几种剥皮机械剥皮率较低，破损率较高不适合鲜蚕豆豆荚剥皮加工。我们制作的小型样机剥皮率达到96%，只有直径特别小的蚕豆豆荚不能剥皮，有待今后解决，鲜蚕豆籽粒破损率15%，主要原因是挤压对辊表面材质柔韧性选择不尽合理，需要进一步完善。

参考文献：

[1]王铮.新鲜豆类脱皮机的研究[J].浙江农业大学学报,1993，19（3）：272～274.

[2]徐润邑，田恩平，杜守宇，刘春光.宁夏旱作农业理论与实践[J].宁夏农林科技，2013，54（6）：4～8.

[3]谷成林，段红平.中国蚕豆生产的回顾与发展趋势[J].云南农业大学学报，2005，20（5）：671～675.

[4][美]亨德森（S·M·Henderson），[美]佩里（R·L·Perry） 著，丁霄霖等译.农产品加工工程[M].农业出版社：1984.

[5]付兴利，毕吉福，李晶，佟富强.美国UB1250型种子清选机简介[J].现代化农业，2002（9）：41.

[6]曹丽娜，田晓霞.三维CAD技术在机械设计中的应用研究[J].装备制造技术，2014（6）：97～99.

[7]周良墉.DTJ100 型花生米脱衣机[J].南方农机，2005（4）：40.

[8]严俊峰，蒲光荣.UG/Grip技术在诱导轮三维设计中的运用[J].流体机械，2005，33 （11）：40～42.

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