连续式杏果去核机设计

刘 奎 杨莉玲 朱占江 刘 佳 祝兆帅

(1. 新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2. 新疆特色林果装备工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830091)

杏(PrunusvulgarisL.)经济价值很高，杏果实营养丰富，含有多种有机成分和人体所必须的维生素及无机盐类，杏仁的营养更丰富，含蛋白质23%～27%、粗脂肪50%～60%、磷、铁、钾、钙等无机盐类及多种维生素[1-2]。新疆作为中国的杏商品基地之一，其种植面积由2003年的7.4×104hm2增加至2013年的1.4×105hm2，10年间翻了1倍，而且随着杏产业的不断热化，其种植数量还在逐年增加[3]。

杏子深加工的首要任务就是去核。目前，杏子去核基本靠人工，每人每小时去杏核加工产量约20 kg，劳动强度大，实际生产效率低，卫生条件差，而近年来以人工为主加工杏子显然无法满足日益增长的杏加工产业的发展要求，使去核环节成为杏加工企业和杏种植大户原料处理的瓶颈。

国外关于杏子去核机械的研究开始较早，在1965年就有Etheridge[4]发明出了一种杏子定向切分机，利用弹簧压片和输送装置实现杏子的定位，经过一段时间的滚动输送，使杏子的滚动输送截面刚好为杏子骑缝线的截面，到输送端头后由同在一个平面的弹簧定刀将杏子沿骑缝线切成两瓣，杏核经过振动从杏肉中脱出，完成切分去核过程。美国的Pacific Engineering Company公司[5]、CTI公司[6]和意大利奥米帕(OMIP)公司[7]都各自研制了杏子自动定向输送切分去核装备，国外的鲜杏切分去核机械结构复杂，机型庞大，造价高且实行严格的专利保护，无论经济上和规模上均难以适应中国鲜杏加工企业。关于水果去核方面的研究，中国在大枣[8-11]、荔枝[12-15]、槟榔[16]、山楂[17]等方面行成了较为完善的研究体系，但是在黏核及长、宽、厚3个外形尺寸较接近的杏子去核方面的研究比较少见。梁勤安等[18]曾研究了杏子定向切分去核机，杏果在进入切割系统前，通过两侧间隙较小并且是张紧的皮带与底部的输送装置形成差速度输送，从而将水果的骑缝线定向在刀刃线所在平面，实现沿骑缝线处将杏果切开。这2种杏切分机的关键技术在于定向和切分。但是研究[19]表明，新疆本地的几种杏子(赛买提、明星杏、小白杏、理光杏、黑叶杏等)都有一个共同的特点——长度、宽度、厚度3个尺寸(图1)无明显的规律，杏核卡在肉中不容易去除，切出的杏瓣也各式各样，降低了后续杏肉制干和杏脯制作出的品相。并且新疆大部分的杏子品种杏肉和杏核黏连程度比国外的大，虽然切开了，但是杏核不易脱落，即使使用其消化吸收研制出的振动分离工艺也很难取出，大部分仍需人工辅助取出。

目前尚无有效将新疆的杏子去核的机具，本试验拟依据杏果特征，采用人工辅助杏果定位，用十字式刀头冲压的原理设计一种冲压式半自动连续去杏核装置。

图1 杏子外形特征描述Figure 1 Description of the shape of apricots

1 杏果的物理特性

在新疆杏果产业基地英吉沙县杏园中随机摘取八九成熟的赛买提杏和明星杏，并分别测量其物理参数，包括杏果和杏核的外形尺寸(长、宽、厚)、重量、杏去核所需力度，然后取平均值，见表1。

表1 2种杏果的物理特性

2 去核机结构和工作原理

2.1 设计要求

杏子去核一定要做到杏肉带出率少，杏子表面破损率小，最好是沿长度方向竖直切开，并且切分面要平整，无破坏，并且可实现2种加工方式——去核不切分和切分去核。切分去核后的杏肉可做成杏干和果脯，去核不切分的杏肉可在其中塞入杏仁或其他干果，制作成杏包仁。因此，结构设计首先要在新疆杏子自身的外形尺寸的基础上考虑如何给杏子定位；其次，去核冲刀的设计既要满足高冲核率，还要减小对杏肉的损伤；第三，去核动作需与杏子输送链板运动协调，保证生产效率最高。

2.2 总体结构

连续式杏子去核机总体结构如图2所示，由进给料链板、去核部分、动力传输部件、机架构成。

1. 机架 2. 给料链板 3. 电机 4. 去核部分 5. 曲柄滑块机构 6. 凸轮分割器 7. 传动机构 8. 杏核输送带 9. 杏肉输送带

图2 杏去核结构简图

Figure 2 The structural diagrams of apricot pit remove machine

2.3 工作原理

如图2所示，考虑到新疆杏子的外形尺寸及黏核的特性，设计采用人工摆放的方式给料，由6～7个工人在喂料区两侧将杏子按果柄竖直朝上的方向摆放在给料链板中的塑料胶套中，电机带动去核系统的曲柄滑块机构完成一下一上的去核动作，同时动力通过传动系统传到凸轮分割器带动链板向前运动，凸轮分割器保证链板一走一停，根据间歇运动间隙即链板运动时间，预先设定偏心摆块的位置，使其在动作上配合一致。每次走过一个链板的距离，并且在链板将要停止到下一次运动前的时间，冲刀也完成1次冲压去核动作。设备采用钢制链条强度耐磨材料，合金铜为轴销，提高了产品的耐磨强度，弯曲更灵活，阻力更小，从而可保证长时间使用不变形。退杏肉的冲杆也与冲刀一起运动，冲过杏核的杏肉被冲杆冲下，由输送带送出，冲掉的杏核也在下方另外收集，由输送带送出。

3 关键工作部件设计

3.1 杏子定位设计

无论是对杏子进行切分还是去核，都要保证在加工的过程中定位后的杏子位置在切分或者去核方向上保持不变，才能保证去核效果。由于新疆的几种主栽杏子品种(赛买提杏、明星杏、理光杏等)的长度与宽的比例及长度与厚度的比例比较接近，杏子的位置随机性很大，因此目前无法较好地使用机械自动定位来实现杏子的最佳定位。

普通去核设备仅用较硬材质的塑料作为物料的承载装置，而杏子的皮较薄，这种装置在去核过程中，杏子受到挤压或者冲击，极易造成果肉的损伤，影响后期的商品性。本研究的定位装置是一种安装在链板上的上大下小的锥形食品级PP橡胶胶套(图3)，因为软胶套有弹性，可承受一定的弹性形变。本装置需人工将杏子竖直摆放在胶套内完成定位。这种人工摆放的方法虽然效率较低，但摆放后的杏子在输送及去核过程中受到胶套的挤压固定，能很好地在输送过程中保持竖直形态，从而保证去核效果，保证去核后产品的品相及商品性。

1. 杏子 2. 胶套 3. 链板

3.2 去核部分的设计

如图4所示，去核部分主要由拉杆、刀具安装座、冲刀等组成。冲刀刀头由螺母固定在刀安装座上，冲头为十字交叉、底部为内凹弧形的2个刀头组成。根据杏子和杏核的物理参数尺寸，将刀头弧形的两端距离设计为12.00 mm，内凹深度设计为5.5 mm，刀片厚度设计为1.4 mm。

1. 拉杆 2. 刀具安装座 3. 冲刀 4. 刮料板 5. 杏子 6. 塑料托盒 7. 冲压支撑板 8. 退杏肉冲杆

图4 杏去核部分结构简图

Figure 4 The structural diagrams of apricot pit remove part

如图5所示，冲刀刀头与杏肉的接触面积小，并且十字爪形刀头能有效地包裹并顶出杏核。这样在对杏子去核和切分的过程中，既较好地保证去核率，还能减少杏肉的损失。

3.3 去核运动系统的设计

如图6所示，去核部分主要由拉杆、拉杆固定块、固定导轨等组成。根据生产率要求，每小时加工杏子640 kg，计算给料链板的运动速度为0.12 m(单个链板宽度)/次，每次2 s。其中，链板行走时间为1.2 s，停留时间为0.8 s。因此除去冲压的空载行程，冲压的动作应在链板停滞时间为0.8 s，整个行程时间为2 s。因此设计电机为1 440转，蜗轮蜗杆减速器速比为48。偏心摆块的偏心距为0.05 m。

1. 冲刀 2. 杏核 3. 杏肉

1. 拉杆 2. 拉杆固定块 3. 固定导轨 4. 偏心摆块 5. 传动轴

图6 去核运动系统的设计结构简图

Figure 6 The structural diagrams of the motor system design

3.4 传动系统的设计

如图7所示，传动系统主要由电机驱动轴、驱动轴链轮、传动轴链轮等组成。固定导轨固定在机架上，同时拉杆固定装置的背面安装有上下2个滑动轴承嵌在固定导轨的竖滑槽当中，使拉杆固定块只能做上下运动，当传动轴驱动偏心摆块在拉杆固定装置的横滑槽中做圆周运动时，就带动拉杆在竖滑槽中做上下运动。根据设定好的速比，电机将一部分动力通过减速器直接传递给去核运动系统的偏心摆块，另一部分动力通过链条链轮传递到凸轮分割器输入端，凸轮分割器设置输出参数为，每次转角为60°，转动时间为1.2 s，间隙为0.8 s，再次转动60°，如此循环。根据间歇运动间隙即链板运动时间，预先设定偏心摆块的位置，使其在动作上一致。偏心摆块转1圈的时间即为链板将要停止到下一次运动前的时间，即为完成1次冲压动作。

4 试验验证

选取主栽品种赛买提杏，设置8组试验，每组随机选取100个大小基本相似的杏子。从定向准确率、去核合格率、杏肉带出率、杏核残留率和生产率6个方面进行了评价，结果如表2所示。

由表2可知，8组试验平均定向准确率为100%，说明由人工摆放的方式给料，杏子稳定性未受到机械传动的影响，竖直形态保持较好。平均去核合格率为96.62%，均较好地完成了杏子加工厂去核的要求。综合杏肉带出率为2.38%，杏核残留率为2.25%，部分不太成熟杏子在去核过程中，杏核会将部分与其粘连的杏肉带出，造成破损。生产率为640 kg/h，达到了预期设定的要求。去核后的杏子只是在杏核被冲压的出口处有一道小口，其他形态均保持较好，无额外损伤，对杏肉的破坏度很小。说明整机能较好地完成新疆主栽杏子品种的去核加工。在实际生产中，成批量去核加工作业前，先将杏子按尺寸大小分为2～3个等级，然后将设备换上对应等级的杏果链板(链板采用销子链接方式，方便整条直接更换)，再进行加工，可以保证杏果的最佳定位保持效果，从而确保后续去核方位准确。

1. 电机驱动轴 2. 驱动轴链轮 3. 传动轴链轮① 4. 传动轴链轮② 5. 凸轮分割器驱动轴链轮 6. 凸轮分割器 7. 凸轮分割器输出链轮(链板传动链轮)

图7 传动系统的设计结构简图

5 结论

(1) 对于新疆主栽杏子来说，其长、宽、厚3个尺寸比较接近，并且无太大规律性，利用人工摆放给料是目前比较有效的定位方式。

(2) 对于黏核杏来说，这种冲压式的去核切分方式比自动定位环切式的效果要好。对于环切式[7]的去核切分方法来说，一是存在定位问题，二是在对杏子环切后用振动的方式将嵌在杏肉中的杏核振处，这对于黏核杏来说很困难，需要用工具将杏核从杏肉中拨出。经试验验证，本机构基本可对杏果一次性完成去核作业，减少二次重复性作业，且去核效果较好。

(3) 该去核机构为凸轮分割器配合偏心块的驱动冲压方式，结构稳定，不易出现错位现象，保证了杏子切分去核生产加工的质量和稳定性。

(4) 本机设计的生产率主要是由给料链板宽度和输送速度决定。因此，如果设计加宽给料链板宽度，提高整体运行速度，提高工人摆放的熟练程度，以加多了杏子的摆放量，提高生产率，通过配套分级等前处理设备，即可满足杏果加工厂批量加工生产。

(5) 由于本机具的杏果定位是依靠人工摆放，虽然整体做到了半自动化去核，但相对来说用工量较大，因此本机构在人工定位辅助方面还有待研究提高，从而在保证杏果定位准确率及生产率的基础上减少人工使用，提高机器的自动化水平。