揉搓式豌豆脫皮機研究與設計

潘光杰 孫傳祝 張志杉 薛立橋

（山東理工大學精密制造與特種加工省級重點實驗室，山東 淄博 255091）

揉搓式豌豆脫皮機研究與設計

潘光杰 孫傳祝 張志杉 薛立橋

（山東理工大學精密制造與特種加工省級重點實驗室，山東 淄博 255091）

針對現有豌豆脫皮設備存在的脫皮率低、產量小，難以滿足規模企業生產要求等問題，對豌豆脫皮技術原理與方法進行分析與研究，在此基礎上，設計一種揉搓式豌豆脫皮機。介紹該脫皮機的主要結構特點及其工作原理，通過設計計算與分析，確定脫皮機的總體結構，分析影響豌豆脫皮質量的因素。設計后的豌豆脫皮機脫皮方便、結構相對簡單、預期產量較大。

揉搓；脫皮機；豌豆；設計

豌豆又名荷蘭豆，是一種低脂肪、高蛋白的食物［1］。由于它價格低廉且加工與食用方式多樣，而逐漸受到人們的青睞。豌豆是中國重要的食用豆類之一，具有蔬菜、糧食、飼料和醫藥等多種用途，也是當前中國粉絲生產行業的主要原料。在豌豆組織構成方面，豌豆干物質［2］主要由淀粉、蛋白質、纖維素和脂類所組成，其中豌豆淀粉除用于紡織、輕化、醫藥等工業外，它在食品中的重要用途是用來替代價格相對較高的綠豆淀粉加工粉絲和粉皮等。

目前，通常采用傳統的酸漿沉淀法［3］提取淀粉。這種方法將原料浸泡一定時間后便直接帶皮粉碎，造成后續的脫渣工序變得麻煩，并且粉碎后的豆皮極大地影響了淀粉質量進而降低了粉絲質量。因此，生產優質粉絲的關鍵技術是將豌豆預先脫皮，以便于改進粉絲生產工藝，提高生產率。在豆類脫皮機械研究領域，周玉林等［4］基于對大豆物理特性的分析，利用大豆皮在超干狀態下，受拉應力和彎曲應力的作用易破裂的特點，設計了一種大豆脫皮機，其脫皮裝置的壓力頭對大豆施加一定壓力，并且該壓力頭具有與壓力方向相垂直的速度，當其應力超過強度極限時實現皮殼破裂與子葉脫離，該技術工藝簡單、可靠，平均脫皮率達92%～98%，但受脫皮裝置限制，生產率較低。黃和祥［5］設計了一種豌豆剝殼機械，使豌豆依靠重力作用進入由兩個相對旋轉、轉速不同的膠輥所構成的剝殼工作區域，由于兩膠輥的線速度差而產生一對摩擦剪切力實現豌豆剝殼，其優點在于結構簡單，但受膠輥數量限制只能實現單次碾搓，因此無法保證實際生產對剝殼率和生產率的要求。

隨著豌豆需求量的日益增大，豆類淀粉行業急需一種能夠方便地將豌豆皮去除，且脫皮效果好的設備，以提高淀粉及粉絲的質量。目前，常用的脫皮方法有借助粗糙面碾搓作用的碾搓法、借助打板高速撞擊作用的撞擊法、借助銳利面剪切作用的剪切法以及借助軋輥擠壓作用的擠壓法等［6］。本試驗根據豌豆自身的特性及脫皮率、生產率等要求，采用碾搓法設計了一種結構相對簡單、實用、生產率高的揉搓式豌豆脫皮機。

1 結構原理及特點

1.1 脫皮機理分析

豌豆經適宜溫度水浸泡后送入脫皮區域（即彈性揉搓爪與滾筒之間的楔形空間）后，豌豆受到來自揉搓爪與滾筒之間的正壓力和摩擦力的共同作用。此作用主要由F1、F2組成的一對摩擦剪切力引起（見圖1），它們的產生及大小取決于揉搓爪與滾筒之間的相對運動狀態及壓縮量等的變化。設任一位置A點揉搓爪的曲率半徑為r，滾筒的半徑為R，R＞r且滾筒中心O1與揉搓爪的曲率中心O2不重合，其偏心距為e。由此形成的楔形空間，加強了對豌豆的揉搓 效果。

圖1 脫皮原理分析簡圖Figure 1 The diagram of peeling principle analysis

楔形空間內A點的徑向間隙l為

則豌豆壓縮量Y為

式中：

d—— 豌豆直徑，m；

θ，α—— 位置角，°。

1.2 主要結構

揉搓式豌豆脫皮機主要由行星傳動裝置、內壁設有螺旋狀棱骨的滾筒、鏈傳動裝置、進料斗、出料口及減速電機等組成（見圖2）。豌豆由進料斗進入滾筒后，在工作區域隨著滾筒、行星架、揉搓輥的轉動，其位置連續變化并作行星運動，同時壓縮量也在不斷變化。由于揉搓輥與滾筒的相對運動，使得夾在兩者之間的豌豆受到多次擠壓揉搓，最終因摩擦剪切力實現揉搓脫皮，脫皮后的豌豆由出料口進入分離裝置。

圖2 揉搓式豌豆脫皮機結構簡圖Figure 2 The structure diagram of the knead－style peas peeling machine

驅動裝置包括功率不同的兩臺減速電機，大功率減速電機與行星傳動裝置的主軸連接，該主軸空套支承在固定的太陽輪中心孔及右端軸承孔內，兩行星架均固定在主軸上。行星軸兩端分別支承在兩行星架上，左端穿過行星架后，還裝有行星輪與太陽輪嚙合。小功率減速電機聯接的傳動軸上裝有鏈輪，通過鏈條與另一托輥同軸固定的鏈輪共同連接構成鏈傳動裝置。滾筒呈兩端敞開、內表面設有棱骨的圓筒狀，在靠近進料斗一端聯接有擋料板，外圓兩端通過滾輪承托在托輥上。行星軸的中部裝有揉搓輥，各揉搓輥圓周布置有彈性揉搓爪（見圖3），其彈性可以通過調整揉搓爪的材料及形狀確定。

圖3 揉搓輥結構簡圖Figure 3 The structure diagram of knead roller

1.3 工作原理

大功率減速電機在驅動主軸及兩行星架、并帶動行星軸和揉搓輥公轉的同時，行星軸和揉搓輥在行星輪與固定太陽輪嚙合力的作用下，還做與公轉轉向相同的自轉。滾筒通過鏈傳動裝置在小功率減速電機的驅動下，朝著與行星架轉向相反的方向旋轉。打開進料閘門，浸泡后的濕豌豆經進料斗進入滾筒內腔，由于與滾筒內壁之間的摩擦力及物料自身離心力的作用，隨著滾筒壁向上做回轉運動。由于滾筒的旋轉方向與行星架、揉搓輥的旋轉方向相反，揉搓輥在對豌豆進行反復揉搓的同時，將豌豆向相反方向抬起。與此同時，在整個揉搓過程中還伴隨著物料由自身重力造成的塌落現象。物料經某個揉搓輥的揉搓作用后，分成左右兩部分，由于揉搓輥沿螺旋線分布，物料在經過揉搓輥循環揉搓的同時，實現了向出料口方向的軸向輸送。除此之外，當物料上升到一定高度，將沿著棱骨的方向下落，這對物料的軸向輸送起到了輔助作用。最后，依靠靠近出料口的最末揉搓輥的推移，物料間斷性地經出料口流出。

1.4 特點

（1）行星架、揉搓輥與滾筒的轉速可通過兩臺驅動裝置單獨調整，以得到較佳的揉搓效果。

（2）揉搓輥在隨著行星架公轉的同時，還繞著行星軸做旋轉方向與公轉方向相同的自轉，并且該轉向與滾筒的旋轉方向相反，加大了揉搓輥與滾筒之間的相對轉速，從而可以提高豌豆的脫皮效果。

（3）單條行星軸上的揉搓輥在軸上以等間距方式布置，而各行星軸上的起始揉搓輥順著行星架的旋轉方向在軸向間隔一個相等距離，因此所有揉搓輥便按照前后順序構成了一條螺旋線，以便將物料朝著出料口軸向推移。

（4）合理配置滾筒轉向與滾筒內壁棱骨的旋向，使得棱骨不僅能提高揉搓效果，還能產生對物料的輔助輸送作用。

（5）主軸貫穿滾筒兩端，同步驅動兩個行星架，避免了由于揉搓阻力造成的各行星軸的扭曲。

（6）可根據豌豆的特性不同設定揉搓輥的數量，在保證良好的揉搓效果的同時，避免揉搓輥過少或冗余。

2 豌豆脫皮機參數設計與計算

影響豌豆脫皮質量的因素很多：① 豌豆自身因素，包括品種、水分、籽粒大小、均勻度、飽滿程度、浸泡時間、浸泡水溫等；② 脫皮機參數，包括行星架、揉搓輥和滾筒的絕對轉速及相對轉速等。因此，應根據豌豆淀粉生產企業所用原料的特點，對脫皮機各參數進行詳細地設計計算，才能得到較佳的脫皮效果。

2.1 功率計算

2.1.1 驅動滾筒所需功率 脫皮過程中，驅動滾筒所需的功率是在不斷變化的，當有兩排揉搓輥處于工作狀態時其驅動功率最大。此時，滾筒與揉搓輥之間的切向力Fq由兩排揉搓輥的揉搓力和另一排揉搓輥與滾筒之間的摩擦力兩部分組成，即Fq為

式中：

Frd—— 單排揉搓輥的揉搓力，N；

μ—— 摩擦系數，取μ＝0.1；

Ny——單排揉搓輥與滾筒之間的正壓力，N。

初步確定滾筒各有關參數后計算得，驅動滾筒所需功率Pt≈0.31kW。

2.1.2 驅動主軸所需功率 由結構分析可知，驅動主軸所需的總功率Pz應包括驅動行星架回轉所需功率Pj、驅動揉搓輥回轉所需功率Pr和揉搓輥抬高物料所需功率Pl。則根據上述受力分析，經設計計算得：

Pz＝Pj＋Pr＋Pl＝ 0.881＋0.508＋0.809 ≈2.20（kW）

2.1.3 電動機選用 本設計驅動裝置選用擺線針輪減速電機。由于本脫皮機運轉時存在一定的載荷不穩定性，并考慮到相應的功率儲備，選用兩臺減速電機配備的電動機分別為Y132S1－6和 Y90S－6，功率分別為3.0，0.75kW。

2.2 生產率計算

豌豆在一定水溫下浸泡至較佳的脫皮狀態后，經試驗測得干豌豆和濕豌豆的密度分別為ρ干＝835.0kg/m3和ρ濕＝700.6kg/m3。所測密度為松散狀態下的豌豆密度，即所測豌豆體積包括豌豆之間空隙的體積。

脫皮率達到要求的豌豆經最后一個揉搓輥的推移作用脫離滾筒，進入出料口，因此單位時間內揉搓輥推移物料的次數與單個揉搓輥軸向推移物料質量的乘積即為脫皮機生產率。由此計算得該揉搓式豌豆脫皮機的干、濕豌豆生產率分別為A干＝1 728.3kg/h，A濕＝3 697.8kg/h。

3 結束語

本試驗設計了一種揉搓式豌豆脫皮機，其基本原理是利用行星架、揉搓輥在滾筒內相對于滾筒轉向相反的公轉和揉搓輥的自轉，將夾在滾筒與揉搓輥之間的豌豆進行反復揉搓。同時，采用在揉搓輥上設置彈性揉搓爪、在滾筒內壁設置棱骨等措施，以提高脫皮效果；采用將揉搓輥按螺旋狀排列的方式，以實現物料的軸向輸送。設計后的豌豆脫皮機，解決了傳統的豌豆脫皮設備生產率和脫皮率低下的問題。不過，本設備只能對浸泡后的豌豆實施脫皮，而脫皮后的胚、皮分離技術和設備有待于進一步研究和設計。

1 崔再興，李玲.豌豆的特征特性及開發利用價值［J］.雜糧作物，2010，30（2）：154～155.

2 李兆豐，顧正彪，洪雁.豌豆淀粉的研究進展［J］.食品與發酵工業，2003，29（10）：70～74.

3 王德培.綠豆和豌豆淀粉的分離方法及其品質特性［J］.仲愷農業技術學院學報，1996，9（2）：93～97.

4 周玉林，夏韌毅.大豆脫皮機原理［J］.齊齊哈爾大學學報，2003，19（3）：72～74.

5 黃和祥.豌豆剝殼機械的設計［J］.農機化研究，2005，124（2）：109～110.

6 張林泉，龔麗.剝殼機具的現狀及效果改進方法的探討［J］.食品與機械，2006，22（4）：72～74.

Research and design on knead－style peeling machine of pea

PAN Guang－jie SUN Chuan－zhu ZHANG Zhi－shanXUE Li－qiao

（Shandong Provincial Key Laboratory of Precision Manufacturing and Non－traditional Machining，Shandong University of Technology，Zibo，Shandong255091，China）

In allusion to the available peas peeling equipment exist the problems that low peeling rate，small production，difficult to meet large－scale production requirements and so on，the principle and method of peas peeling technology were analyzed and studied.On this basis，designed a kind of knead type peas peeling machine.This text introduced the construction and characteristics about the peeling machine.Through the design calculation and analysis，the overall structure of the peeling machine was determined and the influence factors of peeling quality were analyzed.The designed peas peeling machine is peeling convenient，structure is relatively simple，expected output is bigger.

knead；peeling machine；pea；design

10.3969 /j.issn.1003－5788.2012.04.040

潘光杰（1990－），男，山東理工大學機械設計制造及其自動化專業在讀本科生。E－mail：pgj1990＠126.com。

孫傳祝

2012－02－17