椰子滾切式剝衣機的設計

張浩棟 張 燕 梁 棟

（海南大學機電工程學院，海南 海口 570228）

椰子屬棕櫚科椰子屬單子葉多年生常綠喬木，是一種典型的熱帶木本油料作物［1］。椰衣表皮厚1～2mm，它是由革質粗纖維組成，強度大，韌性強，木質素含量較高［2］。椰衣纖維堅韌而富有彈性，耐腐蝕，具有較高商業價值［3］。目前海南省有椰子加工企業近300家，但是大部分企業規模小、技術薄弱，產品加工的機械化水平較低，難以提高經濟效益和資源利用率［4］。

對此，國內外很多相關機構和人員都在從事這方面的研究，也取得了一些成果。比如，有用三角錐型齒剝殼機構以拉扯方式將椰皮撕裂后，又改用高速旋轉的盤刀以切削方式對椰皮進行破壞的剝衣機，剝衣率僅為57．3%［5］；有利用高速旋轉盤刀切削破壞椰衣，殘余的果皮纖維再通過旋轉的網絲輪加以去除的旋切式剝衣機和基于對椰子的幾何、物理機械特性的研究后用帶釘齒的雙齒輥并壓框實現剝衣的新式設計剝衣機，剝衣率都約為85%［3］，但剝殼后椰衣纖維被嚴重破壞，產品的經濟價值減少；有利用六角刀具扎入椰衣旋轉剝開椰衣的自動剝衣機［6］，但是裝夾椰子操作復雜，操作人員的勞動強度較大。

以上的椰子剝衣機，雖然都實現了對椰衣的剝除，但剝衣效果差異較大，都有不同程度的缺陷，相對市場化還有很遠的距離。所以海南的大部分椰子產品還是采用傳統的手工或者半手工的方式加工，這種方式工人勞動強度大、效率低、安全性差，極大地制約了椰子產業化、商品化的發展［7］。研究設計一種綜合考慮上述諸多剝衣缺陷的新型高效剝衣機是椰子產業發展的急需解決的問題。

1 剝衣方法、剝衣原理及工作過程

1．1 剝衣方法

目前國內外椰子剝衣機的研究成果主要集中在機械剝衣上，并配以電動或者液壓系統以提高工作效率。這些剝衣機械刀具運轉方法大體分為3 類，其中基本以旋轉切削為主，運動曲線比較規則。由于椰子并非標準球形，所以椰子切削受力不均，椰子剝殼率和內果損傷率提高不大。其次刀具以雙齒輥式多次撕扯切削，很容易破壞椰衣纖維；而且刀具以扎入式旋轉的方法剝衣，椰子需裝夾固定，生產效率較低。本設計采用兩個釘板滾切式揉搓剝衣的新型方法，椰子的大小不同落入釘板的位置則不同，然后還以高壓空氣吹掃作為輔助剝衣，綜合有效地解決了上述剝衣方法中出現的問題和缺陷。

1．2 剝衣原理

起初投入的椰子落在傾斜的剝衣頂板上，由刀片接觸支撐，然后左側豎直釘板沿X 向運動適當距離使刀片扎入椰子，右側傾斜釘板沿Y 向運動使兩個釘板上的刀片滾切揉搓椰子，Y 向移動超過普通椰子半周的適當距離。然后返回，并且右側傾斜頂板可以根據剝衣效果適當重復Y 向的移動，期間扎入椰衣的刀片便會如人工剝衣一樣把椰衣撬開剝除。由于椰衣纖維的連著性，所以沒有被刀片扎到的小部分椰衣也會被連帶撕掉。同時氣道中吹出高壓氣體將椰子上面粘連的一些纖維碎屑吹掃干凈，達到輔助剝衣的效果。之后左側釘板退回適當的距離，椰子靠重力落下，離開剝衣釘板。活板在彈簧的作用下復位，把刀片上可能纏裹的椰衣纖維推離刀片，和高壓氣體協同保持刀片潔凈干燥不被腐蝕，以利于下一個剝衣過程。工作原理示意圖見圖1。

圖1 剝衣原理示意圖Figure1 Principle of stripping

1．3 工作過程

當椰子剝衣機開始工作時，首先開啟高壓空氣把剝衣釘板吹掃干凈，之后椰子從上方投入兩個剝衣釘板之間，然后通過伺服電動機的帶動及螺桿的傳動，使得左側豎直釘板和右側傾斜釘板依次移動。椰子被剝除干凈后，左側的剝衣釘板退回。光滑的椰子落到過濾網上，滾落下來，方便工人收集。被剝除的椰衣會透過過濾網落入下面的皮屑收集箱中，保證了操作車間的整潔。然后兩個釘板復位，進入下一個剝衣過程。這樣的機械運動剝衣過程，較高的實現了椰子剝衣的要求，是一種質量、效率都較高的可行方案。具體剝衣的工作過程見圖2。

圖2 剝衣機的工作過程Figure2 Work process of decorticator

2 椰子剝衣機的主要結構及功能

2．1 基本結構

剝衣機的結構簡圖見圖3。

圖3 剝衣機的結構簡圖Figure3 Decorticator’s structure diagram

2．2 剝衣釘板

剝衣釘板部分主要包括釘板、兩側護板、刀片、活板、內孔氣道、擋塊。釘板大小約50cm×50cm。釘板由鋼板加工而成，工作表面鑲入特制的刀片。釘板前邊用彈簧聯接活板，活板中間開有高壓氣道，表面開有氣孔。孔與孔之間、刀片與刀片之間都間隔3cm 左右。釘板背面上接絲杠裝置，活板下邊接高壓送氣裝置。當切削完畢，椰子離開釘板，活板通過彈簧彈力復位，把少量纏裹在刀片上的椰衣纖維推離刀片，然后由高壓氣體吹掃干凈。

剝衣釘板兩側有護板，以防止椰子或椰衣碎片意外飛出。護板上有擋塊，調整擋塊位置，可以限定活板活動范圍，進而決定刀片剝衣時的切入深度。為了縮減釘板的大小和行程，兩塊頂板錯開放在機架上，并且為了釘板運行平穩，頂板的底部連有滑塊，可以在機架的滑軌上滑動。同時為了最大面積的接觸剝除椰衣，左側釘板豎直放置，右側釘板傾斜放置，并且傾斜角度可以通過后邊的斜度調節旋鈕適當調節，與護板的擋塊配合，可以滿足不同品種、形狀差異較大的椰子剝衣。剝衣釘板主視圖見圖4（圖中結構組成未按實物比例畫出）。

圖4 釘板位置及結構簡圖Figure4 Board’s location and structure diagram

2．3 刀片

剝衣釘板上的刀片，設計為劍尖型，寬1cm 左右，高10cm 左右，這樣可以方便活板的調節且兼顧了刀片的強度。刀片形狀見圖5。

圖5 刀片形狀Figure5 The shape of the blade

2．4 絲桿過載保護裝置

由于椰衣和椰殼的硬度有一定差距，所以伺服電動機和絲杠之間由過載保護裝置聯接，從而保證椰果不被損壞和剝衣機正常運轉。運動從左到右由螺旋形端面齒傳遞，過載時扭矩增大將克服彈簧彈力使保護裝置左右分離［8］。工作原理圖見圖6。

圖6 過載保護裝置工作原理Figure6 Work principle of overload protecting device

2．5 高壓氣罐

高壓氣罐裝于機架下部，以節省空間，為釘板提供高壓空氣，從而把未被剝除干凈的皮屑吹除掉，同時與活板協同作用，保證刀具的干燥和光潔，以利于不間斷切削。

2．6 其它

剝衣釘板下部裝有過濾網和皮屑收集箱，以實現椰子和椰衣的分離收集。

傾斜頂板后邊裝有斜度調節旋鈕，可以根據加工椰子的品種差異造成的形狀和硬度不同，手動調節，從而達到最佳剝衣面積。

3 主要技術參數

利用機械和電動系統協調控制工作，該設備配備總動力為3kW。對由于椰子品種差異和含水量造成的形狀、硬度不同的，本椰子剝衣機均能調整適用。根據工人操作的熟練度，該剝衣機每小時可剝衣280～350個。其中一次剝衣率在90%以上，椰果損傷率在5%以內，剝衣干凈，并最大程度保證了椰衣纖維的完整性。

4 結束語

基于海南椰子剝衣的需求，提出了一種新型剝衣機的設計，其中著重介紹了椰子的剝衣原理及主要結構和部分部件的設計。由于結合機械剝衣和高壓氣體輔助剝衣，可以達到較好的剝衣效果。仿照手工剝衣的設計，使本椰子剝衣機能降低工人勞動強度、有效緩解勞動力緊缺、提高工人勞動安全性。使椰子剝衣更加干凈有效、極大地降低生產成本，為后續的椰子加工提供足夠的原材料，使椰子加工的產業化、自動化程度加大，帶動椰子企業的規模化生產，進而促進整個椰子的種植生產和椰子食品的擴展。不過，本剝衣機未能實現剝衣的全面自動化，對操作工人來說還是有一定的工作強度；其次，本剝衣機也只是解決了椰子外衣的剝除問題，對于堅硬椰殼的剝除還需更深的研究。

1 廖明保，潘友仙，黃文強．海南椰子產業的實證分析［J］．技術經濟與管理研究，2005（6）：76～77．

2 李秀娟，李小慧．新鮮椰子的綜合加工［J］．食品科技，1999（1）：47～49．

3 王旺平，李詩龍，劉曉艷．椰子剝殼機的研制［J］．農業機械，2011（7）：179～181．

4 夏秋瑜，李瑞，趙松林，等．椰子的利用價值及綜合加工技術［J］．中國熱帶農業，2007（3）：37～38．

5 陳秀文，謝俊夫，陳和賢．椰子剝殼機構之研制［J］．農業機械學刊，2006，15（3）：23～32．

6 肖仁鵬，馬鑫，劉四新，等．椰子自動剝衣機的設計［J］．食品與機械，2012，28（1）：142～143．

7 梁棟．椰青加工技術的現狀及對策［J］．農業機械，2009（18）：59～60．

8 賈亞洲．金屬切削機床概論［M］．北京：機械工業出版社，2010：58～59．