揉搓式豌豆脫皮機的結構設計與計算

摘要：針對現有豌豆脫皮機械存在的生產效率低、脫皮效果差等問題，介紹了新型揉搓式豌豆脫皮機結構原理，并對其驅動功率及生產效率進行總體設計計算，同時對其行星軸及主軸等主要零部件的結構參數進行了設計計算，設計的豌豆脫皮機生產效率可達3 000 kg/h以上，完全能夠滿足規模淀粉企業的生產需求。

關鍵詞：揉搓式豌豆脫皮機；結構設計；計算

中圖分類號：S226.4；TS214.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）18-4507-03

豌豆淀粉是制作粉絲、粉皮的主要原料，目前在提取豌豆淀粉過程中，通常采用傳統的酸漿沉淀法[1]，這種方法是將原料浸泡一定時間后便直接帶皮粉碎，后續的脫渣工序麻煩，并且粉碎后的豆皮影響了淀粉質量，進而降低粉絲質量。因此，生產優質粉絲的技術關鍵之一是將豌豆預先脫皮。傳統的豆類脫皮方法主要有碾壓法、剪切法，撞擊法等。李宏偉等[2]發明的豆類濕法去皮機，其原理是經2個脫皮輥脫皮后在浮選槽和分離器中以旋流方式實現分離；黃和祥[3]設計的豌豆剝殼機用快慢膠輥實現豌豆剝殼；周玉林等[4]基于對大豆物理特性的分析，制定了去雜質→均勻加熱→短時通風干燥的大豆脫皮工藝，通過設計的脫皮裝置完成脫皮。

目前，國內市場上的一些豌豆脫皮機生產效率較低、脫皮效果不如人意，無法滿足規模食品加工業生產要求。對此，設計了一款采用揉搓、擠壓等技術方案對經過浸泡的豌豆進行脫皮的揉搓式豌豆脫皮機，現介紹其結構原理，并對主要參數進行設計計算。

1 揉搓式豌豆脫皮機結構原理

1.1 主要結構

揉搓式豌豆脫皮機主要由行星傳動裝置、驅動裝置、內壁設有螺旋狀棱骨的滾筒、承托裝置、進料斗及出料口等組成（圖1）。其中行星傳動裝置包括1個太陽輪、3個行星輪、3條行星軸以及2副行星架，行星架均固定在主軸上，3條行星軸分別嵌套于2副行星架之間，同時行星軸左端穿過行星架后，端部安裝行星輪。3個行星輪分別與固定的太陽輪嚙合，并繞其回轉。驅動裝置包括功率不同的2臺減速電機，大功率減速電機與行星傳動裝置的主軸聯接，該主軸空套支承在固定的太陽輪中心孔及右端軸承孔內。

承托裝置包括2對托輥、鏈輪和鏈條等。鏈輪與其中一個托輥安裝在與小功率減速電機聯接的傳動軸上，通過鏈條與另一托輥同軸固定的鏈輪共同聯接實現傳動。滾筒兩端敞開、內表面設有棱骨、圓筒狀，外圈裝有2副滾輪，與承托裝置的托輥相嚙合。

行星軸上等間距裝有揉搓輥，揉搓輥與行星軸之間通過花鍵聯接。各揉搓輥沿圓周裝有彈性揉搓爪（圖2），其揉搓力可以通過選用合適的揉搓爪材料及形狀確定。

1.2 脫皮原理

豌豆浸泡后由進料口進入滾筒內，進入脫皮區域（彈性揉搓爪與滾筒之間）后，豌豆受到來自彈性揉搓爪與滾筒之間的正壓力和摩擦力的共同作用。此作用主要由滾筒與濕豌豆之間摩擦力F和彈性揉搓爪與濕豌豆之間摩擦力f組成一對摩擦剪切力（圖3）完成。力的產生及其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因素。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O與揉搓爪的曲率中心Q不重合，其偏心距為D。由此形成的楔形空間，加強了對豌豆的揉搓效果。楔形空間內A點的徑向間隙（h）為h=R-Dcosα-rsinβ，則豌豆壓縮量（x）為x=d-（R-Dcosα-rsinβ）=d-R+Dcosα+rsinβ，式中d為豌豆直徑，α、β為位置角。豌豆在工作區域隨著滾筒、行星架、彈性揉搓輥轉動并同時做軸向移動，經多次擠壓揉搓，最終實現脫皮。

1.3 工作原理

浸泡好的豌豆由進料斗進入滾筒后，在大功率減速電機的作用下，主軸驅動著2行星架及行星軸回轉，由于行星輪與太陽輪的嚙合作用，使得行星軸驅動著揉搓輥隨著行星架公轉的同時，還進行與公轉方向相同的自轉。滾筒通過承托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。在靜摩擦力和離心力的作用下，豌豆會隨著滾筒內壁向上回轉，由于行星架、揉搓輥的旋轉方向與滾筒的旋轉方向相反，揉搓輥在對豌豆進行反復揉搓的同時，會將豌豆向反方向抬起。物料經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。

2 總體設計計算

2.1 功率計算

2.1.1 驅動滾筒回轉所需理論功率 當揉搓輥工作時，濕豌豆會夾在彈性揉搓爪與滾筒之間，彈性揉搓爪此時處于彈性壓縮狀態，由于行星軸的公轉及自轉，揉搓輥與滾筒存在相對轉動，即產生所需要揉搓力（Frd）。Frd=μ·Ny，式中，Frd為單個揉搓輥產生的揉搓力；μ為滾筒與揉搓輥彈性揉搓爪之間摩擦系數，μ=0.5；Ny為單個揉搓輥與滾筒之間的正壓力。

脫皮過程中，驅動滾筒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。則此時揉搓輥與滾筒之間總的摩擦力（Fr）為Fr=2KFrd/3，式中，K為揉搓輥數量。驅動滾筒所需的轉矩（Mt）為Mt=FrDt/2/1 000，式中，Dt為滾筒內徑。經試驗測得Ny=40.00 N，確定各結構參數后計算得驅動滾筒回轉所需的功率（Pt）為Pt=Mt·nt/9 549=0.28 kW，式中，nt為滾筒轉速，單位r/min。

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。由于揉搓輥在行星軸上不僅繞太陽輪進行公轉，同時隨著行星軸進行自身回轉，則驅動一排揉搓輥回轉所需要的轉矩（Mr）為Mr=

Fr（Dr+h）/2/1 000，式中，Dr為揉搓輥基體直徑；h為彈性揉搓爪最遠處到揉搓輥基體的最短距離，單位mm。則驅動揉搓輥回轉所需功率（Pr）為 Pr=

Mrnl/9 549=0.46 kW，式中，nl為行星輪轉速，單位

r/min。行星軸在行星架的作用下繞太陽輪進行回轉，則行星軸對行星架的切向分力（Fj）為Fj=Fr+2×

1 000Mr/Dx，式中，Dx為行星輪分度圓直徑，單位mm。驅動行星架回轉所需功率（Pj）為Pj =Mjnj/9 549=FjDj/2/1 000nj/9 549=0.80 kW，式中，nj為行星架轉速，單位r/min；Dj為行星架回轉直徑，單位mm。

揉搓輥在隨著行星軸回轉的同時會將物料沿著滾筒內壁抬高，抬高濕豌豆的質量（ml）大約為ml=vl·ms=0.83 kg，式中：vl為單個揉搓輥抬高物料的體積，vl=0.001 2 m3；ms為濕豌豆的密度，ms=700.6 kg/m3。一排揉搓輥抬高物料所需要轉矩（Ml）為Ml=ml·g·sinαl·k·Dt×2/3/2/1 000=25.74 N·m，式中：αl為物料沿著滾筒內壁被抬高的角度，取αl=45°。揉搓輥抬高物料所需要的功率Pl為Pl=MlDj/9 549=0.81 kW，由此得驅動主軸所需的總功率（Pz）為Pz=Pj+Pr+Pl=2.07 kW。

2.2 生產率計算

2.2.1 干/濕豌豆密度的測量 要計算脫皮豌豆的生產率，必須要測定豌豆的密度。試驗中，用天平稱取質量為m（g）干豌豆顆粒，將其浸入盛有純凈水的量杯內，測得液體前后體積變化量為v1（mL），即為所取干豌豆的體積，則干豌豆的密度（q）為q干=m干/v1。另取適量豌豆將其在一定水溫下浸泡48 h后，用同樣方式測得相應的濕豌豆質量為m濕，測得其體積為v2，則濕豌豆密度（q濕）為q濕=m濕/v2。重復3次求其平均值。試驗中豌豆體積設為0.001 2 m3，測定得到干、濕豌豆密度分別為Q干=835.0 kg/m3、Q濕=700.6 kg/m3。

2.2.2 理論生產率計算 揉搓式豌豆脫皮機工作過程中，被推移物料在滾筒橫截面底部近似形成一扇形環。設扇形環占整個圓周的1/3，行星架每旋轉1周時，設物料被軸向推移揉搓輥軸向寬度的一半，則單個揉搓輥軸向推移物料質量（M濕）為：

3.2 主軸

設計的揉搓式豌豆脫皮機的主軸由于同時受到行星架徑向載荷的作用，故其受力狀況為彎扭組合。

。

4 小結

新型揉搓式豌豆脫皮機基本原理是通過多次揉搓、擠壓而達到使豌豆脫皮之目的。在介紹該豌豆脫皮機主要結構的基礎上，對生產率、驅動功率等主要性能參數進行了總體設計計算，還對行星軸和主軸進行了結構設計計算。設計后的脫皮機具有以下特點：

1）揉搓式豌豆脫皮機預期生產率高且脫皮效果好，生產效率可達3 000 kg/h以上，完全可以滿足規模淀粉企業的生產需求。

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，由于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，從而可以改善豌豆的脫皮效果。

3）主軸貫穿滾筒兩端，同步驅動2個行星架，避免了由于揉搓阻力造成的行星軸的扭曲。

4）可根據豌豆的不同特性設定揉搓輥數量，以提高設備的適用能力，保證良好脫皮效果。

參考文獻：

[1] 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.

[2] 李宏偉，鄭裕國，胡學和.豆類濕法去皮機[P].中國：91101995.2， 1992-10-21.

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

[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.