番茄醬生產(chǎn)線自動(dòng)除雜選果裝置的研制及試驗(yàn)

劉智勇 楊嘉鵬 劉俊霞 王曉輝 劉 文 袁 勇 孫天龍 海 玲

（新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091）

中國是世界第一大番茄制品出口國，新疆番茄醬出口占中國的近七成，占國際貿(mào)易量的30%左右。番茄產(chǎn)業(yè)作為新疆“紅色產(chǎn)業(yè)”的龍頭，已成為新疆農(nóng)產(chǎn)品的出口創(chuàng)匯型支柱產(chǎn) 業(yè)［1］。 據(jù) 統(tǒng) 計(jì)［2］，2013 年 累 計(jì) 收 購 工 業(yè) 番 茄 原 料383.71萬t，生產(chǎn)出番茄醬共計(jì)49.45萬t，番茄醬產(chǎn)量較前一年增加了5.93萬t，增長13.62%。截至2013年底，新疆共有110家生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)能力超過145萬t。由于目前番茄采摘逐步機(jī)械化［3］，故采摘后的物料中混雜的雜草、莖蔓、地膜、滴灌管等雜質(zhì)較多。據(jù)筆者于2014年在中糧屯河新疆吉木薩爾番茄制品廠調(diào)查，目前番茄原料中雜質(zhì)率達(dá)到了2%～6%，這些問題不僅容易造成阻塞、纏繞等問題，進(jìn)而造成機(jī)器故障、損壞，乃至需要停運(yùn)檢修，既耗費(fèi)了大量人力，造成成本上升，還嚴(yán)重影響了番茄醬的品質(zhì)［4］。

目前，番茄醬廠主要依靠大量人力撿拾來清除雜質(zhì)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)工，撿拾效果也因人而異，而且食品衛(wèi)生也難以得到保障。現(xiàn)也有一些除雜裝置的研究［5］，如利用CCD傳感器辯色［6］，PLC控制氣動(dòng)彈片除雜的色選儀［7］，但價(jià)格昂貴，且只對(duì)青果除雜有效，對(duì)其他非果類雜質(zhì)除雜效果不好。針對(duì)番茄醬生產(chǎn)線中存在的這些問題，開發(fā)了一套自動(dòng)除雜選果裝置。該設(shè)備采用純力學(xué)原理，利用簡單的傳送帶裝置，配合自動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，并且該裝置便于與其他裝置配合使用。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

該除雜選果裝置（圖1）主要由支架、滾筒、防滑花紋傳送帶、側(cè)擋板、擋雜板、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、光電傳感器［8］及自控系統(tǒng)構(gòu)成。各部件的主要功能包括：電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)拖動(dòng)滾筒以一定速率轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)防滑花紋傳送帶以一定速度向上做輸送運(yùn)動(dòng)，防滑花紋傳送帶表面有柔性梳齒結(jié)構(gòu)，梳齒高2cm，梳齒間距15cm。當(dāng)含雜質(zhì)的番茄原料由提升機(jī)或流送槽輸送落在傳送帶表面時(shí)，果料與雜質(zhì)由于受力情況的明顯差別而自動(dòng)分離。擋雜板阻擋由傳送帶上端落下的雜質(zhì)以收集。并可以刮落粘附在帶上的雜質(zhì)。側(cè)擋板緊貼傳送帶兩側(cè)防止原料側(cè)漏，支架支持該裝置，一側(cè)可以升降以調(diào)整帶面傾角。其他如光電傳感器［9］主要作用是配合PLC自動(dòng)控制［10，11］傳送帶啟停、調(diào)速及調(diào)整帶面傾角。

1.2 工作原理

番茄醬生產(chǎn)線自動(dòng)除雜選果裝置主要是利用落在斜面上不同形狀的物體因受合外力情況的差異，使得物料發(fā)生滾動(dòng)或滑動(dòng)的臨界角度不同的原理（圖1），將物料傾倒在傾斜適當(dāng)角度且摩擦系數(shù)很高的防滑花紋傳送帶上，番茄果料類似球體，帶面傾角角度大于其滾動(dòng)臨界角度因此可以滾動(dòng)，非果類雜質(zhì)一般為條塊狀，帶面傾角角度小于其滾動(dòng)或滑動(dòng)臨界角度所以難以向下滾動(dòng)或滑動(dòng)。這樣當(dāng)含雜質(zhì)果料落在向上傳動(dòng)的有一定向傾角防滑花紋傳送帶上的類球形果料與非果類雜質(zhì)在帶面上受力的明顯差別導(dǎo)致類球形果料與非果類雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向相反，果料沿帶面向下滾落，雜質(zhì)隨傳送帶向上運(yùn)動(dòng)由高端墜落從而實(shí)現(xiàn)除雜選果目的，具體的工作流程為：

（1）過程一：所述番茄醬生產(chǎn)線自動(dòng)除雜選果裝置工作時(shí)防滑花紋傳送帶以一定傾角（15°～45°可調(diào)）緩速（7～10m/min可調(diào)）沿帶面向高端傳動(dòng)；

（2）過程二：含雜質(zhì)原料由其他設(shè)備（流送槽或刮板提升機(jī)）輸送，使其落在防滑花紋傳送帶中上部；

（3）過程三：類球形果料落在防滑花紋傳送帶上后受到的重力使果料向下滾動(dòng)的分力遠(yuǎn)大于其受到的帶面滾動(dòng)摩擦阻力，果料沿防滑花紋傳送帶帶面滾下的速度幾乎與傳送帶滾動(dòng)摩擦力力阻無關(guān)，果料向下滾動(dòng)的速度遠(yuǎn)大于傳送帶帶面速度，因此果料在重力作用下沿傾斜帶面向下滾動(dòng)，從傳送帶低端滾落進(jìn)入下一級(jí)流送槽或料池；

圖1 番茄醬生產(chǎn)線自動(dòng)除雜選果裝置工作原理圖Figure 1 Theory diagram of auto－removing impurities and choice fruits device for tomato ketchup production line

（4）過程四：同時(shí)落在防滑花紋傳送帶上的各類雜質(zhì)（雜草、莖蔓、皮葉、地膜、滴灌管及爛損果料等）形狀基本為扁長狀因而較難滾動(dòng)，其所受防滑花紋傳送帶帶面滑動(dòng)摩擦阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力沿帶面向下的分力，在帶面滑動(dòng)摩擦阻力及梳齒阻力作用下難以向下運(yùn)動(dòng)，因而各類雜質(zhì)隨傳送帶向上運(yùn)動(dòng)并從高端掉落，由擋雜板收集；且擋雜板上端緊貼傳送帶下面有利于部分粘附雜質(zhì)剝離帶面。

（5）過程五：果料向下由傳送帶低端滾落，各類非果料雜質(zhì)隨帶面向上運(yùn)動(dòng)由傳送帶高端掉落，從而實(shí)現(xiàn)類球形果料和非果類雜質(zhì)分離，完成除雜選果工作。

（6）過程六：利用光電門配合單片機(jī)或PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停，調(diào)速，調(diào)帶面傾角控制。如當(dāng)落在帶面的原料量大時(shí)，為防止原料堆積，可加大傾角同時(shí)提高帶速。

1.3 力學(xué)分析

1.3.1 番茄在傳送帶上的受力分析 如圖2所示將番茄等效為一個(gè)球體，球體在重力G作用下，有一個(gè)使其向下滾動(dòng)的分力Ff，同時(shí)受到阻礙其滾動(dòng)滾動(dòng)摩擦力f。番茄醬加工中番茄是在水中流送的，相當(dāng)于有一定的潤滑劑，此時(shí)番茄與花紋傳送帶的滾動(dòng)摩擦系數(shù)概值［12］μ＝0.01～0.06，本試驗(yàn)取0.04，設(shè)番茄為質(zhì)量m＝0.1kg，平均半徑r＝2.5cm，g＝9.8N/kg。

圖2 番茄受力分析圖Figure 2 Force analysis diagram of tomato

（1）當(dāng)θ＝15°時(shí)，則重力沿帶面向下的分力：

Ff＝G×sin 15°＝0.1×9.8×0.26＝0.255N

滾動(dòng)摩擦定律的經(jīng)驗(yàn)公式：

滾動(dòng)摩擦力：

因Ff＞f，所以番茄沿帶面以一定加速度滾落。

（2）當(dāng)θ＝30°時(shí)，則重力沿帶面向下的分力：

Ff＝G×sin 30°＝0.1×9.8×0.5＝0.49N

根據(jù)式（1）滾動(dòng)摩擦力：

因Ff＞f，所以番茄沿帶面以一定加速度滾落。

理論計(jì)算中只要θ＞1°就滿足Ff＞f，番茄就可滾落，但考慮到實(shí)際生產(chǎn)線上番茄原料輸送量大，需要番茄具有一定滾動(dòng)速度才能滿足生產(chǎn)需要，因此，試驗(yàn)中工作角度從10°開始進(jìn)行。

1.3.2 雜質(zhì)在傳送帶上的受力分析 如圖3所示將雜質(zhì)按其所占空間等效為一個(gè)扁平長方體，球體在重力G′作用下，有一個(gè)沿帶面向下的分力F′f，同時(shí)受到靜摩擦力f′。雜質(zhì)與花紋傳送帶的滑動(dòng)摩擦系數(shù)概值μ＝1～4［13］，本試驗(yàn)取2，設(shè)雜質(zhì)質(zhì)量m＝0.05kg。

圖3 雜質(zhì)受力分析圖Figure 3 Force analysis diagram of impurities

（1）當(dāng)θ＝30°時(shí)，則重力沿帶面向下的分力F′f＝G′×sin 30°＝0.05×9.8×0.5＝0.25N，靜摩擦力f′＝F′N×μ＝G′×cos 30°×2＝0.05×9.8×0.866×2＝0.47N，因f′＞F′f，所以雜質(zhì)隨帶面向上運(yùn)動(dòng)并由高端掉落。

（2）當(dāng)θ＝45°時(shí)，則重力沿帶面向下的分力F′f＝G′×sin 45°＝0.05×9.8×0.707＝0.343N，靜摩擦力f′＝F′N×μ＝G′×cos 45°×2＝0.05×9.8×0.707×2＝0.69N，因f′＞F′f，所以雜質(zhì)不能滑下而隨帶面向上運(yùn)動(dòng)。

理論計(jì)算中只要θ＜60°就滿足f′＞F′f，雜質(zhì)就可隨帶面向上運(yùn)動(dòng)，但考慮到當(dāng)傳送帶傾角接近60°后有部分雜質(zhì)開始與番茄原料一起滾落，影響除雜效果，因此，試驗(yàn)中工作角度到60°結(jié)束。

1.4 試驗(yàn)方法與步驟

將5kg的番茄原料與0.5kg的典型雜質(zhì)混合（如：塊狀雜質(zhì)包括玉米芯、植物根莖塊、爛損番茄等；條狀雜質(zhì)包括雜草、莖蔓、地膜、滴灌管），試驗(yàn)角度設(shè)定為10°～60°，角度增量為5°，每個(gè)角度測(cè)試5次取平均值。每次設(shè)定好傳送帶帶面傾角后開動(dòng)樣機(jī)，傳送帶以7～10m/min的帶速向高端運(yùn)行。模擬刮板提升機(jī)［14］向帶面傾倒含雜質(zhì)原料，以番茄沿傳送帶滾下到傳送帶低端掉落為果料選出；以番茄隨傳送帶向上運(yùn)動(dòng)并由高端掉落為果料漏選；以雜質(zhì)隨傳送帶向上運(yùn)動(dòng)并由高端掉落為雜質(zhì)選出；以雜質(zhì)沿傳送帶滾下到傳送帶低端掉落為雜質(zhì)漏選。觀察試驗(yàn)結(jié)果，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算選出率并分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表1可知：

（1）該機(jī)在10°～60°的工作范圍內(nèi)除雜率和選果率均在90%以上。

（2）該機(jī)在10°～60°的工作范圍內(nèi)對(duì)條狀雜質(zhì)的除雜率幾乎全在100%。只有在超過55°時(shí)少量條狀雜質(zhì)成團(tuán)滾下，使除雜率稍有下降。而條狀雜質(zhì)是造成生產(chǎn)線上設(shè)備發(fā)生阻塞，纏繞等問題而造成機(jī)器故障、損壞乃至需要停運(yùn)檢修的主要因素。

（3）該機(jī)在傾角低于20°時(shí)，會(huì)有少量番茄原料漏選。而在30°～60°的工作范圍內(nèi)所有番茄原料均能滾下，果料選出率達(dá)100%。

表1 防滑花紋傳送帶式番茄醬生產(chǎn)線自動(dòng)除雜選果裝置樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)表Table 1 Experimental data of auto－removing impurities and choice fruits device for tomato ketchup production line

（4）該機(jī)在10°～35°的工作范圍內(nèi)塊狀雜質(zhì)選出率均為100%。而在40°～60°的工作范圍內(nèi)塊狀雜質(zhì)選出率有所下降。

通過試驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析，除雜選果機(jī)工作角度在25°～45°時(shí)，選果率和除雜率均很高，且番茄果料滾落速度快，適合連續(xù)處理大量含雜質(zhì)原料，為最佳工作角度范圍。測(cè)試中梳齒在工作角度較大時(shí)阻擋雜質(zhì)效果明顯。理論上使用平面?zhèn)魉蛶б材苓_(dá)到理想的除雜選果效果，但除雜率略低、最佳工作角度范圍較窄。

3 結(jié)論

番茄醬生產(chǎn)線自動(dòng)除雜選果裝置幾乎可以達(dá)到100%的果料與非果料雜質(zhì)的分離，具有性能穩(wěn)定、自動(dòng)分選強(qiáng)、除雜面廣、除雜率高、吞吐量大、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，并易于在現(xiàn)有生產(chǎn)線中改造加裝并能與色選儀等其他設(shè)備很好配合等特點(diǎn)。不僅可有效提高番茄醬生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平、節(jié)約人力資源并降低人工成本，而且有利于提高番茄加工廠的番茄醬的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。因此其應(yīng)用前景廣闊。同樣，該裝置也可用于其他果醬生產(chǎn)及食品加工的自動(dòng)除雜，如核桃脫青殼后核桃與核桃青殼［15］的分離等。

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