鮮蠶豆豆莢剝皮機的設計

郭全林，柳鵬旭，郭紅剛，朱乾隆，史晟澤，張麗玲

（新疆工程學院　新疆　烏魯木齊　830013）

0　引言

蠶豆在我國已有2000余年的栽培歷史。近10年來，中國蠶豆生產面積達130多萬hm2，占世界總面積的45.7%，在我國食用豆類中種植面積位居第一。鮮蠶豆蛋白質含量高達30%左右，且不含膽固醇，可以提高食品營養價值，改善人們的膳食營養結構，增強體質。現代人還認為蠶豆也是抗癌食品之一，有預防腸癌的作用。鮮蠶豆作為人們餐桌上的健康食品，在加工或作為出口商品時，需要對鮮蠶豆豆莢剝皮加工。鮮蠶豆在制取蛋白質時，剝皮的目的是為了提高出蛋白質率，提高蛋白質和餅粕的質量，利于軋胚等后續工序的綜合利用。傳統的鮮蠶豆豆莢剝皮為人力手工剝皮，人工剝皮不僅手指易疲勞、受傷，而且工效很低，因此蠶豆產區廣大農民迫切要求用機器來代替手工剝皮。鮮蠶豆豆莢剝皮機的誕生可以很大程度上改變這種局面，使蠶豆產區的農民不必再采用原始的剝皮方法進行剝皮，從而大大地減輕了農民的體力勞動，同時還提高了鮮蠶豆豆莢剝皮的效率。通過檢索未發現國內外有專為鮮蠶豆豆莢剝皮的機械，只有干蠶豆豆莢剝皮機械，用此機械為鮮蠶豆豆莢剝皮，剝皮效率低，鮮蠶豆破損率高。為解決此問題利用計算機輔助設計技術對鮮蠶豆豆莢剝皮機械的工作部件進行設計，優化結構，研究新的脫皮機理。

1　我國現有的蠶豆剝皮原理

1.1　封閉式紋桿滾筒，柵條凹板式蠶豆剝皮裝置

圖1　柵條凹板式蠶豆剝皮機

剝皮裝置是在一個圓筒上鑲上若干根紋桿組成的封閉式紋桿滾筒，下面裝有若干根圓鋼條組成的柵條式凹板，如圖1所示。在該機構中蠶豆進口大（30～50 mm），出口小（10～25 mm)。工作時，蠶豆豆莢在滾筒的推動下由進口向出口端運動，在滾筒和凹板的沖擊、擠壓、揉搓作用下直接脫皮，蠶豆豆莢受剝皮機的直接搓擦作用，強制脫皮，故破碎率高，無法用于鮮蠶豆剝去豆莢。

1.2　封閉橡膠板滾筒，直立橡膠板式剝皮裝置

該機的剝皮部件是由封閉膠輥和直立膠板組成，剝皮原理系擠壓式，如圖2所示。作業時，蠶豆豆莢在膠輥的推動下，通過剝皮間隙（5～20 mm），由膠輥和膠板的擠壓作用脫皮，避開了剝皮部件的揉搓作用，破碎率有所降低，但仍在15%以上。另外，因直徑小于剝皮間隙的小果未經剝皮便被分離出來，故一次剝凈率很低，只有30%左右。所以不得不增設循環機構，以使蠶豆經多次擠壓脫皮，致使機器結構復雜、龐大，造價較高。

圖2　直立橡膠板式剝皮機

1.3　開式紋桿滾筒，編織凹板式蠶豆剝皮裝置

剝皮部件采用了由兩根金屬紋桿組成的開式紋桿滾筒和用編織絲網制成的編織凹板，其結構如圖3所示。作業時，蠶豆豆莢在滾筒的推動下，受擠壓揉搓脫皮，該結構與封閉滾筒式不同，蠶豆豆莢受到開式滾筒的攪拌作用，剝皮力帶有柔性，但鮮蠶豆豆莢破碎率較高。

圖3　編織凹板式蠶豆剝皮機

采用干蠶豆剝皮機為鮮蠶豆豆莢剝皮，會造成鮮蠶豆破碎率較高，蠶豆和豆莢皮不易分離，生產效率不高等缺點，目前市場上還沒有一款專門為鮮蠶豆剝皮的機械設備，為此我們設計了鮮蠶豆豆莢剝皮機。

2　鮮蠶豆豆莢剝皮機結構原理

在設計鮮蠶豆豆莢剝皮機模仿人力手工剝皮時的步驟，首先通過一級進料軸對鮮蠶豆豆莢進行破切，使鮮蠶豆豆莢每一粒蠶豆有一個以上的切口，再通過二級進料軸凹凸滾輪對鮮蠶豆豆莢進行柔性擠壓，使鮮蠶豆籽粒和豆莢皮分離，完成鮮蠶豆豆莢剝皮工作，其結構如圖4、圖5所示。

圖4　鮮蠶豆豆莢剝皮機結構示意

圖5　鮮蠶豆剝皮機三維示意

鮮蠶豆沿著圖4所標路徑，鮮蠶豆皮在擠壓后是帶狀結構，只能沿著篩網板滑落，蠶豆籽通過篩網眼落入收集器當中。

2.1　進料口的設計

鮮蠶豆豆莢進入進料口后通過攪拌軸的攪拌擠壓作用使鮮蠶豆豆莢進入一級軸進料軸，攪拌軸設計成兩葉片形式，葉片是圓潤的邊角，這樣對鮮蠶豆豆莢只有按壓作用，不會對鮮蠶豆豆莢造成損傷，其結構如圖6。

圖6　攪拌軸

2.2　一級軸設計

圖7　一級進料軸

一級軸設計成為滾刀形狀，圓周銑四個均布軸向槽，槽深1.5 mm，通過我們對鮮蠶豆豆莢的測量，豆莢的平均皮厚度為1.5 mm，當該軸的刀片對鮮蠶豆豆莢進行切割時只能切出1.5mm深的切口，不會把蠶豆切碎，刀片間距6 mm，保障了每粒蠶豆有一道以上切口.滾刀的結構設計可以在對鮮蠶豆豆莢破切時，又起到向下一個加工區拖拽的作用，其結構如圖7所示，當蠶豆豆莢進入一級被動軸時，被動軸旋向和一級軸相同可以把破切好的鮮蠶豆豆莢輸送到二級進料軸。

2.3　擋板設計特點

一級軸對面是擋板，一級軸和擋板之間有10 mm間隙，直徑較小的鮮蠶豆豆莢能通過，當直徑較大時，擋板會受到鮮蠶豆豆莢的擠壓向回壓縮，使大小鮮蠶豆豆莢都能通過，擋板寬度為20 mm，這樣可以將不同直徑的鮮蠶豆豆莢按壓在一級進料軸上。

2.4　剝皮原理

鮮蠶豆豆莢在入二級進料軸及軋入瞬間，可按剛性體分析受力情況如圖8。當物料由于自身重量及攪拌軸的攪拌擠壓力落到兩輥之間時，鮮蠶豆豆莢外表面與轉動的軋輥表面接觸，接觸點為A1、A2，與軋輥中心O1和 O2的速線為 O1A1、O2A2，與中心線 O1O2之間的夾角α相等，α為軋入角，此時物料所受的力為：徑向力N，摩擦力F及物料本身的重量及攪拌軸的攪拌擠壓力m，它們的關系為：F=fN，式中f為豆皮與軋輥之間的摩擦系數（f=tanψ），ψ為摩擦角。

設垂直O1O2方向的力向下為正，則y方向合力為：

由上式可以看出，鮮蠶豆豆莢軋入軋輥的條件可滿足即：Py＞O。

圖8　脫粒等速受力分析

當鮮蠶豆豆莢到達一級進料軸時，一級進料軸對所有通過的鮮蠶豆豆莢進行破切，鮮蠶豆豆莢通過攪拌軸的擠壓，以及一級軸滾刀軸的推送進入二級進料軸，二級進料軸設計成為凹凸相間的結構，凸臺邊緣圓滑在擠壓蠶豆時不會使蠶豆擠壓破碎，二級被動軸圓周是邵氏硬度60～65的橡膠，為了使鮮蠶豆豆莢更快破裂及豆粒順利擠出，采用了二軋輥差速裝置，從而使豆皮除了受擠壓外還受到剪切力作用，這樣可使豆皮更快撕裂，鮮蠶豆豆莢軋入軋輥后，受力情況如圖8所示。將鮮蠶豆豆莢所受力都分解成X和Y方向的力，當鮮蠶豆豆莢被送入二級進料軸和被動軸之間的擠壓分離區時，被二級被動軸橡膠凹凸結構把鮮蠶豆從豆莢中擠壓出來，完成鮮蠶豆豆莢和蠶豆籽的分離。

3　試驗驗證

鮮蠶豆豆莢剝皮機經過計算機輔助設計，完成了結構原理的設計，制作了原理性樣機，在兩年的蠶豆采摘季進行了驗證性試驗，每次對100 kg鮮蠶豆進行剝皮試驗，得到了以下試驗數據。

表1　鮮蠶豆豆莢剝皮試驗數據對比

通過試驗數據可以看出人工剝皮效果較好，但衛生難以保障、效率低；其他幾種剝皮機械剝皮率較低，破損率較高不適合鮮蠶豆豆莢剝皮加工。我們制作的小型樣機剝皮率達到96%，只有直徑特別小的蠶豆豆莢不能剝皮，有待今后解決，鮮蠶豆籽粒破損率15%，主要原因是擠壓對輥表面材質柔韌性選擇不盡合理，需要進一步完善。

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