連續式杏果去核機設計

劉 奎 楊莉玲 朱占江 劉 佳 祝兆帥

(1. 新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2. 新疆特色林果裝備工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830091)

杏(PrunusvulgarisL.)經濟價值很高，杏果實營養豐富，含有多種有機成分和人體所必須的維生素及無機鹽類，杏仁的營養更豐富，含蛋白質23%～27%、粗脂肪50%～60%、磷、鐵、鉀、鈣等無機鹽類及多種維生素[1-2]。新疆作為中國的杏商品基地之一，其種植面積由2003年的7.4×104hm2增加至2013年的1.4×105hm2，10年間翻了1倍，而且隨著杏產業的不斷熱化，其種植數量還在逐年增加[3]。

杏子深加工的首要任務就是去核。目前，杏子去核基本靠人工，每人每小時去杏核加工產量約20 kg，勞動強度大，實際生產效率低，衛生條件差，而近年來以人工為主加工杏子顯然無法滿足日益增長的杏加工產業的發展要求，使去核環節成為杏加工企業和杏種植大戶原料處理的瓶頸。

國外關于杏子去核機械的研究開始較早，在1965年就有Etheridge[4]發明出了一種杏子定向切分機，利用彈簧壓片和輸送裝置實現杏子的定位，經過一段時間的滾動輸送，使杏子的滾動輸送截面剛好為杏子騎縫線的截面，到輸送端頭后由同在一個平面的彈簧定刀將杏子沿騎縫線切成兩瓣，杏核經過振動從杏肉中脫出，完成切分去核過程。美國的Pacific Engineering Company公司[5]、CTI公司[6]和意大利奧米帕(OMIP)公司[7]都各自研制了杏子自動定向輸送切分去核裝備，國外的鮮杏切分去核機械結構復雜，機型龐大，造價高且實行嚴格的專利保護，無論經濟上和規模上均難以適應中國鮮杏加工企業。關于水果去核方面的研究，中國在大棗[8-11]、荔枝[12-15]、檳榔[16]、山楂[17]等方面行成了較為完善的研究體系，但是在黏核及長、寬、厚3個外形尺寸較接近的杏子去核方面的研究比較少見。梁勤安等[18]曾研究了杏子定向切分去核機，杏果在進入切割系統前，通過兩側間隙較小并且是張緊的皮帶與底部的輸送裝置形成差速度輸送，從而將水果的騎縫線定向在刀刃線所在平面，實現沿騎縫線處將杏果切開。這2種杏切分機的關鍵技術在于定向和切分。但是研究[19]表明，新疆本地的幾種杏子(賽買提、明星杏、小白杏、理光杏、黑葉杏等)都有一個共同的特點——長度、寬度、厚度3個尺寸(圖1)無明顯的規律，杏核卡在肉中不容易去除，切出的杏瓣也各式各樣，降低了后續杏肉制干和杏脯制作出的品相。并且新疆大部分的杏子品種杏肉和杏核黏連程度比國外的大，雖然切開了，但是杏核不易脫落，即使使用其消化吸收研制出的振動分離工藝也很難取出，大部分仍需人工輔助取出。

目前尚無有效將新疆的杏子去核的機具，本試驗擬依據杏果特征，采用人工輔助杏果定位，用十字式刀頭沖壓的原理設計一種沖壓式半自動連續去杏核裝置。

圖1 杏子外形特征描述Figure 1 Description of the shape of apricots

1 杏果的物理特性

在新疆杏果產業基地英吉沙縣杏園中隨機摘取八九成熟的賽買提杏和明星杏，并分別測量其物理參數，包括杏果和杏核的外形尺寸(長、寬、厚)、重量、杏去核所需力度，然后取平均值，見表1。

表1 2種杏果的物理特性

2 去核機結構和工作原理

2.1 設計要求

杏子去核一定要做到杏肉帶出率少，杏子表面破損率小，最好是沿長度方向豎直切開，并且切分面要平整，無破壞，并且可實現2種加工方式——去核不切分和切分去核。切分去核后的杏肉可做成杏干和果脯，去核不切分的杏肉可在其中塞入杏仁或其他干果，制作成杏包仁。因此，結構設計首先要在新疆杏子自身的外形尺寸的基礎上考慮如何給杏子定位；其次，去核沖刀的設計既要滿足高沖核率，還要減小對杏肉的損傷；第三，去核動作需與杏子輸送鏈板運動協調，保證生產效率最高。

2.2 總體結構

連續式杏子去核機總體結構如圖2所示，由進給料鏈板、去核部分、動力傳輸部件、機架構成。

1. 機架 2. 給料鏈板 3. 電機 4. 去核部分 5. 曲柄滑塊機構 6. 凸輪分割器 7. 傳動機構 8. 杏核輸送帶 9. 杏肉輸送帶

圖2 杏去核結構簡圖

Figure 2 The structural diagrams of apricot pit remove machine

2.3 工作原理

如圖2所示，考慮到新疆杏子的外形尺寸及黏核的特性，設計采用人工擺放的方式給料，由6～7個工人在喂料區兩側將杏子按果柄豎直朝上的方向擺放在給料鏈板中的塑料膠套中，電機帶動去核系統的曲柄滑塊機構完成一下一上的去核動作，同時動力通過傳動系統傳到凸輪分割器帶動鏈板向前運動，凸輪分割器保證鏈板一走一停，根據間歇運動間隙即鏈板運動時間，預先設定偏心擺塊的位置，使其在動作上配合一致。每次走過一個鏈板的距離，并且在鏈板將要停止到下一次運動前的時間，沖刀也完成1次沖壓去核動作。設備采用鋼制鏈條強度耐磨材料，合金銅為軸銷，提高了產品的耐磨強度，彎曲更靈活，阻力更小，從而可保證長時間使用不變形。退杏肉的沖桿也與沖刀一起運動，沖過杏核的杏肉被沖桿沖下，由輸送帶送出，沖掉的杏核也在下方另外收集，由輸送帶送出。

3 關鍵工作部件設計

3.1 杏子定位設計

無論是對杏子進行切分還是去核，都要保證在加工的過程中定位后的杏子位置在切分或者去核方向上保持不變，才能保證去核效果。由于新疆的幾種主栽杏子品種(賽買提杏、明星杏、理光杏等)的長度與寬的比例及長度與厚度的比例比較接近，杏子的位置隨機性很大，因此目前無法較好地使用機械自動定位來實現杏子的最佳定位。

普通去核設備僅用較硬材質的塑料作為物料的承載裝置，而杏子的皮較薄，這種裝置在去核過程中，杏子受到擠壓或者沖擊，極易造成果肉的損傷，影響后期的商品性。本研究的定位裝置是一種安裝在鏈板上的上大下小的錐形食品級PP橡膠膠套(圖3)，因為軟膠套有彈性，可承受一定的彈性形變。本裝置需人工將杏子豎直擺放在膠套內完成定位。這種人工擺放的方法雖然效率較低，但擺放后的杏子在輸送及去核過程中受到膠套的擠壓固定，能很好地在輸送過程中保持豎直形態，從而保證去核效果，保證去核后產品的品相及商品性。

1. 杏子 2. 膠套 3. 鏈板

3.2 去核部分的設計

如圖4所示，去核部分主要由拉桿、刀具安裝座、沖刀等組成。沖刀刀頭由螺母固定在刀安裝座上，沖頭為十字交叉、底部為內凹弧形的2個刀頭組成。根據杏子和杏核的物理參數尺寸，將刀頭弧形的兩端距離設計為12.00 mm，內凹深度設計為5.5 mm，刀片厚度設計為1.4 mm。

1. 拉桿 2. 刀具安裝座 3. 沖刀 4. 刮料板 5. 杏子 6. 塑料托盒 7. 沖壓支撐板 8. 退杏肉沖桿

圖4 杏去核部分結構簡圖

Figure 4 The structural diagrams of apricot pit remove part

如圖5所示，沖刀刀頭與杏肉的接觸面積小，并且十字爪形刀頭能有效地包裹并頂出杏核。這樣在對杏子去核和切分的過程中，既較好地保證去核率，還能減少杏肉的損失。

3.3 去核運動系統的設計

如圖6所示，去核部分主要由拉桿、拉桿固定塊、固定導軌等組成。根據生產率要求，每小時加工杏子640 kg，計算給料鏈板的運動速度為0.12 m(單個鏈板寬度)/次，每次2 s。其中，鏈板行走時間為1.2 s，停留時間為0.8 s。因此除去沖壓的空載行程，沖壓的動作應在鏈板停滯時間為0.8 s，整個行程時間為2 s。因此設計電機為1 440轉，蝸輪蝸桿減速器速比為48。偏心擺塊的偏心距為0.05 m。

1. 沖刀 2. 杏核 3. 杏肉

1. 拉桿 2. 拉桿固定塊 3. 固定導軌 4. 偏心擺塊 5. 傳動軸

圖6 去核運動系統的設計結構簡圖

Figure 6 The structural diagrams of the motor system design

3.4 傳動系統的設計

如圖7所示，傳動系統主要由電機驅動軸、驅動軸鏈輪、傳動軸鏈輪等組成。固定導軌固定在機架上，同時拉桿固定裝置的背面安裝有上下2個滑動軸承嵌在固定導軌的豎滑槽當中，使拉桿固定塊只能做上下運動，當傳動軸驅動偏心擺塊在拉桿固定裝置的橫滑槽中做圓周運動時，就帶動拉桿在豎滑槽中做上下運動。根據設定好的速比，電機將一部分動力通過減速器直接傳遞給去核運動系統的偏心擺塊，另一部分動力通過鏈條鏈輪傳遞到凸輪分割器輸入端，凸輪分割器設置輸出參數為，每次轉角為60°，轉動時間為1.2 s，間隙為0.8 s，再次轉動60°，如此循環。根據間歇運動間隙即鏈板運動時間，預先設定偏心擺塊的位置，使其在動作上一致。偏心擺塊轉1圈的時間即為鏈板將要停止到下一次運動前的時間，即為完成1次沖壓動作。

4 試驗驗證

選取主栽品種賽買提杏，設置8組試驗，每組隨機選取100個大小基本相似的杏子。從定向準確率、去核合格率、杏肉帶出率、杏核殘留率和生產率6個方面進行了評價，結果如表2所示。

由表2可知，8組試驗平均定向準確率為100%，說明由人工擺放的方式給料，杏子穩定性未受到機械傳動的影響，豎直形態保持較好。平均去核合格率為96.62%，均較好地完成了杏子加工廠去核的要求。綜合杏肉帶出率為2.38%，杏核殘留率為2.25%，部分不太成熟杏子在去核過程中，杏核會將部分與其粘連的杏肉帶出，造成破損。生產率為640 kg/h，達到了預期設定的要求。去核后的杏子只是在杏核被沖壓的出口處有一道小口，其他形態均保持較好，無額外損傷，對杏肉的破壞度很小。說明整機能較好地完成新疆主栽杏子品種的去核加工。在實際生產中，成批量去核加工作業前，先將杏子按尺寸大小分為2～3個等級，然后將設備換上對應等級的杏果鏈板(鏈板采用銷子鏈接方式，方便整條直接更換)，再進行加工，可以保證杏果的最佳定位保持效果，從而確保后續去核方位準確。

1. 電機驅動軸 2. 驅動軸鏈輪 3. 傳動軸鏈輪① 4. 傳動軸鏈輪② 5. 凸輪分割器驅動軸鏈輪 6. 凸輪分割器 7. 凸輪分割器輸出鏈輪(鏈板傳動鏈輪)

圖7 傳動系統的設計結構簡圖

5 結論

(1) 對于新疆主栽杏子來說，其長、寬、厚3個尺寸比較接近，并且無太大規律性，利用人工擺放給料是目前比較有效的定位方式。

(2) 對于黏核杏來說，這種沖壓式的去核切分方式比自動定位環切式的效果要好。對于環切式[7]的去核切分方法來說，一是存在定位問題，二是在對杏子環切后用振動的方式將嵌在杏肉中的杏核振處，這對于黏核杏來說很困難，需要用工具將杏核從杏肉中撥出。經試驗驗證，本機構基本可對杏果一次性完成去核作業，減少二次重復性作業，且去核效果較好。

(3) 該去核機構為凸輪分割器配合偏心塊的驅動沖壓方式，結構穩定，不易出現錯位現象，保證了杏子切分去核生產加工的質量和穩定性。

(4) 本機設計的生產率主要是由給料鏈板寬度和輸送速度決定。因此，如果設計加寬給料鏈板寬度，提高整體運行速度，提高工人擺放的熟練程度，以加多了杏子的擺放量，提高生產率，通過配套分級等前處理設備，即可滿足杏果加工廠批量加工生產。

(5) 由于本機具的杏果定位是依靠人工擺放，雖然整體做到了半自動化去核，但相對來說用工量較大，因此本機構在人工定位輔助方面還有待研究提高，從而在保證杏果定位準確率及生產率的基礎上減少人工使用，提高機器的自動化水平。