滾筒式辣椒除柄機改進設(shè)計

李璐璐,李志敏,孫傳祝

(1.青島璐璐農(nóng)業(yè)裝備股份有限公司,山東 青島 266300;2.山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,山東 淄博 255000)

0 引言

辣椒營養(yǎng)豐富,含有大量Vc、辣椒素和辣椒紅素等,既可調(diào)味,又可入藥。我國是最大的辣椒種植國和消費國,年種植面積達2×106hm2,年產(chǎn)量達5×107t。近年來,隨著市場需求量的不斷增大,國內(nèi)辣椒的種植面積也與日俱增。

為了保證辣椒品質(zhì),采摘后的辣椒一般留有一定長度的柄部[1],因此解決收獲后的辣椒除柄等粗加工問題迫在眉睫。李晴[2]等人從辣椒生產(chǎn)、加工與國際市場貿(mào)易等方面分析了國內(nèi)外辣椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,提出了辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的問題及對策。唐文波[3-8]等人設(shè)計了一種辣椒去核機,分析了其工作原理和特點,并通過對辣椒去核機三維模型的運動仿真,得到了各部分驅(qū)動元件和執(zhí)行元件的時間位置關(guān)系。

由于收獲后的辣椒帶有辣椒柄,無法直接作為原材料使用。傳統(tǒng)的辣椒除柄工作勞動力密集、效率低,長期從事與辣椒直接接觸的相關(guān)工作,對操作工人會產(chǎn)生嚴(yán)重傷害,如導(dǎo)致手指創(chuàng)傷、感染呼吸道等;且人工操作的差異性大,嚴(yán)重影響著辣椒干的品質(zhì)。為了摘除辣椒的柄部和籽粒,張麗英[9]設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、易操作的尖辣椒摘把脫籽機,生產(chǎn)效率達50～400kg/h。楊雨蕭[10]等人設(shè)計了一種辣椒切把機,對其定位裝置、篩選裝置、收集裝置和廢料處理裝置等進行了改進設(shè)計, 并利用辣椒的不同運動速度篩選出切除把的辣椒,增加了辣椒的出頭率和切把率。但是,這些研究尚屬實驗室階段。

在產(chǎn)品研發(fā)方面,柴傳程[11]等人利用立式旋轉(zhuǎn)的方式使得辣椒的朝向一致,在加強辣椒的離心力之后,將辣椒向上甩出,并通過肋板將辣椒有序地送上頂端,再利用夾緊部分夾緊辣椒柄部,在高速轉(zhuǎn)動的情況下夾片條也能準(zhǔn)確控制夾緊部分的夾緊與松開,以順利完成辣椒柄部的切除。商鎮(zhèn)[12]發(fā)明的自動辣椒去把機皮帶可以對辣椒進行輸送和擠壓,以方便辣椒去把,滾子的外部表面包裹有粗糙的橡膠,可以提高摩擦力,以期提高辣椒去把效率。王磊[13]等人發(fā)明的辣椒去把機在凸輪的驅(qū)動下上下往復(fù)運動,使得進料斗中的辣椒均勻進入壓碎斗中進行破碎,再進入過濾篩中進行篩選,篩選效率較高。紀(jì)義崗[14]發(fā)明的辣椒切把機辣椒進入滾筒即可進行自動籮篩,開始階段滾筒緩慢運轉(zhuǎn),之后再逐步提高轉(zhuǎn)速,使得滾筒即使是在長期運轉(zhuǎn)下出現(xiàn)輕微磨損,也不會因為偏心而產(chǎn)生噪音大、損壞設(shè)備等現(xiàn)象,降低了維護成本。張俊英[15-17]等人研發(fā)的辣椒去柄器可以手動與機動兼顧,還有一些研發(fā)人員在辣椒除柄方面進行了大量工作[18-20]。

上述發(fā)明雖然可以去除辣椒的柄部,但鮮有裝備投放市場。李志敏[21-22]等人發(fā)明的辣椒全自動除柄機通過滾筒的高速旋轉(zhuǎn),使得滾筒內(nèi)的辣椒在離心力的作用下,帶有柄部較重的一端貼在滾筒壁上,而滾筒壁上設(shè)置若干分布均勻、大小相同的圓孔,因此辣椒的柄部就有機會卡在圓孔中;當(dāng)柄部透過滾筒壁上的圓孔之后,緊貼在滾筒外壁上的固定刀片,就會順利將辣椒的柄部切掉,可較好完成辣椒的除柄任務(wù)。

但是,上述發(fā)明的動力傳動路線不夠緊湊,傳動穩(wěn)定性差;采用被動式剪切機構(gòu),刀片易磨損,且位置不易調(diào)整和更換;滾筒內(nèi)的辣椒翻滾效率較低,辣椒柄穿進滾筒上篩孔的概率小,因此除柄效率低、效果差;除柄過程中易產(chǎn)生粉塵及氣味,無法實時觀察其設(shè)備運行狀態(tài),同時粉塵對環(huán)境污染嚴(yán)重,不符合環(huán)保要求。

1 滾筒式辣椒除柄機結(jié)構(gòu)原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

改進后的滾筒式辣椒除柄機由機架、滾筒、剪切機構(gòu)、攪動裝置、除塵裝置、監(jiān)控裝置及進料斗等組成,如圖1所示。

1.進料口 2.滾筒 3.除塵裝置 4.機架 5.剪切機構(gòu) 6.監(jiān)控裝置圖1 滾筒式辣椒除柄機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of drum type pepper handle remover

其中,機架采用框架結(jié)構(gòu),底面裝有自位腳輪和支承腳輪。滾筒件數(shù)可根據(jù)用戶需求配置,一般以3件滾筒為宜。安裝時,各滾筒位于同一鉛錘面內(nèi)、自上而下排列,且呈傾斜狀態(tài)布置;相鄰滾筒交替布置,以便于辣椒在滾筒內(nèi)翻滾的同時由一端向另一端輸送。各滾筒設(shè)在滾道的端部均設(shè)有安裝在機架上的進料斗,且上層滾筒的出料口均對應(yīng)位于下層滾筒的進料斗上方。每件滾筒一側(cè)均裝有剪切機構(gòu),且剪切機構(gòu)的一端與安裝在機架上的剪切驅(qū)動裝置連接。

改進后辣椒除柄機的主要技術(shù)參數(shù)如下：

除柄機層數(shù)/層：3

外形尺寸/mm：8600×1200×4000

滾筒直徑/長度/mm：φ1000/6800

滾筒轉(zhuǎn)速/r·min-1：50

剪切機構(gòu)的剪切頻率/Hz：2

除凈率/%：≥92

破碎率/%：≤1.5

噪聲/dB(A)：≤88

配套總功率/kW：17.7

1.2 工作原理及特點

啟動滾筒式辣椒除柄機之后,各滾筒驅(qū)動裝置直接驅(qū)動相應(yīng)的滾筒轉(zhuǎn)動,各剪切驅(qū)動裝置分別驅(qū)動相應(yīng)的剪切機構(gòu)做往復(fù)直線運動。

待除柄的辣椒從最上層的進料斗加入到滾筒靠近滾道的一端后,被滾筒帶動沿著滾筒內(nèi)壁向上運動,由于重力作用也會沿著滾筒內(nèi)壁回落;設(shè)置在滾筒內(nèi)壁上的擋板增加了辣椒的翻滾次數(shù),同時也會延長辣椒與滾筒內(nèi)壁的接觸時間。由于滾筒內(nèi)壁設(shè)有多個小孔,且小孔直徑大于辣椒的柄部直徑,因此辣椒在翻滾運動過程中,一旦其柄部接觸到滾筒內(nèi)壁上的小孔,即可從小孔穿出,并被設(shè)置在滾筒一側(cè)的剪切機構(gòu)剪除。

由于各滾筒均呈(設(shè)有進料斗的一端高)傾斜狀態(tài)布置,加之呈螺旋線狀的攪動裝置的推動作用,因此辣椒隨著滾筒轉(zhuǎn)動、翻滾的同時,還會沿著滾筒的長度方向朝設(shè)有出料口的一端運行;當(dāng)?shù)诌_出料口后,便從出料口流出而落入設(shè)置在下一層滾筒端部的進料斗,并進入滾筒繼續(xù)去除尚未被除去的辣椒柄部;經(jīng)最下層滾筒的去除后,除凈率達到要求的辣椒從最下層的出料口流出。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計

2.1 滾筒

現(xiàn)有除柄機的驅(qū)動裝置通過鏈條與滾筒軸連接,傳動路線較長,加之鏈傳動的穩(wěn)定性差,導(dǎo)致其傳動的穩(wěn)定性和可靠性均不夠理想。改進后的除柄機滾筒由滾筒體、滾道、出料口和連接法蘭等組成,如圖2所示。圓筒形滾筒體上設(shè)有若干小孔,筒內(nèi)設(shè)有擋板,其一端設(shè)有滾道,另一端設(shè)有出料口,且出料口遠(yuǎn)離滾道的一端,端部裝有連接法蘭。

(a) 滾道端 (b) 出料口端1.滾筒體 2.擋板 3.滾道 4.連接法蘭 5.出料口圖2 滾筒結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of drum

組裝后的滾筒一端通過設(shè)置在連接法蘭中心的軸端直接與安裝在機架上滾筒驅(qū)動裝置的輸出軸連接,另一端通過設(shè)置在滾筒體上的滾道支承在安裝于機架上的滾輪上,從而使得傳動路線更加緊湊,大大提高了傳動的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 剪切機構(gòu)

現(xiàn)有剪切機構(gòu)采用被動式刀片,即刀片固定安裝在滾筒一側(cè),其板面與滾筒相切,不僅除柄效果差、磨損嚴(yán)重,且磨損后不易更換。改進后的剪切機構(gòu)為主動式,由刀片、刀桿、支承桿及調(diào)整裝置等組成,如圖3所示。其中,刀片呈平板、梯形結(jié)構(gòu),各刀片均勻排列安裝在刀桿上,且板面位于同一平面內(nèi);2件刀桿與多片刀片構(gòu)成的組合體的刀片板面相互貼合、且刀桿平行,2件刀桿與刀片構(gòu)成的組合體的刀桿桿身相互平行,并承托在支承桿上。

(a) 片、桿組合 (b) 調(diào)整裝置1.刀片 2.刀桿 3.螺釘 4.支承桿 5.調(diào)整臂 6.剪切驅(qū)動裝置 7.調(diào)整座 8.調(diào)整桿 9.支座圖3 剪切機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure diagram of shear mechanism

現(xiàn)有剪切機構(gòu)直接固定在機架上,無法調(diào)整其相對位置;改進后的調(diào)整裝置由調(diào)整臂、調(diào)整座、調(diào)整桿和支座組成,如圖3(b)所示。調(diào)整臂和調(diào)整座均為U形, U形底邊平行、且開口方向相同。與支座固定連接的調(diào)整座和調(diào)整臂的U形底邊之間通過調(diào)整桿連接,支承在支承桿上的2件刀桿與刀片的組合體連同支承桿兩端安裝在調(diào)整臂的U形側(cè)邊的端部。松開螺母、轉(zhuǎn)動調(diào)整桿即可改變調(diào)整臂與調(diào)整座之間的相對位置,從而達到精確調(diào)整剪切機構(gòu)與滾筒之間的相對位置之目的,以期提高除凈率。刀片與滾筒壁外表面之間留有適當(dāng)間隙,徹底解決了刀片與筒壁之間的磨損問題,大大延長了刀片的使用壽命。

組裝后的各剪切機構(gòu)分別對應(yīng)位于滾筒一側(cè),通過支座安裝在機架上,刀桿的長度方向分別與滾筒軸線平行,刀片板面與滾筒外圓柱面相切,并與刀片所在位置的滾筒法線方向相垂直,刀桿一端與安裝在機架上的剪切驅(qū)動裝置連接。

2.3 攪動裝置

為了改善滾筒內(nèi)辣椒的翻滾效率,提高辣椒柄穿進滾筒上小孔的概率,改進后的除柄機增設(shè)了由攪動桿和攪動軸組成的攪動裝置,如圖4所示。2件攪動桿沿著攪動軸的徑向呈放射狀對稱向外伸出,且位于攪動軸的同一軸截面內(nèi)。多組由2件攪動桿構(gòu)成的攪動桿組沿著攪動軸的軸向均勻分布,以便攪動辣椒、加速其穿進滾筒上小孔的概率,提高除柄效率;沿著攪動軸的軸線方向,由2件攪動桿構(gòu)成的各攪動桿組構(gòu)成2條螺旋線,攪拌裝置在攪動辣椒加速翻轉(zhuǎn)的同時,推動辣椒朝著滾筒的另一端運行。

1.攪動桿 2.攪動軸圖4 攪動裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of agitating device

2.4 除塵、監(jiān)控裝置

現(xiàn)有除柄機未設(shè)置除塵和監(jiān)控設(shè)施,除柄過程中產(chǎn)生的粉塵和氣味對操作工人和環(huán)境會造成嚴(yán)重傷害和污染。改進后的除柄機在設(shè)備中部設(shè)有兩臺除塵裝置,可將設(shè)備工作時產(chǎn)生的粉塵和氣味及時排出,并收集到粉塵處理裝置中進行處理,既減輕了對環(huán)境的污染程度,又保護了除柄機的各個零部件不至于因粉塵的入侵而導(dǎo)致其損壞和老化。

改進后的除柄機內(nèi)部兩端均裝有監(jiān)控裝置,以便將設(shè)備內(nèi)部的運轉(zhuǎn)狀況傳輸給顯示器,操作工人可從顯示器上實時觀察設(shè)備內(nèi)部辣椒的運行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)排除問題。

3 除柄試驗

3.1 試驗基本條件

除柄性能試驗在山東省青島市膠州市的青島柏蘭集團有限公司進行,該公司是一家生產(chǎn)各種以辣椒為主要原料的醬菜、調(diào)味品的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)。

試驗用辣椒品種為大板椒和印度S17,試驗前噴水濕潤,辣椒含水率約為18%～20%,以降低除柄過程中的破碎率。

3.2 試驗結(jié)果

辣椒除柄試驗結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：各項性能指標(biāo)均達到了標(biāo)準(zhǔn)[23],滿足了用戶的使用要求,且試驗過程中基本無粉塵和氣味污染現(xiàn)象,工作環(huán)境得到了根本改善。

表1 辣椒除柄試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of pepper removing handle

4 結(jié)論

1) 對滾筒式辣椒除柄機進行了改進設(shè)計,設(shè)計的滾筒與滾筒驅(qū)動裝置直接連接,使得傳動路線更加緊湊,提高了傳動的穩(wěn)定性和可靠性;剪切機構(gòu)改為主動式,并增設(shè)了調(diào)整裝置,轉(zhuǎn)動調(diào)整桿可改變調(diào)整臂與調(diào)整座之間的相對位置,從而達到精確調(diào)整剪切機構(gòu)與滾筒之間的相對位置之目的,提高了除凈率;刀片與滾筒壁外表面并非直接接觸,徹底解決了刀片與筒壁之間的磨損問題,延長刀片的使用壽命;增設(shè)了攪動桿呈螺旋線狀的攪動機構(gòu),加大了辣椒在滾筒內(nèi)的翻滾程度,提高了除柄效率;增設(shè)了兩臺除塵裝置,可及時將設(shè)備運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的粉塵和氣味排出,并加以收集處理,既減輕對環(huán)境的污染,又避免設(shè)備因粉塵入侵而導(dǎo)致的損壞和老化,延長了使用壽命;增設(shè)了監(jiān)控裝置,以便實時監(jiān)控設(shè)備內(nèi)部的運轉(zhuǎn)狀況。

2) 試驗結(jié)果表明：改進后的辣椒除柄機各項性能指標(biāo)均達到了標(biāo)準(zhǔn)滿足了用戶使用要求,試驗過程中無粉塵和氣味污染現(xiàn)象,從根本上解決了對工作場所和環(huán)境的污染問題。