錐盤式大蒜破瓣裝置的試驗研究

李 寧,孫 倩,許鵬飛,宋井玲,夏連明,金誠謙

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255000)

0 引言

我國種植大蒜的歷史悠久,至今約有2000多年的歷史[1-3]。2016年,我國大蒜種植面積已超過40.7萬hm2,占世界大蒜種植面積的2/3[4],年總量達440萬t。我國也是重要的大蒜出口國,大蒜出口國際市場占有率接近80%[5-6]。大蒜種植和大蒜的深加工都需要先將大蒜蒜頭破成蒜瓣,隨著大蒜種植業和蒜種深加工產業的發展,大蒜蒜瓣的需求量不斷增加。人工大蒜破瓣勞動強度大、效率低,已經無法滿足種植大戶和深加工企業的需求。目前,我國已經研制了一些大蒜破瓣機械,但因缺乏深入系統的研究,致使大蒜破瓣機械關鍵參數不夠優化、使用不規范,不能充分發揮其性能,破瓣率低,破損率高,因此對破瓣機械的優化研究勢在必行。本文參考物料碾搓法破殼原理,設計了錐盤式大蒜破瓣裝置,并對錐盤式破瓣技術進行試驗研究,著重分析了錐盤與平盤之間的間隙、平盤轉速、大蒜喂入量等因素對破瓣裝置性能的影響規律,以期為大蒜破瓣機械的設計及優化改進提供參考依據。

1 錐盤式大蒜破瓣裝置的結構與工作原理

碾搓法脫殼原理一般用于需要脫殼的核桃、花生、稻谷等農副產品物料的脫殼機械,籽粒在固定磨片和運動著的磨片間受到強烈的碾搓作用,使籽料的外殼被撕裂而實現脫殼,其典型的機械結構為由1個固定圓盤和1個轉動圓盤組成的圓盤剝殼裝置[7-9]。本文將碾搓法脫殼原理用于大蒜機械化破瓣,對大蒜蒜頭進行碾壓和摩擦,從而將蒜頭破開成蒜瓣。錐盤式大蒜破瓣裝置主要由電機、進料口、間隙調節螺栓、錐度盤及平盤等部分組成,如圖1所示。

1.傳動機構 2.間隙調節螺栓 3.電機 4.進料口

該裝置主要是利用碾搓法模擬人工手動對大蒜進行碾搓破瓣。工作時,破瓣裝置啟動后,將大蒜由進料口喂入,大蒜落入平盤上,電機帶動平盤轉動,平盤上的大蒜在離心力的作用下向四周運動,并與錐度盤接觸開始破瓣;破瓣后的蒜種從錐度盤與平盤間隙徑向流出,在下落過程中,雜物在風機的作用下分離,由雜物出料口排出。為了降低大蒜破瓣過程中的損傷,錐度盤和平盤采用硅膠材料,電機采用變頻調速電機調節平盤的轉速;將錐度盤固定在進料口的下方,通過間隙調節螺栓和壓縮彈簧調節錐度盤與平盤的間隙。

2 大蒜破瓣過程的受力分析

大蒜經進料口喂入落在旋轉的平盤上,在離心力和蒜頭與平盤之間的摩擦力的作用下邊轉動邊向四周運動,直到與錐度盤接觸;大蒜開始受到錐度盤和平盤的摩擦和擠壓,且摩擦力和擠壓力越來越大,使大蒜破瓣。

2.1 徑向剖面的受力分析

1)大蒜向四周運動,未與錐度盤進行接觸時的受力分析。大蒜落在平盤上,向四周進行運動,不考慮蒜頭之間的相互作用,大蒜主要受自身的重力G、平盤給大蒜的支持力N、摩擦力f1、離心力F等4個力的作用,如圖2所示。蒜頭向周邊運動的條件為

則

(1)

式中n—平盤轉速;

r—大蒜到平盤中心的距離;

m—大蒜的質量;

μ1—大蒜與平盤的摩擦因數。

1.大蒜 2.平盤 3.錐度盤

由式(1)可知:要使大蒜向周邊運動進行破瓣,平盤應具有一定的轉速,轉速n越大,大蒜越容易向四周運動。n一定時,r越大(即大蒜落到平盤上的位置距離平盤中心越大)時,大蒜越容易向四周運動;當r=0(即蒜頭落在平盤中心)時,式(1)不成立,則蒜頭無法向周邊運動進行破瓣。因此,進料口結構設計應避免喂料時蒜頭落在平盤中心附近,并盡量均勻分散到平盤周邊。

2)與錐度盤進行接觸破瓣時的受力分析。大蒜不斷向四周運動,逐漸接觸錐度盤,在旋轉的平盤和錐度盤的共同作用下破瓣。此時,大蒜受力包括重力G、離心力F、平盤的支持力N1、平盤和大蒜的摩擦力f1、錐度盤對大蒜壓力N2、錐度盤和大蒜的摩擦力f2,如圖3所示。

1.平盤 2.大蒜 3.錐度盤

在水平方向的分力為

F=f1+N2sinθ+f2cosθ

(2)

在垂直方向的分力為

N1=N2cosθ-f2sinθ+G

(3)

大蒜的重力G=mg相對于大蒜的破瓣力較小,可忽略不計,則由式(2)和式(3)可得

N1=N2(cosθ-μsinθ)

(4)

(5)

式中θ—錐度盤和平盤之間的夾角;

μ—大蒜與錐度盤的摩擦因數(μ=μ1);

m—大蒜質量;

r—大蒜到平盤中心的距離;

n—平盤轉速。

大蒜主要受到擠壓力N1和N2破瓣。由式(4)、式(5)可知:當錐度盤和平盤之間的夾角θ一定時,平盤的轉速越大,大蒜受到的破瓣力越大;大蒜到平盤中心的距離r越大,大蒜受到的破瓣力越大。

2.2 沿圓周切線方向的受力分析

大蒜與錐度盤接觸擠壓破瓣時,在沿平盤圓周切線方向主要受到平盤和錐度盤的摩擦力f1′、f2′作用,如圖4所示。其中,f1′、f2′形成力偶使蒜頭自身旋轉,和N1、N2、f1、f2共同對蒜頭進行碾搓,使其破成蒜瓣。

3 錐盤式大蒜破瓣裝置性能試驗

3.1 試驗材料

試驗選用蒼山四六瓣大蒜,是山東蒼山的重要種植品種,種植面積占當地大蒜種植面積1/2以上。蒼山四六瓣大蒜直徑范圍主要在40～60mm,超過95%以上,因此選擇直徑在40～60mm的大蒜進行試驗,含水率在42%左右。

1.平盤 2.大蒜

3.2 試驗指標

蒜頭破成蒜瓣不管是用作蒜種還是對蒜瓣進行深加工,都需要較高的破瓣率和較低的破損率,因此以破瓣率和破損率為指標進行該裝置的性能試驗分析。由于目前關于大蒜機械化破瓣方面缺乏相應的標準,在此借鑒JBT 5688.1-1991 花生剝殼機技術條件,根據剝殼機的剝凈率和破傷率來對大蒜的破瓣率和破損率進行定義。

設大蒜的破瓣率為y、破損率為y1,y和y1的計算公式為

y=G1/G0

y1=G2/G0

式中G1—破瓣后所有單瓣蒜的質量之和(kg);

G2—破瓣后破損蒜瓣和破碎蒜瓣質量之和(kg);

G0—破瓣后所有蒜瓣(即單瓣蒜和多瓣蒜)的質量之和(kg)。

3.3 試驗設計

通過上述對大蒜破瓣過程的受力分析可知:平盤轉速越大,大蒜所受破瓣力越大。因此,平盤轉速是影響大蒜的破瓣率和破損率的主要因素。破瓣后的蒜瓣需通過錐度盤與平盤的間隙δ(見圖3、圖4)排出,還要考慮破瓣過程蒜頭之間的相互作用;錐度盤與平盤的間隙δ和喂入量也是影響錐盤式破瓣裝置的破瓣率和破損率的主要因素。試驗采用通用旋轉組合試驗,試驗因素為平盤的轉速x1、喂入量x2、錐度盤與平盤的間隙x3,水平編碼如表1所示。試驗安排與試驗結果如表2所示。

3.4 試驗結果分析

破瓣率和破損率進行離差平方和與均方,得出破瓣率表和破損率的方差分析表,如表3所示。

表1 因素水平編碼

表2 試驗安排及試驗結果

P<0.01非常顯著,p>0.01且P<0.05顯著。

根據試驗結果,建立大蒜破瓣率和破損率的回歸方程分別為

y=95.31+1.74z1-0.45z2-1.29z3-

0.16z1z2+0.71z1z3-0.037z2z3+

(6)

y1=3.56+0.87z1-0.3z2-0.48z3-0.025z1z2+

(7)

對模型進行方差分析和失擬項檢驗,結果表明:破瓣率和破損率的模型都小于0.000 1,說明回歸方程的關系極顯著;同時,破瓣率和破損率中模型的失擬項p分別為0.089 9和0.260 4,都大于0.05,不顯著。這說明,該方程能擬合真實的試驗結果[10-11]。

由表3可以看出:z1平盤的轉速、z2喂入量、z3錐度盤與平盤的間隙及z1z3平盤轉速和錐度盤與平盤間隙的交互作用,對錐盤式大蒜試驗臺的破瓣率有著非常顯著的作用,其影響因素主次順序為z1>z3>z1z3>z2,即平盤轉速>錐度盤與平盤的間隙>平盤轉速和錐度盤與平盤間隙的交互作用>喂入量。根據方差分析結果對大蒜破瓣率的回歸方程(6)進行優化,可得

y=95.31+1.74z1-0.45z2-1.29z3+

(8)

由表3還可以看出:z1平盤的轉速、z2喂入量、z3錐度盤與平盤的間隙及z1z3平盤轉速和錐度盤與平盤間隙的交互作用,對錐盤式大蒜試驗臺的破損率有著非常顯著的作用,且z2z3喂入量錐度盤與平盤的間隙的交互作用對錐盤式大蒜試驗臺的破損率有著顯著的作用。影響因素的主次順序為z1>z3>z1z3>z2>z2z3,即平盤的轉速>錐度盤與平盤的間隙>平盤轉速和錐度盤與平盤間隙的交互作用>喂入量>喂入量錐度盤與平盤的間隙的交互作用。因此,根據方差分析結果對大蒜破損率的回歸方程(7)進行優化,可得

y1=3.56+0.87z1-0.3z2-0.48z3-0.4z1z3+

對大蒜破瓣裝置要求指標破瓣率y越大越好,破損率y1越小越好。借鑒JBT 5688.1-1991 花生剝殼機技術條件,要求花生剝殼機花生的剝凈率≥95%,花生的破傷率≤4%。平盤轉速在80～100r/min之間、喂入量在108～216g/s之間、錐度盤與平盤的間隙在26～30mm之間時,對回歸方程y和y1求破瓣率≥95%、破損率為≤4%時的最優解,結果如下:平盤轉速為87.38r/min、喂入量為216g/s、錐度盤與平盤的間隙為26.58mm時,破瓣率為95.3%,破損率為3.3%。

由于錐盤式大蒜破瓣裝置是對蒜頭碾壓和摩擦破瓣的,對破瓣后的大蒜狀態進行分析,發現大蒜脫皮現象較多。根據大蒜種植的農藝要求,蒜種蒜皮應完整、無損傷[12],因此利用錐盤式機械破瓣裝置破開的蒜瓣不適合大蒜種植。在蒜種深加工時,往往是要對蒜瓣進行脫皮,因此錐盤式機械破瓣裝置加工成蒜瓣的脫皮現象對要深加工的大蒜影響較小甚至是有益的,因此錐盤式機械破瓣裝置更適合用于蒜瓣的深加工。

4 結論

1)旋轉組合試驗結果分析表明:平盤轉速、喂入量、錐度盤與平盤的間隙、平盤轉速和錐度盤與平盤間隙的交互作用,對錐盤式大蒜試驗臺的破瓣率有著非常顯著的作用,其影響因素主次順序為平盤轉速>錐度盤與平盤的間隙>平盤轉速和錐度盤與平盤間隙的交互作用>喂入量。

2)平盤轉速、喂入量、錐度盤與平盤的間隙、平盤轉速和錐度盤與平盤間隙的交互作用,對錐盤式大蒜試驗臺的破損率有著非常顯著的作用,喂入量錐度盤與平盤的間隙的交互作用對錐盤式大蒜試驗臺的破損率有著顯著的作用。影響因素的主次順序為平盤轉速>錐度盤與平盤的間隙>平盤轉速和錐度盤與平盤間隙的交互作用>喂入量>喂入量錐度盤與平盤的間隙的交互作用。

3)當平盤的轉速為87.38r/min、喂入量為216g/s、錐度盤與平盤的間隙為26.58mm時,大蒜的破瓣率最高為95.3%,破損率為3.3%。

4)錐盤式機械破瓣裝置更適合用于蒜瓣的深加工。