鮮葡萄脫粒機的設計與試驗研究

郭 輝,郭偉宏,陳恒峰,高振江

(1.新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052;2.中國農業大學 工學院,北京 100083)

0 引言

葡萄是一種在全世界廣泛種植的水果,而新疆是我國最大的葡萄產區,其晝夜氣溫溫差大,有利于提高葡萄的品質和產量[1-2]。葡萄在新疆的天山以南和天山以北均有種植,分布面積十分廣泛。據數據統計,2016年新疆的葡萄種植面積已達14.9萬hm2,年產量達267.6萬t[3]。葡萄成熟后味道甘甜鮮美,但其保鮮期較短,不耐儲運,尤其易出現脫?，F象,如不能及時地進行處理加工,很容易發生腐爛變質等,造成大量的損失,不僅影響果農的經濟效益,也難以延長葡萄的供應期[4]。葡萄的消費主要有釀酒、鮮食、制飲品和制干,而新疆是全國主要的葡萄制干基地之一,制干已成為新疆葡萄生產的重點,其年產量在10萬t以上,占國內葡萄干總產量的90%以上[5-6]。

傳統的制干模式有晾房陰干和太陽直接曬干兩種方式,直接曬干對場地要求簡單、制干時間快,但對于葡萄的品種有一定限制,且曬干過程中由于風沙較大,衛生情況較差,對制干品質有一定影響。采用晾房陰干的方式,即先用促干劑處理后,再將其掛在四壁通風的晾房內陰干[7],葡萄干雖口感好、顏色碧綠,但晾干時間較長、效率低且操作復雜[8]。

葡萄制干對其品種有一定要求,新疆葡萄制干品種主要以無核白和無核白雞心兩個品種為主。無核白其味道淡香,口感適中,是制綠葡萄干的優良品種[6]。

隨著新技術的應用與發展,葡萄制干技術和制干設備逐漸多樣化和工業化。制干技術主要有曬干、晾干、鼓風干燥、真空冷凍干燥及微波干燥等[9];制干設備主要有全自動太陽能熱泵組合干燥設備、太陽能集熱廂式干燥房、混聯式太陽能果蔬干燥設備及氣體射流沖擊干燥試驗設備等[10]。在制干作業處理加工的過程中,需要對鮮葡萄進行脫粒。目前國內李超[11]等人采用柔性梳脫式機構對釀酒葡萄進行了脫粒,而鮮食和制干葡萄脫粒作業主要還是依靠人工,勞動強度大,用工成本高,效率低下,延誤葡萄品質的最佳時期。國外對鮮葡萄脫粒雖有一定研究,但可投入使用的產品少,且大多適用于對破損要求不是很嚴格的釀酒葡萄脫粒上。日本對于葡萄脫粒工藝環節是采用液氮進行速凍,需保證葡萄粒被凍硬但莖稈不被凍硬,再用機械將葡萄粒與莖稈分離,隨后將葡萄粒解凍。這種方式對冷凍和解凍技術要求極高,操作復雜,投入成本高,不適用于新疆目前的實際情況[12]。因此,有必要研發一種鮮葡萄脫粒機,以滿足新疆實際的生產需要,促進地區葡萄產業的進一步發展。

1 原理與結構

1.1 脫粒原理

葡萄脫粒主要有兩種形式:一種是果柄與莖稈處斷裂;另一種是果柄從葡萄粒果肉纖維中被拉出[11]。通過試驗發現:對于無核白品種的葡萄,葡萄粒與果柄之間連接作用點A(見圖1),其所能承受的扭轉力要小于所能承受的拉力。

A.葡萄粒與果柄的連接點 B.果柄與莖桿連接點圖1 葡萄生長結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of grape growth structure

不同品種的葡萄中,無核白葡萄的抗扭和抗拉能力最弱[12]。在采用梳刷的方法脫粒時,會有較多的果粒從B點斷裂,從而造成葡萄粒帶柄率較高,在輸送、清洗的過程中會造成一部分果粒被果柄扎破,對后期作業造成一定影響。因此,在脫粒裝置設計時,采用扭轉、揉搓的方式進行脫粒,即葡萄串與脫粒帶發生摩擦旋轉,使葡萄果柄與果粒間形成離層區,進而使果粒從莖稈上脫落[13]。

1.2 總體結構

鮮葡萄脫粒機由懸掛輸送帶張緊輪、懸掛輸送帶電動機、莖稈滑槽、懸掛帶導軌、吊夾、電箱、水平輸送帶電動機、脫粒帶張緊輥子、脫粒帶電動機、機架、脫粒帶、懸掛輸送帶、水平輸送帶、水平輸送帶導板、水平輸送帶張緊輥子及其它輔助零件組成,如圖2所示。

1.懸掛輸送帶張緊輪 2.懸掛輸送帶電動機 3.莖桿滑槽 4.懸掛帶導軌 5.吊夾 6.電箱 7.水平輸送帶電動機 8.脫粒帶張緊輥子 9.脫粒帶電動機 10.機架 11.脫粒帶 12.懸掛輸送帶 13.水平輸送帶 14.水平輸送帶導板 15.水平輸送帶張緊輥子圖2 鮮葡萄脫粒機Fig.2 Fresh of grape threshing machine

本文研究的鮮葡萄脫粒機工作流程如圖3所示。

圖3 鮮葡萄脫粒機工作流程圖Fig.3 Working flow chart of fresh grape threshing machine

工作過程中,通過3臺不同型號的電動機驅動相應工作部件:功率為0.37kW、型號為Y2-7124的三相異步電動機驅動懸掛輸送帶運動;功率為2.2kW、型號為YTC型的電磁調速電動機驅動脫粒帶運動;功率為0.75kW、型號為Y2-71M4-4的三相異步電動機驅動水平輸送帶運動,可通過調節電磁調速電動機的轉速進而調節水平輸送帶的運行速度。工作時,人工先將葡萄串夾在懸掛輸送帶吊夾上,兩排縱向脫粒帶進行相向運動,葡萄串被輸送到兩排縱向脫粒帶中發生旋轉摩擦,以搓擦的原理脫粒;被脫下的葡萄顆粒落在脫粒帶下方水平輸送帶上,水平輸送帶將葡萄顆粒輸送至收集箱中;剩余莖稈隨懸掛輸送帶回送至工作區域,在人工完成下輪夾取葡萄串的同時,脫粒后的剩余葡萄莖稈從夾子上脫離,自由下落至下方莖稈滑槽,進而掉入莖稈收集箱內。機具電箱配有一鍵急停按鈕,防止在工作過程中意外事故發生。

2 關鍵部件的設計

2.1 葡萄串脫粒裝置

葡萄串脫粒裝置工作示意圖如圖4所示。裝置由兩條相向轉動的脫粒帶構成,使用兩對輥子進行帶動。脫粒帶采用帆布制成,有一定柔性,起到緩沖作用,在一定程度上減小對葡萄顆粒的傷害,進而降低了破損率。

圖4 脫粒帶工作示意圖Fig.4 Operation schematic diagram of threshing belt

葡萄串從兩條脫粒帶的間隙通過,脫粒帶入口與出口間并行間距呈逐漸減小的趨勢。為保證試驗要求,前期對葡萄串進行測量,原則是脫粒帶入口間距應大于整個葡萄串的直徑,脫粒帶出口間距應滿足不擠破葡萄顆粒。取脫粒帶出口并行間距為35mm≤d≤45mm,脫粒帶表面有網格狀花紋凸起,凸起高度0.2mm,以增加對葡萄粒的摩擦,確保葡萄粒相對莖桿能夠產生足夠的扭轉力,克服果柄與葡萄粒之間連接力,達到葡萄粒脫離果柄的效果。

2.2 葡萄串吊夾

為保證葡萄串四周能夠均勻受力,設計了一種吊夾,其工作示意圖如圖4所示。

吊夾采用軸承座固定在懸掛輸送帶上,吊夾在夾持住葡萄串后,能夠繞中心軸自由回轉,如圖5所示。在脫粒過程中,葡萄顆粒受到脫粒帶摩擦后產生回轉運動:一方面使得葡萄串均勻受力,達到較好的脫粒效果;另一方面固定在懸掛輸送帶上,能夠圓周旋轉。葡萄串夾在吊夾上隨懸掛輸送帶的運動與脫粒帶發生搓擦、旋轉,產生力F1與F2;在F1與F2的共同作用下,葡萄粒與果柄分離,達到葡萄脫粒的效果。

圖5 吊夾工作示意圖Fig.5 Operation schematic diagram of suspension clamp

2.3 機具主要技術參數

外形尺寸/mm:6 900×750×1 760

懸掛輸送帶電動機功率/kW:0.37

脫粒帶電動機功率/kW:2.2

水平輸送帶電動機功率/kW:0.75

脫粒工作行程/mm:3 280

3 試驗研究

3.1 材料與方法

鮮葡萄脫粒要求是高效地將葡萄粒從莖稈上脫離,且浪費較少、損傷較小。本試驗在新疆農業大學農業工程裝備創新設計重點實驗室中進行。選用新疆烏魯木齊市沙依巴克區北園春水果市場的無核白葡萄進行試驗,采摘時間在12h內,產地為新疆吐魯番,果柄較細、蒂較小、機械性能弱,葡萄含水量較高[8]。試驗過程中,機具使用380V交流電提供動力,電流和電壓穩定,如圖6所示。

圖6 脫粒試驗Fig.6 Threshing test

試驗采用L9(34)正交試驗,試驗次數N=9,以葡萄脫粒機的未脫凈率T1和破損率T2為試驗指標,以脫粒帶出口并行間距、脫粒帶速度和懸掛帶速度為3個因素,每個因素選取3個水平。因素水平表如表1所示[14]。

表1 試驗因素水平表Table 1 Table of experimental factors and level

3.2 性能指標

參照《農業機械設計手冊》可知,未脫凈率和破損率是葡萄脫粒機的重要性能指標。因此,將未脫凈率和破損率作為葡萄脫粒機的性能指標。未脫凈率的計算公式為

(1)

式中T1—葡萄顆粒未脫凈率;

n—未被脫下顆粒的質量;

N—全部顆粒的質量。

破損率的計算公式為

(2)

式中T2—葡萄顆粒破損率;

m—損傷顆粒的質量;

M—脫下顆粒的質量。

3.3 試驗結果與分析

試驗及結果分析如表2所示。

由表2可知:檢驗指標未脫凈率T1和破碎率T2設置指標權重系數為0.6:0.4,得出綜合影響指標P,通過計算分析確定較優組合為A1B2C1,即脫粒帶出口并行間距為35mm、脫粒帶速度為160m/min、懸掛帶速度為8.5m/min時,無核白葡萄的脫凈率達到96%以上,破碎率小于0.2%。

由于市場對木納格和玻璃翠等品種的葡萄有少量需求,在試驗較優組合條件下對品種為木納格和玻璃翠品種的鮮葡萄進行脫粒試驗,結果表明:木納格葡萄的脫凈率達到95%以上,破損率小于2%;玻璃翠葡萄的脫凈率達到95%,破損率小于1%。

4 結論

1)研發了一種鮮葡萄脫粒機,采用電動機驅動工作部件,通過吊夾夾住葡萄串在懸掛輸送帶的驅動下與脫粒帶進行搓擦,進而帶動葡萄串旋轉,克服果柄與葡萄顆粒之間連接力,實現鮮葡萄粒從莖稈上脫落,大大提高了工作效率。理論分析及樣機試驗可知:影響葡萄脫粒性能的因素包括脫粒帶出口并行間距、脫粒帶速度和懸掛帶速度。

2)試驗表明:脫粒帶速度為160m/min、懸掛帶速度為8.5m/min、脫粒帶出口并行間距為35mm時,機具具有較優的工作性能。