全自動鮮蓮子剝殼去膜機設計及試驗*

朱建錫，費焱，陳斌，鄭濤，陳長卿，馮建成

(浙江省農業機械研究院，浙江金華，321017)

0 引言

蓮子作為我國特色農產品，種植區域主要集中在浙江、福建、江蘇、湖北、湖南、臺灣等省份[1-3]。其中，武義宣蓮、福建建蓮、湖南湘蓮、廣昌白蓮并稱為中國四大名蓮[4]。經過有關部門對全國多個城市的食品、中藥材和保健品三個市場調查研究，發現從2010年至今，市場對蓮子及其副產品(荷葉、蓮芯、蓮須、荷梗、蓮藕等)的需求量每年都在增加，價格每年也都在上漲[5-6]。

將蓮子從蓮蓬中取出后，首先需要對鮮蓮進行剝殼和去膜[7]。我國對蓮子剝殼去膜技術的研究主要集中在高校和大型蓮子加工企業，剝殼去膜技術經過十幾年的發展，由最初的手工，半自動加工方式發展到現在的剝殼去膜一體機，在效率方面有了很大的提高[8-14]。但現有的鮮蓮剝殼去膜機采用純機械式設計[15]，各工作部件均由主電機通過機械傳動機構驅動[16]，傳動復雜，所用零件非標定制，生產成本高，穩定可靠性差，對蓮子的自適應程度低，加工過程中容易對蓮子造成損傷[17-19]，造成蓮仁表面割痕或搓傷，烘干后的白蓮色澤灰暗，刀痕明顯，影響銷售。

針對目前市場上的鮮蓮子剝殼去膜機傳動復雜、各工作部件相互關聯，調節困難等問題，參考現有的鮮蓮子剝殼、去膜機理，將鮮蓮子剝殼去膜機進行模塊化、電氣化改進設計，以期設計一款結構簡單、可靠穩定、售價便宜、參數調節方便的全自動剝殼去膜機供蓮農使用。

1 整機結構

1.1 整機結構及工作原理

設計的全自動剝殼去膜機主要包括循環水箱、機架、主輸送裝置、進料裝置、剝殼裝置、去膜裝置及電氣控制裝置和輔助裝置等部件，如圖1所示。其中，進料裝置安裝在機架面板前方，以實現鮮蓮子的逐顆連續進料；進料裝置下方設有主輸送裝置，完成鮮蓮子在整個工序上的輸送；在進料裝置右側，輸送帶傳送方向上依次安裝有割刀部件(在鮮蓮子短徑方向對蓮殼進行環切)、滾搓去殼部件(在輸送帶和壓板的共同作用下，使切割后的蓮殼能夠在一定距離內掉入)、水沖去膜裝置(對蓮仁進行夾持旋轉，并使用具有一定壓力的水刀對蓮膜進行去除)；在輸送帶末端，水沖去膜裝置下方安裝有滑槽，以實現對蓮仁的收集。變頻調速電機、滑軌、電磁鐵、限位開關等動力、控制部件安裝于機架背面。整機主要技術參數如表1所示。

圖1 鮮蓮子剝殼去膜機整機三維結構

表1 整機主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of the machine

1.2 鮮蓮子物理參數測量統計

浙江地區當屬武義的宣蓮最為出名，本研究以武義柳城種植的鮮蓮子作為測量樣本，進行物理參數的測量和統計，為后續的機械部件設計提供參考，測量統計數據如表2所示。

表2 鮮蓮子物理參數統計表Tab. 2 Statistics of physical parameters of fresh lotus seeds

2 關鍵工作裝置設計

2.1 進料裝置設計

2.1.1 進料裝置結構設計及其工作原理

設計的單顆連續進料裝置如圖2所示，主要由圓弧軌道、槽輪、振動盤、直振送料器、直振送料器底座、料斗以及槽輪驅動電機組成。當鮮蓮子倒入料斗后，在直振送料器的作用下，鮮蓮子會逐漸進入振動盤滑槽中，根據對帶殼鮮蓮子長徑的測量，設計滑槽寬度為25 mm，并且在滑槽上設有帶圓弧開口的壓條以確保鮮蓮子在滑槽中單顆連續排列。滑槽前端封閉，下端設有開口，當槽輪凹槽旋轉至滑槽開口下端時，鮮蓮子在振動推進力的作用下掉入槽輪凹槽中。隨著槽輪的旋轉，在凹槽中的鮮蓮子掉入圓弧軌道，在槽輪推力和鮮蓮子自身重力的作用下，鮮蓮子在圓弧軌道上作自由滾動運動至主輸送帶上。

圖2 進料裝置結構

2.1.2 鮮蓮子在圓弧軌道上運動學分析

鮮蓮子進入剝殼裝置時的姿態是影響蓮殼切割及脫殼效果的關鍵因素之一[20]。通過試驗發現：只有當鮮蓮子進入剝殼裝置時使其長徑處于水平位置并垂直于刀片刃口，即刀刃在鮮蓮子短徑所在的圓周位置進行環切一圈，才能進行有效脫殼，因此在鮮蓮子進入剝殼裝置前必須對其進行導正。

鮮蓮子在圓弧軌道上的受力分析如圖3所示。以槽輪中心為原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸的平面坐標系，建立鮮蓮子在槽輪中所受平面匯交力系平衡方程(鮮蓮子的滾動摩擦力忽略不計)。

圖3 鮮蓮子在圓弧軌道上的受力圖

法向合力

Fn+mgsinα1-Nr-Fr=0

(1)

切向合力

Nt+Ft-mgcosα1=0

(2)

其中：Fr=Nt·μ=mgμcosα1

(3)

Ft=Nr·μ=(Fn+mgsinα1)·μ

(4)

式中：Fn——鮮蓮子所受的離心力，Fn=mω2R，N；

R——鮮蓮子質心公轉半徑，m；

ω——槽輪角速度，rad/s；

Ft——鮮蓮子所受接觸面的切向滑動摩擦力，N；

Fr——鮮蓮子所受接觸面的徑向滑動摩擦力，N；

Nt——鮮蓮子所受接觸面的切向支撐力，N；

Nr——鮮蓮子所受接觸面的徑向支撐力，N；

mg——鮮蓮子所受重力，N；

μ——鮮蓮子滑動摩擦系數。

根據受力分析可知，鮮蓮子在圓弧軌道上的運動狀態取決于Ft和Fr對其中心軸的合力矩，T=(Ft-Fr)·r，其中r為鮮蓮子短徑。當FtFr，合力矩T>0，鮮蓮子在圓弧軌道上滾動。由式(3)、式(4)可知，隨著鮮蓮子的公轉運動α1逐漸增大，因此Ft逐漸增大、Fr逐漸減小，當Ft=Fr時，假設圓弧軌道和槽輪與鮮蓮子接觸面的摩擦系數相等，則有Nt=Nr，與式(1)、式(2)聯立求解可得

(5)

將進料槽輪角速度ω=π/2 rad/s，鮮蓮子質心公轉半徑R=0.053 m，重力加速度g=9.8 m/s2代入式(5)求得α1=44.46°<45°，鮮蓮子在圓弧軌道上轉過的角度大于α1之后即開始公轉與自轉運動，因此圓弧軌道的設計可保證鮮蓮子在進入剝殼裝置前進行一定長度的滾正運動。

2.2 滾動剝殼裝置設計

滾動剝殼裝置主要由割刀部分和滾搓去殼部分組成，如圖4所示。

圖4 滾動剝殼裝置結構圖

割刀部分和滾搓去殼部分均設有張緊機構，以調節壓板與主輸送帶之間的距離和壓緊力。根據對鮮蓮子尺寸的測量統計，初步設定調節壓板與主輸送帶之間的距離為15 mm，調節壓板與主輸送帶之間的距離為12 mm，調節壓板的壓緊力為30 N。采用螺栓頂緊方式對刀片進行固定，刀片深度可調，并在刀片兩邊 2 mm 處增加鋸齒壓條，對進入壓板的鮮蓮子進行卡位，確保刀片對蓮殼進行同一圓周的切割。此外，壓板底面粘有橡膠平條，以防止在滾搓去殼過程中壓板對掉殼后的蓮仁產生壓痕。

2.3 水沖去膜裝置設計

水沖去膜裝置主要由壓料平板、光電接近開關、推拉式電磁鐵、往復凸輪機構、水刀機構、夾持滾輪組成，如圖5所示。其中，壓料平板和電磁鐵上各安裝有一個可自轉的夾持滾輪；電磁鐵的開合放料時間由繼電器控制(決定水沖時間)、并由限位開關觸發。經殼仁分離后的蓮子隨著主輸送帶的搓滾，經過壓料平板時對其頂升并觸發接近開關，此時時間繼電器開始計時，鮮蓮子在2個夾持滾輪和主輸送帶的夾持下進行原位空轉，水刀機構在往復凸輪機構的帶動下對蓮膜進行去除。設計的往復凸輪機構由減速電機單獨驅動，并采用變頻器對電機的轉速(往復頻率)進行調節。采用時間繼電器對推拉式電磁鐵的吸合時間進行控制，實現試驗參數可調。

圖5 水沖去膜裝置結構圖

2.4 整機工作參數匹配計算

為使全自動剝殼去膜機能夠實現連續穩定地作業并具有較高的加工效率以及合格率，需要對槽輪驅動電機轉速、主輸送帶驅動電機轉速進行匹配計算。根據現有剝殼去膜機使用情況，期望該全自動鮮蓮子剝殼去膜機的作業效率約為15 kg/h，由此估算鮮蓮子單顆進料間隔時間應在1.0 s左右，但該剝殼去膜機的作業效率主要取決于水沖去膜裝置的工作性能，為保證較好的去膜效果、較低的破損率，水槍往返頻率、噴嘴壓力都需要控制在一定的范圍內，因此設定去膜時間為1.0 s，即：鮮蓮子單顆進料間隔時間為1.0 s。

2.4.1 進料槽輪驅動電機轉速及鮮蓮子滾動導正距離計算

根據初步選定的鮮蓮子單顆進料間隔時間，可得進料裝置槽輪角速度ω=π/2 rad/s，電機轉速為15 r/min，代入式(5)求得α1=44.46°，通過圖解可得鮮蓮子在圓弧軌道上的滾動距離為91.2 mm，該距離可滿足鮮蓮子滾動導正要求。

2.4.2 主輸送帶驅動電機轉速計算

為提高切割脫殼合格率，應盡可能避免同時有2顆鮮蓮子進入剝殼壓板內。假設鮮蓮子在主輸送帶的帶動下沿壓板作勻速純滾動，鮮蓮子與主輸送帶接觸點線速度相同，壓板長度為165 mm、主動輪半徑為34 mm，則主輸送帶驅動電機轉速應大于46.4 r/min。

3 整機剝殼去膜試驗

3.1 試驗方案

試驗所使用的鮮蓮子均采摘于武義縣柳城鎮源口村，蓮子品種為宣蓮土蓮，蓮子當天采摘后即用于試驗。得到試驗蓮子后隨機取一籃蓮子進行機器調試，主要將振動盤頻率、進料槽輪轉速和輸送皮帶轉速進行匹配，并對噴槍壓力進行調節，根據蓮子的去膜和破損情況確定噴槍壓力合理范圍為0.9～1.1 MPa。整機(圖6)能夠穩定完成剝殼去膜作業后，隨機選取3組500顆蓮子進行試驗，分別統計3組試驗的加工合格率、破損率和加工效率，從而得到剝殼去膜機的加工性能指標。其中，加工合格率：鮮蓮子經機器剝殼去膜后完整的蓮仁占總數的百分比；破損率：鮮蓮子經機器剝殼去膜后受到損傷的蓮仁占總數的百分比；加工速率：記錄每組試驗從第一顆蓮子進入槽輪到最后一顆蓮仁離開輸送皮帶所用的時間，單位為顆/min；加工效率：由加工速率和稱重統計的每千克蓮子顆數計算所得，單位為kg/h。除了完整和破損的蓮仁，試驗中還出現有未脫殼或脫殼不完整、未去膜或去膜不完整的蓮子均視為加工不合格。

圖6 全自動鮮蓮子剝殼去膜機

3.2 試驗結果

分別對3組試驗得到的結果進行統計如表3所示。改進設計的全自動鮮蓮子剝殼去膜機平均加工合格率為91.5%，破損率為2.5%，加工速率約為58顆/min，加工效率約為15.4 kg/h，總體來說，整機具有較好的加工合格率、較低的破損率以及較高的加工效率，可滿足蓮農使用要求。

表3 鮮蓮子剝殼去膜試驗結果Tab. 3 Husking and peeling experiment results of fresh lotus seed

試驗表明：設計的全自動鮮蓮子剝殼去膜機對蓮子的大小具有較好的適應性，但機器對蓮子的成熟度有一定的要求。數據統計時挑選出的未脫殼或脫殼不完整、未去膜或去膜不完整的蓮子均為蓮殼帶褐色或蓮膜帶清晰褐色條紋的蓮子，而破損的蓮子均為成熟度未達到干蓮加工要求的蓮子。由1、2組試驗可知，提高加工速率就必須要提高各個機構的工作轉速和噴槍水壓，進而會導致破損率的增加。在進行第3組試驗時由于機器的操作者對該批次的蓮子成熟度有了一定的掌握，能夠綜合考慮各工作參數，因此提高了加工合格率降低了破損率。

4 結論

1) 研制了一種模塊化、電氣化設計的全自動鮮蓮子剝殼去膜機，根據鮮蓮子剝殼、去膜工序要求將整機分為進料裝置、剝殼裝置、去膜裝置、主輸送裝置四個模塊，通過對鮮蓮子在圓弧軌道上的運動學分析并求解，可知：設計的圓弧軌道與槽輪進料機構能夠達到鮮蓮子的單顆連續進料及滾動導正要求。

2) 通過整機剝殼去膜試驗表明：設計的全自動鮮蓮子剝殼去膜機平均加工合格率為91.5%，破損率為2.5%，加工速率約為58顆/min，加工效率約為15.4 kg/h，總體來說，整機具有較好的加工合格率、較低的破損率以及較高的加工效率，可滿足蓮農使用要求。

3) 通過整機主要工作參數的匹配計算與試驗調試，為后續對各參數之間的相關性及其對試驗結果的影響進行科學、系統的研究，進一步提高加工合格率和效率，減少破損率打下了良好的基礎。