臥式青核桃脫皮機的設計與性能分析

楊忠強，郭 輝，馬月虹，朱占江

（1.新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

我國是世界重要的核桃生產和消費大國，種植面積和產量均居世界首位[1]。新疆是我國核桃第二大生產基地[2]。據新疆2019 年統計年鑒[3]顯示：新疆堅果種植面積達5.043×105hm2，其中核桃種植面積達3.909×105hm2，占總種植面積的77.58%；而堅果總產量達1.036×106t，其中核桃產量達8.368×105t，占總產量的80.79%。核桃產量主要集中在阿克蘇、喀什、和田等地區，占全疆總產量的95.40%。核桃已成為新疆的重要特色林果產品之一，但因核桃采后加工工期集中、規模大、青核桃鮮食能力有限等原因，致使核桃在存放、運輸和銷售過程中腐爛變質，損失率高達12%以上。青核桃脫皮是核桃采后加工的一個必經環節。人工砍剝青皮勞動強度大、易傷手、效率低、衛生條件差，機械法脫皮是替代人工脫皮最有效的手段。

目前，對于青核桃機械法脫皮的研究主要集中在脫皮機具的開發和影響脫皮效果的因素分析。其中，脫皮機具的開發方面，主要采用以下4 種方式。①刀片切割[4-6]：主要是利用上下切割裝置將青皮切破，在柵條式刀片的作用下剝離青皮，上切割裝置和柵條式刀片都能上下伸縮，對大小不一的核桃均有效，同時下方設有分離篩，可以對青皮和核桃進行分離，但脫去的青皮會產生較大的塊狀，造成青皮分離困難。②鋼刷刮削[7-8]：主要是利用鋼刷與蓋板組成脫皮通道，青核桃在重力作用下進入脫皮通道，在鋼刷和蓋板的相互作用下，對青核桃進行鋼刷的刮削、擠壓和揉搓，實現脫青皮。這類機具屬于半自動化作業，工作效率較低。③擠壓剪切[9-10]：主要是利用壓板與輥筒的擠壓，滾動碾壓將核桃青皮去掉。這類機具生產率低，穩定性較低，脫皮行程較短。④撞擊摩擦[11-13]：主要是利用柵條滾筒的轉動帶動筒內的青核桃不斷滾動，青核桃在離心力作用下相互碰撞、摩擦，擠壓去除青皮。這類機具無調節機構，適宜剛摘下來的青皮核桃，且對青核桃的大小無嚴格限制，但是該機具只能間歇式生產，未能實現連續化生產。

目前，國外核桃脫皮主要形式有水平鋼絲刷脫青皮、立式圓盤彈齒刷脫青皮及滾筒鋼絲或彈齒脫青皮機3 種[14]，這些都可以進行連續化作業，并可以配套在生產線上。由于國外核桃品種單一，外殼硬度大，大小均勻，都是適合脫皮加工的品種，核桃脫皮的產業化問題已基本解決。而我國核桃品種繁雜，栽培和選育追求出仁率較高且殼薄的品種，而實際生產加工中，薄殼品種裂果較多，同時各品種外形差異較大。因此，國外設備不適用于中國的核桃品種。我國對核桃脫皮加工工藝方面還缺乏系統地研究，核桃脫皮加工未能實現標準化、精細化生產，大多以單機加工為主，缺乏配套設備，成套性較差，導致核桃脫皮質量較差。現有的核桃脫青皮清洗裝備采用間歇式生產，加工過程需要人工輔助，生產率低，青皮脫凈率低，碎果率高，沒有可連續生產的核桃脫青皮清洗加工生產線，不能應用于核桃產業化批量加工。這些問題嚴重制約了我國核桃加工產業的發展。因此，研究設計一種能夠水平從一端進入，另一端排出，采用刀片劃切輸送，板刷擠壓摩擦相結合的脫皮方法及裝備，以期真正實現連續生產，配套在連續生產線上進行批量化加工。

核桃青皮的脫凈率和核桃破損果率是研究脫皮效果的主要評價指標。影響脫凈率和破損果率的因素除了加工工藝、核桃品種、成熟度之外，還受機具的結構及參數影響[15]。針對臥式青核桃脫皮機，如何提高該設備的脫凈率，減小核桃破損果率等方面的研究還處于起步階段。因此，本文設計了一種臥式青核桃脫皮機。根據其整體結構、工作原理、脫皮通道間隙和角度調節裝置的特點和功能，分析青核桃在脫皮通道中的受力情況，研究脫皮通道的間隙和角度之間的相互關系以及對脫皮效果的影響，通過單因素試驗確定脫皮通道間隙、脫皮角度、喂入量、主軸轉速對脫皮效果的影響，再進行正交試驗設計優化加工參數，為臥式青核桃脫皮機的研究提供參考。

1 臥式青核桃脫皮機的設計

1.1 臥式青核桃脫皮機結構

臥式青核桃脫皮機結構如圖1 所示。

圖1 臥式青核桃脫皮機結構Fig.1 Structure of horizontal green walnut peeling machine

青核桃經進料口掉落到鏈板輸送機構表面水平向前運動，在布料裝置作用下平鋪一層前進，進入由鏈板輸送機構和板刷機構形成的脫皮通道，進料口設有后噴水裝置，青核桃在前進過程中受到壓力水的噴洗潤滑，安裝在鏈板輸送機構上的刀片將青皮劃出若干個裂口，然后在脫皮通道的擠壓和剪切作用下將青皮徹底去除，混合物料一起輸送至出料口，在前噴水裝置等作用下進入下一個工序。

通過間隙調節手輪控制板刷與鏈板輸送機構之間的脫皮間隙，以適應不同大小和品種的青核桃脫皮；通過另一組角度調節手輪，同時控制3 組板刷與鏈板輸送機構之間的傾斜角度，從而實現青核桃從大到小的擠壓和剪切過程。核桃青皮不斷脫落變小，同時脫皮通道間隙也不斷變小，以適應青核桃到核桃之間的尺寸變化；青核桃不斷受到板刷的梳刷，在鏈板的驅動下直達出料口，進入下一個分離裝置。

1.2 板刷機構和角度調節裝置

板刷機構是臥式青核桃脫皮機的關鍵部件之一，主要實現對青核桃的擠壓和剪切脫皮，結構如圖2所示。

圖2 板刷機構Fig.2 Mechanism diagram of brush

板刷機構與鏈板輸送機構組成脫皮通道。脫皮通道間隙的設計主要是適應不同品種、外形和大小的青核桃進行脫皮作業。因此，設計了一種聯動間隙調節機構（圖3）。該設計一方面可實現板刷的升降，調節脫皮通道的間隙，另一方面可實現不同板刷組同步升降，確保每組板刷與鏈板輸送機構的脫皮通道間隙一致。手動驅動兩側任意一個間隙調節手輪，帶動兩側調節間隙升降機轉動，驅動兩側間隙升降機拉桿前進或后退，推動兩側調節板沿軌道前進或后退。調節板上設有斜向長條軸孔，板刷安裝架上設有豎直長條軸孔，調節軸沿傾斜長條軸孔向上滑動，調節軸帶動板刷安裝架組沿豎直長條軸孔上升或下降，從而實現脫皮通道間隙的調節，脫皮通道間隙h 主要通過調節板上調節軸上升的標尺距離確定。

圖3 間隙與角度調節機構Fig.3 Diagram of clearance and angle adjustment mechanism

脫皮通道角度的設計主要是實現青核桃從大到小等擠壓過程，減少核桃的破損果率，青核桃在脫皮過程中，青皮不斷脫落變小，同時脫皮間隙也不斷變小，以適應青核桃到核桃的尺寸變化，最終達到最佳的脫皮效果。因此，設計了一種聯動角度調節機構（圖3），一方面實現板刷與輸送帶角度θ 的調整，另一方面實現3 組板刷角度調節等的一致性。手動驅動兩側任意一個角度調節手輪，帶動調節角度升降機的轉動，拉動角度升降機拉桿，通過調節拉桿同時控制3組板刷安裝架繞調節軸轉動，從而實現3 組板刷角度調節的一致性，脫皮通道角度θ 主要通過板刷安裝架與豎直方向的夾角確定。

1.3 青核桃脫皮的受力分析

由于臥式青核桃脫皮機系統中的板刷機構和鏈板輸送機構均與青核桃直接接觸，因此作為臥式青核桃脫皮機的關鍵部件，工作中青核桃在鏈板輸送機構上前進，進入板刷與鏈板輸送機構形成的脫皮通道中，對任意一個青核桃均受到F1（板刷對青核桃的動摩擦力）、F2（板刷對青核桃的擠壓力）、F3（刀片對青核桃的動摩擦力）、F4（刀片對青核桃的擠壓力）、mg（青核桃自身的重力）作用。青核桃的受力圖如圖4 所示。按水平x 軸和垂直y 軸分解，各作用力之間的關系如下：

圖4 青核桃在脫皮通道中的受力圖Fig.4 Free-body diagram of green walnut in the peeling channel

式中：μ1、μ2分別代表鏈板表面動摩擦系數和板刷表面動摩擦系數，g 為重力加速度。

由式（1）可知，影響脫青皮的性能因素有：鏈板的表面動摩擦系數μ1、板刷表面的動摩擦系數μ2、青核桃的質量m、板刷與鏈板的夾角θ，除此之外，還和板刷與鏈板之間的間隙及鏈板輸送機構的傳送速度有關。

2 臥式青核桃脫皮機的性能研究

2.1 材料與方法

2.1.1 原料

青核桃為新疆主栽品種“新新2”，生長于新疆喀什葉城縣，于2020 年9 月上旬采收。青核桃的短徑尺寸為42.9～49.89 mm，青皮含水率89.2%～94.6%，核桃殼含水率33.7%～37.4%，核桃仁含水率26%～31.2%，成熟度良好，2020 年9 月在新疆農業科學院農業機械化研究所中試車間進行試驗，試驗前將購買的青核桃置于（5±1）℃的保鮮庫內保存。

2.1.2 儀器與設備

臥式青核桃脫皮機，新疆農業科學院農業機械化研究所自制；RV130 減速器，浙江午馬減速機有限公司；YE2-112M-4 電機，上海左力電機有限責任公司；TCS-150 型電子計價臺秤，貴陽宏立衡器制造有限公司。

2.1.3 脫皮通道間隙的選擇

臥式青核桃脫皮機的間隙調節范圍為0～60 mm，試驗用“新新2”青核桃短徑為42.9～49.98 mm，脫青皮后核桃的短徑為29.42～34.5 mm，考慮到板刷有5 mm 的變形量，因此調節間隙的最小值設置為25 mm；調節間隙的最大值為60 mm，“新新2”青核桃三維尺寸中最大值為長徑52.2 mm，在調整的范圍內，當間隙為60 mm 時，可以通過調整板刷角度實現對“新新2”青核桃的脫皮過程。因此，試驗所采用的間隙范圍為25～60 mm。

2.1.4 脫皮通道角度的選擇

臥式青核桃脫皮機的角度調整受到其間隙的影響。試驗用“新新2”青核桃的短徑為42.9～49.98 mm，脫青皮后核桃的短徑為29.42～34.5 mm，因此角度調整范圍應滿足調整后板刷最低點距鏈板的距離范圍，即25～34.5 mm。當脫皮通道的間隙達60 mm 時，調整脫皮通道角度為17°時，板刷的最低點距鏈板的間隙為0 mm；當調整脫皮通道角度為9°時，板刷的最低點距鏈板輸送機構的間隙為25 mm（試驗中“新新2”核桃不被擠裂的最小值）；當調整脫皮通道角度為6°時，板刷的最低點距鏈板的間隙為34.5 mm。當脫皮通道的間隙達25 mm 時，調整脫皮通道角度為7°時，板刷的最低點距鏈板的間隙為0 mm；當調整脫皮通道角度為0°時，板刷的最低點距鏈板的間隙為25 mm。因此，為滿足試驗“新新2”核桃的脫皮間隙為25～34.5 mm，采用表1 所示間隙對應調整的角度范圍進行試驗。

表1 脫皮通道間隙對應調整角度的范圍Table 1 Adjustment angular range of peeling channel clearance

2.1.5 單因素試驗設計

臥式青核桃脫皮機RV130 減速器的速比為30，電機為三相異步4 kW 電機，通過變頻器控制主軸的轉速，使其在15～45 r/min 范圍內變化，通過喂入量控制脫皮機的生產率，由于采用輸送帶均勻喂入，該機具的生產率為3 t/h。

①喂入量調整為機具正常工作時的3 000 kg/h，主軸轉速為35 r/min，研究脫皮通道間隙在25～60 mm變化過程中，相應角度變化對青皮脫凈率與核桃破損果率的影響。②固定脫皮通道間隙35 mm，脫皮通道角度2°，主軸轉速35 r/min，喂入量分別為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 kg/h，即按照100 kg 青核桃12、6、4、3、2.4、2、1.7 min 均勻喂完，研究喂入量對青皮脫凈率和核桃破損果率的影響。③喂入量調整為機具正常工作時的3 000 kg/h，脫皮通道間隙35 mm，脫皮通道角度2°，當主軸轉速分別為15、20、25、30、35、40、45 r/min 時，研究其對青皮脫凈率與核桃破損果率的影響。

2.1.6 正交試驗設計

臥式青核桃脫皮機的可控參數主要有喂入量、主軸轉速、脫皮通道間隙、脫皮通道角度等，但是角度調整要滿足最低脫皮通道間隙的要求。因此，選擇喂入量、主軸轉速和脫皮通道間隙進行正交試驗。根據單因素試驗結果，在脫皮通道角度2°條件下，選擇喂入量、主軸轉速、脫皮通道間隙為主要影響因素，選擇青皮脫凈率和破損果率為評價指標，進行L9(34)正交試驗設計。試驗因素與水平見表2。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Factors and levels table of orthogonal experiment

2.1.7 脫凈率和破損果率計算

青皮脫凈率[16]的計算方法如下：

式中：T 為脫凈率，%；m1為測試中完全脫皮的核桃質量，kg；m2為測試中未完全脫皮的核桃質量，kg。

式中：P 為破損果率，%；m3為測試中破損果質量，kg；m 為測試中出料口樣品總質量，kg。

2.1.8 數據處理

所有的試驗均重復3 次，利用Excel 進行計算和作圖，SPSS Statistic 19.0 對試驗結果進行方差分析。

3 結果與分析

3.1 脫皮通道間隙對青皮脫凈率的影響

由圖5 可以看出，脫皮通道間隙調節決定角度調節，間隙調整完成后，才可以再去調整角度。間隙越大，相應角度調整的范圍越大；間隙越小，能調節的角度范圍越小。當脫皮通道間隙調整至25 mm 時，角度只能調節到0°；當θ＞0°時，板刷最低點與鏈板的距離＜25 mm，勢必將脫皮通道中的核桃擠破。當脫皮通道間隙調整到60 mm 時，角度只有在6～9°之間才能實現正常脫皮作業；θ＜6°時，板刷最低點與鏈板的距離＞37.5 mm，已經超過了核桃的棱徑最大值，不能將青核桃完全脫皮；θ＞9°時，板刷最低點與鏈板的距離＜25 mm，將脫皮通道中的核桃擠破。脫皮通道間隙在40 mm 以下時，其相應脫凈率≥87.65%。綜合考慮，臥式青核桃脫皮機的脫皮通道間隙調整范圍為30～40 mm 較為理想。

圖5 脫皮通道間隙對青皮脫凈率的影響Fig.5 Effects of peeling channel clearance on peeling rates of green husk

3.2 脫皮通道角度對核桃破損果率的影響

由圖6 可以看出，為滿足脫皮間隙25～34.5 mm，脫皮通道角度（θ）在2～4°范圍內，核桃破損果率處于較低的水平，臥式青核桃脫皮機的最佳角度調整范圍為2～4°。綜合考慮脫凈率和破損果率，間隙范圍30～40 mm，不同間隙范圍內角度重合。因此，選則脫皮通道角度為2°較適宜。

圖6 脫皮通道角度對核桃破損果率的影響Fig.6 Effects of different peeling channel angles on the damaged rates of walnuts

3.3 喂入量對青核桃脫凈率和破損果率的影響

由圖7 可以看出，隨著喂入量的增加，青皮脫凈率隨之減少，而核桃破損果率也隨之減小。臥式青核桃脫皮機脫皮過程中主要依靠板刷與鏈板形成由大到小的脫皮通道進行擠壓和剪切作用，進而實現脫皮。安裝在鏈板上的刀片可以在擠壓過程中將青皮切割，迫使青皮破裂受損，更易于降低脫皮所需擠壓力[6]，減少硬碰撞造成的破損。當喂入量較小時，單個青核桃所承受的擠壓變形較大，青皮破損的概率也增大，青皮脫凈率較高，核桃破損果率也較高；隨著喂入量的增加，通道中單位面積內青核桃的數量不斷增加，單個青核桃所承受的擠壓力減少，青皮破裂的概率也隨之減小，青皮脫凈率降低，核桃破損果率也隨之下降。因此，綜合考慮，喂入量在1 000～3 000 kg/h 時較為理想。

圖7 喂入量對青核桃脫凈率和破損果率的影響Fig.7 Effects of feeding amounts on peeling rates and damaged rates of green walnuts

3.4 主軸轉速對青核桃脫凈率和破損果率的影響

由圖8 所示，隨著主軸轉速的增加，青皮脫凈率和核桃破損果率整體均呈升高趨勢，但略有差異。主軸轉速增加，鏈板前進的速度也增加，青核桃進入脫皮通道的速度和動能將變大，撞擊板刷的擠壓力也變大，進而增加了青皮及核桃的破裂。因此，青皮脫凈率和核桃破損果率都隨之上升。提高機具青皮脫凈率和效率，降低核桃破損果率是設計機具中最重要的目標，但在實際生產中，脫凈率和破損果率是相互矛盾，相互影響的。因此，在生產者能夠接受的核桃破損果率范圍內，盡可能地提高機具的脫凈率和效率。對于臥式青核桃脫皮機，本試驗確定主軸轉速在25～35 r/min較為理想。

圖8 主軸轉速對青核桃脫凈率和破損果率的影響Fig.8 Effects of spindle speeds on peeling rates and damaged rates of green walnuts

3.5 正交試驗結果

由表3 可知：以青皮脫凈率最高為評價標準的最優方案為A1B3C1，即喂入量1 000 kg/h，主軸轉速35 r/min，脫皮間隙30 mm，影響青皮脫凈率的因素主次順序為C＞B＞A；以破損果率最低為評價指標得到最優方案為A2B1C3，即喂入量2 000 kg/h，主軸轉速25 r/min，脫皮間隙40 mm，與正交試驗中的最優組一致，其破損果率為3.88%，影響核桃破損果率的因素主次順序為C＞B＞A。

表3 正交試驗結果Table 3 Results of orthogonal experiment

由表4 可知，脫皮通道間隙（C）對青皮脫凈率有顯著影響（P＜0.05），而喂入量（A）和主軸轉速（B）對青皮脫凈率的影響不顯著。由表5 可知，主軸轉速（B）和脫皮通道間隙（C）對核桃破損果率有顯著影響（P＜0.05），而喂入量（A）對核桃破損果率的影響不顯著。

對于臥式青核桃脫皮機，其青皮脫凈率和核桃破損果率的優選方案，在A1B3C1條件下，雖然青皮脫凈率最高，達到了94.83%，但核桃破損果率為7.15%，明顯偏高；在A2B1C3條件下，雖然核桃破損果率最低，達到了3.88%，但青皮脫凈率為74.98%，明顯偏低。因此，綜合考慮使用情況，結合表4 和表5，在控制核桃破損果率的同時，盡可能提高青皮脫凈率，還要考慮連續化批量加工和生產率問題。最終選擇優化方案為A2B2C2，即喂入量2 000 kg/h，主軸轉速30 r/min，脫皮通道間隙35 mm，脫皮角度2°。

表4 脫凈率方差分析結果Table 4 Results of variance analysis for peeling rate

表5 破損果率方差分析結果Table 5 Results of variance analysis for walnut damaged fruit rate

3.6 驗證試驗

對于優化方案A2B2C2進行3 次重復試驗，該參數下臥式青核桃脫皮機的青皮脫凈率為92.42%（行業標準≥88%），核桃破損果率為5.48%（行業標準≤6%）。按照該優化方案對新疆主栽的其他品種（“溫185”和“扎343”）青核桃進行了脫皮試驗，結果表明：“溫185”核桃的青皮脫凈率為90.28%，破損果率為5.97%；“扎343”核桃的青皮脫凈率為91.67%，破損果率為4.79%，兩種品種的青核桃均可以獲得較好的脫皮效果。

4 討論與結論

為了適應不同品種、外形和大小的青核桃進行脫皮作業，本文在設計臥式青核桃脫皮機時設計了脫皮間隙調節機構；為了減少核桃的破損果率，設計了青核桃從大到小擠壓過程的角度調節機構，以實現連續式生產。影響脫皮效果的主要因素有脫皮通道間隙、脫皮通道角度、主軸轉速和喂入量等。上述試驗結果表明：脫皮通道間隙是青皮脫凈率的最主要影響因素，而喂入量和主軸轉速的影響較小；脫皮通道間隙和主軸轉速對核桃破損果率的影響較大，而喂入量對核桃破損果率的影響較小。當喂入量為2 000 kg·h-1，主軸轉速為30 r·min-1，脫皮通道間隙35 mm，脫皮角度為2°時，青皮脫凈率為92.42%，核桃破損果率為5.48%。楊忠強等[13]設計了一款離心篩網式青核桃脫皮機，通過試驗發現：篩網轉速對青皮脫凈率和核桃破損率的影響最大，生產率和作業時間的影響次之；當篩網轉速為35 r/min，生產率為900 kg/h，作業時間為4 min 時，“扎343”和“新新2”青核桃的脫凈率均較高，而破損果率均較低，脫皮效果較好，但該設備設有無間隙調節機構，只能間歇式生產，未能實現連續化生產。石章成[17]設計了一款小型高效核桃脫青皮機，研究了彈簧預緊力、主軸轉速、彈簧系數對脫皮效果的影響，發現在彈簧預緊力50 N，脫皮輥轉速100 r/min，彈性系數100 N/mm 時既保證了較高的核桃脫凈率，也保證了較低的核桃破碎率，該設計可實現連續式生產，但生產率較低。脫皮結構不同，影響脫皮效果的主要因素不同。鄭甲紅等[18]進行了擠壓青核桃試驗，從受力角度分析出青核桃外形大小不是脫皮過程中的決定因素，因此設計機具時，不需要進行大小分類。但是我國核桃品種繁雜，栽培和選育追求出仁率較高且殼薄的品種，然而實際生產加工中，薄殼品種的核桃裂果較多，而且各品種核桃的外形差異較大。對于臥式青核桃脫皮機，若不分級處理，會造成尺寸較小的青核桃漏剝，較大的青核桃破損。因此，根據不同的脫皮結構制定相應的加工工藝，通過分級處理獲得更好的脫皮效果。加工前的分級、熟化等預處理措施是提高脫皮效果的重要措施。通過臥式青核桃脫皮機的設計試驗，實現了青核桃連續批量化加工，為核桃采后初加工產業化提供了依據。