刀削結合滾動摩擦進料竹筍剝皮機設計與試驗

曹成茂 劉 權 葛 俊 車貴族 張 遠 秦 寬

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 210036； 2.安徽省智能農機裝備工程實驗室， 合肥 210036)

0 引言

我國竹筍產量豐富，市場需求量日益增大，成為山區農民脫貧致富的重要途徑。剝皮是竹筍加工的重要環節，傳統的手工剝皮效率低，勞動強度大，嚴重影響筍農收入和生產積極性，制約竹筍產業體系的完善和發展。因此，研究竹筍剝皮機理并設計竹筍剝皮機械具有重要意義。

在甘蔗去皮方面，黃才貴等[1]研制新型食用甘蔗自動去皮裝置，采用旋轉控制機構實現甘蔗的間歇性旋轉，通過去皮執行機構配合，完成甘蔗去皮，可靠性高，有效提高甘蔗去皮效率；在玉米苞葉剝離方面，徐麗明等[2]研制玉米通用剝皮機構，優化剝皮機構的通用性和互換性，采用兩對旋轉的高低偏置的剝離輥快速碾壓住玉米苞葉并抓取，直至苞葉被撕離果穗。以上研究成果單獨采用刀削式或滾動摩擦式，對果質硬度和表皮厚度有很高要求，不能完全適應于竹筍剝皮[3-5]，表現在損傷率高，剝凈率低，遠遠達不到生產要求。竹筍剝皮相關研究成果多以專利形式呈現[6-7]，相關機型普遍存在體積大、適應性較差或存在安全隱患等問題。對甘蔗和玉米力學及機械特性與竹筍加以對比研究[8-11]，發現竹筍筍肉易損傷且筍皮之間粘結緊密，無法以單獨的刀削、摩擦方式去皮。

針對上述問題，本文根據竹筍的物理特性和剝皮要求，設計一款刀削結合滾動摩擦進料竹筍剝皮機，通過建立竹筍-機械動力學模型并進行理論分析，確定剝皮機的結構參數和影響因素，最后制作樣機對其工作性能進行試驗驗證，以期實現對適收期竹筍的機械化剝皮。

1 新鮮竹筍物理特性與力學參數測定

1.1 竹筍主要物理參數

竹筍品種繁多，主要由筍皮和筍肉構成，在整根竹筍中質量所占比例分別為34.55%、65.45%。為確定竹筍剝皮機各部件的結構尺寸，本文選用安徽省寧國市的早竹筍，隨機選取100個完整、筍體飽滿的竹筍樣本，根據竹筍圓錐狀外形，對竹筍樣本進行了長度L、基部直徑D、錐度C(D/L)、筍皮厚度T以及質量m等物理參數測量(圖1)。測量結果為：竹筍長度主要分布在239.60～362.50 mm，平均值為299.74 mm；基部直徑主要分布在19.08～38.12 mm，平均值為29.25 mm；錐度主要分布在0.07～0.12，平均值為0.09；竹筍筍皮厚度主要分布在0.30～1.95 mm，平均值為1.15 mm；竹筍質量主要分布在98.60～221.10 g，平均值為151.37 g。

圖1 竹筍主要物理參數示意圖Fig.1 Schematic of main physical parameters of bamboo shoot

1.2 力學參數測定

隨機選取15根長勢均勻的新鮮竹筍，將每根竹筍截成平均長度為100 mm左右的3段，利用TA.XTPlus質構儀對試驗樣品進行壓縮試驗，每組重復5次取平均值，試驗結果如表1所示。

表1 竹筍各部位受力Tab.1 Force of different parts of bamboo shoot N

根據表1測試結果，得出了竹筍各部位的受力范圍，由大到小為竹筍筍尖、中間部分、竹筍根部，其中筍尖部分受力為5.80～6.34 N，高于其他部位，這是由于筍尖部分錐度最大，且筍尖處筍皮在4層以上，而其他部位只有1～3層，因此筍尖處筍皮厚度較大，硬度較大。

2 整機結構與工作原理

2.1 設計要求

剝筍機剝皮是利用刀片作用于竹筍上層表皮，利用剝皮輥摩擦剝離剩余筍皮，以實現竹筍完全剝皮且不損傷筍肉，其設計要求如下：①所設計的剝皮機能夠保證在合適的工作速度下保持穩定，減少外界因素、機器振動對剝皮的影響。②根據筍皮厚度，設定削皮厚度為2～3 mm，要求竹筍削皮后損傷率在10%以下。③根據竹筍后期加工要求以及減少二次剝皮的工作，所設計的剝皮機要求剝凈率在90%以上。

2.2 整機結構

竹筍剝皮機主要由切削機構、輸送機構、動力裝置、機架以及落料板組成，外形尺寸(長×寬×高)為0.5 m×0.4 m×0.8 m，如圖2所示。輸送機構固定于機架上，其下端安裝有落料板，切削機構通過心軸安裝在輸送機構上端，由電機作為配套動力，通過帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動帶動機器工作。

圖2 竹筍剝皮機三維結構圖Fig.2 Three-dimensional diagram of bamboo shoots peeling machine1.切削機構 2.輸送機構 3.動力裝置 4.機架 5.落料板

2.3 工作原理

竹筍剝皮機工作原理是模仿手工剝筍過程，即人工使用刀具將筍皮劃開，再由手指纏繞筍皮將其完全脫落，機器工作過程如圖3所示。工作時，竹筍由入料口進入(圖3a)，入料口安裝有撥筍輥和刀片，在撥筍輥配合下，刀片將竹筍上層局部筍皮切除，再由輸送帶帶其繼續向下運動(圖3b)，當竹筍尖部喂入到相向旋轉的剝皮輥和滾筒之間時，由于剝皮輥和滾筒存在高度差且材質不同，對筍皮的摩擦力也不同，進而由剝皮輥將剩余筍皮剝離經落料板排出剝皮裝置(圖3c)，剝凈筍肉繼續向下滑行并被送出機外，從而完成全部剝皮過程。

圖3 竹筍剝皮過程示意圖Fig.3 Schematics of bamboo shoots peeling process1.竹筍 2.撥筍輥 3.刀片 4.剝皮輥 5.滾筒 6.輸送帶

3 竹筍-機械力學模型建立

3.1 竹筍刀削受力分析

刀片在竹筍剝皮過程的載荷變化與其安裝傾角等因素有關，竹筍刀削過程受力狀況如圖4所示。

圖4 竹筍切削過程受力分析示意圖Fig.4 Schematic of force analysis of bamboo shoots cutting process

將竹筍喂入剝皮裝置時，以一定加速度a沿輸送帶向下運動，刀片在載荷F作用下對竹筍進行切削操作，將竹筍上層筍皮切除，刀削過程受力方程為

mgsinα+f-Fcosβ=ma

(1)

(2)

整理得

(3)

式中m——未剝皮竹筍質量，kg

g——重力加速度

f——輸送帶作用于竹筍的摩擦阻力，N

N——輸送帶對竹筍的支撐力，N

μ1——輸送帶與竹筍間摩擦因數

α——輸送帶傾角，(°)

β——刀片與輸送帶的夾角，(°)

竹筍在輸送帶中為勻變速直線運動，則

(4)

式中S——上下兩滾筒中心距離，m

v0——喂入竹筍初速度，m/s

t——竹筍剝皮時間，s

將式(3)代入式(4)整理得到竹筍切削所需的力F為

(5)

由式(5)可知，刀片與輸送帶的夾角β是影響剝皮質量的關鍵因素，根據對竹筍物理參數和力學參數的測定，由式(5)結合剝皮機設計尺寸可確定β的取值范圍，從而確定刀片與水平面的傾角為25°～35°。

3.2 竹筍摩擦去皮受力分析

工作時，調整竹筍位姿，使其垂直于撥筍輥軸向由入料口送入，在撥筍輥和輸送帶推動下，將竹筍撥送到刀片下方，由刀片將竹筍上層局部筍皮切除；筍尖喂入剝皮輥和滾筒之間時，由于剝皮輥和滾筒軸心高度差使其作用于筍皮不同的摩擦力矩，此力矩使偏離剝皮輥徑向的竹筍位姿得到矯正，當剝皮輥對筍皮的抓取力大于筍皮與筍肉的粘結力時筍皮被剝離，并隨著剝皮輥和滾筒的相向旋轉從間隙中被拉出；筍肉則在輸送帶推動下滑出剝皮裝置。由上述過程可知，竹筍在剝皮裝置上運動主要就是在輸送帶上沿剝皮輥徑向的滑移。

竹筍沿輸送帶至剝皮輥的下滑與剝皮條件可通過分析竹筍在剝皮裝置上受力得出。竹筍摩擦去皮過程受力分析如圖5所示。

圖5 竹筍受力分析Fig.5 Force analysis of bamboo shoots

由圖5可知，竹筍沿輸送帶下滑及剝皮條件為

(6)

則

(7)

由幾何關系知

θ=α+δ

(8)

式中G′——刀削局部筍皮后竹筍重力，N

Fb——筍肉與筍皮間粘結力，N

f1——輸送帶作用于削皮后竹筍的摩擦阻力，N

f2——剝皮輥作用于削皮后竹筍的摩擦阻力，N

N1——滾筒對竹筍支撐力，N

N2——剝皮輥對竹筍支撐力，N

θ——滾筒與竹筍中心連線和滾筒與剝皮輥中心連線垂直線夾角，(°)

δ——滾筒與剝皮輥中心連線與水平夾角，(°)

竹筍受到的摩擦阻力可根據圖5a剝皮裝置中剝皮輥和滾筒對竹筍的支撐力得出，其具體公式為

f1=μ1N1

(9)

f2=μ2N2

(10)

式中μ2——剝皮輥與竹筍間摩擦因數

由圖5a可知，N1、N2、G′之間存在關系

(11)

(12)

(13)

聯立式(11)～(13)可得

(14)

(15)

式中R——滾筒(剝皮輥)半徑，m

l——竹筍與滾筒表面以及與剝皮輥表面的距離，m

H——滾筒和剝皮輥軸心高度差，m

聯立式(6)～(10)、(14)、(15)可得

(16)

為方便計算，令

(17)

聯立式(16)得

P>cos(2α+δ)

(18)

(19)

整理得

(20)

由式(20)可知，竹筍摩擦去皮過程與輸送帶傾角α、剝皮輥半徑R、竹筍與滾筒表面的距離l、滾筒與剝皮輥軸心高度差H以及摩擦因數μ有關。

根據上述理論分析，隨著剝皮輥轉速的增大，與之關聯的滾筒轉速也增大，導致它們對竹筍支撐力明顯增大，筍皮與剝皮輥摩擦增大，竹筍剝凈率增加。因此可知，剝皮輥轉速為影響筍皮脫落的主要因素，但剝皮輥轉速并不是越大越好，當轉速大到一定程度時，雖然剝凈率較高，但筍肉損傷率也會明顯增加。

4 關鍵部件設計

4.1 滾筒與剝皮輥軸心高度差調節機構

竹筍剝皮效果與滾筒和剝皮輥之間高度差H有關，而H可通過滾筒與剝皮輥軸心高度差調節機構進行調節。H小，則剝凈率低；反之，則剝凈率高。但當H大于剝皮輥半徑時，竹筍軸線與滾筒和剝皮輥中心連線夾角增大，導致筍肉極易撞擊剝皮輥，從而剝凈率降低，損傷率提高。通過分析和試驗可知，H取值范圍應在剝皮輥半徑范圍之內，該范圍可使竹筍尖部成功喂入到滾筒與剝皮輥間隙內，同時避免筍肉撞擊剝皮輥碎裂現象發生。設計滾筒與剝皮輥軸心高度差調節機構，用于固定軸承座的螺栓通過在長圓弧形孔中滑動實現滾筒和剝皮輥中心連線與水平面夾角的改變，從而改變兩軸之間高度差，如圖6所示。

圖6 軸心高度差調節機構Fig.6 Axis height difference adjusting mechanism1.長圓弧形孔 2.螺栓

4.2 剝皮裝置

該裝置包括切削機構和輸送機構，其中切削機構主要由軸承座、刀片、刀架及撥筍輥等組成，輸送機構主要由輸送帶、滾筒及剝皮輥等組成，其結構如圖7所示。切削機構一端通過軸承座與輸送機構連接，另一端可繞心軸作定軸轉動，以適應在一定尺寸范圍內竹筍的進料。

圖7 剝皮裝置示意圖Fig.7 Schematic of peeling device1.輸送帶 2.滾筒 3.擋板 4.軸心高度差調節機構 5.軸承座 6.固定心軸 7.剝皮輥 8.刀片 9.刀架 10.撥筍輥 11.輸送機構 12.切削機構

根據文獻[12]可知，國內大多數玉米聯合收獲機使用的剝皮輥直徑為60～80 mm，竹筍基部直徑相對玉米直徑較小，故本竹筍剝皮機剝皮輥直徑確定為50～60 mm；輸送帶傾角α直接影響竹筍下滑速度，進而影響剝皮性能和生產效率，根據竹筍上尖下粗的圓錐形狀特點，輸送帶傾角為35°～40°時，筍尖可順利喂入剝皮輥和滾筒間隙內，為簡化條件，確定剝皮輥直徑為50 mm、輸送帶傾角為38°。刀片安裝在刀架上，可通過刀架上的螺栓調節刀架的位置，從而調節物料入切時與刀片的角度，一般根據加工竹筍的大小，預先調整刀片角度，保證刀片在入切時只削去筍皮而不傷及筍肉。竹筍在剝皮過程中做直線運動，在與刀片產生碰撞時可能會發生偏移導致筍肉損傷和剝皮不理想，因此在剝皮裝置中設計了擋板，以提高竹筍運動過程的穩定性，改善剝皮效果。

5 試驗

5.1 試驗材料與方法

根據GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》，于2021年3月應用制造的竹筍剝皮機進行樣機試驗。試驗地點在安徽省寧國市，每組試驗使用20 kg竹筍，以當地早竹筍為試驗對象，挑選完整、長勢均勻以及新鮮無蟲害的竹筍作為試驗物料。

試驗時，由人工喂入竹筍至機器入料口處，并在剝皮輥排出口接取完成剝皮作業的筍肉，每進行一組試驗時，預先清理試驗區域內的筍肉和筍皮，并調整各試驗因素水平，穩定后進行竹筍剝皮。本次試驗將筍肉損傷率Y1和筍皮剝凈率Y2作為判斷剝皮機性能的主要指標，根據GB/T 30762—2014《主要竹筍質量分級》的感官評定法確定竹筍損傷個數和未剝凈個數，統計試驗結果并分別計算出每組竹筍損傷率和剝凈率，若筍肉出現損傷又帶有筍皮，將該筍肉同時計入到損傷率和剝凈率中，竹筍剝皮后物料如圖8所示。

圖8 竹筍剝皮物料Fig.8 Materials after bamboo shoots peeled

5.2 單因素試驗與分析

5.2.1試驗設計

針對竹筍物理特性復雜的問題，為確定竹筍長度、基部直徑不同組合對剝皮效果的影響，以及為竹筍剝皮機正交試驗確定最佳試驗物料，進行單因素試驗。根據竹筍圓錐形狀特點，選取竹筍長度和基部直徑作為試驗因素；通過預試驗，定義機器各參數的固定值為：刀片安裝傾角為30°、剝皮輥轉速為240 r/min、滾筒與剝皮輥軸心高度差為15 mm。以筍肉損傷率和筍皮剝凈率為試驗指標，對其分別進行單因素試驗，研究竹筍不同尺寸對剝皮機性能評價指標的影響規律。

5.2.2試驗結果與分析

根據竹筍物理參數的測定，設定竹筍基部直徑為30 mm，將竹筍長度分布范圍取6個水平；設定竹筍長度為300 mm，將竹筍基部直徑分布范圍取6個水平(表2)，將物料分類并分別進行單因素試驗后，各性能評價指標與竹筍長度、基部直徑的關系曲線如圖9所示。

表2 單因素試驗因素水平Tab.2 Factors and levels of single factor experiment mm

圖9 單因素試驗結果Fig.9 Results of single factor experiment

由圖9分析可得，在所選水平范圍內，隨著竹筍長度的增大，筍肉損傷率先緩慢下降后緩慢上升，筍皮剝凈率先急劇上升后緩慢下降；隨著基部直徑的增大，筍肉損傷率先緩慢下降后急劇上升，筍皮剝凈率先急劇上升后緩慢下降。造成損傷率過大的原因是當竹筍直徑過大時，切削深度也隨之變大，導致筍肉容易損傷；造成剝凈率過低的原因是當竹筍長度過小時，竹筍偏移或筍尖翹起，當竹筍基部直徑過小時，難以切削到竹筍，因此都會導致殘留筍皮。其中，當竹筍長度為300～320 mm時，筍肉損傷率最小，為7.78%，剝凈率最大，為92.04%；當竹筍基部直徑在29～32 mm時，筍肉損傷率最小，為7.96%，剝凈率最大，為93.14%。因此最終確定長度在300～320 mm、基部直徑為29～32 mm的竹筍作為剝皮機正交試驗的物料樣本。

5.3 正交試驗方案

刀片安裝傾角：刀片與水平面傾角大于35°時，難以接觸竹筍，刀片與水平面傾角小于25°時，對筍肉損傷過大。為保證切削上層筍皮，刀片安裝傾角調節為25°～35°，設定3個水平為25°、30°、35°。

剝皮輥轉速：當剝皮輥轉速大于220 r/min時，筍皮脫落，剝皮輥轉速大于260 r/min時，剝皮機整機會發生輕微振動。為保證安全性，剝皮輥轉速調節范圍為220～260 r/min，設定3個水平為220、240、260 r/min，通過HMI與變頻調速器通訊控制電動機實現轉速調節。

滾筒與剝皮輥軸心高度差：當滾筒與剝皮輥軸心在同一高度時，筍尖無法喂入，高度差大于20 mm時，筍肉尖部會撞擊剝皮輥造成斷裂。為保證筍肉完整，高度差范圍為10～20 mm，設定3個水平為10、15、20 mm。

為得到各個因素最優值，設計多因素正交試驗，因素編碼如表3所示。獲取竹筍損傷率和剝凈率回歸模型，求解剝皮裝置最優參數組合。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Experimental factors codes

5.4 試驗結果與分析

5.4.1回歸模型方程及顯著性檢驗

根據表4的數據樣本，通過Design-Expert 8.0.6軟件得到竹筍損傷率和剝凈率二次多項式回歸模型為

表4 正交試驗設計與結果Tab.4 Experimental design and results

(21)

(22)

式中X1、X2、X3——因素編碼值

由表5可知，筍肉損傷率Y1和筍皮剝凈率Y2兩個回歸方程高度顯著，且回歸方程失擬不顯著，說明在所選試驗參數范圍內，回歸模型與實際情況擬合度較高；損傷率Y1、剝凈率Y2回歸方程決定系數R2分別為0.908 7、0.985 4，表明回歸方程預測值與實際值之間的一致性高度合理，故可用損傷率Y1、剝凈率Y2回歸模型對剝皮裝置剝皮性能進行分析和預測。

表5 方差分析Tab.5 Variance analysis of experimental results

5.4.2因素分析

圖10 試驗因素對筍肉損傷率影響的響應曲面Fig.10 Response surface of experimental factors to breakage ratio of bamboo shoots

根據回歸方程和響應曲面可得，刀片安裝傾角、剝皮輥轉速、滾筒與剝皮輥軸心高度差之間存在交互作用，并且對損傷率和剝凈率影響較為顯著。當刀片安裝傾角一定時，損傷率隨剝皮輥轉速增大而增大；當剝皮輥轉速一定時，損傷率隨刀片安裝傾角增大而增大；當刀片安裝傾角變化時，損傷率變化區間較大，刀片安裝傾角對損傷率指標影響更為顯著(圖10a)。當刀片安裝傾角一定時，損傷率隨滾筒與剝皮輥軸心高度差增大先減小后增大；當軸心高度差一定時，損傷率隨刀片安裝傾角增大而增大；當刀片安裝傾角變化時，損傷率變化區間較大，刀片安裝傾角對損傷率指標影響更為顯著(圖10b)。當剝皮輥轉速一定時，損傷率隨軸心高度差增大先減小后增大；當軸心高度差一定時，損傷率隨剝皮輥轉速增大而增大；當剝皮輥轉速變化時，損傷率變化區間較大，剝皮輥轉速對損傷率指標影響更為顯著(圖10c)。

當刀片安裝傾角一定時，剝凈率隨剝皮輥轉速增大而增大；當剝皮輥轉速一定時，剝凈率隨刀片安裝傾角增大先增大后減小；當刀片安裝傾角變化時，剝凈率變化區間較大，刀片安裝傾角對剝凈率指標影響更為顯著(圖11a)。當刀片安裝傾角一定時，剝凈率隨滾筒與剝皮輥軸心高度差增大先增大后減小；當軸心高度差一定時，剝凈率隨刀片安裝傾角增大先增大后減小；當刀片安裝傾角變化時，剝凈率變化區間較大，刀片安裝傾角對剝凈率指標影響更為顯著(圖11b)。當剝皮輥轉速一定時，剝凈率隨軸心高度差增大而增大；當軸心高度差一定時，剝凈率隨剝皮輥轉速增大而增大；當軸心高度差變化時，剝凈率變化區間較大，軸心高度差對剝凈率指標影響更為顯著(圖11c)。

圖11 試驗因素對筍皮剝凈率影響的響應曲面Fig.11 Response surfaces of experimental factors to no-shell ratio of bamboo shoots

5.4.3驗證試驗

根據損傷率Y1和剝凈率Y2的數學模型，在約束條件范圍內對竹筍剝皮機的試驗因素進行優化，為獲得竹筍剝皮機性能最優參數組合，結合試驗因素邊界條件，對損傷率和剝凈率2個評價指標的回歸方程進行分析，建立竹筍剝皮機優化數學模型為

(23)

基于Design-Expert 8.0.6軟件多目標參數優化模塊對數學模型進行分析求解，得到最優參數組合為：刀片安裝傾角為30.12°、剝皮輥轉速為229.18 r/min、軸心高度差為15.43 mm，此時筍肉損傷率和筍皮剝凈率分別為6.81%、94.59%。

為方便實際操作中參數的調節，各參數取整后得到最優組合為：刀片安裝傾角為30°、剝皮輥轉速為230 r/min、軸心高度差為15 mm。為進一步驗證參數優化結果的正確性，將試驗樣機調整為取整后的參數進行竹筍剝皮機的驗證試驗(圖12)，每組試驗選取20 kg當地早竹筍，連續喂入直至全部完成剝皮工作，保證其他因素不變的情況下，重復3次取平均值，試驗驗證結果如表6所示，即筍肉損傷率、筍皮剝凈率分別為7.10%、93.22%，參數優化結果與驗證試驗結果基本一致。

圖12 竹筍剝皮試驗現場Fig.12 Experimental field of bamboo shoots peeling

表6 試驗驗證結果Tab.6 Experimental results of verification %

每一批竹筍尺寸各有不同，筍皮厚薄也不均勻，因此在剝皮過程中會出現筍肉損傷或筍皮未剝凈的現象，通過對試驗結果分析得知：筍肉損傷的原因是竹筍尺寸過大，則入切角度大，導致刀片切削至筍肉部分；筍皮未剝凈的原因是竹筍尺寸過小，則入切角度小，刀片與筍皮難以接觸，因此切削不到筍皮，從而也無法剝除筍皮。

6 結論

(1)為解決竹筍剝皮效率低下、筍肉損傷率高且筍皮剝凈率低等問題，基于竹筍的物理特性參數，設計一款刀削結合滾動摩擦進料竹筍剝皮機，適用于基部直徑為20～38 mm、長度為240～360 mm的早竹筍等品種。通過理論分析竹筍-機械動力學模型，確定剝皮機結構參數以及影響其工作性能的主要因素。

(2)為得到剝皮機的最佳工作參數，通過制造樣機分別進行了單因素和正交剝皮試驗。通過單因素試驗確定剝皮機正交試驗的物料樣本長度為300～320 mm、基部直徑為29～32 mm；利用Design-Expert 8.0.6軟件進行數據處理，對評價指標回歸方程綜合優化，得出竹筍剝皮機最佳工作組合為：刀片安裝傾角30.12°、剝皮輥轉速229.18 r/min、軸心高度差15.43 mm，此時竹筍筍肉損傷率為6.81%，筍皮剝凈率為94.59%。驗證試驗中筍肉損傷率為7.10%，筍皮剝凈率為93.22%，試驗值與理論值基本一致，表明機器滿足設計要求。