馮永剛

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興312000）

軟莢豆殼仁自動(dòng)分離機(jī)的研制與開發(fā)

馮永剛

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興312000）

簡(jiǎn)要介紹和分析了軟莢豆類殼仁自動(dòng)分離機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、研究過程以及經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并展望了其使用前景。

分離機(jī)，研制，開發(fā)

國(guó)外早在20世紀(jì)60年代初，就著手研制果仁剝殼機(jī)具，至80年代初，美國(guó)、意大利、法國(guó)等已相繼推出了各種果仁分離機(jī)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，果仁分離機(jī)具已日趨成熟。目前，正朝著機(jī)電一體化方向和數(shù)字控制方向發(fā)展。我國(guó)的果仁分離機(jī)在傳統(tǒng)脫殼設(shè)備的基礎(chǔ)上，盡管正在積極研制和開發(fā)各種類型脫殼機(jī)械，還不能滿足實(shí)際需要。其主要原因是在技術(shù)上還存在如下問題：a.果仁分離率較低，果仁分離后的果仁破碎率高，損失大；b.通用性差，設(shè)備利用率低；c.成本偏高，我國(guó)果仁分離機(jī)多數(shù)是單機(jī)制造，制造的工藝水平較低，致使加工果仁的作業(yè)成本增加。就浙江省而言，青毛豆是浙江省特色農(nóng)產(chǎn)品之一，目前年種植面積大約為240千hm2，青毛豆產(chǎn)量達(dá)2160千t。由于青毛豆生產(chǎn)的季節(jié)性較強(qiáng)，在青毛豆大量上市時(shí)貨源充足，價(jià)格很低，而在淡季時(shí)市場(chǎng)供應(yīng)又嚴(yán)重不足，甚至脫銷，導(dǎo)致毛豆仁價(jià)格大幅提高。目前主要通過保鮮、冷藏技術(shù)將青毛豆延至淡季銷售。具體的方法有兩種：一種是將青毛豆莢直接入庫(kù)冷藏保鮮；另一種是將剝莢后的青毛豆籽經(jīng)高溫蒸氣等處理后冷藏。前種方法保鮮時(shí)間較短，且銷售后還需剝莢，費(fèi)時(shí)費(fèi)事；第二種方法保鮮時(shí)間較長(zhǎng)，方便人們食用，且能增加生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)者收入，有較好的發(fā)展前景，在浙江已經(jīng)初步形成了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。隨著人們生活節(jié)奏的不斷加快，市場(chǎng)上對(duì)毛豆仁的需求量日益增加。軟莢豆類殼仁分離機(jī)的研制與開發(fā)正是針對(duì)這一狀況而提出的。

1 青毛豆莢物理性狀和豆莢殼仁自動(dòng)分離機(jī)核心技術(shù)

1.1 青毛豆莢物理性狀

青毛豆莢為扁長(zhǎng)條狀，中間厚，兩頭扁平，大體尺寸是：長(zhǎng)30～60mm，寬8～12mm，厚5～7mm；每莢含籽粒1～5個(gè)，其中有2～3粒的占80%以上，其豆莢長(zhǎng)度在40～50mm；籽粒為長(zhǎng)扁鼓形，籽粒在殼內(nèi)縱向排列，籽粒間有一定間隙，受外界擠壓時(shí)會(huì)移動(dòng)；豆莢外殼比較柔韌，兩片莢殼結(jié)合力較緊，無一定的外力作用，籽粒不可能脫出；籽粒和莢殼的含水率較高，殼韌籽脆，籽粒易受傷。該物理性狀在研制開發(fā)剝殼裝置時(shí)，需重點(diǎn)考慮、研究。

1.2 相關(guān)豆莢殼仁自動(dòng)分離技術(shù)的分析研究

常見相關(guān)機(jī)械豆莢殼仁自動(dòng)分離機(jī)的主要方式：一是碾搓剝殼，即借助于表面磨擦力碾搓作用剝殼，剝殼效率高，其要求加工對(duì)象含水率較低、籽粒和殼有一定硬度；二是沖擊剝殼，即利用沖擊力使果莢炸裂，籽粒與果莢分離；三是撞擊法，即借助打板或壁面的高速撞擊作用使皮殼變形直至破裂；四是剪切法，即借助銳利面的剪切作用使殼破碎，以上幾種方式都要求籽粒表面較硬，不易破碎。根據(jù)青毛豆莢的物理性狀，顯然上述設(shè)備不能滿足，需另辟途徑。

1.3 核心技術(shù)

借助于表面磨擦力的碾搓作用對(duì)青毛豆莢進(jìn)行擠壓剝殼技術(shù)是本項(xiàng)目的核心技術(shù)。而雙軸輥裝置為剝殼機(jī)的核心裝置，如圖1。其工作原理是：先將已經(jīng)分類的長(zhǎng)條狀青毛豆莢或軟殼的豆類倒入振動(dòng)床身，經(jīng)振動(dòng)電機(jī)作用，其在振動(dòng)床身上整齊排列，并縱向輸送到鐵芯橡膠雙軸輥（見圖2），對(duì)向轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵芯橡膠軸輥和雷司軋輥首先將毛豆莢扁平的一端夾持，兩軸輥轉(zhuǎn)動(dòng)，在磨擦力作用下毛豆莢通過軸輥向前移動(dòng)，由于鐵芯橡膠軸輥和雷司軋輥間隙較小，豆莢中間厚鼓部分難以通過，莢中籽粒受到鐵芯橡膠軸輥的擠壓，與莢殼產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，向后滑移，向后移動(dòng)的籽粒，將莢殼撐開。為了防止鐵芯橡膠軸輥與毛豆莢之間打滑，也為了防止鐵芯橡膠軸輥由此而壓碎籽粒，這時(shí)，首先進(jìn)入鐵芯橡膠軸輥的毛豆被轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵軸輥夾持，使毛豆莢順利被拉出果仁分離機(jī)構(gòu)，籽粒脫離莢殼，實(shí)現(xiàn)去殼脫粒。這時(shí)莢殼在雙軸輥的前側(cè)，籽粒在后側(cè)，達(dá)到了粒、殼分開、分置。

圖1 雙軸輥裝置

圖2 鐵芯橡膠雙軸輥

2 整體方案和部件設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)、布置

本機(jī)械以臺(tái)桌形式設(shè)計(jì)布置。在對(duì)軟莢豆類殼仁分離核心技術(shù)、部件設(shè)計(jì)完成后，其它工作部件的設(shè)計(jì)、布局圍繞軟莢豆殼仁自動(dòng)作業(yè)生產(chǎn)工藝展開，設(shè)計(jì)上注重簡(jiǎn)單、高效、緊湊和可靠。用機(jī)架支撐的工作臺(tái)面，主要支撐電機(jī)與控制系統(tǒng)、軟莢豆類的導(dǎo)向送料及殼仁分離機(jī)構(gòu)的安置，導(dǎo)向送料機(jī)構(gòu)其一端連接喂料斗，另一端銜接剝殼軸輥機(jī)構(gòu)，主電動(dòng)機(jī)布置在機(jī)架前下端，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)架兩側(cè)分置，物料輸送電機(jī)變速器在工作臺(tái)下方，各控制按鈕、開關(guān)集中在機(jī)架一側(cè)，便于使用者操作。軟莢豆類殼仁自動(dòng)分離機(jī)主要部件有：一對(duì)鐵芯橡膠軸輥和一對(duì)鐵軸輥所組成的軟莢豆殼仁分離機(jī)構(gòu)、電機(jī)、變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、物料輸送機(jī)構(gòu)、軸輥清洗機(jī)構(gòu)、機(jī)架等。軟莢豆殼仁分離機(jī)性能技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 豆莢殼仁自動(dòng)分離機(jī)性能技術(shù)指標(biāo)

2.2 雙軸輥軟莢豆類殼仁自動(dòng)分離機(jī)構(gòu)

為適應(yīng)不同成熟程度、不同飽滿程度、不同個(gè)體大小的軟莢豆類仁殼分離的作業(yè)要求，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)，并增設(shè)輔助機(jī)構(gòu)，形成了目前的四軸輥殼仁分離機(jī)構(gòu)。同時(shí)為了適應(yīng)從田地里直接采摘下來的軟莢類仁殼分離或經(jīng)高溫蒸氣后的軟莢類仁殼分離，我們將首先與軟莢類接觸的那一對(duì)鐵制軸輥設(shè)計(jì)成鐵芯橡膠軸輥。把以前的軸輥對(duì)軟莢豆類夾持由以前的硬性夾持設(shè)計(jì)成柔性夾持，同時(shí)也增加了夾持和磨擦力，使殼仁分離效果明顯改善：剝凈率由起初30%提高到92%，籽粒破碎率由30%下降到4%以下，機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、可靠性明顯增強(qiáng)。

該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：殼仁分離雙輥由嚙合齒輪同步等速驅(qū)動(dòng)，效率高、工作平穩(wěn)；雙輥表面滾花，夾持附著力大大增強(qiáng)；軋輥間隙可通過調(diào)整分體式滑動(dòng)軸承座位置實(shí)現(xiàn)，滿足了不同厚度毛豆莢對(duì)殼仁分離間隙的要求，在送料機(jī)構(gòu)至仁殼分離軋輥間增設(shè)一組橡膠軸輥，起著穩(wěn)定夾持、送料，加速、加力，便于兩片莢殼分離的作用；同時(shí)也在很大程度上減少了仁的破碎率。

2.3 電機(jī)的選用

按照每小時(shí)150～200kg軟莢類分離加工能力，其動(dòng)力配置經(jīng)理論計(jì)算及生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確定主電機(jī)功率為0.75kW；同時(shí)考慮到因不同的軟莢類物理性狀差異，可能導(dǎo)致豆莢殼仁分離難易程度有所不同，因而殼仁分離軸輥需要有不同的轉(zhuǎn)速。

為此，本著簡(jiǎn)化減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低成本的宗旨，我們選用的變速機(jī)構(gòu)是行星轉(zhuǎn)臂磨擦式MBW07 -Y-C無級(jí)變速機(jī)。送料機(jī)構(gòu)動(dòng)力選用兩只ZDS11 -4振動(dòng)電機(jī)。主副電機(jī)分置，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，分別操作、控制，提高了豆莢殼仁自動(dòng)分離機(jī)的可靠性。

2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)方式：皮帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)；殼仁分離機(jī)構(gòu)傳動(dòng)路線：電機(jī)→無級(jí)變速器→皮帶傳動(dòng)→鐵芯橡膠軸輥→齒輪→剝殼軸輥；傳動(dòng)比：一級(jí)皮帶傳動(dòng)比為80∶250，橡膠軸輥與殼仁分離軸輥的傳動(dòng)比為13∶8，軋輥轉(zhuǎn)速40～200r/min。

2.5 物料輸送機(jī)構(gòu)

物料輸送機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)向槽加振動(dòng)的方式設(shè)計(jì)。導(dǎo)向槽可基本保證青毛豆莢以垂直或近似垂直于軸輥軸心線的方式首先進(jìn)入鐵芯橡膠軸輥。通過對(duì)自由振動(dòng)、簡(jiǎn)諧振動(dòng)、沖擊強(qiáng)迫振動(dòng)等三種振動(dòng)方式的比較實(shí)驗(yàn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)選擇了沖擊強(qiáng)迫振動(dòng)方式，該方式能較好地實(shí)現(xiàn)物料在工作臺(tái)上的水平移動(dòng)。同時(shí)，我們將振動(dòng)電機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)成與工作臺(tái)面間成一定傾角。這樣，工作臺(tái)在振動(dòng)電機(jī)的作用下，實(shí)現(xiàn)有規(guī)則的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，青毛豆莢在工作臺(tái)上是以蛙式前移，從而均勻地進(jìn)入籽殼分離機(jī)構(gòu)。

為克服振動(dòng)式送料機(jī)構(gòu)和底座機(jī)架間相互影響，在兩者間安裝了四只避振彈簧；工作臺(tái)前端與橡膠軋輥之間間隙為3～5mm，為避免兩者發(fā)生相互碰撞，避振彈簧具有足夠的側(cè)向阻尼系數(shù)。

2.6 軸輥清洗機(jī)構(gòu)

軟莢豆類含水率高，莢內(nèi)籽粒外層包有絨衣，剝殼機(jī)工作一段時(shí)間后，剝殼軸輥滾花凹紋中會(huì)嵌滿雜物，表面變得光滑，減少了對(duì)軟莢豆類的附著力，降低了剝凈率。我們實(shí)驗(yàn)過幾種不同方法（如排刷、滾動(dòng)刷等），最后確定采用低壓水力沖洗，不但能保持剝殼軋輥清潔狀態(tài)，而且也使得籽粒干凈。

3 效率和效益分析

3.1 人工、機(jī)器效率比較

人工長(zhǎng)時(shí)間剝殼勞動(dòng)強(qiáng)度很大，每小時(shí)大約能剝5kg，而青毛豆剝殼機(jī)每小時(shí)加工能力為200kg，約為人工剝殼的40倍。

3.2 機(jī)器剝殼加工經(jīng)濟(jì)效益

設(shè)備每小時(shí)加工能力為150～200kg，如一天工作8h左右，其可加工軟莢豆類1200～1600kg，按每公斤加工費(fèi)0.4元計(jì)算，一天可獲加工費(fèi)480～640元。

3.3 成本回收期

剝殼機(jī)批量生產(chǎn)后，價(jià)格為8000元/臺(tái)。如每天的平均加工費(fèi)為500元，一般16d左右即可收回成本。

4 結(jié)束語

本設(shè)備在眾多有剝殼技術(shù)的基礎(chǔ)上針對(duì)軟莢豆類的物性進(jìn)行改進(jìn)，不但可以對(duì)從田地里直接采摘的青毛豆進(jìn)行剝殼，而且又增加了對(duì)經(jīng)高溫蒸氣后軟莢豆類的殼仁分離，提高了設(shè)備的利用率。但對(duì)于經(jīng)高溫蒸氣后軟莢豆類的分離，由于莢表面的一層絨與莢本身易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，在一定程度上降低了殼仁自動(dòng)分離的效率，有待在以后改制中加以進(jìn)一步地改進(jìn)。

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Research and development of soft shell bean pod kernel automatic separator

FENG Yong-gang
（Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing 312000，China）

The composition，principle，research process and the economic benefits and social benefits ofthe automatic separator of soft pods were briefly introduced and analyzed.And the future of the application prospect was also predicted.

separate machine；research；development

TS203

A

1002-0306（2011）02-0277-03

2010-11-25

馮永剛（1970-），男，實(shí)驗(yàn)師，高級(jí)技師，主要從事機(jī)電專業(yè)理論研究和實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐指導(dǎo)及社會(huì)培訓(xùn)工作。