楊嘉鵬G Jia-peng 王慶惠 - 閆圣坤 - 楊忠強(qiáng)G -

(1. 新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830022；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

馬鈴薯為茄科茄屬植物，是全球第四大重要的糧食作物[1]。截至2014年，中國馬鈴薯種植面積約為5.614 6×106hm2，產(chǎn)量約為9 551.5萬t[2]，均占到世界的1/4左右。中國已成為馬鈴薯生產(chǎn)和消費(fèi)的第一大國[3]。然而，中國馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)卻十分落后，加工量僅為5%[4]。2016年，農(nóng)業(yè)部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開發(fā)的指導(dǎo)意見》，提出將馬鈴薯作為主糧產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，到2020年，馬鈴薯種植面積擴(kuò)大到667萬hm2以上，適宜主食加工的品種種植比例將達(dá)到30%，主食消費(fèi)占馬鈴薯總消費(fèi)量的30%[5]。

脫皮技術(shù)一直是制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性問題，要促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須解決該問題。目前，學(xué)者們對馬鈴薯脫皮裝置的研究已取得了一定的成果[6-8]，如劉守江等[9]研發(fā)了馬鈴薯切削去皮裝置，利用可調(diào)節(jié)切削刀片進(jìn)行脫皮，解決了切削厚度不可調(diào)節(jié)的問題，提高了馬鈴薯的利用率，但該裝置加工量小，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)；Wang[10]發(fā)明了一種既可以去皮又可以去核切片的馬鈴薯與蘋果去皮裝置，該裝置利用搖臂控制削皮、取芯和切薄片等操作，去皮切片效果良好，對物料的尺寸沒有嚴(yán)格要求，但是存在效率低、切削寬度大等缺點(diǎn)； Chand 等[11]研究了一種腳踏式馬鈴薯去皮切片機(jī)，利用表面凸起的去皮輥摩擦物料實(shí)現(xiàn)去皮，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)切片功能，但該裝置存在耗費(fèi)人力，生產(chǎn)成本高的問題。

針對上述問題，本研究擬設(shè)計(jì)一種揉搓式馬鈴薯脫皮裝置，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)提出馬鈴薯脫皮裝置的自動化提升方式，為自動化馬鈴薯脫皮裝置的研制提供理論依據(jù)。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

揉搓式馬鈴薯脫皮裝置主要由出料口、上機(jī)體、進(jìn)料口、電機(jī)、噴水裝置、出料控制裝置、鎖緊裝置 、脫皮輥、接料板、水泵、過濾裝置、水箱、泄水閥、下機(jī)架和螺旋毛刷輥組成(見圖1)。

1. 出料口 2. 上機(jī)體 3. 進(jìn)料口 4. 電機(jī) 5. 噴水裝置 6. 出料控制裝置 7. 鎖緊裝置 8. 脫皮輥 9. 接料板 10. 水泵 11. 過濾裝置 12. 水箱 13. 泄水閥 14. 下機(jī)架 15. 螺旋毛刷輥

圖1 揉搓式馬鈴薯脫皮裝置

Figure 1 Rub peeling machine for potato

馬鈴薯經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入到脫皮輥和毛刷輥組成的U型槽內(nèi)，在脫皮輥和螺旋毛刷輥的帶動下不斷滾動，馬鈴薯之間相互擠壓摩擦，在脫皮輥的摩擦作用下脫皮，在螺旋毛刷輥及噴水裝置所產(chǎn)生一定壓力的水的作用下清洗，馬鈴薯的表皮及其他雜質(zhì)不斷被清洗干凈，通過PLC控制主電機(jī)的工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)出料裝置的打開，控制螺旋毛刷輥，將脫皮后的馬鈴薯推送至出料口，表皮及雜質(zhì)通過脫皮輥和螺旋毛刷輥之間的間隙隨水流下，經(jīng)接料板排至水箱中。

1.2 自動化控制部分

馬鈴薯脫皮裝置中的自動化裝置采用三菱的FX2N系列PLC和變頻器對主電動機(jī)、水泵、進(jìn)料口擋板、出料口擋板進(jìn)行控制，以達(dá)到最優(yōu)工藝組合[12-14]。采用PLC作為控制核心，使用變頻器對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，使得主電機(jī)調(diào)速更加平滑，節(jié)約了能量，并可根據(jù)后期系統(tǒng)優(yōu)化的需要，進(jìn)行程序的編寫及加入外圍電路，使得脫皮裝置效率更高。

控制系統(tǒng)工作原理見圖2，通過控制面板對PLC發(fā)送指令，進(jìn)料裝置面板打開，待脫皮馬鈴薯進(jìn)入到U型槽后，PLC控制主電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而帶動脫皮輥和毛刷輥旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，PLC對水泵發(fā)送命令，使其啟動，對馬鈴薯進(jìn)行清洗、脫皮，清洗完畢后，出料裝置面板打開，馬鈴薯在旋轉(zhuǎn)毛刷輥的帶動下，進(jìn)入出料口。在整個控制系統(tǒng)中，PLC可通過變頻器改變主電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，從而使脫皮輥和毛刷輥達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，還能通過PLC設(shè)置主電機(jī)的工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯脫皮的最優(yōu)加工時(shí)間。為了控制噴水裝置的出水量和水速，在水泵前一級加入了變頻器，可通過PLC實(shí)現(xiàn)對水泵的轉(zhuǎn)速控制。另外，可通過控制面板設(shè)置主電機(jī)和水泵旋轉(zhuǎn)速度、脫皮時(shí)間、輥軸旋轉(zhuǎn)方向，控制面板上的液晶屏可顯示當(dāng)前主電機(jī)轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、電機(jī)頻率等參數(shù)。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 脫皮輥

脫皮輥是由光滑輥和金剛砂表層組成，金剛砂紙可根據(jù)脫皮物料的不同進(jìn)行更換，金剛砂材料選用具有耐磨、耐水特性的物料。脫皮輥與螺旋毛刷輥呈交替排列。

2.2 螺旋毛刷輥

毛刷輥選用具有螺旋推送功能的毛刷，毛刷輥上的刷洗毛材料主要為尼龍610刷絲，該材料抗磨損性能較好，具有耐高溫耐酸堿等特性，彈性較好，抗刷洗強(qiáng)度大，且不易倒毛，符合食品衛(wèi)生要求。脫皮棍與螺旋毛刷輥選材示意見圖3。

2.3 U型槽體設(shè)計(jì)

U型槽體是由脫皮輥和毛刷輥組成。設(shè)計(jì)成U型原因主要有以下三方面：① 有利于馬鈴薯進(jìn)入U(xiǎn)型空間內(nèi)，防止其在轉(zhuǎn)動過程中掉落出機(jī)體，可實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的自由進(jìn)入和脫皮后排出；② 可以近距離觀察馬鈴薯在U型空間內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)，隨著脫皮輥和毛刷輥的相互轉(zhuǎn)動，帶動馬鈴薯在脫皮輥和毛刷輥之間旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)單個物料自轉(zhuǎn)摩擦，同時(shí)槽內(nèi)物料實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦；③ 可以實(shí)現(xiàn)物料集中噴水清洗，不用改變噴水的角度，減少清洗水用水量。

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料

馬鈴薯：單粒重237～824 g，初始濕基含水率為82.14%±0.50%(烘干法，105 ℃，24 h)，購于烏魯木齊北園春市場。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)的確定

由于馬鈴薯的形態(tài)各異，表面也并非完全平滑，具有隨機(jī)性，因此馬鈴薯去皮效果的評價(jià)采用模糊評價(jià)原則，即除馬鈴薯凹陷區(qū)域沒被去皮之外，其他部分均被磨損掉則視為達(dá)到預(yù)期去皮效果。因此不再另設(shè)指標(biāo)對馬鈴薯去皮效果做出評價(jià)。每組試驗(yàn)平行3次，結(jié)果選取平均值。

3.3 計(jì)算方法

試驗(yàn)中質(zhì)量損失率是判定馬鈴薯去皮效果的重要指標(biāo)。脫去的馬鈴薯表皮部分越多，馬鈴薯表面脫皮效果越好，但同時(shí)也會帶來馬鈴薯果肉質(zhì)量損失率的提高。試驗(yàn)中質(zhì)量損失率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

s——馬鈴薯去皮質(zhì)量損失率，%；

M——試驗(yàn)前馬鈴薯的總質(zhì)量，g；

m——試驗(yàn)后馬鈴薯的總質(zhì)量，g。

3.4 單因素及正交試驗(yàn)

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)，結(jié)合設(shè)備自身特點(diǎn)，選用的脫皮輥轉(zhuǎn)速、脫皮時(shí)間和喂入量為影響馬鈴薯脫皮效果的影響因素，其中以脫皮輥轉(zhuǎn)速150～250 r/min，脫皮時(shí)間2～4 min，喂入量80～110 kg，分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)獲取揉搓式馬鈴薯脫皮裝置最優(yōu)的參數(shù)組合。

4 結(jié)果與分析

4.1 單因素試驗(yàn)

4.1.1 輥轉(zhuǎn)速對馬鈴薯脫皮效果的影響 由圖4可知，隨著脫皮輥轉(zhuǎn)速的增大，質(zhì)量損失率急劇增加，因?yàn)殡S著脫皮輥轉(zhuǎn)速增大，脫皮輥、螺旋毛刷輥與馬鈴薯表面接觸的次數(shù)增加，馬鈴薯表面被刷下的部分增加，脫皮效果越好，進(jìn)而質(zhì)量損失率增加，但是相應(yīng)的馬鈴薯果肉損失率也增加，綜合考慮，脫皮輥轉(zhuǎn)速在200～225 r/min時(shí)較為理想。

4.1.2 脫皮時(shí)間對馬鈴薯脫皮效果的影響 由圖5可知，隨著脫皮時(shí)間的延長，馬鈴薯表面的皮脫得越干凈，作業(yè)效果越好，與輥轉(zhuǎn)速對馬鈴薯質(zhì)量損失率的影響趨勢相同，隨著馬鈴薯在脫皮裝置內(nèi)時(shí)間的延長，馬鈴薯果肉的質(zhì)量損失率也隨之增加，此外，較長的脫皮時(shí)間也會使得整機(jī)的生產(chǎn)率降低。故選取去皮3 min左右較為適宜。

4.1.3 喂料量對馬鈴薯脫皮效果的影響 由圖6可知，隨著單位時(shí)間內(nèi)馬鈴薯喂料量的增加，馬鈴薯的質(zhì)量損失率隨之降低，主要是脫皮機(jī)內(nèi)馬鈴薯的數(shù)量越多，單位時(shí)間內(nèi)馬鈴薯與脫皮輥和毛刷接觸的次數(shù)越少，馬鈴薯表皮被刷掉的幾率降低，部分馬鈴薯表皮沒有來得及被刷掉就已被后續(xù)喂入的料推出脫皮腔，故而質(zhì)量損失率降低，影響脫皮效果。同時(shí)喂料量的增加，加劇了馬鈴薯間及其與輥之間的碰撞次數(shù)，造成馬鈴薯表面易出現(xiàn)不必要的創(chuàng)傷。綜合考慮，選擇馬鈴薯的喂料量為100 kg/h左右較為適宜。

4.2 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用三因素三水平的正交試驗(yàn)(見表1)，獲取揉搓式馬鈴薯脫皮裝置最優(yōu)的參數(shù)組合。

由表2可知，因素影響大小順序?yàn)锳>B>C，最優(yōu)工藝組合為A1B3C3，即輥轉(zhuǎn)速205 r/min，去皮時(shí)間3.5 min，喂料量105 kg/h。

4.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過3組平行驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)輥轉(zhuǎn)速205 r/min，去皮時(shí)間3.5 min，喂料量105 kg/h時(shí)，馬鈴薯質(zhì)量損失率最低，為11.1%，與正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表中列出的最優(yōu)組(試驗(yàn)3)所得質(zhì)量損失率結(jié)果(10.9%)相吻合。馬鈴薯表皮脫去部分較多，除凹陷區(qū)域未被去皮之外，已達(dá)到預(yù)期去皮效果。

5 結(jié)語

本研究對揉搓式馬鈴薯脫皮裝置進(jìn)行了脫皮試驗(yàn)，詳細(xì)分析了影響馬鈴薯脫皮質(zhì)量損失率的3個因素，通過單因素及正交試驗(yàn)獲得馬鈴薯脫皮裝置的最優(yōu)工藝參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了揉搓式馬鈴薯脫皮裝置的全程自動化。本裝置的特點(diǎn)：① 通過揉搓實(shí)現(xiàn)馬鈴薯脫皮效果的提升，避免了現(xiàn)有脫皮方式的弊端，同時(shí)自輸送可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化作業(yè)，提高生產(chǎn)效率；② 裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，經(jīng)濟(jì)安全。

下一步計(jì)劃實(shí)現(xiàn)馬鈴薯脫皮全程自動化，形成進(jìn)料、脫皮、出料、清洗、切片、包裝一體化生產(chǎn)線。

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