吐魯洪·吐爾迪,楊會民， 阿依木妮莎·拜克熱

(新疆農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)機械化研究所, 烏魯木齊 830091)

0 引言

巴旦木是世界四大著名干果之一，又稱巴旦杏，學名扁桃(Amygdalus communis L.)，主要分布在美國、地中海地區(qū)，巴旦木在我國的分布十分有限，大面積巴旦木種植主要集中在中國新疆，而新疆主要分布在喀什地區(qū)莎車縣、英吉沙縣，這些地區(qū)具有發(fā)展巴旦木生產(chǎn)獨特的自然條件。巴旦木栽培在新疆已經(jīng)有1 300年多的歷史[1]，是我國具有地方特色的樹種。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織2010年統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2]，世界范圍內(nèi)，巴旦木種植面積167.3萬hm2，主要種植國家有美國(29萬hm2)、西班牙、伊朗、摩洛哥、意大利、敘利亞、突尼斯、阿富汗、土耳其、阿爾及利亞及中國(1.2萬hm2)等國，總產(chǎn)量251萬t。其中，美國為141萬t，占世界總產(chǎn)量的56.2%,位居各國產(chǎn)量的首位。

巴旦木在美國的特色經(jīng)濟作物出口產(chǎn)值位居第一，中國產(chǎn)量3.8萬t，位居世界排名第11位。我國巴旦木種植業(yè)主要集中在新疆喀什地區(qū)，有上千年的種植歷史，但長期以來，巴旦木的種植沒有得到足夠的重視，種植規(guī)模小、產(chǎn)量低，種植戶家庭成員齊上陣即可完成巴旦木的收獲、脫青皮、晾曬作業(yè)流程，成品即可進入集市買賣。但是，去青皮及去雜由手工完成，效率低、成本高、勞動強度大，巴旦木脫青皮機的研究和研制應(yīng)用處于空白階段。

現(xiàn)有的機械化脫青皮技術(shù)采用鋼絲刷脫青皮、毛刷清洗機相結(jié)合的方法，主要用于核桃脫青皮。縱觀堅果的去青皮作業(yè)原理與機具研制現(xiàn)狀，針對不同的物料特性，采用的方法有：間隙擠壓式、滾刀旋切式、離心拋摔式、自碾搓式及抽打攪拌式。到目前為止，堅果去青皮尚未取得令人滿意的實質(zhì)性突破，技術(shù)創(chuàng)新或者技術(shù)集成方面亟待提高。我國的大多數(shù)堅果去青皮機均在名牌或者說明書上標明去青皮率達到95%以上，清潔度達到90%以上；在實際的脫青皮作業(yè)中，由于堅果栽培管理的差異，致使堅果在脫青皮時的青皮與硬殼結(jié)合程度、成熟度等諸多影響指標，實際的作業(yè)性能均低于出廠的技術(shù)指標，破損率甚至高達15%～20%，與美國等發(fā)達國家的堅果脫青皮存在很大的差距。

巴旦木脫青皮是一個涉及巴旦木青皮、巴旦木硬殼的生物學特性和物理機械特性的加工過程，必須將巴旦木的生物特性研究與脫青皮原理、關(guān)鍵部件工作結(jié)構(gòu)參數(shù)(工作部件對巴旦木物料的施力原理、施力方式、巴旦木的物料流動方式、巴旦木物料流內(nèi)部的相互摩擦作用力)研究和工作部件的材料選用、工作部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計等諸多方面的因素相結(jié)合起來，從巴旦木脫青皮的機理與硬殼損傷機理等理論著手，進行巴旦木脫青皮原理研究與裝置的設(shè)計；新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所通過幾年的反復試驗與改進，研發(fā)了一種巴旦木脫青皮機，但還存一些問題，如脫青皮率≥90%，脫青皮后，青皮與巴旦木核混合從出料口排出，還需要人工分離等有關(guān)問題，因而研發(fā)了組合式巴旦木脫青皮機。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

組合式巴旦木脫青皮機主要由刮板式輸送器、動力傳動系統(tǒng)、2級螺旋輸送器、2級分離滾筒篩、喂入口及出料口等組成，如圖1所示。在原有巴旦木脫青皮機(ZL201320278310.0)基礎(chǔ)上對巴旦木脫青皮進行了改進，巴旦木脫青皮時不需要分級，可一次完成對大小不一致的巴旦木進行脫青皮，通過兩級不同的脫青皮裝置，提高了脫青皮率，避免了巴旦木脫青皮后核中含皮率高的問題，增加了提升裝置，減輕了勞動強度；增加了清理樹葉裝置，避免了樹葉與青皮核揉搓在一起，對巴旦木核染色，影響出售價格；改進了巴旦木脫皮機構(gòu)，模仿人工用手瓣的原理，其結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，不僅脫青皮速度快，而且工作效率高。

1.機架 2.電機 3.主動鏈輪 4.第2級螺旋輸送器 5.第2級分離滾筒篩 6.出料口 7.第1級螺旋輸送器 8.第1級分離滾筒篩 9. 喂入口 10.輸送機 11.輸送機喂入口 圖1 6TB-500巴旦木脫青皮機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 6TB-500 almond dehusked machine

1.2 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

工作原理：物料通過提升機上的刮板,將物料均勻地輸入脫青皮機進料口,電機通過鏈條驅(qū)動主動鏈輪帶動第1級螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)；進料口落入的青皮巴旦木通過螺旋輸送器上的鋼絲去皮刷，未去皮的巴旦木通過螺旋去皮橡膠條，與分離滾筒篩內(nèi)壁進行揉搓，逐步向出料口推進；螺旋輸送器在旋轉(zhuǎn)過程中將青皮巴旦木夾在中間進行揉搓，致使巴旦木表面青皮剝離，皮剝離后的巴旦木核與青皮，從滾筒分離篩縫隙中排出，未排干凈的青皮與核從出料口進入下一個分離裝置中；螺旋輸送器將未排干凈的青皮與核輸送到分離區(qū)進行再一次分離，冠狀齒形葉板作用將青皮從滾筒分離篩縫隙中排出，巴旦木核從出料口排出。技術(shù)參數(shù)為：

生產(chǎn)率/kg·h-1： 500

配套動力/kW：2.2

脫凈率/%：≥95

破損率/%：≤4

核中含皮率/%： ≤4

配套動力/kW：1.1

2 主要部件設(shè)計

2.1 螺旋輸送裝置的設(shè)計

螺旋輸送裝置是脫青皮機的關(guān)鍵部件之一，作用是將喂入的青皮巴旦木進行輸送和揉搓脫去巴旦木核上的青皮，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要由主軸、螺旋去皮橡膠條、鋼絲去皮刷、螺旋支撐板及支桿等零件構(gòu)成。主軸前軸頭上均布鋼絲去皮刷將未成熟、核與青皮黏合強的青皮去除，主軸上均勻焊接有支桿和支撐板用于固定螺旋去皮橡膠條。螺旋去皮橡膠條隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動時螺旋去皮橡膠條推動巴旦木物料向出料口方向移動；螺旋去皮橡膠條邊緣與級分離滾筒篩內(nèi)壁有一定的間隙，其間隙小于巴旦木帶青皮厚度，范圍在15～25mm之間，使帶青皮巴旦木在螺旋去皮橡膠條邊緣與級分離滾筒篩內(nèi)壁形成的腔體內(nèi)進行揉搓，揉搓后脫落的青皮從分離滾筒篩之間的間隙排出，分離滾筒篩間隙6～7.5mm。

1.支桿 2.螺旋支撐板 3.主軸 4.螺旋去皮橡膠條 5.鋼絲去皮刷 6.前軸頭 7.后軸頭 圖2 螺旋輸送器Fig.2 Spiral transmitter

2.2 輸送器與清理樹葉機構(gòu)的設(shè)計

原巴旦木脫青皮機喂料靠人喂入，勞動強度大，喂料很不均勻，經(jīng)常導致巴旦木脫青皮機無法正常工作。因此，該機增加了提升裝置，喂料均勻，減輕了勞動強度；增加了清理樹葉裝置，避免了樹葉與青皮核揉搓在一起，對巴旦木核染色，影響出售價格，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要由喂料斗、刮板輸送器、輸送機支架、減速機總成及清選風機組成。在刮板輸送器上端安裝有清選風機，目的是當從喂料斗進入的巴旦木青皮混合物料通過刮板輸送器輸送到脫青皮機喂入口時，將混雜在巴旦木青皮中的樹葉通過清選風機吹除。

1.減速枕總成 2.輸送枕支腿 3.刮板輸送器 4.喂料斗 5.清選風機 圖3 輸送器Fig.3 Transmitter

新疆的巴旦木收獲靠人工用木棒敲打樹枝，收獲后的巴旦木中摻雜樹葉和樹枝，如果不將樹葉分離脫青皮，脫青皮后的巴旦木核被染色，影響銷售價格。

3 受力分析

螺旋輸送器和分離滾筒篩是該脫青皮機裝置的主要部件，螺旋輸送裝置以角速度勻速轉(zhuǎn)動時，將青皮巴旦木帶人到工作區(qū)域。青皮巴旦木在分離滾筒篩上受兩組力(見圖4)，一組受螺旋去皮橡膠條作用于青皮巴旦木上的擠壓力F1，螺旋去皮橡膠摩擦力f1，去皮橡膠的擠壓力F2,分離滾筒篩的壁對青皮巴旦木上的支撐力F支, 滾筒篩的壁摩擦力f2共同作用力F擠，巴旦木的彈性模量和抗壓強度明顯小于巴旦木硬殼。為了保證巴旦木核不受破壞前青皮產(chǎn)生裂紋，擠壓力F1、F2,摩擦力f1、f2應(yīng)該在合理范圍內(nèi)，青皮脫落的條件為

其中，F(xiàn)w、Fh分別代表使青皮產(chǎn)生裂紋的擠壓力和使巴旦木硬殼產(chǎn)生裂紋的擠壓力；Ft代表使青皮發(fā)生破壞的剪切力。

4 試驗內(nèi)容與方法

4.1 試驗內(nèi)容及其評價指標

巴旦木的品種不同,物理特性也會有些差別，依據(jù)堅果的脫皮技術(shù)要求，結(jié)合機械脫青的技術(shù)特點，試驗從巴旦木青皮的物料特性方面和脫青皮機脫青皮性能等方面進行評價。

1.滾筒 2.螺旋輸送器 3.巴旦木核 圖4 巴旦木青皮受力圖Fig.4 Force of almond

4.2 試驗方法

依照GB/T 5667-2008 農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗方法進行。

青皮巴旦木果實主要由外層青皮、硬殼、果仁3部分組成，成熟后的巴旦木青皮易開口與硬殼剝離，此時采取手工作業(yè)較容易；而未成熟的巴旦木青皮無裂口，手工作業(yè)需小刀劃刻較難剝離。

新疆的巴旦木品種繁雜，不同的青皮巴旦木品種外形尺寸與硬殼厚度差異明顯，脫殼后的青皮、帶殼巴旦木物料間差異較大，目前新疆巴旦木的品種主要有紙皮巴旦木、薄皮巴旦木、鷹嘴巴旦木和雙仁巴旦木4個品種。脫青皮機目前適應(yīng)鷹嘴巴旦木(硬殼)，本試驗中采用的巴旦木為新疆莎車縣產(chǎn)地。青皮巴旦木的尺寸用游標卡尺測定。

1)青皮巴旦木厚度。由于青皮巴旦木加工時，一般采用擠壓和揉搓原理，主要以巴旦木青皮厚度方向進行擠壓和揉搓，因此青皮巴旦木外形尺寸主要測定厚度方向尺寸。本試驗測定時共取100粒青皮巴旦木，成熟度為80%。

2)脫青皮率、破碎率和核中含皮率。影響巴旦木脫青皮的因素有螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速、螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的壁之間的間隙。由于帶青皮的巴旦木脫青皮，螺旋輸送器在分離滾筒篩內(nèi)帶動青皮巴旦木旋轉(zhuǎn)，主要以厚度方向脫青皮，且青皮巴旦木外形尺寸差異很大，為了提高脫青皮效果，脫青皮前將青皮巴旦木按后度方向進行分級，選取莎車巴硬殼3號(帶青皮巴旦木厚度d為15～21.5mm)(見表1)進行。

表1 青皮巴旦木的厚度分布Table 1 The almond peel thickness distribution

第1步：進行螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的壁之間的間隙(d)和螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速度(V)和螺旋器輸送器角度(θ°)的3因素正交試驗。脫青皮的間隙(d)，根據(jù)莎車3號巴旦木品種的物料特性參數(shù)選取(15、18、20mm)3個水平(記A1，A2，A3), 和螺旋去皮橡膠條旋轉(zhuǎn)速度(V)選取(5、10、15m/mim)3個水平(記B1,B2,B3)。螺旋輸送器的輸送角度(θ°)選取(55°，75°,65°)3個水平(記C1,C2,C3)，如表2所示。

第2步：在上述正交試驗基礎(chǔ)上，選擇螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的壁之間的間隙的最佳間隙值，螺旋輸送器在不同旋轉(zhuǎn)速度下對巴旦木脫青皮進行脫青皮試驗，測定青皮巴旦木的脫青皮率和破殼率。設(shè)青皮巴旦木在第一個脫青皮裝置中脫青皮率T1、青皮巴旦木在第二個脫青皮裝置中脫青皮率設(shè)為T2、破殼率設(shè)為P、核中帶青皮率設(shè)為S,巴旦木脫青皮的計算公式為

其中，T0為青皮巴旦木總數(shù)；T1為第1級脫青皮數(shù)；T2為第2級脫青皮數(shù)；P破為脫青皮時破碎數(shù)。

5 試驗結(jié)果與討論

5.1 青皮巴旦木厚度分析

測定結(jié)果如表1所示。由表1可知：青皮巴旦木厚度的分布范圍為13～21mm，極差為8mmm，厚度在13～19mm范圍內(nèi)的粒數(shù)占測定總數(shù)的87%以上，所以巴旦木脫青皮間隙在13

5.2 破殼性能正交試驗分析

通過表2的直觀分析，3個試驗因素對巴旦木青皮剝離效果的影響大小依次為B>C>A，螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩間隙>螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩間隙為15 mm、螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩角度為75°。通過計算各因素的水平和，求出平均值，可分析各因素水平的變化對青皮脫凈率和巴旦木破損率的影響，從而找出各因素的最好水平，由表3 分析結(jié)果可以看出：當取B1D1A1時，脫凈率指標較好；當取B3D3A1時，巴旦木破損率指標較好采用綜合平衡的方法，可以得到較優(yōu)處理組合A1B2D2；經(jīng)過多次試驗驗證當因素組合在A1B2D2的條件下，能夠得到較好的結(jié)果。

5.3 螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速度對脫青皮性能影響單因素試驗

由正交試驗表3可知，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速對脫青皮的影響不大。由表3中可以看出：螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩內(nèi)壁的間隙在15mm不變的條件下，螺旋輸送器角度75°時，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速越高，脫青皮的效率越高，其生產(chǎn)率越高。

表3 脫青皮旋轉(zhuǎn)速度與性能參數(shù)Table 3 Peeling the rotation speed and performance parameters

由正交試驗表3可知：當螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速從200r/min增加到400r/min，脫青皮率逐漸提高，巴旦木破碎率為零；隨著轉(zhuǎn)速的進一步提高450r/min到600r/min，脫青皮率提高不明顯平均在94.2%，反而巴旦木破碎率逐步提高，平均在3.5‰。設(shè)計巴旦木脫青皮機時，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)速在400～450r/min范圍較合適，螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩內(nèi)壁的間隙在15mm范圍較合適。

6 結(jié)論

1)螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的間隙對于巴旦木脫凈率和破碎率指標影響最大，螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩的間隙的角度次之，螺旋輸送器的前進速度影響較小。

2)為獲得最佳的綜合指標，在喀什地區(qū)莎車縣進行的實際作業(yè)中，采用螺旋輸送器前進速度為5m/min。螺旋去皮橡膠條和分離滾筒篩間隙15mm，螺旋去皮橡膠條角度75°，加工效果良好。

3)該機可同時實現(xiàn)巴旦木多個品種巴旦木脫青皮，具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便和成本低等優(yōu)點。

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