何曉東，朱德泉，*，朱健軍，廖 娟，張 順，李鏡發(fā)

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，安徽 合肥 230036； 2.江西綠萌科技控股有限公司，江西 信豐341600)

水果產(chǎn)后處理是一種提高水果外在品質(zhì)與增加農(nóng)產(chǎn)品附加值的有效方法[1-2]。我國是水果生產(chǎn)大國，但我國水果產(chǎn)后處理意識淡薄，處理技術(shù)落后，每年水果損傷量達20%～30%，經(jīng)濟損失達750億元[3-4]。水果產(chǎn)后處理主要分為清洗、殺菌、保鮮、打蠟、烘干、分級與包裝等步驟[5-8]。近年來，水果產(chǎn)后處理成為我國水果加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。

清洗是水果產(chǎn)后處理加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其清洗效果對水果表面品質(zhì)、農(nóng)產(chǎn)品附加值與農(nóng)民收入等有著緊密相連的關(guān)系。為了提高清洗設備的清洗效果，國內(nèi)外學者對清洗設備進行了一定的研究。Butz等[9-10]研制的高壓水射流清洗機，運用高壓水射流機理清洗水果與蔬菜，清洗效果良好。Kaye等[11]研究在氣泡清洗方式下的氣蝕作用，研究表明，超聲波清洗效率較高，但清洗過程中產(chǎn)生的氣蝕作用容易對物料表面造成損傷，需要對一些清洗參數(shù)進行優(yōu)化以達到清洗效果和清洗效率的最佳值。王海鷗等[12]設計了超聲波臭氧組合式果蔬清洗機，但以超聲波為動力清洗果蔬，果蔬整體受力較小，洗凈率較低，影響清洗效果。

針對目前水果清洗設備洗凈率低、損傷率高的問題，尤其是對類球形脆皮水果的清洗，現(xiàn)有清洗設備不能達到其清洗要求。為滿足我國水果加工產(chǎn)業(yè)的實際需求，本文提出一種雙速毛刷輥清洗方法并且改進工藝與結(jié)構(gòu)，設計集浸泡、刷洗、噴洗、集果等功能于一體的清洗設備，解決現(xiàn)有水果清洗機洗凈率低、損傷率高與浪費水資源的問題，為我國水果產(chǎn)后處理提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

雙速毛刷輥式水果清洗機主要由浸泡裝置、噴淋裝置、刷洗裝置、集果裝置、電機、儲水箱和機架等部分組成。浸泡裝置主要包括浸泡水箱和輸送帶；噴淋裝置主要包括水泵、過濾器和噴嘴等部件；刷洗裝置主要由6根奇數(shù)排毛刷輥和6根偶數(shù)排毛刷輥組成，奇、偶排毛刷輥相間排列。整機示意圖如圖1所示。

1.2 工作原理

工作時，待清洗的水果在浸泡裝置浸泡一定時間后，由輸送帶運送至刷洗裝置，水果由刷洗裝置中奇、偶排毛刷輥帶動轉(zhuǎn)動并向前運動，同時毛刷輥上方的高壓噴淋裝置將高壓水流射向水果表面，最后由集果裝置收集。由于奇、偶排毛刷輥轉(zhuǎn)速不同，相鄰毛刷輥形成轉(zhuǎn)速差，增大水果與毛刷輥的摩擦力，同時在高壓水作用下，使水果達到更好的清洗效果；在集果裝置內(nèi)壁安裝橡膠墊，避免碰撞造成水果損傷。

2 關(guān)鍵零部件設計

2.1 浸泡裝置

浸泡裝置主要包括浸泡水箱和輸送帶，輸送帶設置在浸泡水箱內(nèi)，如圖2所示。浸泡水箱用于存放并浸泡未清洗的水果，輸送帶用于輸送水果。浸泡可有效溶解水果與塵土、雜質(zhì)、泥沙、農(nóng)藥殘留的黏度。為了提高水果浸泡效果，工作時，注水液面要求比輸送帶高約50 mm。

1，浸泡裝置；2，輸送帶；3，奇數(shù)排毛刷輥；4，偶數(shù)排毛刷輥；5，噴淋裝置；6，刷洗裝置；7，集果裝置；8，橡膠墊；9，重型鐵芯聚氨酯輪；10，水泵；11，電機；12，儲水箱；13，機架；14，不銹鋼調(diào)節(jié)腳座。1， Soaking device; 2， Conveyor belt; 3， Odd-numbered rows of brush rollers; 4， Even-numbered rows of brush rollers; 5， Spray device; 6， Brushing device; 7， Fruit collecting device; 8， Rubber pad; 9，Heavy-duty iron-core polyurethane wheel; 10， Water pump; 11， Motor; 12， Water storage tank; 13， Frame; 14， Stainless steel adjustable feet.圖1 整機示意圖Fig.1 Schematic of whole machine

1，浸泡水箱；2，Z字型傳輸運送帶；3，Z字型傳輸運送帶第一部分；4，Z字型傳輸運送帶第二部分；5，Z字型傳輸運送帶第三部分；6，變頻器；7，電機；8，漏水孔；9，承托板。1， Soaking water tank; 2， Z-shaped conveyor belt; 3， First part of Z-shaped conveyor belt; 4， Second part of Z-shaped conveyor belt; 5， Third part of Z-shaped conveyor belt; 6， Inverter; 7， Motor; 8， Leak hole; 9， Support plate.圖2 浸泡裝置Fig.2 Soaking machine

水箱采用厚度1.5 mm的不銹鋼板加工而成，其尺寸為2 700 mm×1 200 mm×500 mm，可容納1.62 t水。水箱外表面設置兩個環(huán)形方管進行加固。水箱底部設置3°的傾角，在低端設置排水口，排水更加迅速。輸送帶設計為Z字形，分3個部分：第1部分在水面以下，用于浸泡水果；第2部分用于向上輸送水果；第3部分與刷洗裝置完成對接。輸送帶設置厚度為1 mm的矩形承托板，在承托板表面鋪設橡膠墊，防止水果碰撞損傷，降低水果損傷率；輸送帶表面均勻分布圓形漏水孔，可增大與水果的摩擦力，帶動水果向前運動，利于水的流出。輸送帶由電機驅(qū)動鏈輪傳動，通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水果清洗時間。

2.2 噴淋裝置

1，流水板；2，排水閥；3，儲水箱；4，不銹鋼過濾網(wǎng)盤；5，過濾器；6，水泵；7，噴嘴；8，水管；9，流量調(diào)節(jié)閥。1， Flow plate; 2， Drain valve; 3， Water storage tank; 4， Stainless steel filter screen; 5， Filter; 6， Water pump; 7， Nozzle; 8， Water pipe; 9， Flow control valve.圖3 噴淋循環(huán)裝置Fig.3 Spray circulation machine

噴淋裝置包括水泵、過濾器、流量調(diào)節(jié)閥、水管、噴頭、流水板、儲水箱、排水閥和不銹鋼過濾網(wǎng)盤等部件，如圖3所示。工作時，儲水箱注入一定水，水泵將儲水箱中的水增壓后經(jīng)過濾器過濾注入上方水管，通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)噴嘴的流量，最后水流經(jīng)噴嘴射向水果表面，清洗水果的水流通過毛刷輥下方的流水板進入儲水箱，流水板設置成斜梯型，有利于水流流動，流水板與儲水箱之間設有不銹鋼過濾網(wǎng)盤，用于水流過濾。此水循環(huán)設置兩個水流過濾裝置，使水流達到良好的凈化效果并且實現(xiàn)水流的循環(huán)，節(jié)約水資源。

2.3 刷洗裝置

2.3.1 毛刷輥材料

相對于PA610、PBT、PP等刷絲材料，PA1010材料在常溫與低溫下具有較好的沖擊性能，表面硬度較大，耐疲勞強度高，比重輕，容易安裝與搬運，并且無毒、耐菌與蟲蛀、價格低，經(jīng)濟效果好，是理想的刷絲材料[13]。因此，刷洗裝置毛刷輥材料選用PA1010。毛刷棍結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3.2 毛刷輥尺寸

清洗機作業(yè)時，主要依靠毛刷輥與水果之間的摩擦進行刷洗，毛刷輥的尺寸極其重要。毛刷輥尺寸過小，則水果與毛刷輥接觸面積小，致使水果自身難以翻轉(zhuǎn)，從而影響清洗效果；毛刷輥尺寸過大，則水果易卡在兩個毛刷輥中間難以向前運動，影響清洗效果。試驗選用蘋果平均直徑在60～100 mm，綜合考慮蘋果尺寸及清洗效果，

圖4 毛刷輥Fig.4 Brush roller

2.3.3 毛刷輥組數(shù)

水果的刷洗工作主要是利用毛刷輥與水果之間相對運動的摩擦進行，若清洗毛刷輥組數(shù)太少，達不到清洗的效果，若清洗毛刷輥組數(shù)太多，則會增加水果在毛刷輥上的運動行程，易增加水果表面的損傷率[14-15]。

根據(jù)前期預研結(jié)果，選用奇數(shù)排毛刷棍轉(zhuǎn)速為70 r·min-1、偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速90 r·min-1，對10、11、12、13、14組清洗毛刷輥作業(yè)時的洗凈率與損傷率進行了分析。由圖5可知，毛刷輥組數(shù)越多，水果洗凈率越高，但損傷率也越高；當毛刷輥組數(shù)為12時，洗凈率較好，損傷率較低，故確定清洗輥組數(shù)為12。

圖5 毛刷輥組數(shù)的影響Fig.5 Determination of the number of brush roller groups

2.3.4 毛刷輥傳動方式

清洗機采用毛刷輥差速原理清洗水果，其傳動由兩個驅(qū)動電機驅(qū)使奇、偶排鏈輪轉(zhuǎn)動，傳動系統(tǒng)如圖6所示。

3 蘋果力學特性分析

類球形脆皮水果在產(chǎn)后處理過程中存在磕碰與損傷問題，為解決這一問題，分析類球形脆皮水果的力學特性至關(guān)重要，可為低損傷清洗裝置的設計提供理論依據(jù)。蘋果作為類球形脆皮水果之一，其種植與產(chǎn)出在水果產(chǎn)業(yè)中占有十分重要的地位，本節(jié)以蘋果為研究對象，對蘋果在清洗過程中的運動進行分析。

對毛刷輥上的蘋果進行受力分析，如圖7所示。蘋果主要受到兩個毛刷輥的支持力N1、N2，與毛刷輥的摩擦力f1、f2與自身重力G(G=mg)的作用。其中：ω為毛刷輥的旋轉(zhuǎn)方向，V是蘋果運動的方向，O是蘋果的質(zhì)心位置，O1、O2是蘋果與兩個毛刷輥的接觸點，θ1為支持力N1與水平方向的夾角，θ2為支持力N2與水平方向的夾角，α為重力G與支持力N2的夾角，β為支持力N1與支持力N2的夾角，O到O1的距離與O到O2的距離均為蘋果半徑R，以支持力N2方向為Y軸，以O為原點做垂直于Y軸的X軸。

1，奇數(shù)排毛刷輥驅(qū)動電機；2，偶數(shù)排毛刷輥驅(qū)動電機；3，雙排鏈輪；4，機架；5，鏈條。1， Odd-numbered rows of brush roller drive motors; 2， Even-numbered rows of brush roller drive motors; 3， Double-row sprockets; 4， Racks; 5， Chains.圖6 傳動系統(tǒng)Fig.6 Transmission system

a，水果受力位置示意圖；b，水果受力示意圖。a， Schematic diagram of fruit stress; b， Fruit force.圖7 水果運動受力分析圖Fig.7 Fruit sports force analysis chart

由圖7得：

f1=μN1；

(1)

f2=μN2。

(2)

式(1)、(2)中μ為蘋果與毛刷輥之間的摩擦系數(shù)。

蘋果在清洗的過程中，可以得到作用在蘋果上所有力對接觸點O2的合力矩為

∑MO2=N1Rsinβ-mgRsinα-f1(R-Rcosβ)。

(3)

將式(1)代入式(3)得

∑MO2=N1Rsinβ-mgRsinα-μN1(R-Rcosβ)。

(4)

蘋果在此位置能夠滾過毛刷輥的條件是：同時滿足在O2處的合力矩大于零和在O2處切線方向的合力大于零，即：

∑MO2=N1R(sinβ+μcosβ)-mgRsinα-μN1R>0。

(5)

μN2+N1cos(90-β)-μN1sin(90-β)-mgsinR>0。

(6)

由上述分析可知，只有同時滿足式(5)與式(6)時蘋果才能順利進入下一個毛刷輥，在清洗過程中，如果沒有蘋果之間的碰撞，蘋果與兩個毛刷輥的作用力N1與N2的夾角β基本不變，但蘋果在運動過程中不僅會受到輸送帶上初始速度的影響，而且蘋果之間的相互擠壓與碰撞也很明顯，所以蘋果在毛刷輥上的運動情況極其復雜，輸送帶的初始速度、兩個毛刷輥的轉(zhuǎn)速是影響蘋果受力的關(guān)鍵因素，也是影響蘋果清洗的洗凈率與損傷率的主要因素。

4 性能試驗

為研究不同轉(zhuǎn)速的毛刷輥對類球形脆皮水果的清洗效果，確定奇、偶排毛刷輥組的最優(yōu)差速值，開展了清洗機單因素試驗與正交試驗研究。

4.1 試驗材料

為研究類球形脆皮水果的清洗效果，以紅富士蘋果為試驗材料。根據(jù)國家分級標準[16]，大型果與中小型果按照果實橫徑大小分為3個等級：一等品、二等品和小于二等品的等外果。因清洗機面對不同果徑大小的水果應具有適應性，本試驗選用橫徑為60、70、80、90、100 mm的紅富士蘋果進行試驗。

4.2 試驗評價指標

試驗選取洗凈率與損傷率為清洗效果的評價指標。目前水果行業(yè)并沒有定量評價水果是否清洗干凈的判斷標準，洗凈率只是一種定性的概念，故行業(yè)人士認為清洗后觀察水果表面沒有泥沙、蟲卵、塵土等雜質(zhì)即為清洗干凈[17-19]。

洗凈率的檢測方法：對水果進行清洗，篩選清洗干凈的水果與未清洗干凈的水果并用高精度電子秤進行稱量。洗凈率計算公式為

(7)

式(7)中：X為洗凈率，%；M1為清洗機作業(yè)后蘋果的清洗后總質(zhì)量，g；M2為清洗機作業(yè)后未清洗干凈的蘋果質(zhì)量，g。

損傷率的檢測方法：篩選清洗后未損傷的水果與損傷的水果并用高精度電子秤進行稱量。損傷率計算公式為

(8)

式(8)中：Y為損傷率，%；N1為清洗機作業(yè)后表皮損傷的蘋果質(zhì)量，g；N2為清洗機作業(yè)后蘋果的總質(zhì)量，g。

研究表明，分別以洗凈率與損傷率作為評價指標時，所得各因素顯著性并不一致，需要綜合考慮試驗因素對兩個評價指標的影響，采用綜合加權(quán)平均法對其進行優(yōu)化，綜合加權(quán)平均值計算公式為

Z=[ε1X+ε2(1-Y)]×100。

(9)

式(9)中：Z為綜合加權(quán)平均值(%)；ε1為洗凈率的綜合加權(quán)系數(shù)，取0.5；ε2為損傷率的綜合加權(quán)系數(shù)，取0.5。

蘋果清洗試驗如圖8所示。

圖8 蘋果清洗試驗Fig.8 Test of washing apples

4.3 單因素試驗

4.3.1 試驗設計

以奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va，偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb，浸泡時間T為影響因素，以洗凈率、損傷率為評價指標，進行單因素試驗。

1) 以奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va為試驗因素：偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb為60 r·min-1，順時針方向轉(zhuǎn)動；浸泡時間T為15 s，奇數(shù)排毛刷輥為順時針方向轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速Va依次選取40、60、80、100、120 r·min-1。

2) 以偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb為試驗因素：奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va為40 r·min-1，順時針方向轉(zhuǎn)動；浸泡時間T為15 s，偶數(shù)排毛刷輥為順時針方向轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速Vb依次選取40、60、80、100、120 r·min-1。

3) 浸泡時間T為試驗因素：奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va為40 r·min-1，偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb為60 r·min-1，均為順時針方向轉(zhuǎn)動，浸泡時間T依次選取5、10、15、20、25 s。

4.3.2 試驗結(jié)果與分析

如圖9-a所示，奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速對蘋果洗凈率呈非線性關(guān)系，試驗結(jié)果表明，當奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為40～80 r·min-1時，洗凈率呈顯著上升趨勢，80～120 r·min-1時，洗凈率呈下降趨勢；奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速與損傷率呈非線性關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速的增加，損傷率呈先下降后上升趨勢；洗凈率在毛刷輥轉(zhuǎn)速80 r·min-1時達到最高；如圖9-b中所示，當奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為80 r·min-1時，綜合加權(quán)平均分值最高。綜合洗凈率、損傷率與綜合權(quán)平均分值，正交試驗中選取奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速3個水平為60、80、100 r·min-1。

圖9 奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速對清洗效果的影響Fig.9 Effect of odd-numbered brush roller speed on cleaning performance

如圖10-a所示，偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速對蘋果洗凈率呈非線性關(guān)系，試驗結(jié)果表明，當偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為40～100 r·min-1時，洗凈率整體呈上升趨勢，100～120 r·min-1時，洗凈率整體呈下降趨勢；偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速與損傷率呈非線性關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速的增加，損傷率呈先下降后上升趨勢，當轉(zhuǎn)速在40～100 r·min-1，損傷率顯著下降，100～120 r·min-1時，損傷率緩慢增加；洗凈率在毛刷輥轉(zhuǎn)速100 r·min-1時達到最高；如圖10-b所示，當偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為100 r·min-1時，綜合加權(quán)平均分值最高。綜合洗凈率、損傷率與綜合加權(quán)平均分值，正交試驗中選取偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速3個水平為80、100、120 r·min-1。

圖10 偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速對清洗效果的影響Fig.10 Effect of even-numbered brush roller speed on cleaning performance

如圖11-a所示，浸泡時間與蘋果洗凈率呈非線性關(guān)系，浸泡時間在5～20 s時，洗凈率呈上升趨勢，20～25 s，洗凈率呈下降趨勢；浸泡時間與損傷率近似呈線性關(guān)系，損傷率上下變動幅度不大；從圖11-b看出，當浸泡時間為20 s時，綜合加權(quán)平均分值最高。綜合洗凈率、損傷率與綜合加權(quán)平均分值，正交試驗中選取浸泡時間的3個水平分別為15、20、25 s。

圖11 浸泡時間對清洗效果的影響Fig.11 Effect of soaking time on cleaning effect

4.4 正交試驗

4.4.1 試驗設計

根據(jù)單因素試驗分析結(jié)果，選取奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Va，偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速Vb，浸泡時間T為試驗因素，每個因素設置3個水平，同時設置空白列，進行3因素3水平正交試驗，使用L9(34)設計試驗[20-21]。試驗因素和水平如表1所示。

表1 試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of test

4.4.2 試驗結(jié)果與分析

正交試驗結(jié)果如表2所示。對綜合加權(quán)平均值Z的極差分析結(jié)果如表3所示，對綜合加權(quán)平均值Z的方差分析結(jié)果如表4所示。由表3可知，各因素影響順序由大到小為Va>Vb>T，最優(yōu)組合為Va2Vb2T3。由表4可知，因素Va、Vb、T對綜合指標Z的影響均顯著，其顯著順序由大到小為Va、Vb、T。由對綜合指標Z的極差分析與方差分析結(jié)果可得，因素Va應選取第二水平，Vb應選取第二水平，因素T應選取第三水平。因此，清洗機的最優(yōu)組合參數(shù)為Va2Vb2T3，即奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，浸泡時間為25 s。

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiment

表3 正交試驗極差分析結(jié)果Table 3 Range analysis results of orthogonal experiment

表4 正交試驗方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis results of orthogonal experiment

如圖12-a、b所示，清洗前水果表面布滿灰塵、污物，通過清洗之后水果表面沒有任何雜質(zhì)，顏色鮮艷亮麗，為后續(xù)的加工處理提供了保障，滿足了清洗的需求。

圖12 蘋果清洗前(a)、后(b)的圖片F(xiàn)ig.12 Pictures before (a) and after (b) apple cleaning

5 結(jié)論

1)針對我國水果產(chǎn)后處理技術(shù)落后，尤其類球形脆皮水果采后加工質(zhì)量低等問題，設計了一種集浸泡、噴洗、刷洗與集果等功能的雙速毛刷輥式水果清洗機，有效解決了類球形脆皮水果清洗機洗凈率低、損傷率高且清洗效率低的問題。

2)清洗試驗結(jié)果表明：奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速、偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速與浸泡時間對洗凈率與損傷率的影響大小順序：奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速>偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速>浸泡時間，蘋果清洗的最佳組合參數(shù)為奇數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，偶數(shù)排毛刷輥轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，浸泡時間為25 s。