潘 松,廖 禺,劉 云,王康軍,陳立才,曹志軍

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所,江西 南昌縣 330200;2.江西省農(nóng)業(yè)綜合執(zhí)法大隊,南昌 330000;3.廣昌縣興蓮機械制造有限公司,江西 廣昌 344900)

0 引言

蓮子為睡蓮科蓮的種子[1-3],生于小巧玲瓏的蓮蓬(蓮房)中,屬蓮的副產(chǎn)品,我國大部分地區(qū)均有種植,主要盛產(chǎn)于南方[3],是我國的特產(chǎn)之一。以生產(chǎn)蓮子為主的蓮,稱為子蓮,被譽為中國四大子蓮之鄉(xiāng)的江西贛州、福建建寧、湖南湘潭、湖北洪湖,均是聞名的子蓮產(chǎn)區(qū)[2-5]。蓮子營養(yǎng)豐富,含有人體所需的蛋白質(zhì)、碳水化合物和鈣、磷、鐵及多種維生素等元素[6],是老幼皆宜的食品。2018年,我國蓮子種植面積約61.3萬hm2,同比2017年的55.75萬hm2增長了10.2%;蓮子產(chǎn)量約15.48萬t,同比2017年的14.05萬t增長了10.18%[7]。

傳統(tǒng)的蓮子加工需要經(jīng)過采摘、剝離蓮蓬、剝殼、去皮、捅芯、干燥等一系列的過程[2]。剝蓮蓬也叫剝蓮子,即把蓮子一個個從蓮蓬里剝?nèi)〕鰜?一直是純手工勞動完成,效率非常低,且易傷手指,1個成年人1h最多可剝離蓮蓬12kg(1天按10h計算,1天最多可剝離蓮蓬120kg),嚴(yán)重影響后續(xù)工序的進行。另外,蓮蓬采收季節(jié)多在高溫季節(jié),采摘后的蓮蓬仍然是有生命的機體,其呼吸作用及生理代謝都處于較高水平,耐貯存性較差,在自然條件下極易發(fā)生褐變、衰老等品質(zhì)劣變問題[8]。市場上新鮮蓮子貨架期一般在3～5天[9],新鮮蓮子的供應(yīng)很難滿足市場的需求。

因此,要實現(xiàn)蓮子產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化,依靠手工剝離蓮蓬難以實現(xiàn),嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)效率。蓮子采摘當(dāng)天干燥的品質(zhì)最好,隔天就容易變質(zhì),蓮農(nóng)都不敢大量種植,嚴(yán)重影響了蓮農(nóng)的收入。隨著蓮子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和農(nóng)村勞動力的日益短缺,以及勞動力成本的不斷提高,研發(fā)蓮子加工機械對提升蓮子產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。因此,設(shè)計一種能代替人工剝離蓮蓬的新型機械成為當(dāng)前急需解決的問題。

近年來,有研究者針對蓮子剝蓬機進行了研究。賴明全[10]發(fā)明了一種新鮮蓮蓬脫粒機,蓮蓬進入進料口,通過蓮蓬破碎機構(gòu)破碎后進入分料機構(gòu),達到破碎蓮蓬的目的。這種機械破碎蓮蓬采用彈簧鋼絲,但彈簧鋼絲粗,材質(zhì)較硬,撞擊力強,在高速擊打時很容易打傷蓮肉,有的蓮子表面殼都會擊爛,效果不甚理想。張禮歡[11]發(fā)明了一種蓮蓬脫粒機,采用柔性葉片之間的交錯分布結(jié)構(gòu)破碎蓮子,在機殼下方設(shè)有篩選機構(gòu),使蓮子與蓮蓬分離。這種機械在實際使用中蓮蓬剝出的蓮子很多還會被蓮蓬里面的小膜包裹住,不能充分將蓮子與蓮蓬分離,需要人工二次參與。黃小從[12]發(fā)明了電動蓮蓬快速脫粒機,在電機的輸出軸上設(shè)有若干對交錯成十字型的撕料棒,打碎蓮蓬外殼,使較大的蓮蓬碎片從蓮蓬格網(wǎng)篩下滑到機架外,較小的蓮蓬碎片和蓮子一起下落到蓮子格網(wǎng)篩上,再落入收集箱。這種機械在實際使用中蓮蓬剝出的蓮子很多還會被蓮蓬里面的小膜包裹住,不能充分將蓮子與蓮蓬分離,需要人工二次參與,且對部分蓮子的損傷較大。饒學(xué)雄[13]等發(fā)明了一種蓮蓬脫粒機,利用預(yù)脫粒定刀與脫粒定刀想配合,將蓮子外殼撕碎。這種機械在實際使用中蓮蓬剝出的蓮子的損傷較大。曹志軍[14-17]等發(fā)明了一種農(nóng)業(yè)蓮蓬自動剝離機、一種蓮蓬脫粒機及蓮蓬破碎機,這幾種機械使用時蓮子與破碎的蓮蓬碎屑不易分離,分離過程很繁瑣。以上研究均沒有形成產(chǎn)業(yè)化,未投入生產(chǎn)實際使用。

本研究在現(xiàn)有的各類蓮蓬脫粒機、蓮蓬破碎機基礎(chǔ)上,針對現(xiàn)有機械作業(yè)效果不佳、傷蓮率較高等特點,優(yōu)化設(shè)計了一種全新的蓮子剝蓬機,旨在降低損傷率,提高機器的剝蓬效率。

1 蓮子剝蓬機總體設(shè)計

1.1 鮮蓮蓬物理參數(shù)及剝蓬設(shè)計思路

選擇江西省廣昌縣出產(chǎn)的鮮蓮蓬,形體呈不規(guī)則的橢球形,進行初步測量。鮮蓮蓬球面直徑分布范圍為12～21cm,錐面高度分布范圍為6～10cm。經(jīng)對蓮子(外殼有可見的茶褐色斑塊,且發(fā)芽口部位的內(nèi)衣有明顯可見的粘液)進行測量,蓮子粒度大小范圍為φ15～φ21mm,蓮子橢圓度范圍為最大外徑與最小外徑差值不超過2mm。蓮子被厚厚的蓮蓬皮包裹,蓮子與蓮蓬皮有一定的間隙。相對來說,蓮子具有較好的韌性和強度,對蓮蓬施加一定圍內(nèi)的壓力進行碾搓,能夠?qū)⑸徟顡v碎而不會對蓮子產(chǎn)生損傷。

設(shè)計的基本思路是:利用蓮子和蓮蓬的結(jié)實度有很大的差異、蓮子本身比蓮蓬的蜂窩狀結(jié)構(gòu)硬度更大的特點,在同樣強度的力度下,將蓮蓬的蜂窩狀結(jié)構(gòu)破碎的同時不會損傷蓮子。設(shè)計時,考慮使用鋼絲輪將蓮蓬先破碎,再將破碎的蓮蓬與蓮子通過帶齒滾輪進行分離,從而達到剝蓬的目的。具體來說,就是蓮蓬經(jīng)過鋼絲輪撕碎,第1道粉碎初步形成蓮蓬蜂窩被撕碎、蓮子和蓮蓬混合在一起的狀態(tài),再經(jīng)過脫模骨架;第2道粉碎形成破碎的蓮蓬與蓮子混合物,然后再進行分離。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗,機械加工后的蓮子損傷率要不大于5%,剝蓬率要不小于98%,這樣的機器才有實際的研發(fā)價值。

1.2 第一代蓮子剝蓬機結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)以上思路,設(shè)計了第1代蓮子剝蓬機樣機圖。第1代蓮子剝蓬機主要由進料口、蓮蓬破碎裝置、蓮蓬碎屑分離裝置、出料口、動力系統(tǒng)、蓮子收集箱、碎屑收集箱等7部分組成[9-10],如圖1～圖4所示。

1.進料口 2.料倉 3.第2電機 4.第1主動輪 5.第1傳送帶 6.第1保護罩 7.第1從動輪 8.出料口 9.第1電機 10.第1保護罩圖1 立體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional structure。

1.進料口 2.蓮蓬破碎裝置 3.料倉 4.第2電機 5.漏料孔 6.支架 7.第1彎折部 8.蓮蓬碎屑分離裝置 9.出料口 10.蓋板 11.導(dǎo)料板 12.第1間隙 13.料倉 14.第1電機 15.第1主動輪 16.第1傳送帶 17.第1防護罩 18.軸承 19.第1從動輪圖2 剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of section structure。

1.軸承 2.第1從動輪 3.鋼絲輪 4.毛刷 5.凸起部 6.轉(zhuǎn)軸 7.軸承圖3 蓮蓬破碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of lotus seed pod crushing device。

1.第2從動輪 2.第2輥體 3.第1輥體 4.第2間隙 5.齒牙圖4 蓮蓬碎屑分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of the detrital separation device of lotus seed pod。

由圖1、圖2可以看出:蓮蓬由進料口進入到料倉,蓮蓬破碎裝置的轉(zhuǎn)軸帶動刷毛軸轉(zhuǎn)動,蓮蓬會與轉(zhuǎn)軸上的鋼絲輪接觸,將整個蓮蓬破碎,但不會損傷蓮子;然后,通過蓮蓬碎屑分離裝置,最終實現(xiàn)蓮子不損傷剝離的效果。

2 第1代蓮子剝蓬機關(guān)鍵工作機構(gòu)設(shè)計

2.1 蓮蓬破碎裝置設(shè)計

圖3中,蓮蓬破碎裝置包括轉(zhuǎn)軸和位于轉(zhuǎn)軸上破碎部分。破碎部分包括多根刷毛,形成鋼絲輪,轉(zhuǎn)軸由第1電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)軸帶動鋼絲輪轉(zhuǎn)動。鋼絲輪是破碎蓮蓬的主要工作部件,要求輪結(jié)構(gòu)簡單、成本低且性能穩(wěn)定,同時要有較高的強度、彈性和耐磨性。本設(shè)計鋼絲輪用鋼絲制作,直徑為0.3mm,密集排列。根據(jù)人體一般送料的活動寬度,設(shè)計鋼絲輪工作幅寬為300mm,且鋼絲輪用直徑32mm軸縱向固定在喂入口上?？紤]到轉(zhuǎn)速過快,會將蓮子劃傷,因此通過計算設(shè)計轉(zhuǎn)速為800r/min。從使用方便性、環(huán)保性出發(fā),破碎裝置、碎屑分離裝置分別選擇用電機作為動力,電機分別選擇用功率為1.5、3kW。蓮蓬進入到料倉的時候,會與轉(zhuǎn)軸上的鋼絲輪接觸,可以將整個蓮蓬破碎,因為蓮子本身比蓮蓬的蜂窩狀結(jié)構(gòu)更硬,蓮蓬的蜂窩狀結(jié)構(gòu)破碎,但蓮子本身并不會損傷,最終實現(xiàn)蓮蓬剝蓬。

2.2 蓮蓬碎屑分離裝置設(shè)計

圖4中,蓮蓬破碎后,蓮子和蓮蓬碎屑還是混合在一起的,設(shè)計蓮蓬碎屑分離裝置,可以將蓮蓬碎屑去除掉,從而將蓮子分離出來。蓮蓬碎屑分離裝置包括相對轉(zhuǎn)動的第1輥體和第2輥體,設(shè)計輥體長度L為500mm。其中,第1輥體上設(shè)有齒牙,直徑為50mm;第2輥體為光軸,直徑為20mm;考慮到齒牙在蓮子與碎屑分離的時候不會損傷蓮子且可以將碎屑分離,間隙設(shè)計成2～3mm,轉(zhuǎn)速為380r/min。由于蓮蓬碎屑通常都是不規(guī)則結(jié)構(gòu),而蓮子本身通常都是表面光滑的橢圓結(jié)構(gòu),所以在第1輥體和第2輥體相對轉(zhuǎn)動時蓮蓬碎屑會被齒牙咬住,卷進到第1輥體和第2輥體之間,并向第1輥體和第2輥體的下方運動;但是,蓮子本身是光滑的,所以只會在第1輥體和第2輥體的表面運動,并不會被咬到第1輥體和第2輥體之間去。這樣即可將蓮蓬碎屑去除掉,將蓮子分離出來,便于進行后續(xù)的蓮子脫殼、去皮及通芯的操作。

3 第1代蓮子剝蓬機試驗

3.1 試驗材料

試驗所使用的蓮蓬來源于廣昌,為常見的太空蓮品種,蓮蓬當(dāng)天采收當(dāng)天處理。試驗日期為2017年7月22日,晴,室溫30～33℃,大氣壓0.101 0MPa,在室內(nèi)進行。選擇成熟蓮蓬扁圓形,蓮面平或凸,直徑13～18cm,高6.5～8cm,結(jié)實率84.6%～89.7%。

3.2 試驗方法

針對試制出的第1代蓮子剝蓬機進行試驗,評估其整體加工性能。準(zhǔn)備好試驗所需儀器,即秒表、天平、電表等器具。試驗樣機按使用說明書的要求進行調(diào)整和維護保養(yǎng),共測2次。

試驗樣機先空運轉(zhuǎn)10min,檢測機器是否能正常運轉(zhuǎn)?？者\轉(zhuǎn)后,進行試剝試驗,時間不超過10min。試剝蓬結(jié)束后,準(zhǔn)備試驗的蓮蓬不少于200kg,開始正式試驗。測出試驗的蓮蓬質(zhì)重W、試驗時間T、耗電量G,分別計算噸料電耗及生產(chǎn)率。另外,隨機選取試驗的蓮蓬1 000個進行試驗,正式試驗結(jié)束后分別計算損傷的蓮子數(shù)、未剝蓬數(shù),計算損傷率及剝蓬率。

3.3 試驗結(jié)果

樣機試驗得到的結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明:第1代蓮子損傷率為12.3%～14.6%,損傷較大,不能滿足生產(chǎn)加工的品質(zhì)需要,下一步要想辦法解決蓮子損傷率高的問題。

表1 蓮子剝蓬機試驗參數(shù)表Table 1 Parameter table of lotus seed stripping machine experiment。

4 改進優(yōu)化

經(jīng)研究分析,蓮子剝蓬機蓮蓬破碎裝置設(shè)計合理,符合農(nóng)藝要求。但蓮蓬碎屑分離裝置設(shè)計存在如下缺陷:第1輥體和第2輥體的相對轉(zhuǎn)動時會損傷蓮子,導(dǎo)致蓮子損傷大?，F(xiàn)改變蓮子與碎蓮蓬分離方式,采用傳送帶原理,設(shè)計傳送帶速度為20m/min,由下向上傳送。利用蓮子自身的質(zhì)量及與傳送帶之間產(chǎn)生的摩擦力,沿著傳送帶方向向上運送,而蓮蓬碎屑直接掉落。用4.5kW電機作為傳送帶的動力,保證功率合理配置。圖5、圖6為改進后的第2代蓮子剝蓬機樣機外觀圖、結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖5 外觀圖Fig.5 Appearance of the figure。

圖6 結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.6 Structural profile。

5 第二代蓮子剝蓬機試驗

5.1 試驗材料

試驗日期為2018年8月17日,晴,室溫32℃～35℃,氣壓值1012hPa,在室內(nèi)進行。其余同3.1節(jié)。

試驗所使用依然選擇廣昌的蓮蓬,為常見的太空蓮品種,蓮蓬當(dāng)天采收當(dāng)天處理。試驗日期為2018年8月17日-8月19日,晴,室溫32～35℃,大氣壓0.101 2MPa,在室內(nèi)進行。選擇成熟蓮蓬扁圓形,蓮面平或凸,直徑13～17.5cm,高7.0～9.5cm,結(jié)實率85.2%～90.5%。

5.2 試驗方法

同3.2節(jié),測5次。

5.3 試驗結(jié)果

樣機試驗得到的結(jié)果如表2所示。由表2可知:第2代蓮子剝蓬機損傷率小,耗電少,效率高,工效相當(dāng)于人工的8倍左右,極大地提高了生產(chǎn)效率。

表2 蓮子剝蓬機試驗參數(shù)表Table 2 Parameter table of lotus seed stripping machine experiment。

6 結(jié)論

1)設(shè)計的蓮子剝蓬機以電機為動力,可一次性完成蓮蓬剝離作業(yè)。整機設(shè)計合理,結(jié)構(gòu)簡單,操作維護方便,適應(yīng)性強,具有節(jié)能環(huán)保、勞動強度低、生產(chǎn)率高及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

2)對試驗樣機進行了剝蓬試驗,結(jié)果表明:該機作業(yè)性能穩(wěn)定,剝蓬率、損傷率和生產(chǎn)率平均值分別為100%、2.59%和109.02kg/h,滿足農(nóng)藝要求,適用于蓮蓬的機械化作業(yè)。