常兵兵，吳勁鋒，徐彥瑞，李曉偉，毛雪杰

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院）

0 引言

西瓜是由國外傳入中國的的一種水果，在國內(nèi)經(jīng)過不斷改良以后被廣泛種植。西瓜瓜瓤的含水量達到94%，碳水化合物的含量僅為4%，膳食纖維的含量為0.3%，含有大量的維生素及營養(yǎng)物質(zhì)[1-2]。西瓜是一種季節(jié)性非常強的水果，所以西瓜大多僅僅以比較單一的原果形式進行銷售，鮮榨西瓜汁雖然深受大眾的喜愛，但是工業(yè)化生產(chǎn)并未實現(xiàn)。

國內(nèi)外目前對于西瓜破碎方面的研究較少。其中，張志強[3]等設(shè)計的籽瓜破碎取籽分離機，較好地實現(xiàn)了籽瓜的破碎取籽，能夠高效實現(xiàn)皮瓤籽的分離；由譚磊[4]等設(shè)計的油棕果殼破碎分離機解決了油棕果殼破殼不完全和殼仁分離不徹底的問題。目前市場上存在的西瓜汁類的產(chǎn)品僅限于鮮榨西瓜汁，為了實現(xiàn)西瓜的深加工，課題組設(shè)計了一道西瓜汁加工生產(chǎn)線，可以實現(xiàn)西瓜汁的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，西瓜的破碎分離為生產(chǎn)線的首要環(huán)節(jié)。本文設(shè)計的西瓜破碎分離機實現(xiàn)了西瓜的破碎分離。

1 西瓜破碎分離機的設(shè)計

西瓜破碎分離機主要用于西瓜汁的深加工生產(chǎn)線上，其主要作用是完成西瓜整瓜的初步破碎分離，以及在完成西瓜的破碎分離以后，對西瓜瓜瓤進行進一步的打漿處理和固液分離，然后進行灌裝和殺菌。西瓜的破碎分離為生產(chǎn)線的首要環(huán)節(jié)。西瓜汁生產(chǎn)線的流程如圖1 所示。

圖1 西瓜汁生產(chǎn)線流程圖Fig.1 Flow chart of watermelon juice production line

1.1 整機的結(jié)構(gòu)

西瓜破碎分離機的整體設(shè)計主要由3 部分組成：（1）破碎輥和擠壓輥，實現(xiàn)整瓜的破碎；（2）皮瓤分離機構(gòu)，實現(xiàn)瓜皮和瓜瓤分離；（3）籽瓤分離機構(gòu)，實現(xiàn)瓜瓤和瓜籽的分離。西瓜破碎分離機結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 西瓜破碎分離機的二維圖Fig.2 Two-dimensional diagram of watermelon crushing separator

1.2 工作原理

首先由喂料口喂入清洗干凈的完整西瓜，破碎輥和擠壓輥對西瓜進行破碎和擠壓，使瓜皮和瓜瓤變成較小的塊莖以后進入到皮瓤分離裝置中，在皮瓤分離輥的作用下，西瓜塊莖受到皮瓤分離輥的擠壓力和摩擦力，使瓜皮和瓜瓤分離，瓜皮通過瓜皮出料口排出機外，果瓤和瓜籽通過皮瓤分離篩網(wǎng)后進入到籽瓤分離裝置，瓜籽和瓜瓤受到籽瓤分離輥的擠壓力，實現(xiàn)了瓜瓤和瓜籽的分離，而未能通過篩網(wǎng)的瓜籽經(jīng)瓜籽出料口排出機外，通過篩網(wǎng)的瓜瓤經(jīng)瓜瓤出料口排出機外，實現(xiàn)了西瓜皮瓤籽的分離[5]。

1.3 關(guān)鍵部件的設(shè)計

1.3.1 破碎刀輥的設(shè)計

西瓜瓜籽外形尺寸較小，在完成西瓜的破碎分離后，利用價值不大，因此在分離過程中不考慮瓜籽的損失和損傷程度，故將破碎刀輥設(shè)計成三棱柱形狀，既可以完成西瓜的破碎，又可以提高籽瓜的破碎效率[6]。破碎刀輥的形狀如圖3 所示。破碎刀輥整體形狀為三棱柱形，破碎刀輥的動力由電機驅(qū)動。在不同的3 個平面內(nèi)均勻地分配有5 個刀輥，角度較小的棱為破碎刀輥的主要切割刀刃，角度為45°。三棱柱形破碎刀輥的設(shè)計，增加了刀輥與西瓜之間的接觸面積，使西瓜在破碎過程中受到破碎刀輥切削力、剪切力、摩擦力的混合作用力，以提高西瓜的破碎效率[7]。

圖3 破碎刀輥三維圖Fig.3 Three-dimensional diagram of crushing knife roller

1.3.2 皮瓤分離篩網(wǎng)的設(shè)計

皮瓤分離篩網(wǎng)實現(xiàn)了西瓜瓜皮和瓜瓤的分離，皮瓤分離篩網(wǎng)的設(shè)計主要根據(jù)西瓜完成破碎以后瓜皮顆粒的大小程度而定。在完成整瓜的破碎以后，皮瓤分離輥對瓜皮和瓜瓤進行擠壓，由于瓜皮的硬度大于瓜瓤的硬度，因此瓜瓤在皮瓤分離輥的擠壓作用下和瓜皮分離并進入到籽瓤分離裝置中。皮瓤分離篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。篩網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑為12 mm，可以保證瓜瓤能夠順利通過皮瓤分離篩網(wǎng)且阻擋瓜皮通過篩網(wǎng)。

圖4 皮瓤分離篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of skin and pulp separation screen

1.3.3 籽瓤分離篩網(wǎng)的設(shè)計

在制備西瓜汁的過程中，西瓜在進行破碎分離以后，還需要對瓜瓤進行一系列的打漿分離，西瓜籽的影響幾乎可以忽略不計，故籽瓤分離篩網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)遵循瓜瓤損失率最小為原則。籽瓤分離篩網(wǎng)的網(wǎng)孔過小雖然有利于提高瓜籽的分離效率，但是瓜瓤的損失率也增高了；篩網(wǎng)的網(wǎng)孔過大會導(dǎo)致在籽瓤分離過程中瓜籽的分離效率降低。篩網(wǎng)的網(wǎng)孔大小根據(jù)西瓜瓜籽的平均大小來設(shè)定，西瓜瓜籽的平均大小為4 mm×6 mm，因此籽瓤分離篩網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑為4 mm。籽瓤分離篩網(wǎng)如圖5 所示。

圖5 籽瓤分離篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of seed and pulp separation screen

2 西瓜破碎分離的試驗研究

2.1 試驗材料與設(shè)備

試驗在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院521 實驗室進行，此次試驗采用自主研發(fā)的西瓜破碎分離機進行其性能測試。測量儀器設(shè)備主要有上海速展機電有限公司的TCS-01 型電子秤（測量范圍0～300 kg，精度0.01 kg），上海瑤新電子科技有限公司的LQ-C5001 型電子天平（最大量程3 000 g，精度0.1 g），上海工具廠有限公司的MNT-150T 型電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺（測量范圍0～300 mm，誤差±0.03 mm）。將新鮮的西瓜清洗干凈后進行稱重分組，雙道打漿機為自主研發(fā)設(shè)計的樣機，試驗材料為陜西省的“甜王瓜”。西瓜各組分的含量見表1[8]。

表1 西瓜的組成成分Tab.1 Composition of watermelon

2.2 試驗?zāi)康?/h3>

為了實現(xiàn)西瓜皮瓤籽的完全分離，以破碎輥轉(zhuǎn)速、皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速、籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速分別為單因素試驗，研究各因素對皮中含瓤率、籽中含瓤率和西瓜汁的濃度的影響效果，通過試驗來測定最適宜的工作參數(shù)[9]。

2.3 試驗指標(biāo)

在實際生產(chǎn)中，西瓜籽的利用價值不大，不再考慮西瓜籽的損毀程度，以瓜皮中所含瓜瓤的量和瓜籽中所含瓜瓤的量來作為試驗的兩個指標(biāo)，進行單因素試驗[10-12]。

（1）皮中含瓤率的測定

皮中含瓤率表示瓜皮出料口中瓜瓤含量所占整體物料含量的比值[13]。

式中：T1——皮中含瓤率，%；N1——瓜皮出料口中瓜瓤的質(zhì)量，kg；N——瓜皮出料口物料的總質(zhì)量，kg。

（2）籽中含瓤率的測定

籽中含瓤率表示瓜籽出口中瓜瓤含量所占整體物料含量的比值。

式中：T2——籽中含瓤率，%；M1——瓜籽出料口中瓜瓤的質(zhì)量，kg；M——瓜籽出料口物料的總質(zhì)量，kg。

2.4 試驗方案

試驗時，先將西瓜分成等質(zhì)量的份數(shù)，待機器運轉(zhuǎn)穩(wěn)定以后，將西瓜在1 min 內(nèi)勻速投放進喂料口，在瓜皮出料口和瓜籽出料口停止出料以后關(guān)閉機器電源。瓜皮分離實驗中以破碎輥轉(zhuǎn)速和皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗，以皮中含瓤率為試驗指標(biāo)，對西瓜皮瓤分離效果進行研究，試驗因素見表2[14-15]。

表2 皮瓤分離效果試驗水平Tab.2 Test level of separation effect of skin and pulp

瓜籽分離試驗中以破碎輥轉(zhuǎn)速、皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速和籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗，以籽中含瓤率為試驗指標(biāo)，對西瓜的籽瓤分離效果進行研究，試驗因素見表3。

表3 籽瓤分離效果試驗水平Tab.3 Test level of seed and pulp separation effect

2.5 試驗結(jié)果與分析

2.5.1 破碎輥轉(zhuǎn)速對西瓜破碎分離的影響

以破碎輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗，研究破碎輥轉(zhuǎn)速對西瓜破碎分離效果的影響，如圖6 所示。由圖6 可知，當(dāng)破碎輥轉(zhuǎn)速為180 r/min 時，皮中含瓤率為12%，籽中含瓤率為16%，即可達到最佳分離效果。當(dāng)破碎輥的轉(zhuǎn)速過大時，由于破碎輥電機相對地面的高度差比較大，機器震動幅度也隨之變大，整機的穩(wěn)定性也隨之變差。

圖6 破碎輥轉(zhuǎn)速單因素試驗結(jié)果Fig.6 Single factor test results of crushing roller speed

2.5.2 皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速對西瓜破碎分離的影響

以皮瓤分離輥為單因素試驗，研究皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速對西瓜破碎分離效果的影響，如圖7 所示。籽中含瓤率隨皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速的增大而增大，考慮到西瓜破碎分離的效率問題，當(dāng)皮瓤分離輥的轉(zhuǎn)速為45 r/min 時，皮中含瓤率的量最小。

圖7 皮瓤分離輥轉(zhuǎn)速單因素試驗結(jié)果Fig.7 Single-factor test results of the speed of separation roller

2.5.3 籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速對西瓜破碎分離的影響

以籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗，研究籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速對西瓜破碎分離效果的影響，如圖8 所示。當(dāng)籽瓤分離輥的轉(zhuǎn)速過大時，瓜籽出料口有大量的瓜瓤流出；當(dāng)籽瓤分離輥的轉(zhuǎn)速為115 r/min 時，即可達到最佳分離效果。

圖8 籽瓤分離輥轉(zhuǎn)速單因素試驗結(jié)果Fig.8 Single-factor test results of the speed of seed and pulp separating roller

4 結(jié)論

（1）本設(shè)計完成了一種新型的西瓜破碎分離機，對整機的結(jié)構(gòu)、工作原理和關(guān)鍵部件進行了分析和設(shè)計，整機的工作性能穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，能夠滿足生產(chǎn)線的需求，破碎輥、皮瓤分離輥、籽瓤分離輥3 個部分分別由各自的電動機提供動力，減少了機器運行中的故障率。

（2）由試驗結(jié)果可以得出，西瓜破碎分離機的最佳工作參數(shù)為：破碎輥的轉(zhuǎn)速為180 r/min；皮瓤分離輥的轉(zhuǎn)速為45 r/min；籽瓤分離輥的轉(zhuǎn)速為115 r/min。