李 玲，崔振德，李國(guó)杰，鄭 爽，覃雙眉，何馮光

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524091）

0 引言

木薯（Manihot esculenta crantz）是世界三大薯類作物之一，也是全球年產(chǎn)超億噸的七大作物之一，是許多熱帶、亞熱帶地區(qū)國(guó)家重要的糧食作物和能源作物，在我國(guó)廣泛分布于廣西、廣東和海南等地[1-3]。我國(guó)當(dāng)前木薯種植面積約30 萬(wàn)hm2左右，木薯產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的2.5%左右。木薯可食用、飼用、提取淀粉等[4-5]，不同于其他作物，木薯塊根、莖葉均含有氰苷，會(huì)生成有毒的氫氰酸[6]，木薯塊根的氰苷主要集中于木薯皮中[7]，木薯皮分外皮和內(nèi)皮，其中薯外皮約有1.0%～2.0%，薯內(nèi)皮約有10.0%～14.0%[8-9]，木薯皮中的氰苷含量是木薯肉中含量的5～10 倍。因此木薯制品其加工工藝都要求對(duì)原料木薯進(jìn)行去皮處理，以去除大部分氰苷，保證產(chǎn)品的質(zhì)量、良好的外觀、色澤和口感。當(dāng)前市場(chǎng)上尚沒有專門針對(duì)木薯去皮的成熟技術(shù)與設(shè)備。

本文設(shè)計(jì)了一款基于磨削去皮方法的連續(xù)式木薯去皮機(jī)，該機(jī)對(duì)切斷后的木薯塊根進(jìn)行去皮，可提高去皮效率，降低生產(chǎn)成本。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

木薯連續(xù)式去皮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，連續(xù)式木薯去皮機(jī)主要由機(jī)架、蓋板、可拆卸面板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器、金剛砂輥、螺旋輸送軸及葉片、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、木薯皮回收槽、排水口、出料口等組成。

圖1 連續(xù)式木薯去皮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

去皮機(jī)作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)機(jī)器開始按鈕，經(jīng)過切段的木薯通過提升機(jī)由進(jìn)料口落入由螺旋軸及葉片與一組金剛砂輥組成的空腔內(nèi)，由螺旋軸緩慢向前推送，木薯在金剛砂輥上滾動(dòng)、摩擦，在金剛砂輥表面砂粒磨削作用下去掉木薯皮，通過調(diào)節(jié)變頻器旋鈕來改變螺旋軸轉(zhuǎn)速，控制木薯在空腔內(nèi)的停留時(shí)間，從而控制木薯去皮時(shí)間，同時(shí)噴淋管出水孔將水流噴到木薯表面，泥沙和磨削掉的薯皮隨水流流入回收槽，廢水經(jīng)排水口排出，完成去皮后，木薯在螺旋軸推動(dòng)下到達(dá)卸料口，從而完成卸料。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)線路設(shè)計(jì)

該木薯去皮機(jī)螺旋軸和金剛砂輥組分別采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)的木薯去皮機(jī)傳動(dòng)線路如圖2 所示。

圖2 傳動(dòng)線路圖

螺旋軸驅(qū)動(dòng)部分主要由變頻器、減速電機(jī)、聯(lián)軸器等組成，減速電機(jī)連接變頻器，減速電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器直接與螺旋軸連接，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 430 r/min，減速機(jī)減速比35 :1，輸出轉(zhuǎn)速0～41 r/min；金剛砂輥組件傳動(dòng)部分主要由電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)、鏈輪、鏈條等組成，電機(jī)選用2.2 kW 三相異步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 350 r/min，連接蝸輪蝸桿減速機(jī)，減速比10，輸出軸轉(zhuǎn)速135 r/min，通過鏈輪鏈條與1個(gè)金剛砂輥軸Ⅴ連接，傳動(dòng)比3 :4，金剛砂輥轉(zhuǎn)速180 r/min，其他金剛砂輥軸通過鏈輪、鏈條兩兩互連（如圖2b），金剛砂輥間的鏈輪鏈條傳動(dòng)比1 :1。

2.2 去皮輥組件設(shè)計(jì)

去皮輥組件主要由8 根直徑為135 mm 的金剛砂輥組成，兩端采用軸承、軸承座固定于機(jī)架上，如圖3 所示，去皮輥呈弧形排列，圓弧直徑605 mm，形成用于木薯去皮的空腔，輥與輥中心距145 mm。工作時(shí)，8 根去皮輥沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，木薯在空腔內(nèi)與金剛砂輥的表面碰撞、摩擦，完成去皮過程，磨削后的木薯皮在水流作用下與廢水混合物一起通過輥與輥之間的縫隙排出。

圖3 去皮輥組件示意圖

2.3 螺旋推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)

螺旋推送裝置由中心軸和螺旋葉片組成，中心軸直徑80 mm，中心軸轉(zhuǎn)速0～41 r/min，螺旋葉片外徑460 mm，螺旋葉片與金剛砂輥間隙10 mm，螺旋葉片螺距250 mm，為避免葉片傷薯，葉片外緣做加厚處理。工作時(shí)，木薯由入料端進(jìn)入由去皮輥和螺旋推送裝置組成的腔體內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)葉片作用下，向出料端推送。

圖4 螺旋推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)于2021 年3 月在中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所木薯生產(chǎn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備主要包括設(shè)計(jì)的連續(xù)式木薯去皮機(jī)、輸送帶上料機(jī)、游標(biāo)卡尺、電子秤、測(cè)速儀、木薯收獲機(jī)、鍘刀等；試驗(yàn)材料為中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所木薯生產(chǎn)基地種植的南植199 木薯，木薯通過木薯收獲機(jī)挖掘收獲，再人工挑揀除去直徑小于等于15 mm 以及有機(jī)械損傷的木薯，根據(jù)試驗(yàn)方案采用鍘刀切斷、分類。木薯連續(xù)式去皮機(jī)放置于調(diào)試區(qū)，并將連續(xù)式木薯去皮機(jī)的進(jìn)水管與室內(nèi)自來水管道連接。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和去皮后木薯分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 木薯連續(xù)式去皮機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 去皮后的木薯

3.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

木薯連續(xù)式去皮機(jī)的主要工作目的是盡可能多地去除木薯皮，同時(shí)盡可能少地在去皮過程中造成木薯?yè)p失。因此，選取去皮合格率、斷薯率、減重率為性能試驗(yàn)指標(biāo)。其中去皮合格率指去皮合格（表皮去除率90%以上為合格）的木薯根數(shù)占總木薯根數(shù)的比例；斷薯率是指切斷、壓碎木薯根數(shù)所占木薯總根數(shù)的比例；減重率是指木薯去皮前后重量減少比例。

為優(yōu)化去皮機(jī)作業(yè)參數(shù)，以木薯長(zhǎng)度、木薯直徑、去皮機(jī)螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度作為影響木薯去皮效果的因素，調(diào)試機(jī)具并準(zhǔn)備試驗(yàn)材料，主要包括：

1）調(diào)整螺旋軸轉(zhuǎn)速。根據(jù)螺旋軸轉(zhuǎn)速范圍0～41 r/min，調(diào)節(jié)變頻器，采用測(cè)速儀測(cè)定螺旋軸轉(zhuǎn)速，選取10、20、30 r/min 3 個(gè)水平。

2）準(zhǔn)備試驗(yàn)?zāi)臼?。①為了避免木薯彎曲位置無(wú)法去皮，木薯通常需要切斷去皮，剔除收獲過程中有損傷的木薯以及中段直徑小于15 mm 的木薯，根據(jù)螺旋軸螺距25 cm，木薯長(zhǎng)度應(yīng)小于25 cm，試驗(yàn)前將木薯采用鍘刀切成10、20、30 cm 3 個(gè)長(zhǎng)度水平的木薯段；②根據(jù)已切段木薯中心位置直徑大小，將木薯段分成小于40 mm、40～60 mm、大于60 mm 3種規(guī)格；③每組準(zhǔn)備試驗(yàn)用木薯40 條。

因素水平表如表1 所示。

表1 試驗(yàn)因素水平

3.3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

選用L9（34）正交表，進(jìn)行4 因素3 水平的木薯連續(xù)式去皮機(jī)正交試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果并記錄，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算每個(gè)因素的K 值和極差，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)木薯連續(xù)式去皮機(jī)去皮合格率影響程度從大到小依次為螺旋軸轉(zhuǎn)速、木薯長(zhǎng)度、木薯直徑，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速10 r/min、木薯長(zhǎng)度10 cm、木薯直徑大于60 mm 時(shí)，木薯去皮合格率最高；對(duì)斷薯率影響程度從大到小依次為木薯長(zhǎng)度、木薯直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)木薯長(zhǎng)度為10 cm ；木薯直徑小于40 mm；螺旋軸轉(zhuǎn)速20 r/min 時(shí)候，木薯斷薯率最低；對(duì)減重率影響程度從大到小依次為木薯直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速、木薯長(zhǎng)度，當(dāng)木薯直徑大于60 mm；螺旋軸轉(zhuǎn)速30 r/min、木薯長(zhǎng)度20 cm 時(shí)候，減重率最低。

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析

去皮合格率為木薯連續(xù)式去皮機(jī)重要的性能指標(biāo)，螺旋軸轉(zhuǎn)速慢，物料推進(jìn)速度降低，木薯表皮與金剛砂輥接觸時(shí)間越長(zhǎng)，去皮效果越好；木薯長(zhǎng)度短，更容易避開彎曲部分，木薯表面與金剛砂輥接觸越充分，去皮效果越好；木薯直徑越粗，在去皮腔內(nèi)翻滾碰撞越多，與金剛砂輥表面接觸越多，去皮越充分。綜合分析斷薯率和減重率，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)速10 r/min，木薯長(zhǎng)度10 cm 時(shí)，木薯直徑大于60 mm時(shí)，木薯去皮機(jī)效果最好，考慮到實(shí)際作業(yè)過程中，對(duì)木薯直徑的挑選影響作業(yè)效率，僅以螺旋軸轉(zhuǎn)速和木薯長(zhǎng)度作為木薯連續(xù)式去皮機(jī)參考的影響因素，但作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量剔除直徑細(xì)小的木薯。

4 結(jié)論

為解決木薯收獲后去皮問題，設(shè)計(jì)了一種木薯去皮機(jī)，主要包括機(jī)架、螺旋軸、金剛砂輥組件、傳動(dòng)系統(tǒng)等。

為優(yōu)化去皮機(jī)作業(yè)參數(shù)，以木薯長(zhǎng)度、木薯直徑、去皮機(jī)螺旋軸旋轉(zhuǎn)速度作為影響木薯去皮效果的因素，以去皮合格率、斷薯率、減重率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用3 因素3 水平正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：對(duì)去皮合格率影響程度從大到小依次為螺旋軸轉(zhuǎn)速、木薯長(zhǎng)度、木薯直徑；對(duì)斷薯率影響程度從大到小依次為木薯長(zhǎng)度、木薯直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速；對(duì)減重率影響程度從大到小依次為木薯直徑、螺旋軸轉(zhuǎn)速、木薯長(zhǎng)度。優(yōu)化后最佳作業(yè)參數(shù)為螺旋軸轉(zhuǎn)速10 r/min、木薯長(zhǎng)度10 cm、木薯直徑大于60 mm，在此條件下，木薯連續(xù)式去皮機(jī)作業(yè)效果最優(yōu)。

考慮到實(shí)際作業(yè)過程中，對(duì)木薯直徑的挑選影響作業(yè)效率，僅以螺旋軸轉(zhuǎn)速和木薯長(zhǎng)度作為木薯連續(xù)式去皮機(jī)參考的影響因素，但作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量剔除直徑細(xì)小的木薯。