袁小偉 蔣志琴 楊雙平 呂慧捷 道爾吉才仁

摘要：針對新疆地區(qū)辣椒烘干時間長、人工切片效率低、工作量大等問題，設計一種辣椒切片機。通過理論分析與參數計算確定辣椒切片機的關鍵部件結構和工作參數，運用性能試驗，選取影響辣椒切片機工作性能的切割圓盤轉速、輸送帶線速度和切割圓盤高度為試驗因素，以切片完整度為試驗指標，進行二次旋轉正交組合試驗，建立試驗指標與影響因素回歸模型，確定辣椒切片機最優(yōu)作業(yè)參數組合為切割圓盤轉速118 r/min，輸送帶線速度0.5 m/s，切割圓盤高度10 mm。通過試驗驗證，在該最優(yōu)參數組合下，切片完整度為97.85%，與模型預測結果基本一致，相較人工切片效率提高344%，可滿足新疆地區(qū)辣椒切片作業(yè)要求。

關鍵詞：辣椒；切片；干燥；壓片設計；圓盤切割；響應面分析

中圖分類號：S223.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0082-07

Abstract： Aiming at the problems of long drying time， low manual slicing efficiency， and heavy workload in Xinjiang area， a pepper slicer was designed. The key structure and working parameters of the pepper slicer was determined through theoretical analysis and parameter calculation. Through the performance test， the speed and the height of cutting disc and the linear speed of conveyor belt were selected as independent variables. The structural integrity of slices of chilli was used as the test index. The secondary rotation orthogonal combination test was carried out. A regression model of test index and influencing factors was established. The model showed that the optimal operating parameters of the pepper slicer were as follows： cutting disc speed 118 r/min， conveyor belt linear speed 0.5 m/s， cutting disc height 10 mm. Through experimental verification， under the optimal parameter combination， the slice integrity was 97.85%， which was basically consistent with the model prediction result. Compared with manual slicing， the efficiency is improved by 344%， which meets the requirements of pepper slicing operations in Xinjiang. This research can provide reference for the design of pepper slicer.

Keywords： pepper; slicing; drying; tablet pressing design; disc cutting; response surface analysis

0引言

辣椒是一種深受廣大消費者喜愛的調味食品，可在美食中提供誘人的色澤和辛辣刺激的口感［12］。截止2021年，辣椒種植面積占蔬菜種植總面積的12%以上［3］，穩(wěn)居蔬菜行業(yè)前列。但由于新鮮辣椒含水量高，貨期短，不耐儲藏，收獲后若不及時處理，極易受到微生物的侵染而腐爛變質。脫水干燥作為新采收辣椒的主要加工方式［46］，是延長辣椒貨架期的重要途徑。干燥辣椒不僅可以用作調味劑，還可用來提取辣椒色素用作工業(yè)原料，應用廣泛［67］。

現有的辣椒干燥技術主要有自然干燥、熱風干燥、真空干燥、氣體射流沖擊干燥、冷凍干燥以及多種方式聯合干燥等［810］。自然干燥方式采用自然陰干方式，耗時較長；其余均為人工輔助干燥方式，人工輔助進行干燥在一定程度上提高了辣椒干燥的效率，但辣椒本身呈封閉立體，在干燥時，內部水分散失較慢。因此在不影響產品品質的前提下，在烘干過程中增大辣椒熱量傳遞的接觸面積，即對辣椒進行切片處理后再進行烘干作業(yè)對提高烘干效率是十分必要的。

目前辣椒切片主要有旋切式和往復式兩種，旋切式［1113］主要是利用高速旋轉的刀片與連續(xù)進給的辣椒配合完成切片，可將辣椒切割為大小均勻的小段，切片主要呈圓圈狀，用于制作辣醬等商品。往復式［1416］主要是利用往復機構使得刀具模擬人工切片動作切割辣椒，該方式作業(yè)效率受到機構本身的影響，效率不高，切片主要呈圓圈狀，用于鮮辣椒腌制?，F有辣椒切片機均針對鮮辣椒腌制進行切片，不適合用于辣椒烘干作業(yè)預處理。

本文設計辣椒切片機針對辣椒烘干作業(yè)進行預處理，采用輸送帶與切割圓盤進行配合作業(yè)，將待烘干辣椒切分為兩半，增大烘干過程中辣椒的接觸面，提高辣椒烘干效率。通過優(yōu)化試驗確定裝置最優(yōu)工作參數，以期均勻切割辣椒，保證辣椒品質，提高烘干效率。

1結構與工作原理

1.1辣椒切片機結構

辣椒切片機結構如圖1所示。

辣椒切片機主要包括機架、輸送帶、梳理棒、壓片、切割圓盤等組成，切割圓盤安裝在輸送帶后端，由電機驅動。壓片安裝在切割圓盤上端，輔助辣椒切割，梳理棒安裝在輸送帶前端，對辣椒進行預整理。

1.2工作原理

工作原理如圖2所示，工作時，辣椒從進料區(qū)進入，由輸送帶向后方切片區(qū)輸送；過程中，辣椒先碰到梳理棒，在梳理棒的作用下，辣椒分為左右兩列，且梳理棒與兩邊擋板間距剛好只允許辣椒縱向通過，使得辣椒縱向放置。整理后的辣椒在輸送帶作用下繼續(xù)向后方輸送，在切片區(qū)壓片的輔助下，由高速旋轉的切割圓盤完成辣椒切片，切片后的辣椒掉落到下方收集區(qū)域。

2關鍵部件設計

2.1輸送帶設計

輸送帶是保證辣椒切片裝置能夠高效運行的前提，輸送帶的辣椒輸送能力決定了辣椒切片的質量和效率。如圖3所示為輸送帶設計圖，如果輸送帶凸起擋塊過小或擋塊間隔過大，辣椒在輸送帶的摩擦力過小，輸送能力差且辣椒易堆積；如果輸送帶凸起擋塊過大，會導致在壓片作用下，辣椒損傷嚴重，同時凸起擋塊過大，切割圓盤安裝位置也會受限。

已知辣椒平均最大直徑為30 mm，因此設計切割圓盤時高度不應高于15 mm，因此輸送帶上凸起擋塊的高度不應高于15 mm。同時為降低擋塊對辣椒的損傷，選擇擋塊凸起高度a為10 mm，擋塊寬度b為40 mm，輸送帶寬度B取90 mm，擋塊間距L取60 mm。

2.2切割圓盤設計

切割圓盤是辣椒切片機的核心部件。工作時，依靠高速旋轉的薄片圓盤對接觸到的辣椒進行切片，設計如圖4所示。為使得辣椒在接觸到圓盤時保持相對穩(wěn)定，避免辣椒橫向堆積，要求輸送帶上的辣椒最多兩個并排，因此設計切割圓盤安裝位置與輸送帶中線偏移距離e放置。

辣椒在被圓盤切割時，主要是受到橫向的剪切力，即由高速旋轉的圓盤與辣椒接觸后產生的圓盤切向力F對辣椒在橫向的分力。假定理想狀態(tài)下，辣椒與圓盤的接觸位點在輸送帶寬度的四分之一處，輸送帶寬度為B，切割圓盤直徑為D，偏心距為e，則有

2.3壓片設計

壓片是確保切割圓盤在工作過程中辣椒中線盡量在一個水平值上的關鍵。壓片高度H過高，不能對接觸到的辣椒起固定作用，導致切片時，辣椒中線發(fā)生變化，切割完整度下降。壓片高度H過低，辣椒不能順利通過，辣椒在輸送帶上產生滑移和堆積，影響切片質量。根據辣椒平均直徑，本次設計取壓片高度為20 mm，則取切割圓盤高度的理論設計值為10 mm。

壓片設計如圖5所示。針對不同品種的辣椒，壓片高度可通過上方壓緊彈簧和調節(jié)螺栓進行調節(jié)，最大調節(jié)高度不低于切割圓盤高度。

3性能試驗

3.1試驗設備及方法

為得到貼近實際生產的試驗數據，于2021年10月在新疆巴州焉耆縣五號渠鄉(xiāng)開展試驗，切割后的辣椒直接進入烘干設備進行烘干，由經驗豐富的農戶辨別切片質量的優(yōu)劣。選取當地種植面積大且在適采期的豬大腸辣椒作為試驗材料，試驗設備為自制辣椒切片機，如圖6所示。

每100 kg辣椒完成切片，作為一次獨立試驗，每完成一次試驗，對本次切片完成的辣椒分類處理，計量切片完整和不完整的辣椒質量，并記錄。

3.2試驗指標

為確保辣椒烘干質量，切片后的辣椒在烘干過程中須能均勻受熱、散發(fā)水汽，因此要求切片完整，即切片時須將辣椒均勻一分為二，避免出現如圖7所示的不完整切割現象，即辣椒未被均勻切分。

為評估辣椒切片機效果，引入辣椒切片完整度，即在同一批次辣椒切片作業(yè)中，切割完整的辣椒質量與總辣椒質量的比值。

3.3試驗方案與結果分析

3.3.1二次旋轉正交組合試驗設計

根據理論分析確定影響作業(yè)質量的因素為切割圓盤轉速、輸送帶線速度和切割圓盤高度。因此選取影響辣椒切割完整度的切割圓盤轉速x1，輸送帶線速度x2和切割圓盤高度x3作為試驗因素，進行三因素二次旋轉正交組合試驗［1719］。根據所選電機的功率設置切割圓盤轉速的低水平為100 r/min，高水平為130 r/min。設置輸送帶線速度低水平為0.4 m/s，高水平為0.6 m/s。根據辣椒平均直徑大小設置切割圓盤高度低水平為8 mm，高水平為12 mm。通過性能試驗對各指標影響因素進行顯著性分析，根據實際作業(yè)需求對各參數進行優(yōu)化。試驗水平編碼表如表1所示，試驗方案及結果如表2所示。

3.3.2回歸分析與顯著性檢驗

利用Design Expert 10軟件對試驗結果進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合，得到切割完整度y的回歸方程，并檢驗其顯著性。

通過對數據的分析，剔除不顯著因素后的切割完整度y的方差分析如表3所示。由表3可知，試驗模型極顯著（P＜0.01）。主因素切割圓盤轉速、輸送帶線速度和切割圓盤高度對切割完整度影響均極顯著（P＜0.01）。二次項中切割圓盤轉速、輸送帶線速度和切割圓盤高度對切割完整度影響均極顯著（P＜0.01）。交互項中切割圓盤轉速與輸送帶線速度對切割完整度的影響顯著（0.01＜P＜0.05），切割圓盤轉速與切割圓盤高度對切割完整度的影響較顯著（P＜0.01），輸送帶線速度與切割圓盤高度對切割完整度的影響較顯著（P＜0.01）。各因素對切割完整度的影響主次順序為x12、x32、x1、x22、x2、x3、x1x3、x2x3、x1x2。將不顯著因素并入殘差項后再次進行方差分析，得到各因素與指標間回歸模型，如式（4）所示。

3.3.3響應面分析

通過Design Expert 10軟件對數據處理，得出因素間的顯著與極顯著交互作用對切割完整度影響的響應曲面，如圖8所示。

由圖8（a）可知，對于切割圓盤轉速，在100～118 r/min 范圍內，隨著切割圓盤轉速的增大，切割完整度提高，在118～130 r/min范圍內，隨著切割圓盤轉速增大，切割完整度逐漸降低。原因在于，當切割圓盤轉速小于118 r/min時，傳送帶速度較低，導致圓盤重復切割辣椒，完整度較低；傳送帶速度較大，導致辣椒移動較快，圓盤切割不及時，造成辣椒橫向擠壓變形，完整度下降。當切割圓盤轉速大于118 r/min時，傳送帶速度較低，導致重復切割，傳送帶速度較高，辣椒輸送滑移現象嚴重，造成辣椒堆積，完整度下降。

對于輸送帶線速度，在0.4 ～0.5 m/s范圍內，隨著輸送帶線速度增大，切割完整度逐漸增大，在0.5 ～0.6 m/s范圍內，隨著輸送帶線速度增大，切割完整度降低。原因在于，當輸送帶線速度小于0.5 m/s時，辣椒在輸送帶上保持相對靜止，輸送效果較好，輸送帶速度增大時，與切割圓盤轉速相匹配，切割完整度增大。當輸送帶線速度大于0.5 m/s時，隨著輸送帶速度增大，辣椒在輸送帶上產生滑移，輸送效果較差，辣椒堆積、變形，導致切割完整度下降。

由圖8（b）可知，對于切割圓盤高度，在8～10 mm范圍內，隨著切割圓盤高度增大，切割完整度增大，在10～12 mm范圍內，隨著切割圓盤高度逐漸增大，切割完整度降低。原因在于，當切割圓盤高度小于10 mm時，辣椒切割位置較低，當切割圓盤高度大于10 mm時，切割位置較高，均會導致辣椒切割完整度下降。對于切割圓盤轉速，在100～118 r/min范圍內，隨著切割圓盤轉速的增大，切割完整度提高，在118～130 r/min 范圍內，隨著切割圓盤轉速增大，切割完整度逐漸降低。原因在于，切割圓盤轉速過低，辣椒切割不充分，切割圓盤轉速過高，辣椒被重復切割，均會導致切割完整度下降。

由于8（c）可知，對于切割圓盤高度，在8～10 mm范圍內，隨著切割圓盤高度增大，切割完整度增大，在10～12 mm范圍內，隨著切割圓盤高度逐漸增大，切割完整度降低。原因在于，當切割圓盤高度小于10 mm時，輸送帶線速度較低，辣椒在輸送帶排列空隙較大，辣椒碰到切割圓盤后產生移位，辣椒中線位置變化，切割高度較低，導致切割不完整；輸送帶線速度較高，辣椒在輸送帶上滑移，堆積到一側，中線位置較高，切割高度較低，不能均勻分割辣椒，切割完整度較低。當切割圓盤高度大于10 mm時，輸送帶線速度較低，辣椒在輸送帶排列間隙較大，中線位置較低，切割位置較高，切割完整度較低；輸送帶線速度過大，辣椒滑移后堆積，中線位置較高，切割位置高，但由于滑移現象不穩(wěn)定，因此切割完整度呈緩慢下降趨勢。

對于輸送帶線速度，在0.4～0.5 m/s范圍內，隨著輸送帶線速度增大，切割完整度逐漸增大，在0.5～0.6 m/s范圍內，隨著輸送帶線速度增大，切割完整度降低。原因在于，當輸送帶線速度小于0.5 m/s時，辣椒在輸送帶上排列間隙大，在碰到切割圓盤時，易產生移位現象，中線位置發(fā)生變化，因此當切割高度較低或較高時，切割完整度均較低。當輸送帶線速度大于0.5 m/s時，辣椒易產生滑移并堆積，但堆積現象并不穩(wěn)定，導致中線位置變化，因此在切割圓盤高度較低或較高時，切割完整度均較低。

4參數優(yōu)化與驗證

4.1參數優(yōu)化

為獲得辣椒切片機最佳作業(yè)參數，利用Design Expert 10優(yōu)化模塊對回歸模型進行約束目標優(yōu)化求解，根據實際作業(yè)及相關理論選擇優(yōu)化約束條件、目標及約束函數。

對目標函數進行優(yōu)化求解，遵循保證切割完整度，提高切割效率，即提高輸送帶速度的原則，得到的優(yōu)化結果為：當切割圓盤轉速為118.3 r/min，輸送帶線速度為0.47 m/s時，切割圓盤高度為9.76 mm，切割完整度為97.87%。

4.2試驗驗證

將模型預測的最優(yōu)參數組合取圓整，以切割圓盤轉速為118 r/min，輸送帶線速度為0.5 m/s，切割圓盤高度為10 mm，對待烘干的辣椒進行切片試驗，試驗共進行3組，每組測試1 h，人工和機具作業(yè)分別同時進行，測試結果如表4所示。

綜上可知，辣椒切片機對辣椒烘干預處理效果較好，在最優(yōu)切割圓盤轉速為118 r/min，輸送帶線速度為0.5 m/s，切割圓盤高度為10 mm條件下，辣椒切片完整度為97.85%，基本達到了人工切片水平，可滿足烘干要求，相較人工切片，機具效率提高了344%。

5結論

1） 設計一種高效辣椒切片機，通過輸送帶對辣椒喂入，壓片對與輸送帶配合對辣椒進行穩(wěn)固，輔助高速旋轉的切割圓盤完成辣椒切片作業(yè)，有效解決了辣椒切片人工耗時、耗力問題。

2） 確定影響辣椒切片機作業(yè)性能的主要因素為切割圓盤轉速、輸送帶線速度和切割圓盤高度，以切割完整度為試驗指標，對各影響因素進行二次旋轉正交組合試驗，得出辣椒切片機最優(yōu)工作參數組合：切割圓盤轉速為118 r/min，輸送帶線速度為0.5 m/s，切割圓盤高度為10 mm。

3） 在最優(yōu)參數組合條件下，進行驗證試驗，得到切片完整度為97.85%，與模型預測結果基本一致，相較人工切片效率提高了344%。

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