李 杰，張鵬霞，曹 祥，曹希凡，馬瑞辰

（陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，陜西咸陽(yáng) 712000）

0 引言

獼猴桃屬于呼吸躍變型果實(shí)，鮮貯難度大，對(duì)溫度和乙烯很敏感[1]。剛采摘的獼猴桃酸度高、硬度大、乙烯釋放量低。在常溫下儲(chǔ)存5-7天后，乙烯釋放量才會(huì)急劇上升，果實(shí)變得甜而軟，口感最佳，但是如果儲(chǔ)存過(guò)久，果實(shí)會(huì)腐爛變質(zhì)，不利于銷(xiāo)售和加工。因此，企業(yè)在采收后一般都會(huì)進(jìn)行銷(xiāo)售或冷藏。獼猴桃是一種既可以鮮食，也可以加工成為高附加值的產(chǎn)品，如獼猴桃酒、果汁、果脯等[2]。這些產(chǎn)品的制作都需要先削去獼猴桃的果皮。目前市場(chǎng)上的鮮果削皮加工量很少，只占深加工總量的10%左右，大多數(shù)是凍果削皮。但目前尚無(wú)針對(duì)性的產(chǎn)品，仍依賴(lài)于人工削皮，效率比較低。

現(xiàn)有市面上認(rèn)可度較高的削皮設(shè)備有佛山市宇特自動(dòng)化科技有限公司的削皮設(shè)備[3]，它的工作原理是利用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，將水果放入刀盤(pán)中，通過(guò)調(diào)節(jié)刀盤(pán)與水果之間的間隙，實(shí)現(xiàn)快速、均勻、完整的削皮效果；蘇州熙諾威智能科技有限公司生產(chǎn)的果蔬去皮機(jī)[4]，采用全自動(dòng)智能控制，削皮速度可調(diào)，時(shí)間可控，刀具具有可調(diào)節(jié)功能。以上設(shè)備主要用于鮮果的削皮加工作業(yè)，對(duì)于凍果削皮還暫無(wú)研究試驗(yàn)。

陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司近年在獼猴桃削皮方面進(jìn)行了相關(guān)研究[5-6]，針對(duì)凍果削皮研制出一種自動(dòng)化削皮裝置。該設(shè)備主要由上料、彈性?shī)A緊、削皮、落料等裝置構(gòu)成，通過(guò)可編程機(jī)電控制器對(duì)以上裝置進(jìn)行控制，優(yōu)化動(dòng)作時(shí)序，使其生產(chǎn)效率最大化，保證獼猴桃深加工產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工費(fèi)用，提高加工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 工藝流程

本設(shè)計(jì)采用了雙工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)微電腦控制器完成電機(jī)、氣缸的時(shí)序控制，從而完成獼猴桃凍果的削皮過(guò)程。具體操作流程為：

1）上料：將凍果通過(guò)人工放入下頂緊機(jī)構(gòu)，此時(shí)感應(yīng)器感應(yīng)到果實(shí)放入，夾持氣缸將果實(shí)固定并由推桿將其送入削皮工作臺(tái)。

2）頂緊+旋轉(zhuǎn)：上頂緊氣缸下降，將送入的凍果固定，電機(jī)開(kāi)始帶動(dòng)凍果旋轉(zhuǎn)。

3）切削：此時(shí)切削機(jī)構(gòu)進(jìn)行削皮。

4）下料：上頂桿退出，凍果自動(dòng)落入果框。圖1為該機(jī)的工藝流程圖。

圖1 獼猴桃凍果削皮機(jī)工藝流程圖

2 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)主要由機(jī)架、上料機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和電控制系統(tǒng)等部分組成。圖2為獼猴桃凍果削皮機(jī)示意圖。

圖2 獼猴桃凍果削皮機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 削皮工作原理

削皮方式采用了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和切削機(jī)構(gòu)的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)凍果的削皮。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用機(jī)床切削長(zhǎng)型工件原理，使物料通過(guò)上下兩端對(duì)頂?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)物料的夾緊，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)物料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。入刀動(dòng)作完成后，由減速電機(jī)帶動(dòng)刀桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)使物料脫皮，從而實(shí)現(xiàn)完整的脫皮過(guò)程。

具體工作過(guò)程為：首先人工將凍果從上封板豎直放入下頂緊機(jī)構(gòu)中，確保凍果底部豎直插入下頂緊裝置，通過(guò)紅外感應(yīng)裝置感應(yīng)到凍果就位，夾持氣缸將其夾緊，隨后由推送氣缸將夾好的凍果送入切削工位，上頂緊氣缸向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)上頂緊裝置頂緊獼猴桃凍果，此時(shí)夾持氣缸松開(kāi)。同時(shí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)獼猴桃做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀具電機(jī)旋轉(zhuǎn)組合協(xié)同刀具拉緊氣缸完成獼猴桃凍果削皮動(dòng)作，最后削好的凍果落入果框中。

3 關(guān)鍵設(shè)備及部件設(shè)計(jì)

3.1 送料機(jī)構(gòu)

送料機(jī)構(gòu)是獼猴桃凍果進(jìn)入切削工作面的承載平臺(tái)，由人工將獼猴桃凍果放置在該平臺(tái)上，再由氣缸推動(dòng)上料滑板將獼猴桃凍果送入切削工作面。送料機(jī)構(gòu)由上料滑板、滑軌、氣缸等部分組成。圖3所示為送料機(jī)構(gòu)。

圖3 送料機(jī)構(gòu)

圖3中，a圖當(dāng)獼猴桃凍果放入下頂緊組件上，夾持氣缸夾住獼猴桃，隨后推送氣缸動(dòng)作，將獼猴桃送入削皮工位。整個(gè)送料機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，方便控制，可以保證獼猴桃準(zhǔn)確送入削皮工位。

凍果下頂緊組件如下圖4所示，上部有頂針，可以很好地穩(wěn)定獼猴桃凍果，頂針座嵌入在2個(gè)非標(biāo)軸承中，保證了凍果能自由旋轉(zhuǎn)，下部安裝有彈簧，可以滿(mǎn)足不同大小的獼猴桃頂緊，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠。

圖4 下頂緊組件

3.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)獼猴桃凍果削皮工序的基礎(chǔ)。其采用上下對(duì)頂?shù)姆绞剑ㄟ^(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使凍果高速旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、導(dǎo)軌、氣缸等部分組成。下圖5所示為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖。

圖5 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

當(dāng)獼猴桃凍果被送入到削皮工位，上頂緊氣缸帶動(dòng)電機(jī)面板向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)上頂緊軸通過(guò)頂針使獼猴桃凍果上下頂緊，電機(jī)開(kāi)始高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)獼猴桃轉(zhuǎn)動(dòng)，等待削皮機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。

3.3 削皮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

削皮機(jī)構(gòu)是樣機(jī)的核心部件，完成獼猴桃凍果的削皮動(dòng)作。削皮機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)、刀片、刀桿、彈簧、氣缸等部分組成，如下圖6所示。

圖6 削皮機(jī)構(gòu)

根據(jù)前期的調(diào)研，獼猴桃凍果削皮不同于鮮果削皮，凍果表皮堅(jiān)硬，在人工削皮的過(guò)程中需更大的切削力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮如何夾緊獼猴桃，同時(shí)在入刀切削時(shí)應(yīng)給予更大的入刀力，最終完成凍果的旋轉(zhuǎn)削皮。

削皮動(dòng)作：當(dāng)獼猴桃凍果送到削皮工位，上頂桿將凍果固定，同時(shí)夾持氣缸松開(kāi)，減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，將刀具旋轉(zhuǎn)到獼猴桃上頂端，準(zhǔn)備開(kāi)始削皮。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)獼猴桃高速旋轉(zhuǎn)，減速電機(jī)帶動(dòng)刀架做半圓弧運(yùn)動(dòng)，凍果與削皮刀發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使凍果皮脫離獼猴桃，完成削皮動(dòng)作。雙彈簧可以讓削皮刀和凍果始終接觸，保證削皮的連續(xù)性。當(dāng)削完皮后，上頂桿退出，下頂桿將凍果頂出，刀具和送料機(jī)構(gòu)回退到初始位置，準(zhǔn)備下一次削皮動(dòng)作。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，物料旋轉(zhuǎn)速度在470 r/min，削皮刀與水平面的夾角在40°時(shí)，削好的凍果桃肉損失少、凍果切削均勻、桃底部的余皮直徑穩(wěn)定，也不會(huì)使桃果在切削時(shí)掉落。

3.4 電氣控制系統(tǒng)

本機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要由可編程微電腦控制器組合（由電源模塊、CPU模塊、輸入輸出模塊組成）、氣動(dòng)電磁閥、紅外傳感等部分組成。主要控制工作方式分為3種：手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)上料、手動(dòng)連續(xù)上料和自動(dòng)上料。如圖7所示。

圖7 控制工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)備在調(diào)試完成后使用的是秦美獼猴桃來(lái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，其栽培技術(shù)簡(jiǎn)易，市場(chǎng)需求量大，發(fā)展前景廣闊，縱徑平均7.2 cm，橫徑平均6.0 cm，果皮果點(diǎn)密、密被黃褐毛、易脫落，經(jīng)常用作果干、果酒的原材料[7]。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試凍果削皮機(jī)的性能指標(biāo)，包括獼猴桃的去皮率和削皮機(jī)的工作效率，通過(guò)測(cè)量10組（每組15個(gè)）獼猴桃削皮前后重量，每組削皮所用時(shí)間，獼猴桃皮厚度以及獼猴桃未去掉皮的面積，測(cè)算出獼猴桃削皮機(jī)的工作效率和去皮率，本次實(shí)驗(yàn)使用的是當(dāng)季收獲經(jīng)過(guò)冷凍的獼猴桃。

工作總量用C（kg）表示，工作時(shí)間用T（min）表示，工作效率用V（kg/min）表示。

去皮率用N表示，采用網(wǎng)格法測(cè)算獼猴桃去皮前后面積，去皮前用P前表示，去皮后剩余用P后表示。

通過(guò)表1中數(shù)據(jù)分析，每一組的削皮用時(shí)相同，即2 min，平均工作效率V=1.34 kg/min，即V=80 kg/h。

表1 工作效率計(jì)算數(shù)據(jù)

通過(guò)表2數(shù)據(jù)分析，機(jī)械手臂獼猴桃削皮機(jī)的去皮率N=0.9，即N=90%，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

表2 去皮率計(jì)算數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)中的凍果削皮機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)控制程序?qū)崿F(xiàn)削皮、落料自動(dòng)化，減少了勞動(dòng)力，保證了獼猴桃在加工時(shí)的干凈衛(wèi)生。在切削方式中綜合考慮了各種技術(shù)參數(shù)，使工作效率和去皮率達(dá)到預(yù)期要求，為企業(yè)提供了優(yōu)秀的參考方案。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信未來(lái)會(huì)有更多先進(jìn)的設(shè)備和系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)獼猴桃削皮的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率并降低人力成本。