塊根塊莖類果蔬連續削皮機設計與試驗

吳曉媚，何亞凱，劉毅君，程躍勝，王文杰，王世光，呂黃珍

（1.中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083；2.農業農村部 農產品加工裝備重點實驗室，北京 100083；3.中國包裝和食品機械有限公司，北京 100083）

0 引言

馬鈴薯、紅薯等塊根塊莖類果蔬去皮加工技術效率低［1］、耗能高，缺少清洗、去皮、切制、包裝成套設備，不滿足我國凈菜市場和后序產品加工需求［2］。研究塊根塊莖類果蔬去皮技術，研制相關設備，對促進塊根塊莖類果蔬產業發展具有重要意義。

BO 等［3］設計一種干式削皮機，采用2 個并排帶有削皮孔的滾筒，物料與削皮孔相對運動，實現削皮，去皮率83%，果肉損失率5.38%；Sormac 公司的一款臥桶式連續削皮機［4］，內設2 個表面裝有切削刀片和凸塊的削皮滾筒，滾筒自轉，物料跟隨輸料螺旋在滾筒上前進，實現削皮全程自動化；俞國紅等［5］分析甘薯削皮過程和影響削皮效果的工作參數，設計一種柔性自適應仿形削皮機構，工作效率為360 個/h，削皮均勻性較好；高增法［6］設計一種芋頭摩擦去皮設備，芋頭表皮與游離磨塊、滾筒內表面、滾筒軸外表面摩擦，達到芋頭去皮的目的，平均去皮率可達90%，但效率低；寧夏薯味仙公司設計一種立桶式間歇削皮設備［7］，內設一個內壁由多個削皮板拼接而成的立式滾筒，工作時物料在底部撥盤作用下和內壁形成相對運動，實現削皮；孟慶書等［8］設計一種馬鈴薯連續式滾刷摩擦去皮機，實現馬鈴薯連續去皮，平均去皮率80.93%。國外塊根塊莖類果蔬去皮技術成熟，設備多樣，已實現全程自動化；而國內還未實現連續大批量生產和自動化生產，削皮效果也有待提高。

針對國內削皮機自動化程度低、削皮效果差的問題，研究刀盤轉速、刮板速度和撥料塊高度等因素對塊根塊莖類果蔬削皮效果的影響，設計一種塊根塊莖類物料連續削皮設備，以實現高去皮干凈率、低去皮損失率的削皮效果。

1 總體結構與工作原理

塊根塊莖類連續削皮機總體結構如圖1 所示。

圖1 連續削皮機Fig.1 Continuous peeling machine

塊根塊莖類果蔬如馬鈴薯，從進料槽定時定量進入連續削皮機，在推料板和擋料板作用下翻滾前進，經過組合刀盤進行削皮，從出料口離開。噴淋嘴將自來水均勻噴淋在馬鈴薯上，進行清洗并減少氧化，削下的馬鈴薯皮和廢水在皮渣帶被分離，馬鈴薯皮被皮渣帶帶出，廢水經廢液收集箱排除。

2 關鍵部件結構及參數設計

2.1 定時進料機構

定時進料機構如圖2 所示。工作時，傳感器控制電機定時開關。電機開啟，帶動曲柄連桿機構運動，活動進料槽逆時針轉動至最高點；電機關閉，物料進入削皮區域；電機開啟，曲柄連桿機構繼續運動，活動進料槽回位；電機關閉。通過控制定時進料機構間歇時間可實現單次進料質量（裝載量），即相鄰刮板間物料質量。

圖2 定時進料機構結構圖Fig.2 Structure diagram of timed feeding mechanism

為保證實現定時進料工作，對曲柄連桿機構進行設計，簡化如圖3 所示。

圖3 進料機構運動分析Fig.3 Motion analysis of feeding mechanism

AB1C1D 位置時，活動進料槽位于最低處，進料口關閉；AB2C2D 位置時，活動進料槽位于最高處，進料口開啟；AB3C3D 和AB4C4D 位置時，AB 與AD 共線，出現最小傳動角。

選取行程速比系數K=1.25［9］，lAB=a=100 mm，lCD=c=450 mm，擺角φ=30 °，根據下式［10］：

計算得出θ =36°，lBC=b ≈218 mm，lAD=d ≈269 mm，γ=68.22 °。驗證機構滿足桿長條件、傳動要求、運動連貫性要求，即：

2.2 輸送機構

刮板輸送機構如圖4 所示。工作時，推料板和擋料板逆時針運動，實現推料板和擋料板中間物料的定量輸送。推料板和擋料板將不同削皮階段物料分隔開，推動物料在組合刀盤上前進，減少物料間的擠壓，降低破損率。通過控制電機頻率調整刮板速度，滿足削皮時間調控要求。

圖4 刮板輸送機構Fig.4 Scraper conveyor

擋料板與推料板間隔過大，物料堆積不均勻；間隔過小，物料無法翻轉。根據實際生產情況，選取間隔為300 mm。根據物料實際彈起高度，選取刮板高度為250 mm。

2.3 削皮機構

削皮機構如圖5 所示。4 個可調節的球形撥料塊隨著刀盤旋轉，實現物料在推料板與擋料板間翻轉，在推料板作用下推動物料經過直排式刀盤，完成削皮工作。每個刀盤對應有獨立電機，調整電機頻率可實現在削皮過程分段分區獨立控制刀盤轉速，提升對不同物料皮厚的適應性。

圖5 削皮機構Fig.5 Peeling mechanism

刀片結構如圖6 所示。刀片通過緊固螺釘連接在刀盤上，調整調節螺釘可調整削皮厚度a，即刀片刃口到刀盤表面的距離。工作時，刀片隨刀盤轉動，與物料產生相對轉速，實現削皮動作；物料下端受到向左的力，發生翻轉進入下一個刀片削皮過程。根據刀盤直徑和厚度大小，選取刀片長度135 mm，寬度18 mm，厚度3 mm。刀具刃角越小，切削質量越好，但容易出現卷刃現象［11］?？紤]刀盤高速運轉，選取刀具刃角為25 °。

圖6 刀片結構圖Fig.6 Structure diagram of blades

撥料塊結構如圖7 所示。撥料塊螺紋連接在刀盤上，通過更換不同規格的撥料塊可實現撥料塊高度b 的調整。

圖7 撥料塊結構圖Fig.7 Structure diagram of pulling block

工作時，物料與撥料塊碰撞，受到A 點沿刀盤切線方向的力F2，沿撥料塊法線方向的力F1，重力G。將F1分解如圖8 所示。

圖8 物料與撥料塊碰撞受力分析Fig.8 Analysis of the force for the collision between the material and the shifting block

受力分析見下式：

物料受到斜向上的合力，實現翻轉，使削皮更均勻，減少重復削皮。撥料塊高度過大，撞擊嚴重，易產生撞擊損傷；撥料塊高度過小，翻轉效果不明顯。故選用5，8，12 mm 高度的撥料塊。

3 樣機性能試驗

3.1 材料與試驗裝備

采用中薯5 號馬鈴薯（樣本重量150～350 g）和龍薯9 號紅薯（樣本重量400～750 g）為試驗物料，在削皮設備樣機上進行性能試驗。試驗用器材包括電子秤（稱量范圍0.01～5 000 g，0.05～30 kg），游標卡尺（精度0.02 mm）、直尺、生料帶、剪刀和小刀等。

3.2 評價指標

3.2.1 去皮干凈率

去皮干凈率定義為去皮面積占總面積的百分比［12］。隨機選取5 個馬鈴薯，測量計算馬鈴薯表面積和剩余表皮面積，計算去皮干凈率，求平均值。去皮干凈率用Y1表示：

式中 Si1——第i 個馬鈴薯剩余表皮面積；

Si2——第i 個馬鈴薯表面積。

單個馬鈴薯表面積與剩余表皮面積測量方法如圖9 所示。用生料帶纏繞馬鈴薯，測量生料帶面積，馬鈴薯表面積等于生料帶面積。將剩余表皮削下，湊成近似長方形，測量剩余表皮面積。

圖9 馬鈴薯表面積與剩余表皮面積測量Fig 9 Measurement of potato surface area and residual skin area

3.2.2 去皮損失率

去皮損失率定義為每次試驗削除的馬鈴薯質量與削皮前馬鈴薯總質量的比值，用Y2表示［13］：

式中 m1——去皮后馬鈴薯總質量；

m2——去皮前馬鈴薯總質量。

3.2.3 設計要求

根據市場實際生產需求，去皮干凈率＞95%，去皮損失率＜20%。

3.3 試驗方法

3.3.1 單因素試驗

影響馬鈴薯削皮效果的因素有刀盤轉速、刮板速度、削皮厚度、撥料塊高度和裝載量等，全部設定為影響因素，每組試驗僅調整單個因素，通過控制系統和更換零部件調整參數，進行單因素試驗。試驗因素水平如表1 所示。

表1 單因素試驗因素水平Tab.1 Single factor test factors and levels

3.3.2 多因素正交試驗方案

根據單因素試驗結果，設計以刀盤轉速、刮板速度和撥料塊高度為影響因素，以去皮干凈率、去皮損失率為評價指標，在削皮厚度為0.5 mm、裝載量為15 kg 條件下，每個因素選取3 個水平進行正交試驗，試驗因素水平如表2 所示。以馬鈴薯和紅薯為試驗物料，進行3 次重復試驗。對試驗結果進行方差分析，判斷各個因素對性能指標的影響主次，最終確定馬鈴薯削皮裝置的最優參數組合［14-15］。

表2 正交試驗因素水平Tab.2 Orthogonal test factors and levels

3.4 結果與分析

3.4.1 單因素試驗結果分析

單因素試驗結果見表3。

表3 單因素試驗結果Tab.3 Single factor test results

刀盤轉速為280～373 r/min 時，刀盤轉速慢，物料翻轉不夠，與刀片接觸少，去皮干凈率增加明顯，去皮損失率略有增加；刀盤轉速為373～467 r/min 時，刀盤轉速快，刀片削皮次數增加，出現重復削皮現象，去皮損失率增加。刀盤轉速為373～467 r/min 時，削皮效果較好。

刮板速度為0.014～0.017 5 m/s 時，刮板對物料翻轉作用增強，削皮均勻性增大，去皮干凈率增加，去皮損失率降低；刮板速度為0.017 5～0.021 m/s 時，刮板速度過快，物料在刀盤上停留時間減小，去皮干凈率減小，去皮損失率降低。

撥料塊高度為5～8 mm 時，物料翻轉增加，物料表面與刀盤接觸更均勻，接觸次數減少，去皮干凈率增加，去皮損失率減??；撥料塊高度為8～12 mm 時，物料蹦跳頻繁，物料表面與刀盤接觸次數更少，去皮干凈率降低，去皮損失率減小。

削皮厚度為0.5 mm 時，削皮效果較好；削皮厚度為0.8 mm 時，在削皮階段出現過度削皮現象，物料果肉損失嚴重，去皮損失率增加明顯。

裝載量為15～20 kg 時，推料板和擋料板間物料增加，物料與刀盤接觸不均勻，去皮干凈率降低明顯，去皮損失率增加；裝載量為25 kg 時，物料過多，部分物料翻轉出試驗區間，實際裝載量減小，去皮損失率降低。故裝載量為15 kg 時削皮效果較好。

3.4.2 正交試驗結果分析

根據市場作業需求，對評價指標進行加權處理［16］，對去皮干凈率和去皮損失率分別賦予權重如下：

式中 W1——去皮干凈率的權重；

W2——去皮損失率的權重；

P1—— 市場作業需求去皮干凈率臨界值，數值為95%；

P2—— 市場作業需求去皮損失率臨界值，數值為20%。

計算解得W1=0.543，W2=0.457，則：

式中 yi——第i 個試驗加權評價指標；

yi1——第i 個試驗中去皮干凈率；

yi2——第i 個試驗中去皮損失率。

正交試驗結果如表4。

表4 正交試驗方案與結果Tab.4 Orthogonal test scheme and results

對試驗結果進行方差分析［17-19］，見表5。撥料塊高度對馬鈴薯加權指標影響顯著，其他影響均不顯著，各試驗因素對馬鈴薯去皮干凈率的影響為B＞C＞A，對馬鈴薯去皮損失率的影響為C＞B＞A，對馬鈴薯加權指標的影響為C＞B＞A；對紅薯去皮干凈率的影響為C＞B＞A，對紅薯去皮損失率的影響為C＞B＞A，對紅薯加權指標的影響為A＞C＞B。

馬鈴薯最優參數組合為A2B2C2，即刀盤轉速420 r/min，刮板速度0.017 5 m/s，撥料塊高度8 mm，去皮干凈率平均值為95.49%，去皮損失率平均值為15.77%；紅薯最優參數組合為A1B3C2，即刀盤轉速373 r/min，刮板速度0.021 m/s，撥料塊高度8 mm。

3.5 驗證試驗

經過方差分析得出，紅薯削皮最優參數組合不在正交試驗方案內，對其進行驗證試驗［20-21］。在最優參數組合下對龍薯9 號紅薯進行3 次重復試驗［22-24］。試驗結果見表6。最優參數組合下紅薯去皮干凈率平均值為96.18%，去皮損失率平均值為10.35%，基本滿足設計要求。

表6 驗證試驗結果Tab.6 Validation test results %

4 結語

（1）研制一種塊根塊莖物料連續削皮設備，進行定時進料機構、輸送機構和削皮機構等關鍵部件設計。

（2）進行單因素試驗，確定刀盤轉速、刮板速度、削皮厚度、撥料塊高度和裝載量對去皮干凈率和損失率的影響。

（3）正交試驗結果表明，對馬鈴薯綜合削皮質量影響主次順序為撥料塊高度、刮板速度、刀盤轉速；對紅薯綜合削皮質量影響主次順序為刀盤轉速、撥料塊高度、刮板速度。

（4）馬鈴薯最優參數組合為刀盤轉速420 r/min，刮板速度0.017 5 m/s，撥料塊高度8 mm，此時馬鈴薯去皮干凈率為95.59%，去皮損失率為15.77%；紅薯最優參數組合為刀盤轉速373 r/min，刮板速度0.021 m/s，撥料塊高度8 mm，此時紅薯去皮干凈率為96.18%，去皮損失率為10.35%。符合削皮市場要求。