朱占江 李忠新 楊莉玲 劉奎 買合木江·巴吐爾

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2. 新疆特色林果裝備工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830091)

?

擠壓式杏核破殼機試驗研究

朱占江1,2李忠新1,2楊莉玲1,2劉奎1,2買合木江·巴吐爾1,2

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2. 新疆特色林果裝備工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830091)

針對當(dāng)前杏核破殼生產(chǎn)率低、碎仁率高的問題，設(shè)計一種杏核破殼機，對其結(jié)構(gòu)及杏核破殼受力情況進行介紹。以明星杏杏核為試驗材料，選取喂料速度、破殼間隙、主動輥轉(zhuǎn)速3個因素對杏核破殼進行正交試驗分析。結(jié)果表明:破殼間隙對破殼效果的影響極顯著，喂料速度、主動輥轉(zhuǎn)速對破殼效果影響不顯著;當(dāng)喂料速度400 kg/h、破殼間隙在9 mm、主動輥轉(zhuǎn)速400 r/min時，破殼率為99.65%，整仁率為96.87%，破殼效果最好。相同喂料速度與主動輥轉(zhuǎn)速條件下，其他品種杏核的破殼試驗，驗證表明當(dāng)破殼間隙小于杏核厚度約2 mm時，破殼率在98%以上，整仁率在95%以上。

杏核；破殼；擠壓；影響因素

杏仁系薔薇科杏的種子，分為甜杏仁和苦杏仁。甜杏仁可直接食用或用于食品加工，而苦杏仁主要用作藥物。杏仁含有豐富的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、維生素、礦物質(zhì)等多種營養(yǎng)成分，具有化痰、止咳、潤肺、清熱、養(yǎng)顏、通便等功效[1-2]，有良好的藥用價值與保健作用。

杏作為新疆林果傳統(tǒng)主栽樹種，2015年，新疆杏樹栽植面積1.324×105hm2，總產(chǎn)量1.281 6×106t[3]，居中國首位，主要分布在南疆三地州。隨著新疆“短平快”項目的實施，去核機、烘干機得到推廣應(yīng)用，新疆每年產(chǎn)出大量杏核待加工。根據(jù)項目組考察，目前區(qū)內(nèi)杏核破殼主要依靠人工砸取，生產(chǎn)率僅3 kg/h左右，成本達4元/kg，且杏仁破損嚴(yán)重。中國近幾年對杏核破殼的研究很少，劉軍[4]對杏核破殼最佳截面進行了研究，結(jié)果表明杏核破殼最佳截面在橢圓截面的最小回轉(zhuǎn)半徑處，擠壓破殼范圍約占杏核長軸的30%；曹永政等[5]對杏核厚度、杏仁厚度、杏殼厚度、杏殼與杏仁間隙分布進行了分析，對杏核破殼所需變形量進行了研究；王靜等[6-8]對杏核開口影響因素、施力位置與方式等方面進行了研究。但對其他堅果破殼的研究較多，李忠新等[9-12]對核桃破殼加工影響因素、破殼方式等進行了研究，范修文等[13-14]對巴達木破殼設(shè)備與工作參數(shù)進行了研究，麥賢豪等[15-16]對橡膠果破殼工藝技術(shù)設(shè)備進行了研究，這些研究工作對杏核破殼機的設(shè)計提供了有價值的參考。然而，杏核與其他堅果存在一定的差異，現(xiàn)有杏核破殼機多以機械砸壓、沖撞的方式破殼，生產(chǎn)率低、碎仁率高。課題組根據(jù)杏核特性設(shè)計出一種斜齒對輥擠壓式杏核破殼機，依據(jù)試驗結(jié)果確定了設(shè)備的最優(yōu)工作參數(shù)，為實現(xiàn)杏核機械化、規(guī)模化加工提供良好條件。

1 杏核破殼機主要結(jié)構(gòu)及杏核破殼受力分析

1.1 主要結(jié)構(gòu)

該機采用對輥碾搓擠壓方式實現(xiàn)杏核破殼。設(shè)備主要由機架、調(diào)節(jié)機構(gòu)、破殼主動輥與被動輥、雙層振動篩、擺臂、偏心傳動機構(gòu)等組成(見圖1)。破殼輥由主動輥與被動輥組成，主動輥固定，被動輥可通過調(diào)節(jié)機構(gòu)進行調(diào)整，以根據(jù)物料情況增大或縮小破殼間隙。主動輥5與被動輥4傳動齒輪齒數(shù)不同，從而運動過程中兩輥之間產(chǎn)生速度差。壓輥圓周表面開有斜齒槽，碾搓破殼主要由主動輥與被動輥之間存在速度差以及壓輥圓周表面斜齒槽產(chǎn)生，增大破殼過程中剪切力，提高設(shè)備破殼效果。雙層振動篩7主要通過偏心塊兒與擺臂作用而產(chǎn)生往復(fù)振動，實現(xiàn)破殼杏核與未破殼杏核的分離，未破殼杏核經(jīng)破殼間隙調(diào)節(jié)后進行二次破殼。

1. 機架 2. 調(diào)節(jié)機構(gòu) 3. 喂料斗 4. 被動輥 5. 主動輥 6. 電機

1.2 杏核破殼受力分析

杏核呈扁心狀，殼堅硬，工作過程中，杏核經(jīng)喂料斗進入破殼區(qū)域，力作用于厚度面進行擠壓破殼，杏核受到一對相對旋轉(zhuǎn)的擠壓輥給予的正壓力N1、N2，以及摩擦力F1、F2的作用，同時受到自身重力G的作用，A1、A2為杏核擠壓破殼的起始點，其與擠壓輥中心的連線構(gòu)成擠壓角α1、α2，杏核在工作區(qū)域內(nèi)初始受力情況見圖2。此時：

(1)

(2)

式中：

μ——杏核與擠壓輥間的摩擦系數(shù)；

φ——杏核與擠壓輥間的摩擦角，(°)。

要使杏核能順利進入擠壓間隙，豎直方向必須滿足：

蒸汽烤箱(Midea E50)；水分測試儀(梅特勒-托利多HS153)；質(zhì)構(gòu)儀(TA.XT.Plus 41769)；電子天平(上海友聲衡器有限公司BS-6KH)。

F1cosα1+F2cosα2+G>N1sinα1+N2sinα2，

(3)

由于杏核的重量遠小于自身受到的力，故忽略不計，即：

F1cosα1+F2cosα2>N1sinα1+N2sinα2，

(4)

將式(1)、(2)代入式(4)中，得到：α<φ，即要實現(xiàn)杏核破殼需滿足擠壓角小于摩擦角。

杏核破殼所受N1、N2、F1、F2水平方向分力對杏核進行擠壓，N1、N2、F1、F2豎直方向分力對杏核進行剪切。擠壓力能使杏殼發(fā)生形變并最終破裂，剪切力能使破裂處的裂紋進一步擴大，碎殼間發(fā)生相對錯動和滑移，從而實現(xiàn)杏核的碾搓擠壓破殼。

圖2 杏核破殼受力分析圖

2 影響杏核破殼的因素分析

2.1 杏核性質(zhì)對破殼效果的影響

2.1.1 杏核幾何尺寸 新疆杏核主栽品種有明星杏、賽買提杏、小白杏、黑葉杏、胡安娜杏、木牙格杏、策勒黃等，不同品種杏的杏核尺寸存在差異，同一品種的杏核尺寸也存在一定的差異。一次破殼時以厚度尺寸較大的杏核作為杏核破殼間隙調(diào)整的依據(jù)，一次破殼后對未破殼杏核調(diào)小間隙進行二次破殼。

2.2 破殼機結(jié)構(gòu)對破殼效果的影響

2.2.1 破殼輥轉(zhuǎn)速及表面處理對破殼效果的影響 設(shè)備采用對輥擠壓的方式實現(xiàn)破殼，被動輥轉(zhuǎn)速約為主動輥轉(zhuǎn)速的1.5倍，兩輥之間的速度差為0.5倍的主動輥轉(zhuǎn)速，當(dāng)主動輥轉(zhuǎn)速提高時，兩輥間的速度差增大，從而使杏核所受剪切力增大，為進一步提高杏核所受擠壓與剪切力，破殼輥圓周面開有斜齒形溝槽。主動輥與被動輥兩輥間速度差要適宜，否則易造成杏仁的損傷。以明星杏為試驗材料，在喂料速度為400 kg/h、破殼間隙為9 mm條件下進行單因素試驗，結(jié)果(見圖3)表明，隨著主動輥轉(zhuǎn)速的增加，破殼率、整仁率均不斷增加，當(dāng)主動輥轉(zhuǎn)速超過250 r/min時，破殼率穩(wěn)定在99%以上。整仁率在350 r/min時達到最大，隨著轉(zhuǎn)速的增加，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，因此，選定破殼輥轉(zhuǎn)速優(yōu)選范圍為200～400 r/min。

圖3 主動輥轉(zhuǎn)速對破殼效果的影響

2.2.2 破殼間隙對破殼效果的影響 破殼間隙對杏核破殼效果影響較大。破殼過程杏殼變形量不能大于殼仁之間的間隙，所以杏核厚度與破殼間隙之差應(yīng)小于殼仁間隙。當(dāng)喂料速度400 kg/h、破殼輥轉(zhuǎn)速400 r/min時，通過單因素試驗可知(見圖4)，破殼率隨著破殼間隙的變大而逐漸降低，整仁率隨著破殼間隙的變大逐漸增高，破殼間隙過小整仁率偏低，過大破殼率偏低。破殼間隙為9 mm左右時，取得較好的破殼效果。當(dāng)間隙大于9 mm后破殼率呈現(xiàn)明顯下降趨勢，而整仁率較為穩(wěn)定。因此，選定破殼間隙優(yōu)選范圍為7～11 mm。

圖4 破殼間隙對破殼效果的影響

2.3 喂料速度對破殼效果的影響

喂料速度越高，單位時間內(nèi)通過破殼輥間的杏核量越多，生產(chǎn)率越高。當(dāng)生產(chǎn)率過大時，杏仁破損率增高。喂料速度應(yīng)控制在額定生產(chǎn)率范圍內(nèi)，在保證破殼效果的同時，保證生產(chǎn)率。取破殼間隙9 mm、主動輥轉(zhuǎn)速400 r/min開展單因素試驗(見圖5)，通過試驗可知，喂料速度增大的過程，破殼率與整仁率逐漸變小，破殼率變化幅度較小，當(dāng)喂料速度達到350 kg/h時，整仁率呈現(xiàn)明顯減小趨勢。因此，喂料速度優(yōu)選方案200～400 kg/h。

圖5 喂料速度對破殼效果的影響

3 影響杏核破殼效果主要因素的正交試驗

以新疆皮山縣自然晾干后的同批次的明星杏杏核為試驗材料，試驗前挑揀出杏核尺寸明顯偏小的。隨機選取50顆杏核進行幾何參數(shù)測定，見表1。由表1可知，杏核厚度與杏仁厚度差6.38 mm，杏殼厚度1.0～1.8 mm，殼仁間隙約為2.78～4.38 mm，所以擠壓杏核變形量應(yīng)控制在4.38 mm以內(nèi)，可避免嚴(yán)重破損杏仁。

表1 明星杏杏核物理參數(shù)

采用鹵素快速水分測定儀測得試驗所用材料含水率為5.9%。結(jié)合影響杏核破殼因素的分析，選取3個主要因素：喂料速度、破殼間隙、主動輥轉(zhuǎn)速進行三因素三水平正交試驗，其中各參數(shù)數(shù)據(jù)選取依據(jù)單因素試驗分析而定，試驗因素及水平見表2。由于破殼率Y1與整仁率Y2對于杏核破殼最為重要，所以將Y1、Y2做為試驗指標(biāo)。

表2 正交試驗因素及水平

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 正交試驗結(jié)果與方差分析結(jié)果

通過對明星杏杏核破殼試驗，獲得正交試驗結(jié)果與方差分析結(jié)果見表3～5。

由表3可知，破殼率最優(yōu)方案為A1B1C3，整仁率最優(yōu)方案為A1B3C1；影響破殼率與整仁率的因素主次順序均為B、C、A。由表4可知，間隙B對破殼率與整仁率有極顯著影響(P<0.01)，而喂料速度與主動輥轉(zhuǎn)速對破殼率、整仁率影響不顯著(P>0.05)。至于破殼率、整仁率優(yōu)選方案，在B1條件下雖然破殼率最好，但整仁率明顯偏低，在B3條件下整仁率最好，但破殼率偏低，故不予采納。采用綜合平衡法結(jié)合表3、4，破殼間隙選為B2，而對于A、C在保證破殼率、整仁率的同時考慮到生產(chǎn)效率的問題，選A3、C3。所以最終優(yōu)選方案為A3B2C3，即喂料速度400 kg/h，破殼間隙9 mm，主動輥轉(zhuǎn)速400 r/min。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 破殼率方差分析結(jié)果?

? *表示因素對試驗指標(biāo)有顯著影響( P<0.05)；**表示因素對試驗指標(biāo)有極顯著影響(P<0.01)。

表5 整仁率方差分析結(jié)果?

? **表示因素對試驗指標(biāo)有極顯著影響(P<0.01)。

4.2 最優(yōu)方案的驗證

對于最優(yōu)方案A3B2C3，經(jīng)過5次重復(fù)實驗，該參數(shù)下設(shè)備破殼率均值99.65%，整仁率96.87%，破殼效果較好。在喂料速度與主動輥轉(zhuǎn)速不變的情況下，對新疆主栽的其他杏品種小白杏、賽買提杏、黑葉杏杏核分別進行了破殼試驗，試驗表明當(dāng)破殼間隙比杏核厚度小約2 mm時，破殼率在98%以上，整仁率在95%以上，均獲得較好的破殼效果。

5 結(jié)論

(1) 采用對輥擠壓式杏核破殼機進行杏核破殼，生產(chǎn)效率高，可以獲得較好的破殼率和整仁率，破殼性能良好。

(2) 通過試驗可知破殼間隙對杏核破殼率、整仁率影響最大，而喂料速度、主動輥轉(zhuǎn)速對破殼率、整仁率影響較小。

(3) 對于明星杏杏核當(dāng)喂料速度400 kg/h，破殼間隙9 mm，主動輥轉(zhuǎn)速400 r/min時可以取得最佳的破殼效果。在同樣喂料速度與主動輥轉(zhuǎn)速條件下，通過對其它品種杏核的破殼試驗驗證表明，當(dāng)破殼間隙小于杏核厚度約2 mm時，均取得較好的破殼效果。

[1] 肖朝霞, 蔣萌蒙, 王向軍. 杏仁的功能性及其藥理研究進展[J], 農(nóng)產(chǎn)品加工, 2011(11): 71-73.

[2] 馮小雨, 劉敏, 葛紅娟, 等. 杏仁營養(yǎng)成分分析[J]. 吉林醫(yī)藥學(xué)院學(xué)報, 2016, 37(2): 86-88.

[3] 新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局. 新疆統(tǒng)計年鑒[Z]. 北京: 中國統(tǒng)計出版社, 2015: 383.

[4] 劉軍. 新疆杏核破殼最佳截面的探討[J]. 工程力學(xué), 2006, 23(3): 168-172.

[5] 曹永政, 牟仁生, 于宴同. 杏核破殼取仁機理的研究[J]. 糧油加工, 2010(10): 176-178.

[6] 王靜. 杏核機械開口的試驗研究及有限元分析[D]. 烏魯木齊: 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014: 15-20.

[7] 韓汝濤. 仁用杏杏核開口機的研制[D]. 石家莊: 河北科技大學(xué), 2014: 11-16.

[8] 樊丁宇, 廖康, 張大海, 等. 小白杏杏核開口壓力的線性回歸建模及驗證[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 47(3): 466-471.

[9] 李忠新, 劉奎, 楊莉玲, 等. 錐籃式核桃破殼裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2012, 43(S1): 146-152.

[10] 高警, 鄭甲紅, 安碾糧, 等. 偏心擊打式核桃破殼機的設(shè)計與試驗[J]. 食品與機械, 2014, 30(5): 133-136.

[11] 周軍, 史建新. 氣爆式核桃破殼試驗研究[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報, 2015, 36(2): 116-119.

[12] 趙奎鵬, 鄭甲紅, 王亞妮, 等. 擠壓式核桃破殼機的正交試驗研究[J]. 農(nóng)機化研究, 2016(2): 153-157.

[13] 范修文, 曾勇, 蘭海鵬, 等. 圓錐式巴旦木破殼分離機的設(shè)計[J]. 塔里木大學(xué)學(xué)報, 2015, 27(2): 86-89.

[14] 吐魯洪, 阿依木妮莎. 巴旦木破殼機的試驗研究[J]. 農(nóng)機化研究, 2011(3): 166-169.

[15] 麥賢豪, 王濤, 林勇. 橡膠果剝殼機設(shè)計[J]. 食品與機械, 2014, 30(6): 112-114.

[16] 趙婳, 王濤, 何焯亮. 橡膠果脫殼裝置的設(shè)計[J]. 食品與機械, 2016, 32(3): 119-121.

Experimental study on Apricot stone extrusion breaking machine

ZHUZhan-jiang1,2LIZhong-xin1,2YANGLi-ling1,2LIUKui1,2MAIHEMUJIANGBatuer1,2楊忠強1,2YANGZhong-qiang1,2

(1.InstituteofAgriculturalMechanizationXinjiangAcademyofAgriculturalScience,Urumqi,Xinjiang830091,China;2.XinjiangResearchCenterofEquipmentforCharacteristicWood'sFruit,Urumqi,Xinjiang830091,China)

In this paper, a pricot stone breaking machine was designed to solve the current problem of low productivity and high rate of broken kernels in apricot stone breaking processing. The structure and stress situation of the machine had been analyzed. Various related factors were analyzed, and three primary factors including feeding speed, interspace of breaking device and rotating speed of active roll were focused on. Moreover, these three factors were selected for orthogonal experiments, using the Star apricot stone as material. The results showed that the clearance of breaking device had a significant effect on stone breaking efficiency, while the speeds of feeding and rotating of active roll were no obvious influance. The breaking rate and entire kernel rate of the material reached to 99.65% and 96.87%, respectively, when the feeding speed was 400 kg/h, and the rotating speed of active roll was 400 r/min, using the 9 mm interspace of breaking device. This breaking effect was better than those in the other cases. Furthermore, other kinds of apricot stones were tested using this mechain at the same feeding and rotating speeds, leaving the interspaces of breaking device at 2 mm less than the thickness apricot stone, and it was found that their breaking and kernel rates could be up to more than 98% and 95%, repectively.

apricot stone; breaking; extrusion; influencing factor

自治區(qū)科研院所改革與發(fā)展專項(編號：2016D04007)；新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院重點實驗室項目(編號：xjnkkl-2016-008)；烏市工程技術(shù)研究中心項目(編號：H141212001)

朱占江，男，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所助理研究員。

李忠新(1958—)，男，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所研究員。E-mail：zzj_hao@126.com

2016—06—22

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.10.017