張恩銘 ,鄭 霞 ※,丑維新 ,王久金 ,陳華軍 ,陳佳敏
(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832003;2農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
中國(guó)核桃種植面積廣,產(chǎn)量高,發(fā)展速度快[1]。目前我國(guó)核桃主要以整果銷售為主,隨著核桃種植面積和產(chǎn)量的增加,整果銷售利潤(rùn)低。為了開發(fā)多樣化的休閑食品核桃,我們需要研制能夠工業(yè)化生產(chǎn)的核桃加工機(jī)械。
近年來出現(xiàn)了一些對(duì)堅(jiān)果劃口加工機(jī)械,劃口后的堅(jiān)果一方面有利于堅(jiān)果破殼,另一方面也有利于核桃休閑食品的入味。如針對(duì)板栗的劃口機(jī),福建農(nóng)林大學(xué)的張素梅[2]設(shè)計(jì)的改良后的機(jī)械板栗劃口機(jī),中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的肖宏偉[3]等研究人員研制激光板栗劃口機(jī)。鄭甲紅[4]等人設(shè)計(jì)了一種鋸口擠壓式核桃破殼機(jī),先對(duì)核桃劃口再破殼,研究證明劃口預(yù)處理更有利于核桃破殼。
本文設(shè)計(jì)了一種由PLC控制的全自動(dòng)核桃劃口機(jī),以實(shí)現(xiàn)核桃批量劃口加工,提高核桃破殼取仁加工過程時(shí)的破殼率和高露仁率,還便于帶殼核桃食品加工時(shí)入味。
全自動(dòng)式核桃劃口機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括喂料斗、導(dǎo)位輥、硬毛刷輥、排序滑道、機(jī)架、機(jī)械自動(dòng)劃口裝置和儲(chǔ)料箱等。其中機(jī)械自動(dòng)劃口裝置包括:切割鋸片、電缸、核桃夾具和氣缸等。利用PLC控制系統(tǒng)使全自動(dòng)式核桃劃口機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工生產(chǎn),大大減少了人力成本。PLC控制技術(shù)有較為突出的優(yōu)良特性,如:適用范圍廣泛、具有很高的可靠性、通信功能良好等特征[5]。
圖1 全自動(dòng)式核桃劃口機(jī)
喂料斗的底部是傾斜的平面,喂料斗出口通向硬毛刷輥和導(dǎo)位輥之間。核桃在重力作用下,從喂料斗滑落到硬毛刷輥和導(dǎo)位輥之間。為了防止核桃擁堵,硬毛刷輥不停旋轉(zhuǎn),利用毛刷將核桃掃進(jìn)導(dǎo)位輥的導(dǎo)位孔中。上述硬毛刷輥和導(dǎo)位輥均由PLC控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。導(dǎo)位輥與硬毛刷輥緊貼,防止核桃從兩輥之間的縫隙滑漏出去。導(dǎo)位輥轉(zhuǎn)動(dòng)將核桃轉(zhuǎn)到排序滑道上方,核桃在重力作用下從導(dǎo)位孔進(jìn)入排序滑道,順利完成排序,為核桃劃口加工做準(zhǔn)備。排序滑道底部擋板是收緊的,使核桃能夠沿著收緊的軌道出口精準(zhǔn)的滑落到核桃可移動(dòng)的夾具當(dāng)中。一半核桃夾具固定在機(jī)架上,另一半可移動(dòng)核桃夾具與氣缸相連接。傳感器監(jiān)測(cè)到核桃夾具中有核桃從滑道落入,然后通過處理電路來轉(zhuǎn)為電平信號(hào),PLC接收到轉(zhuǎn)化的電平信號(hào)后,控制氣缸來推動(dòng)核桃夾具,將夾住核桃。核桃被固定好后,傳感器將信號(hào)傳送給PLC,PLC再控制電缸上的切割鋸片移動(dòng),利用鋸片將核桃依次劃口。機(jī)架上的調(diào)節(jié)條孔通過調(diào)節(jié)螺母,將電缸的位置上下移動(dòng)調(diào)節(jié),來適應(yīng)不同大小尺寸核桃的劃口加工以及控制鋸片對(duì)核桃的劃口深度。核桃劃口完成后,傳感器通過監(jiān)測(cè)切割鋸片的位置,將信號(hào)通過處理電路轉(zhuǎn)化為電平信號(hào),PLC接收到電平信號(hào)后,控制氣缸將另一半核桃夾具撤回,完成劃口加工后的核桃落入儲(chǔ)料箱內(nèi)。傳感器監(jiān)測(cè)到核桃落下后,PLC接收到傳感器的信號(hào)后控制氣缸把撤回的另一半核桃夾具推回到原位置。
圖2 機(jī)械劃口裝置
如圖2所示,機(jī)械自動(dòng)劃口裝置包括電缸、氣缸、核桃夾具、切割鋸片等。核桃的一半夾具安裝在機(jī)架上,另一半可移動(dòng)的核桃夾具與氣缸相連。傳感器監(jiān)測(cè)到有核桃從滑道落入時(shí),將信號(hào)通過處理電路轉(zhuǎn)化成電平信號(hào),電平信號(hào)傳送給PLC后,PLC控制氣缸推動(dòng)可移動(dòng)的核桃夾具部分,將核桃夾住。核桃被夾住后,傳感器將信號(hào)傳給PLC系統(tǒng)。PLC接收到電平信號(hào)后,控制電缸上的切割鋸片移動(dòng),切割鋸片將核桃依次劃口。電缸的位置可通過調(diào)節(jié)螺母在機(jī)架上的調(diào)節(jié)條孔上的位置進(jìn)行上下移動(dòng),來適應(yīng)不同尺寸大小的核桃和調(diào)節(jié)核桃劃口的深度。核桃完成劃口處理后,傳感器將感應(yīng)到切割鋸片的位置的信號(hào)傳送給PLC系統(tǒng),PLC控制氣缸將可移動(dòng)的核桃夾具部分撤回,使核桃能夠順利的落入到核桃儲(chǔ)料箱中。傳感器感應(yīng)到核桃已從核桃夾具中落下后,再將信號(hào)傳給PLC系統(tǒng),PLC控制氣缸再將可移動(dòng)的核桃夾具部分推出,準(zhǔn)備進(jìn)行下一批核桃的劃口加工。
如圖3所示是排序裝置,其中包括硬毛刷輥、導(dǎo)位輥、排序軌道和減速電機(jī)等。PLC控制減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),減速電機(jī)通過鏈帶動(dòng)導(dǎo)位輥和硬毛刷輥轉(zhuǎn)動(dòng)。由于硬毛刷輥的硬毛刷與導(dǎo)位輥的間隙較小,既能將核桃刷進(jìn)導(dǎo)位輥的導(dǎo)位孔中,又能防止核桃從兩輥之間漏出。排序軌道與導(dǎo)位輥相接,核桃能平穩(wěn)的落入到軌道中,當(dāng)導(dǎo)位孔轉(zhuǎn)到排序軌道上方時(shí),核桃從導(dǎo)位孔落入排序軌道,排序軌道利用核桃的重力使其沿排序軌道滑落。軌道之間由擋板隔開,防止核桃在滑落過程中錯(cuò)道,擋板之間的距離可通過移動(dòng)螺母的位置進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同尺寸大小的核桃。軌道在出口滑落處收緊,以確保核桃準(zhǔn)確落入到夾具中。出口處擋板可通過移動(dòng)螺母位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖3 排序裝置
破殼率和高露仁率是衡量破殼取仁質(zhì)量的重要指標(biāo)[6]。由于核桃殼的木質(zhì)纖維素含量較高,物料的進(jìn)給速度對(duì)其切割質(zhì)量的影響較顯著[7-9]。在石河子大學(xué)農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室通過搭建關(guān)鍵部件的試驗(yàn)臺(tái),得出核桃劃口機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。劃口機(jī)上切割鋸片相對(duì)于核桃物料的加工速度就相當(dāng)于物料的進(jìn)給速度,將切割鋸片在電缸上的移動(dòng)速度設(shè)為0.10 m/s、0.12 m/s和0.14 m/s做單因素試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明切割鋸片在電缸上的移動(dòng)速度越慢,核桃劃口率越高,當(dāng)切割鋸片在電缸上的移動(dòng)速度設(shè)為0.10 m/s時(shí),核桃的劃口率在96%以上,劃口位置在核桃肚部附近達(dá)83%以上,劃口寬度在2.85~3.72 mm,劃口長(zhǎng)度為 1.77~1.91 cm。
利用對(duì)輥擠壓核桃破殼取仁設(shè)備驗(yàn)證劃口后的核桃可以提升一次性破殼率和高露仁率。未劃口預(yù)處理的核桃放入對(duì)輥擠壓核桃破殼取仁設(shè)備加工,9組試驗(yàn)平均一次性破殼率在86%以上,平均高露仁率72%以上[10]。經(jīng)過全自動(dòng)式核桃劃口機(jī)劃口預(yù)處理的核桃放入對(duì)輥擠壓核桃破殼取仁設(shè)備加工,平均一次性破殼率95%以上,平均高露仁率在84%以上,一次性破殼率提高了9%,高露仁率提高了12%。
設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)核桃劃口機(jī),其主要包括喂料斗、導(dǎo)位輥、硬毛刷輥、排序滑道、機(jī)架、機(jī)械自動(dòng)劃口裝置和儲(chǔ)料箱等。其中機(jī)械自動(dòng)劃口裝置包括:切割鋸片、電缸、核桃夾具和氣缸等。由PLC系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)加工。
核桃的劃口和破殼試驗(yàn)表明,核桃的劃口率隨著切割鋸片在電缸上的移動(dòng)速度的減小而增加,劃口后的核桃一次性破殼率和高露仁率明顯增加,平均一次性破殼率95%以上,平均高露仁率在84%以上,一次性破殼率提高了9%,高露仁率提高了12%。
本文的預(yù)期成果可為核桃劃口加工后實(shí)施休閑核桃食品的入味生產(chǎn)和提高工業(yè)化大規(guī)模破殼取仁的效益提供技術(shù)基礎(chǔ)。