，黃曉鵬，徐彥瑞，李曉偉，毛雪杰

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

籽瓜屬西瓜分支品種，相對于常見的食用西瓜，籽瓜的種植目的主要是獲取瓜籽[1]，籽瓜在甘肅地區(qū)的種植面積約為1.86萬 hm2，年產(chǎn)量約為1 800 kg/hm2[2]，在完成籽瓜的取籽之后，約有90%籽瓜皮、瓤、汁被倒掉，利用率僅為10%，既造成了大量的資源浪費，又污染了環(huán)境。籽瓜的皮、瓤、汁具有極高的藥用價值，其果肉具有降火敗毒、利尿去燥、止咳平喘的特殊功效[3]。由課題組設(shè)計的籽瓜全利用加工生產(chǎn)線，能夠?qū)崿F(xiàn)籽瓜皮、瓤、籽的全利用，生產(chǎn)線主要包括破碎取籽、細碎打漿、固液分離、灌裝殺菌幾部分[4]，細碎打漿作為生產(chǎn)線的關(guān)鍵步驟，提高了固液分離過程中的分離效率，在籽瓜的深加工過程中起到了至關(guān)重要的作用。

目前打漿技術(shù)主要運用于造紙行業(yè)，對于果蔬類的打漿研究相對較少，葫蘆科果品的打漿更是如此，國內(nèi)一些學(xué)者對其他種類的打漿機進行了深入研究。肖碩男等[5]設(shè)計的自動番茄打漿機，能自動除去番茄的表皮等雜質(zhì)，并將番茄打成漿液；山西省農(nóng)機研究所[6]設(shè)計的9DF-28型多功能粉碎打漿機，能實現(xiàn)各種秸稈和薯塊的粉碎及豆?jié){的研磨；田忠靜等[7]設(shè)計的五味子打漿機改善了原有的手工加工方式，產(chǎn)量達4 t/h；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)[8]設(shè)計的間歇式中小型蘋果真空打漿機，解決了蘋果打漿過程中氧化褐變而影響果漿的外觀和口感問題，可有效遏制蘋果褐變，提高果漿質(zhì)量，但打漿過程只能采用間斷式，限制了打漿效率，生產(chǎn)效率為1.5 t/h?，F(xiàn)有的研究基本上都采用單桶式打漿結(jié)構(gòu)，打漿效率低，不能滿足生產(chǎn)線的需求。筆者在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上采用雙道式打漿結(jié)構(gòu)，對整機的工作原理和重要部件進行分析，試驗表明，此設(shè)計可以滿足籽瓜汁生產(chǎn)線的需求。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

籽瓜雙道打漿機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。籽瓜雙道打漿機主要由機架、一道桶體打漿裝置、二道桶體打漿裝置、電機和清洗系統(tǒng)組成。此款打漿機的設(shè)計是配合籽瓜全利用加工生產(chǎn)線使用，將完整的籽瓜經(jīng)籽瓜破碎分離機破碎分離以后，將分離出的瓜瓤和瓜汁做進一步快速高效的細碎打漿，使籽瓜汁中固形物的含量達到最低，又不會破壞籽瓜汁的原有口味[9-10]。

圖1 籽瓜雙道打漿機結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 工作原理

雙道打漿機的設(shè)計主要是用來配合籽瓜全利用加工生產(chǎn)線進行使用，籽瓜在生產(chǎn)過程中經(jīng)過破碎分離、細碎打漿、固液分離、殺菌灌裝等工序后生產(chǎn)出最終產(chǎn)品，雙道打漿機主要完成瓜瓤的細碎打漿。該機工作時，將籽瓜破碎分離機分離出的瓜瓤和瓜汁由進料口喂入到一道桶體打漿裝置內(nèi)，轉(zhuǎn)軸帶動刀片高速旋轉(zhuǎn)，共有12個刀片，刀片的整體形狀呈錐形，前大后小，籽瓜瓜瓤受到刀片的撞擊力和離心力后被甩到篩網(wǎng)上，通過篩網(wǎng)的瓜汁在重力作用下通過物料連接管進入二道桶體內(nèi)，未通過篩網(wǎng)的瓜渣在刀片推動下從排渣管排出，通過篩網(wǎng)的瓜汁進入到二道桶體內(nèi)后重復(fù)上述工作[11]。在完成籽瓜的打漿以后，機器自帶的清洗系統(tǒng)會對機器內(nèi)部進行清洗。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

籽瓜雙道打漿機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 籽瓜雙道打漿機的主要技術(shù)參數(shù)值

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 物料輸送裝置

在實現(xiàn)瓜瓤和瓜皮的打漿之前，需要利用籽瓜破碎分離機將完整的籽瓜進行破碎分離，將瓜籽分離之后對瓜瓤和瓜皮進行打漿處理，經(jīng)過破碎分離機處理后的瓜瓤顆粒小于0.8 mm，籽瓜破碎分離機和打漿機之間用管道連接實現(xiàn)物料的傳輸。一道桶體打漿裝置位于二道桶體打漿裝置的斜上方，一道桶體打漿裝置和二道桶體打漿裝置之間采用管道連接，一道桶體打漿裝置篩網(wǎng)網(wǎng)孔的直徑為1 mm，在完成一道打漿之后，物料能夠在重力作用下通過物料連接管進入到二道桶體打漿裝置中，一道桶體打漿裝置和二道桶體打漿裝置之間的物料輸送管道采用直徑為38 mm的304不銹鋼鋼管。

2.2 打漿裝置

2.2.1 刀片和刀輥

刀片和刀輥為打漿機的主要工作部件，也是打漿機的主要受力部件，打漿機的刀片設(shè)計成外寬內(nèi)窄的形狀，在刀片外部邊緣留有刀刃，這樣的設(shè)計不僅增大了進料口處的緩沖空間，又提高了打漿機的打漿效率，刀片和刀輥如圖2所示。打漿刀輥由刀片繞一輥軸螺旋焊接而成，刀片的起點和終點所在的直線和輥軸中心線之間的角度為4°，不僅防止了物料的堆積，同時對打漿機的打漿效率有所提高[12]。打漿刀輥分別通過主軸傳動裝置與電機相連，打漿刀輥整體呈錐形，進料口位于小端，這樣有助于提高打漿機的進料速度，且不會影響小顆粒的篩選，從而提高了整機的產(chǎn)能[13]。

圖2 刀片和刀片總裝圖

主軸傳動裝置作為打漿機的主要工作部件，其性能直接影響打漿機的正常工作，主軸傳動裝置的一端通過聯(lián)軸器與動力裝置相連，一端和刀片相連，刀片通過焊接和主軸相連，主軸傳動裝置的材料為合金鋼。主軸傳動裝置在工作過程中只承受扭矩而不承受彎矩，因此作為傳動軸來計算軸的強度和剛度，通過機械設(shè)計手冊來驗證主軸傳動裝置的可靠性[14]。

2.2.2 一道桶體打漿裝置和二道桶體打漿裝置

一道桶體打漿裝置主要由電機、刀片、主軸傳動裝置、篩網(wǎng)和桶體外殼組成，瓜瓤經(jīng)物料輸送裝置進入到一道桶體打漿裝置內(nèi)部，電機帶動輥軸高速旋轉(zhuǎn)，破碎刀輥對瓜瓤和瓜皮進行打漿處理，瓜瓤和瓜皮的纖維受到刀片的剪切力而改變了纖維的形態(tài)，同時纖維的細胞壁發(fā)生位移、變形與破裂等現(xiàn)象而吸水膨脹，產(chǎn)生細纖維化。

一道桶體打漿裝置和二道桶體打漿裝置的基本組成和工作原理基本相同，僅以第一桶體為例進行說明，一道桶體打漿裝置與二道桶體打漿裝置相互平行，一道通體打漿裝置位于二道桶體打漿裝置斜上方，一道桶體的篩網(wǎng)網(wǎng)孔直徑為1 mm，完成對瓜瓤的粗級打漿，二道桶體的篩網(wǎng)網(wǎng)孔直徑為0.8 mm，完成對瓜瓤的細級打漿[15]。一道桶體打漿裝置位于整機的上半部分，也是打漿機的主要組成部分，打漿機在工作時，電機帶動刀軸高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的刀片帶動瓜瓤和瓜汁在筒體內(nèi)轉(zhuǎn)動，未能通過篩網(wǎng)的瓜瓤和瓜籽通過排渣口排出機外，一道桶體裝置如圖3所示。

圖3 一道桶體總裝結(jié)構(gòu)簡圖

2.2.3 桶體的性能校核

桶體在打漿過程中承受瓜瓤和瓜皮的重力和擠壓，對桶體的強度和剛度進行校核，驗證設(shè)計的合理性。

(1)桶體的強度校核：

τT=TWT≈9 550 000pn0.2d3

(1)

桶體的材料使用45號鋼，τT的值為25～45 MPa。經(jīng)計算可得，桶體的材料滿足設(shè)計要求。

(2)圓桶的剛度校核，圓桶扭轉(zhuǎn)角的計算公式：

φ=5.73×1 041 LGτ=1zTτLτIpτ

(2)

桶體的極慣性計算公式：

Ip=πd432

(3)

[φ]為桶體的扭轉(zhuǎn)角，可取[φ]=1°/m，φ<[φ]，圓桶扭轉(zhuǎn)剛度符合要求。

2.3 排渣裝置

瓜瓤通過連接管道進入一道通體打漿裝置內(nèi)部后，刀片高速旋轉(zhuǎn)帶動瓜瓤旋轉(zhuǎn)進而將大顆粒的瓜瓤切碎，切碎以后的瓜瓤進入二道桶體打漿裝置重復(fù)上述工作，排渣口位于打漿裝置的右側(cè)位置，未通過篩網(wǎng)的大顆粒瓜瓤則通過排渣口排出機外。

2.4 清洗裝置

由于打漿機在完成籽瓜打漿后瓜瓤會粘附在機腔內(nèi)壁，對機器的清洗造成很大困難，傳統(tǒng)的清洗方法很難對機器內(nèi)壁進行清洗，因此為機器設(shè)計了一種能夠完成機器自動清洗的清洗系統(tǒng)，清洗系統(tǒng)主要通過主管道和分管道輸送水，將噴淋裝置設(shè)置在桶體內(nèi)部的各個位置，在完成打漿以后，能夠?qū)Υ驖{機內(nèi)部進行全方位的清洗，提高了打漿機的清洗效率。

3 試驗

本次試驗采用自主研發(fā)的籽瓜全利用加工生產(chǎn)線進行，驗證籽瓜打漿機的生產(chǎn)效率，以當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的籽瓜為試驗材料，以固形物顆粒含量和瓜瓤的細碎程度作為試驗指標，以一道桶體打漿裝置電機的轉(zhuǎn)速、二道桶體打漿裝置電機的轉(zhuǎn)速和進料口的喂入量為試驗因素，進行3因素3水平正交試驗[16-17]。

3.1 試驗材料與設(shè)備

此次試驗采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的籽瓜，在甘肅白銀對自行設(shè)計的雙道打漿機進行試驗，瓜體的平均重量在5 kg左右，平均大小為17 cm×23 cm，首先利用自主研發(fā)的籽瓜破碎分離機對籽瓜進行破碎分離，用分離出的籽瓜瓜瓤作為試驗材料進行試驗。測量儀器設(shè)備主要有TCS-01型電子秤(測量范圍0～300 kg，精度0.01 kg，上海速展機電有限公司)，LQ-C5001型電子天平(最大量程3 000 g，精度0.1 g，上海瑤新電子科技有限公司)。

3.2 試驗方案

按照試驗水平將破碎分離后的瓜瓤和瓜汁進行稱重和分組，每組試驗重復(fù)三次，最后取其平均值，將稱重后的籽瓜瓜瓤和籽瓜汁在10 min之內(nèi)均勻地喂入到打漿機里面，待出料口停止出料后，關(guān)閉機器電源，然后測定打漿后籽瓜汁中固形物含量和瓜瓤的細碎程度，試驗水平見表2。

表2 試驗水平

3.3 試驗結(jié)果與分析

正交試驗和試驗結(jié)果見表3。由試驗結(jié)果可以看出，影響打漿機打漿質(zhì)量的主要因素為喂入量，次要因素為一道桶體打漿裝置電機轉(zhuǎn)速和二道桶體打漿裝置電機的轉(zhuǎn)速，最佳的工作參數(shù)為A2B2C3。各因素水平對固形物含量的影響如圖4所示，一道桶體打漿裝置電機的轉(zhuǎn)速和二道桶體打漿裝置電機的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)速的提高固形物的含量也呈先增加后減小的趨勢，當(dāng)一道桶體打漿裝置二道桶體打漿裝置和電機轉(zhuǎn)速為800 r/min時，雙道打漿機的打漿效率最高，打漿機的喂入量為影響打漿機打漿效率的主要因素，當(dāng)喂入量為170 kg/min時，打漿機的生產(chǎn)效率為10 200 kg/h。

表3 正交試驗與結(jié)果

圖4 各因素水平對固形物含量的影響

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種新型籽瓜雙道打漿機，對雙道打漿機關(guān)鍵部件進行分析，確定了打漿機的整機結(jié)構(gòu)，驗證了設(shè)計的合理性。整機的工作性能穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，能夠滿足籽瓜汁生產(chǎn)線的加工使用。采用雙道式打漿結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)單桶式打漿機打漿效率低的問題，為葫蘆科果品的打漿提供了理論依據(jù)。

(2)通過三因素三水平試驗結(jié)果可以看出，雙道打漿機的設(shè)計可以滿足籽瓜汁生產(chǎn)線的需求，生產(chǎn)效率可達10 t/h。對打漿效果影響最大的因素為喂入量，其次是一道通體和二道桶體打漿裝置電機的轉(zhuǎn)速，一道桶體打漿裝置和二道桶打漿裝置最適宜的電機轉(zhuǎn)速為800 r/min，打漿機在工作過程中最適宜的喂入量為170 kg/min。