石 鑫，楊豫新，牛長河，吐魯洪·吐爾迪，楊會民，張 麗，陳毅飛

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)科學(xué)觀測試驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830091)

巴旦木學(xué)名扁桃，其品種多樣且經(jīng)濟(jì)效益突出，現(xiàn)階段在世界范圍內(nèi)栽培區(qū)域極廣[1-2]。我國引進(jìn)栽培歷史已逾千年，近年來巴旦木已在新疆喀什地區(qū)形成規(guī)?；N植，其區(qū)域特色明顯且品質(zhì)優(yōu)良，已成為新疆地區(qū)的特色林果產(chǎn)品之一[3-4]。因農(nóng)副產(chǎn)品品類開發(fā)靈活多變，食用巴旦木及其衍生的農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售已覆蓋千家萬戶[5]。巴旦木果實(shí)是青皮巴旦木初加工后的首要產(chǎn)品，當(dāng)季巴旦木脫青皮時(shí)效決定了其成色及上市時(shí)間，人工剝青皮已無法滿足生產(chǎn)需要，現(xiàn)階段巴旦木脫青皮機(jī)的研究相對較少，為減輕農(nóng)戶勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，研制高效且低損傷的巴旦木脫青皮機(jī)極其重要[1,6]。

新疆地產(chǎn)資源豐富，巴旦木栽植面積大且集中，受生產(chǎn)水平條件限制，長期以來多數(shù)青皮巴旦木仍然是依靠農(nóng)戶手工剝除青皮，使得脫青皮作業(yè)效率低、成本高、勞動強(qiáng)度大；加之果樹品種、成熟度及含水量均存在差異，使得機(jī)械化脫皮工作滯后[7-9]。國內(nèi)外研究人員對果實(shí)結(jié)構(gòu)特性相似的核桃、蓮子、花生、銀杏、開心果等脫皮、脫殼、分選設(shè)備進(jìn)行了大量研究，該類型機(jī)具主要使用揉搓、擠壓等工作形式，實(shí)現(xiàn)了果實(shí)與雜余的分離[10-13]。同時(shí)，國外科研人員就品種選育、加載響應(yīng)特性、物料結(jié)構(gòu)特性、接觸特性等方面開展了大量研究，為實(shí)現(xiàn)巴旦木機(jī)械化脫青皮奠定了理論基礎(chǔ)[14-16]。國內(nèi)近年來對與巴旦木相似的核桃研制了相對完善的脫皮和脫殼設(shè)備[17]，石章成[18]對不同加載狀態(tài)下核桃青皮剝離狀態(tài)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種小型核桃脫皮機(jī)并通過正交仿真試驗(yàn)對其進(jìn)行了優(yōu)化。劉東琴等[19]設(shè)計(jì)了一種滾刷型青核桃脫皮機(jī)，通過拼接式脫皮滾筒和分段螺旋布置毛刷剝離青皮，最終確定了機(jī)具的較優(yōu)作業(yè)參數(shù)。

課題組前期根據(jù)現(xiàn)有脫皮和脫殼機(jī)械特點(diǎn)設(shè)計(jì)了以定滾筒內(nèi)置多頭螺旋輥的巴旦木脫皮機(jī)，通過多頭螺旋輥高速旋轉(zhuǎn)與篩筒壁揉搓剝離青皮，解決了中厚殼青皮巴旦木機(jī)械化脫皮的技術(shù)難題。由前期試驗(yàn)結(jié)果可知，單級脫皮工作效率較低，脫凈率可達(dá)90%、破損率平均值為5%[20]；多級工作狀態(tài)提高了生產(chǎn)效率和脫凈率，但螺旋葉片轉(zhuǎn)速高，多級脫皮下巴旦木果實(shí)在柵板和螺旋脫皮輥內(nèi)運(yùn)動距離增長，致使破損率增長[21]。為進(jìn)一步提高巴旦木脫青皮工作效率，本研究擬改進(jìn)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)，基于原巴旦木脫青皮機(jī)設(shè)計(jì)一種滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)，采用多動部件進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，可為巴旦木生產(chǎn)率的提高和破損率降低提供基礎(chǔ)。

1 原結(jié)構(gòu)及改進(jìn)方案確定

1.1 原機(jī)結(jié)構(gòu)

以喀什地區(qū)主要巴旦木種植品類為加工對象，通過課題組前期研究成果可知，巴旦木青皮厚度隨含水率降低逐漸減小，在青皮巴旦木開裂程度a～d級時(shí)青皮容易剝離[4,9]，初步設(shè)計(jì)了螺旋式巴旦木脫青皮機(jī)，該機(jī)主要由機(jī)架、行走輪、電動機(jī)、組合式脫皮滾筒、脫皮轉(zhuǎn)軸、傳動系統(tǒng)、料斗、上蓋板、側(cè)擋板、排料槽等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作中單軸多頭全螺旋脫皮轉(zhuǎn)軸提供軸向推力，沿軸向推動青皮巴旦木向出口遷移，縱向柵條組成的組合式脫皮滾筒使巴旦木在其柵條槽內(nèi)縱向滑行，二者共同改變巴旦木位姿，使巴旦木多次翻轉(zhuǎn)完成脫皮。

1.機(jī)架；2.行走輪；3.電動機(jī)；4.組合式脫皮滾筒；5.脫皮轉(zhuǎn)軸；6.傳動系統(tǒng)；7.料斗；8.上蓋板；9.側(cè)擋板；10.排料槽1.Frame;2.Walking wheel;3.Motor;4.Combined peeling roller;5.Peeling shaft;6.Transmission system;7.Bucket;8.Upper cover plate;9.Side baffle;10.Discharge chute圖1 巴旦木脫青皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of almond peeling machine

1.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

原結(jié)構(gòu)脫皮轉(zhuǎn)軸為多頭螺旋片，轉(zhuǎn)軸外表面除螺旋片外再無阻隔，脫皮作業(yè)過程中主要依靠螺旋片頂端與滾筒內(nèi)部的擠壓作用進(jìn)行脫皮。原機(jī)喂入速度極難控制，通常在料斗處易堆積，隔板放料間隙調(diào)控不易，致使脫皮效果不穩(wěn)定；在低速、喂入速度較大時(shí)，果實(shí)在滾筒內(nèi)離心力不足，則會自內(nèi)壁上表面跌落進(jìn)而降低脫凈率，此外該結(jié)構(gòu)在喂入及停機(jī)過程中需閉合隔板，阻隔料斗和組合式脫皮滾筒(停止喂料)，否則降速及停機(jī)時(shí)易產(chǎn)生壅堵和物料積存等問題。

本文根據(jù)青皮巴旦木和硬殼巴旦木(巴旦木果實(shí))的物理特性和現(xiàn)有脫皮機(jī)械特點(diǎn)，對原機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)。通過調(diào)整傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多工件不等速布置，使各部件同源驅(qū)動、定比轉(zhuǎn)動，減小調(diào)節(jié)難度，消除過度喂入產(chǎn)生的脫皮率低、破損率高的問題。改進(jìn)脫皮滾筒結(jié)構(gòu)，確保剛度的同時(shí)增加軸向推移力，將“定”滾筒改為“動”滾筒，將青皮巴旦木分散至滾筒環(huán)形面，通過滾筒旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)移。調(diào)整喂入及脫皮作業(yè)環(huán)節(jié)工作形式，將轉(zhuǎn)軸自喂入處至排料處設(shè)計(jì)為柱狀結(jié)構(gòu)，改變喂料處結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻喂料，采用分段作業(yè)，送至機(jī)體內(nèi)的巴旦木先破皮后揉搓。外滾筒和轉(zhuǎn)軸組合后形成類筒狀結(jié)構(gòu)，使青皮巴旦木分散至四周增大接觸面積，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸和滾筒扭轉(zhuǎn)下青皮和果殼分離。

1.3 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

改進(jìn)后的滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)主要由電機(jī)、料斗、電控開關(guān)、螺旋喂料器、鏈盤、破皮輥、鋼刷單元、外滾筒、排雜溜板、上罩殼、萬向輪、導(dǎo)流板等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

工作過程中，成熟的青皮巴旦木由料斗承接，在螺旋喂料器的軸向推力作用下均勻向外滾筒內(nèi)推送，青皮巴旦木首先被推送至破皮輥，青皮巴旦木在破皮輥和外滾筒組成的空隙內(nèi)進(jìn)行擠壓，使青皮局部離殼或逐漸開裂；隨后在破皮輥和外滾筒二者的反向轉(zhuǎn)動作用下，巴旦木逐步被擠壓至脫皮鋼刷，脫皮鋼刷揉搓作用促使青皮開裂的巴旦木青皮與果殼分離，同時(shí)鋼刷將開裂的青皮碎裂，碎裂的青皮由柵條式脫皮滾筒的柵條間隙內(nèi)排出，碎青皮等雜余掉落至排雜溜板至機(jī)組外側(cè)地面，巴旦木果實(shí)在外滾筒逆向螺旋作用下逐步向出料端運(yùn)動，運(yùn)動至出料口經(jīng)導(dǎo)流板排出，至此脫皮作業(yè)完成。

1.電機(jī)；2.料斗；3.電控開關(guān)；4.螺旋喂料器；5.鏈盤；6.破皮輥；7.鋼刷單元；8.外滾筒；9.排雜溜板；10.上罩殼；11.萬向輪；12.導(dǎo)流板1.Motor;2.Hopper;3.Electric control switch;4.Screw feeder;5.Chain disk;6.Skin breaking roller;7.Steel brush unit;8.External roller;9.Discharge slide plate;10.Upper cover;11.Universal wheel;12.Guide plate圖2 滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of roller brush type almond peeling machine

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原結(jié)構(gòu)為一體式脫皮輥(圖3)，在脫皮輥轉(zhuǎn)速較低時(shí)脫皮效率低且易產(chǎn)生壅堵。為避免喂入速度過快產(chǎn)生壅堵問題，減少故障、確保工作可靠性，外滾筒軸徑增大的同時(shí)增加軸向長度，改進(jìn)脫皮輥結(jié)構(gòu)。脫皮輥(即脫皮轉(zhuǎn)軸)分為三段，由螺旋喂入、鋼輥破皮、鋼刷揉搓脫皮組成，脫皮轉(zhuǎn)軸爆炸圖如圖4所示。主軸和不同的工作部件采用不同的連接方式，其中喂入段采用螺旋喂料器實(shí)現(xiàn)青皮巴旦木軸向運(yùn)移，螺旋喂料器兩側(cè)采用帶座軸承連接，通過變速實(shí)現(xiàn)低速喂入；破皮輥一側(cè)布置圓鋼與軸管以此定位脫皮鋼刷單元，脫皮鋼刷單元軸向壓合，在右側(cè)鎖緊螺母的作用下使鋼刷相鄰表面緊密貼合形成致密的柱狀結(jié)構(gòu)，工作中破皮輥和脫皮鋼刷同步轉(zhuǎn)動，對螺旋喂料器喂入的青皮巴旦木先破皮、再揉搓脫皮。滾筒結(jié)構(gòu)調(diào)整為一體式，柵條總體橫向布置，外滾筒由組合定裝結(jié)構(gòu)改變?yōu)橥鉂L筒兩端采用滾動支撐，通過左側(cè)鏈盤帶動，工作中逆主軸轉(zhuǎn)動方向低速轉(zhuǎn)動，增加脫皮動力。

1.左軸頭；2.膠條；3.中軸管；4.螺旋撐板；5.支撐桿；6.右軸頭1.Left shaft head;2.Rubber strip;3.Central shaft tube;4.Spiral support plate;5.Support rod;6.Right shaft head圖3 一體式脫皮輥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural drawing of integrating peeling roller

1.大帶輪；2.鏈輪；3.主軸；4.喂料器驅(qū)動鏈輪；5.帶座軸承；6.螺旋喂料器；7.鎖緊螺母；8.剛刷單元；9.破皮輥1.Large pulley;2.Sprocket wheel;3.Spindle;4.Feeder drive sprocket;5.Bearing with seat;6.Screw feeder;7.Locking nut;8.Steel brush unit;9.Skin breaking roller圖4 脫皮轉(zhuǎn)軸爆炸圖Fig.4 Explosion diagram of peeling shaft

2.1 傳動結(jié)構(gòu)

為保持整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、降低操作難度，機(jī)組總體由下方電機(jī)驅(qū)動，連接三相電進(jìn)行工作，通過電源的通斷對整機(jī)進(jìn)行控制，使用適宜中高速傳動的帶傳動進(jìn)行一次減速，在此基礎(chǔ)上動力經(jīng)脫皮轉(zhuǎn)軸分流。

整機(jī)傳動系統(tǒng)展開圖如圖5所示。各部件同電機(jī)驅(qū)動，于主軸左側(cè)Z1鏈輪處將動力分流，通過上傳動軸將動力再分配的基礎(chǔ)上驅(qū)動外滾筒轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)多工件不等速布置。工作時(shí)閉合開關(guān)，電機(jī)通電后逐步加速至穩(wěn)定值，電機(jī)左側(cè)連接的皮帶輪將動力傳遞至主軸左側(cè)大帶輪，主軸轉(zhuǎn)動中帶動破皮輥和脫皮鋼刷旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，主軸通過左側(cè)鍵連接的鏈輪將動力分配至上傳動軸進(jìn)行二次減速，上傳動軸將動力再分配；一部分動力通過和上傳動軸中部鏈輪回傳至主軸上的螺旋喂料器，減速的同時(shí)驅(qū)動喂料器；另一部分在右側(cè)鏈輪換向作用下驅(qū)動外滾筒。下軸右側(cè)鏈輪與外滾筒左側(cè)鏈輪相連，上傳動軸右側(cè)鏈輪對該傳動鏈進(jìn)行張緊，此時(shí)上傳動軸為驅(qū)動件，故設(shè)計(jì)張緊輪成為驅(qū)動體，在此狀態(tài)下Z3Z4和Z6Z7兩副傳動鏈逆向轉(zhuǎn)動，工作中利用主軸和外滾筒的逆向作用增大各部件對青皮巴旦木的作用效果，便于巴旦木果實(shí)和雜余分離。

由原機(jī)試驗(yàn)可知，脫皮輥?zhàn)顑?yōu)轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，故選用三相異步電動機(jī)(型號：Y112M-4，功率：4 kW，額定轉(zhuǎn)速1 440 r·min-1)，接通電源下實(shí)測電機(jī)轉(zhuǎn)速ni為1 497 r·min-1，設(shè)計(jì)主軸轉(zhuǎn)速n1為300 r·min-1，通過傳動比計(jì)算可得：螺旋喂料器轉(zhuǎn)速n3為44.38 r·min-1、外滾筒轉(zhuǎn)速n5為8.88 r·min-1。

1.電機(jī)；2.下傳動軸；3.上傳動軸；4.螺旋送料器；5.破皮輥；6.脫皮鋼刷；7.外滾筒；8.軸管1.Electromotor;2.Under drive shaft;3.Upper drive shaft;4.Screw feeder;5.Skin breaking roller;6.Peeling steel brush;7.External roller;8.Shaft pipe圖5 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of transmission system

2.2 外滾筒

由原巴旦木脫青皮機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果可知，柵條最佳間隙為7 mm，滾筒內(nèi)徑(分離篩內(nèi)徑)為310 mm，工作轉(zhuǎn)速300 r·min-1時(shí)工作效率在400 kg·h-1以上[21]。直線式固定滾筒僅為青皮巴旦木提供支持力和逆轉(zhuǎn)動方向的脫皮力，持續(xù)進(jìn)行脫皮作業(yè)時(shí)，巴旦木易在脫皮腔內(nèi)定點(diǎn)積聚，局部空間軸向運(yùn)動阻力大，脫皮部件重復(fù)作用后使擠壓力增大，產(chǎn)生果殼破損[22-23]。為確保工作效率，改進(jìn)脫皮滾筒結(jié)構(gòu)，確保剛度的同時(shí)增加軸向推移力，外滾筒由組合定裝結(jié)構(gòu)改變?yōu)橐惑w式，高度(鋼刷底部與滾筒底部間隙)可調(diào)，外滾筒基本直徑擴(kuò)大，變換柵條排布為橫向結(jié)構(gòu)，內(nèi)置多頭螺旋鋼條，通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)移，初設(shè)外部滾筒直徑300 mm。

基于螺旋輸送原理對外滾筒進(jìn)行設(shè)計(jì)[24]，結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由端面法蘭、逆向柵條、內(nèi)支撐環(huán)和柵條組成。其中柵條均勻分布在端面法蘭上，兩端面扭轉(zhuǎn)構(gòu)成微螺旋式結(jié)構(gòu)，工作中軸向疏導(dǎo)物料，滾筒內(nèi)側(cè)增設(shè)逆向柵條，提高滾筒剛度并在工作中撥轉(zhuǎn)物料，使物料在滾筒內(nèi)滑行距離變長，迫使其降速排出，提高果皮分離效果。

對于開放軸流式滾筒，滾筒長度與脫皮性能密切相關(guān)，隨著滾筒長度的增加，脫皮效果會顯著增強(qiáng)，但長度過大，巴旦木果實(shí)在完成脫皮后持續(xù)在滾筒內(nèi)空轉(zhuǎn)，增加功耗的同時(shí)易破壞巴旦木果殼。

設(shè)青皮巴旦木進(jìn)入滾筒后青皮未排出，外滾筒長度計(jì)算公式為：

(1)

式中，L為柵外滾筒有效長度(mm)；k為草果比，取0.05；q為喂料速度(kg·h-1)；q0為脫皮滾筒單位長度所承受的喂入量，其范圍為500～600 kg·h-1·m-1。

1.端面法蘭；2.逆向柵條；3.內(nèi)支撐環(huán)；4.柵條1.End face flange;2.Reverse grid;3.Inner support ring;4.Grid圖6 外滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of external roller

擴(kuò)大喂料速度至600 kg·h-1，代入式(1)計(jì)算可得，柵外滾筒有效長度L取值范圍為950～1 140 mm，為實(shí)現(xiàn)喂料均勻可靠，螺旋送料器部分區(qū)域穿入外滾筒，結(jié)合工作特點(diǎn)與原機(jī)相比外滾筒軸向長度由1 120 mm增大至1 325 mm、滾筒內(nèi)直徑由原直徑280 mm調(diào)整至305 mm(不包含逆向柵條)；根據(jù)組合式巴旦木脫青皮機(jī)結(jié)構(gòu)[21]，選用柵條規(guī)格為長×直徑=1 330 mm×10 mm，外滾筒共布置60 根柵條，由此可得柵條間隙約7 mm，滿足工作需求。

2.3 組合式脫皮轉(zhuǎn)軸

組合式脫皮轉(zhuǎn)軸自喂入處至排料處設(shè)計(jì)為柱狀結(jié)構(gòu)，將脫皮過程分為喂入段、擠壓破皮段、脫皮排雜段，利用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動實(shí)現(xiàn)分步作業(yè)。

為確保脫皮作業(yè)中青皮巴旦木在滾筒內(nèi)總體呈現(xiàn)層狀分布，測量喀什地區(qū)主要栽植品種3號(大巴旦木)外形參數(shù)。根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)而計(jì)算青皮巴旦木和巴旦木果實(shí)幾何平均直徑[8,25-26]，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，i取x和y，x為青皮巴旦木，y為巴旦木果實(shí)；GMD為幾何平均直徑(mm)；ai為長(mm)；bi為寬(mm)；ci為厚(mm)。

測量結(jié)果如下：青皮巴旦木長度均值為36.5 mm，寬度均值為28.0 mm，厚度均值為22.5 mm；巴旦木果實(shí)長度均值約為33.5 mm，寬度均值為23.5 mm，厚度均值為15.5 mm。由式(2)計(jì)算可得，青皮巴旦木幾何平均直徑均值為28.5 mm，巴旦木果實(shí)幾何平均直徑均值為23.0 mm。

巴旦木物料參數(shù)決定了工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，由上述測量結(jié)果確定脫皮鋼刷與外滾筒的間隙為15.5～36.5 mm，為提高機(jī)具工作效率，擬定脫皮鋼刷與外滾筒間隙為30.0 mm，設(shè)組合式脫皮轉(zhuǎn)軸直徑范圍240～250 mm。

2.3.1 螺旋喂料器 螺旋輸送器具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、輸送效率高等優(yōu)點(diǎn)[27-28]，喂料處設(shè)計(jì)為螺旋喂料器，螺旋送料器轉(zhuǎn)動中將青皮巴旦木進(jìn)行軸向輸送。其主要由外側(cè)板、軸筒、螺旋葉片和內(nèi)側(cè)板組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.外側(cè)板；2.軸筒；3.螺旋葉片；4.內(nèi)側(cè)板1.External plate;2.Beam-barrel;3.Spiral blade;4.Internal plate圖7 螺旋送料器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structural drawing of screw feeder

為確保青皮巴旦木由料斗進(jìn)入后順利在螺旋喂料器和外殼組成的空腔內(nèi)推送至外滾筒，將螺旋葉片設(shè)計(jì)為單頭實(shí)體面。根據(jù)青皮巴旦木結(jié)構(gòu)可得螺旋葉片參數(shù)需滿足：

(3)

式中，p為螺旋葉片螺距(mm)；s為螺旋葉片高度(mm)；axmax為青皮巴旦木長度最大值(mm)；cxmax為青皮巴旦木厚度最大值(mm)。

為減少青皮巴旦木在輸送中流動、提高輸送效率，結(jié)合設(shè)計(jì)螺旋葉片高度s為0.03 m、軸筒直徑為0.24 m、螺距p為0.185 m，則螺旋葉片公稱直徑為0.3 m。工作時(shí)螺旋喂料器轉(zhuǎn)速取決于輸送量和喂入量[29]。

Im=47D2·kz·p·n·ρ·μ≥q

(4)

由式(4)可得螺旋喂料器轉(zhuǎn)速為：

(5)

式中，Im為螺旋輸送速度(t·h-1)；D為螺旋葉片公稱直徑(m)；kz為物料填充系數(shù)，取0.33；n為螺旋喂料器轉(zhuǎn)速(r·min-1)；μ為傾斜輸送修正系數(shù)，取1；ρ為青皮巴旦木堆積密度(t·m-3)；q為喂入速度(t·h-1)。

根據(jù)實(shí)際測算可知，青皮巴旦木堆積密度ρ為52 kg·m-3；綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)需求和課題組前期研究基礎(chǔ)，喂入速度需大于600 kg·h-1[9,21]，代入式(5)可計(jì)算出螺旋送料器轉(zhuǎn)速為44.68 r·min-1。

2.3.2 破皮輥 外滾筒和破皮輥二者構(gòu)成破皮腔，在工作過程中，喂料器將青皮巴旦木送至破皮腔，分散于柱面的青皮巴旦木在二者的逆向扭轉(zhuǎn)下擠破青皮，青皮通過機(jī)械沖擊與果殼松動與開裂[30]。破皮輥主要由左擋板、軸套、外花紋鋼條、內(nèi)花紋鋼、右擋板、密封環(huán)、軸管、定位圓鋼等組成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

外滾筒通過轉(zhuǎn)動在逆向柵條的作用下可提供軸向力，輔助巴旦木在滾筒內(nèi)推移。為增大青皮受力，使其快速開裂，內(nèi)、外支撐條鋼選用表面結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的花紋鋼；為加強(qiáng)破皮效果并快速推至鋼刷作用區(qū)域，將破皮裝置設(shè)計(jì)為微錐面結(jié)構(gòu)，同時(shí)外鋼條與外滾筒逆向柵條旋向相反。

為保證內(nèi)、外花紋鋼條充分?jǐn)D壓青皮巴旦木，破皮輥?zhàn)髶醢逯睆铰源笥谟覔醢逯睆絒31]，結(jié)合外滾筒和螺旋送料器結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)左擋板直徑為240 mm、右擋板直徑230 mm。為增大輸送速度、確保工作效率，內(nèi)、外花紋鋼條逆向扭轉(zhuǎn)均布，內(nèi)花紋鋼條軸向長度200 mm、扭轉(zhuǎn)角度17°，外花紋鋼條軸向長度160 mm、螺距2 000 mm。根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)脫皮轉(zhuǎn)軸總長為1 410 mm，其中破皮輥軸向長度為225 mm。

2.3.3 脫皮鋼刷 經(jīng)破皮輥?zhàn)饔?，青皮出現(xiàn)開裂，此時(shí)青皮與果殼粘附力減小，為完成青皮破碎剝離與雜余分離，破皮后采用密集度更高、彈性更好的鋼刷進(jìn)行脫皮。鋼刷單元主要由基板、鋼絲、分層片、阻隔環(huán)、鉚釘?shù)葮?gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖9所示。鋼刷單元沿破皮輥軸管密集壓合，形成柱狀支撐，工作時(shí)在管刷單元隨主軸高速轉(zhuǎn)動，鋼絲刮擦青皮并帶著巴旦木在繞滾筒中心轉(zhuǎn)動，剝離、揉碎的青皮于外滾筒縫隙排出，巴旦木果實(shí)在逆向柵條的作用下向出料口撥轉(zhuǎn)。

1.左擋板；2.軸套；3.外花紋鋼條；4.內(nèi)花紋鋼；5.右擋板；6.密封環(huán)；7.軸管；8.定位圓鋼1.Left baffle plate;2.Axle sleeve;3.External pattern steel bar;4.Internal pattern steel bar;5.Right baffle plate;6.Sealing ring;7.Shaft pipe;8.Positioning round steel圖8 破皮輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structural diagram of skin breaking roller

由脫皮轉(zhuǎn)軸總體結(jié)構(gòu)可知，前端面喂入的青皮巴旦木進(jìn)入破皮后將快速擠壓至鋼刷處，部分青皮掉落后的巴旦木尺寸將縮小。為確保脫凈率，設(shè)計(jì)鋼刷單元最大直徑為245 mm、厚度28～30 mm，分層片壓合長度為鋼絲總長一半，則基板直徑為145 mm，脫皮鋼刷單元壓合后厚度27 mm，脫皮轉(zhuǎn)軸共布置脫皮鋼刷單元39 個(gè)。

3 滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)各部件工作的可靠性與作業(yè)效果，于2021年10月在新疆喀什莎車縣國營二林場進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖10所示。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

主要試驗(yàn)設(shè)備有帶式提升機(jī)(最大輸送速度2 000 kg·h-1，配變頻器一臺)，電子天平(量程1 000 g，精度0.001 g)、電子秤(量程300 kg，精度0.01 kg)、轉(zhuǎn)速表、冠亞SFY-6鹵素快速水分測定儀、變頻器、游標(biāo)卡尺、編織袋、保鮮袋、記號筆等。

1.基板；2.鋼絲；3.分層片；4.阻隔環(huán)；5.鉚釘1.Substrate;2.Steel wire;3.Layered slice;4.Barrier ring;5.Rivet圖9 脫皮鋼刷單元結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structural diagram of peeling steel brush unit

圖10 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.10 Testing site

試驗(yàn)對象選用‘3號巴旦木’，人工擊落果樹向陽面果實(shí)收集并裝袋；果實(shí)大小均勻、青皮完整、部分青皮巴旦木青皮沿縫合線開裂，袋中含有少量葉片和干果枝。使用冠亞SFY-6鹵素快速水分測定儀隨機(jī)檢測其各部分含水率，測得青皮、果殼、果仁平均含水率分別為77.07%、50.32%、28.32%。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)原巴旦木脫青皮機(jī)與改進(jìn)樣機(jī)調(diào)試結(jié)果，結(jié)合巴旦木物料參數(shù)測量結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)后樣機(jī)性能試驗(yàn)[20-21,32]。經(jīng)雙變頻器分別調(diào)節(jié)喂料速度、主軸轉(zhuǎn)速，并逐步改變間隙測試樣機(jī)工作效果，擬定較優(yōu)工作參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速300 r·min-1、間隙20 mm、喂入速度750 kg·h-1。原巴旦木脫青皮機(jī)作業(yè)參數(shù)取較優(yōu)參數(shù)組合[21]，即螺旋器輸送速度5 m·min-1、脫皮輥與篩筒間隙18 mm，螺旋片升角65°。

以脫凈率、損傷率作為試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算公式如下[21,32]：

η1=m1/m×100%

(6)

η2=m2/m×100%

(7)

式中，η1為脫凈率(%)；η2為破損率(%)；m1為樣品中完全脫皮的巴旦木質(zhì)量(g)；m2為樣品(含碎仁及碎殼)中破損的巴旦木質(zhì)量(g)；m為出料口取樣總質(zhì)量(g)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與對比分析

共進(jìn)行5次試驗(yàn)，樣機(jī)穩(wěn)定工作后在出料口取樣并進(jìn)行分揀和稱重，根據(jù)式(6)與(7)計(jì)算脫凈率和破損率，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，巴旦木脫凈率為96.26%、破損率為2.36%，對比原巴旦木脫青皮機(jī)脫凈率提升2.10%、破損率降低1.68%。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)滾筒及脫皮轉(zhuǎn)軸后脫皮作業(yè)過程中柔性脫皮增長下，多工段逆向揉搓脫皮效果更優(yōu)。

表1 原機(jī)及改進(jìn)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對比Table 1 Comparison of the test results from the original machine and improved prototype

4 結(jié) 論

1)基于青皮巴旦木和巴旦木果實(shí)物料參數(shù)，改進(jìn)巴旦木脫青皮機(jī)，以層狀分布、分段脫皮工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)，介紹了主要零部件結(jié)構(gòu)與工作原理，確定了各關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。

2)制作了滾筒刷式巴旦木脫青皮機(jī)，以主軸轉(zhuǎn)速、間隙、喂入速度為因素進(jìn)行性能試驗(yàn)，測得改進(jìn)后巴旦木脫青皮機(jī)脫凈率為96.26%、破損率為2.36%，對比原巴旦木脫青皮機(jī)脫凈率提升2.10%、破損率降低1.68%。

3)相較于原機(jī)高速轉(zhuǎn)動離心揉搓工作改進(jìn)后樣機(jī)采用分層脫皮，應(yīng)用螺旋喂入、剛性擠壓破皮、柔性逆轉(zhuǎn)揉搓脫皮能夠在一定程度上加大青皮剝離作用力，青皮受力增大有利于脫皮。