椰子滚切式剥衣机的设计

张浩栋 张 燕 梁 栋

（海南大学机电工程学院，海南 海口 570228）

椰子属棕榈科椰子属单子叶多年生常绿乔木，是一种典型的热带木本油料作物［1］。椰衣表皮厚1～2mm，它是由革质粗纤维组成，强度大，韧性强，木质素含量较高［2］。椰衣纤维坚韧而富有弹性，耐腐蚀，具有较高商业价值［3］。目前海南省有椰子加工企业近300家，但是大部分企业规模小、技术薄弱，产品加工的机械化水平较低，难以提高经济效益和资源利用率［4］。

对此，国内外很多相关机构和人员都在从事这方面的研究，也取得了一些成果。比如，有用三角锥型齿剥壳机构以拉扯方式将椰皮撕裂后，又改用高速旋转的盘刀以切削方式对椰皮进行破坏的剥衣机，剥衣率仅为57．3%［5］；有利用高速旋转盘刀切削破坏椰衣，残余的果皮纤维再通过旋转的网丝轮加以去除的旋切式剥衣机和基于对椰子的几何、物理机械特性的研究后用带钉齿的双齿辊并压框实现剥衣的新式设计剥衣机，剥衣率都约为85%［3］，但剥壳后椰衣纤维被严重破坏，产品的经济价值减少；有利用六角刀具扎入椰衣旋转剥开椰衣的自动剥衣机［6］，但是装夹椰子操作复杂，操作人员的劳动强度较大。

以上的椰子剥衣机，虽然都实现了对椰衣的剥除，但剥衣效果差异较大，都有不同程度的缺陷，相对市场化还有很远的距离。所以海南的大部分椰子产品还是采用传统的手工或者半手工的方式加工，这种方式工人劳动强度大、效率低、安全性差，极大地制约了椰子产业化、商品化的发展［7］。研究设计一种综合考虑上述诸多剥衣缺陷的新型高效剥衣机是椰子产业发展的急需解决的问题。

1 剥衣方法、剥衣原理及工作过程

1．1 剥衣方法

目前国内外椰子剥衣机的研究成果主要集中在机械剥衣上，并配以电动或者液压系统以提高工作效率。这些剥衣机械刀具运转方法大体分为3 类，其中基本以旋转切削为主，运动曲线比较规则。由于椰子并非标准球形，所以椰子切削受力不均，椰子剥壳率和内果损伤率提高不大。其次刀具以双齿辊式多次撕扯切削，很容易破坏椰衣纤维；而且刀具以扎入式旋转的方法剥衣，椰子需装夹固定，生产效率较低。本设计采用两个钉板滚切式揉搓剥衣的新型方法，椰子的大小不同落入钉板的位置则不同，然后还以高压空气吹扫作为辅助剥衣，综合有效地解决了上述剥衣方法中出现的问题和缺陷。

1．2 剥衣原理

起初投入的椰子落在倾斜的剥衣顶板上，由刀片接触支撑，然后左侧竖直钉板沿X 向运动适当距离使刀片扎入椰子，右侧倾斜钉板沿Y 向运动使两个钉板上的刀片滚切揉搓椰子，Y 向移动超过普通椰子半周的适当距离。然后返回，并且右侧倾斜顶板可以根据剥衣效果适当重复Y 向的移动，期间扎入椰衣的刀片便会如人工剥衣一样把椰衣撬开剥除。由于椰衣纤维的连着性，所以没有被刀片扎到的小部分椰衣也会被连带撕掉。同时气道中吹出高压气体将椰子上面粘连的一些纤维碎屑吹扫干净，达到辅助剥衣的效果。之后左侧钉板退回适当的距离，椰子靠重力落下，离开剥衣钉板。活板在弹簧的作用下复位，把刀片上可能缠裹的椰衣纤维推离刀片，和高压气体协同保持刀片洁净干燥不被腐蚀，以利于下一个剥衣过程。工作原理示意图见图1。

图1 剥衣原理示意图Figure1 Principle of stripping

1．3 工作过程

当椰子剥衣机开始工作时，首先开启高压空气把剥衣钉板吹扫干净，之后椰子从上方投入两个剥衣钉板之间，然后通过伺服电动机的带动及螺杆的传动，使得左侧竖直钉板和右侧倾斜钉板依次移动。椰子被剥除干净后，左侧的剥衣钉板退回。光滑的椰子落到过滤网上，滚落下来，方便工人收集。被剥除的椰衣会透过过滤网落入下面的皮屑收集箱中，保证了操作车间的整洁。然后两个钉板复位，进入下一个剥衣过程。这样的机械运动剥衣过程，较高的实现了椰子剥衣的要求，是一种质量、效率都较高的可行方案。具体剥衣的工作过程见图2。

图2 剥衣机的工作过程Figure2 Work process of decorticator

2 椰子剥衣机的主要结构及功能

2．1 基本结构

剥衣机的结构简图见图3。

图3 剥衣机的结构简图Figure3 Decorticator’s structure diagram

2．2 剥衣钉板

剥衣钉板部分主要包括钉板、两侧护板、刀片、活板、内孔气道、挡块。钉板大小约50cm×50cm。钉板由钢板加工而成，工作表面镶入特制的刀片。钉板前边用弹簧联接活板，活板中间开有高压气道，表面开有气孔。孔与孔之间、刀片与刀片之间都间隔3cm 左右。钉板背面上接丝杠装置，活板下边接高压送气装置。当切削完毕，椰子离开钉板，活板通过弹簧弹力复位，把少量缠裹在刀片上的椰衣纤维推离刀片，然后由高压气体吹扫干净。

剥衣钉板两侧有护板，以防止椰子或椰衣碎片意外飞出。护板上有挡块，调整挡块位置，可以限定活板活动范围，进而决定刀片剥衣时的切入深度。为了缩减钉板的大小和行程，两块顶板错开放在机架上，并且为了钉板运行平稳，顶板的底部连有滑块，可以在机架的滑轨上滑动。同时为了最大面积的接触剥除椰衣，左侧钉板竖直放置，右侧钉板倾斜放置，并且倾斜角度可以通过后边的斜度调节旋钮适当调节，与护板的挡块配合，可以满足不同品种、形状差异较大的椰子剥衣。剥衣钉板主视图见图4（图中结构组成未按实物比例画出）。

图4 钉板位置及结构简图Figure4 Board’s location and structure diagram

2．3 刀片

剥衣钉板上的刀片，设计为剑尖型，宽1cm 左右，高10cm 左右，这样可以方便活板的调节且兼顾了刀片的强度。刀片形状见图5。

图5 刀片形状Figure5 The shape of the blade

2．4 丝杆过载保护装置

由于椰衣和椰壳的硬度有一定差距，所以伺服电动机和丝杠之间由过载保护装置联接，从而保证椰果不被损坏和剥衣机正常运转。运动从左到右由螺旋形端面齿传递，过载时扭矩增大将克服弹簧弹力使保护装置左右分离［8］。工作原理图见图6。

图6 过载保护装置工作原理Figure6 Work principle of overload protecting device

2．5 高压气罐

高压气罐装于机架下部，以节省空间，为钉板提供高压空气，从而把未被剥除干净的皮屑吹除掉，同时与活板协同作用，保证刀具的干燥和光洁，以利于不间断切削。

2．6 其它

剥衣钉板下部装有过滤网和皮屑收集箱，以实现椰子和椰衣的分离收集。

倾斜顶板后边装有斜度调节旋钮，可以根据加工椰子的品种差异造成的形状和硬度不同，手动调节，从而达到最佳剥衣面积。

3 主要技术参数

利用机械和电动系统协调控制工作，该设备配备总动力为3kW。对由于椰子品种差异和含水量造成的形状、硬度不同的，本椰子剥衣机均能调整适用。根据工人操作的熟练度，该剥衣机每小时可剥衣280～350个。其中一次剥衣率在90%以上，椰果损伤率在5%以内，剥衣干净，并最大程度保证了椰衣纤维的完整性。

4 结束语

基于海南椰子剥衣的需求，提出了一种新型剥衣机的设计，其中着重介绍了椰子的剥衣原理及主要结构和部分部件的设计。由于结合机械剥衣和高压气体辅助剥衣，可以达到较好的剥衣效果。仿照手工剥衣的设计，使本椰子剥衣机能降低工人劳动强度、有效缓解劳动力紧缺、提高工人劳动安全性。使椰子剥衣更加干净有效、极大地降低生产成本，为后续的椰子加工提供足够的原材料，使椰子加工的产业化、自动化程度加大，带动椰子企业的规模化生产，进而促进整个椰子的种植生产和椰子食品的扩展。不过，本剥衣机未能实现剥衣的全面自动化，对操作工人来说还是有一定的工作强度；其次，本剥衣机也只是解决了椰子外衣的剥除问题，对于坚硬椰壳的剥除还需更深的研究。

1 廖明保，潘友仙，黄文强．海南椰子产业的实证分析［J］．技术经济与管理研究，2005（6）：76～77．

2 李秀娟，李小慧．新鲜椰子的综合加工［J］．食品科技，1999（1）：47～49．

3 王旺平，李诗龙，刘晓艳．椰子剥壳机的研制［J］．农业机械，2011（7）：179～181．

4 夏秋瑜，李瑞，赵松林，等．椰子的利用价值及综合加工技术［J］．中国热带农业，2007（3）：37～38．

5 陈秀文，谢俊夫，陈和贤．椰子剥壳机构之研制［J］．农业机械学刊，2006，15（3）：23～32．

6 肖仁鹏，马鑫，刘四新，等．椰子自动剥衣机的设计［J］．食品与机械，2012，28（1）：142～143．

7 梁栋．椰青加工技术的现状及对策［J］．农业机械，2009（18）：59～60．

8 贾亚洲．金属切削机床概论［M］．北京：机械工业出版社，2010：58～59．