滚筒式辣椒除柄机改进设计

李璐璐,李志敏,孙传祝

(1.青岛璐璐农业装备股份有限公司,山东 青岛 266300;2.山东理工大学 机械工程学院,山东 淄博 255000)

0 引言

辣椒营养丰富,含有大量Vc、辣椒素和辣椒红素等,既可调味,又可入药。我国是最大的辣椒种植国和消费国,年种植面积达2×106hm2,年产量达5×107t。近年来,随着市场需求量的不断增大,国内辣椒的种植面积也与日俱增。

为了保证辣椒品质,采摘后的辣椒一般留有一定长度的柄部[1],因此解决收获后的辣椒除柄等粗加工问题迫在眉睫。李晴[2]等人从辣椒生产、加工与国际市场贸易等方面分析了国内外辣椒产业的发展现状与发展趋势,提出了辣椒产业发展中存在的问题及对策。唐文波[3-8]等人设计了一种辣椒去核机,分析了其工作原理和特点,并通过对辣椒去核机三维模型的运动仿真,得到了各部分驱动元件和执行元件的时间位置关系。

由于收获后的辣椒带有辣椒柄,无法直接作为原材料使用。传统的辣椒除柄工作劳动力密集、效率低,长期从事与辣椒直接接触的相关工作,对操作工人会产生严重伤害,如导致手指创伤、感染呼吸道等;且人工操作的差异性大,严重影响着辣椒干的品质。为了摘除辣椒的柄部和籽粒,张丽英[9]设计了一种结构简单、易操作的尖辣椒摘把脱籽机,生产效率达50～400kg/h。杨雨萧[10]等人设计了一种辣椒切把机,对其定位装置、筛选装置、收集装置和废料处理装置等进行了改进设计, 并利用辣椒的不同运动速度筛选出切除把的辣椒,增加了辣椒的出头率和切把率。但是,这些研究尚属实验室阶段。

在产品研发方面,柴传程[11]等人利用立式旋转的方式使得辣椒的朝向一致,在加强辣椒的离心力之后,将辣椒向上甩出,并通过肋板将辣椒有序地送上顶端,再利用夹紧部分夹紧辣椒柄部,在高速转动的情况下夹片条也能准确控制夹紧部分的夹紧与松开,以顺利完成辣椒柄部的切除。商镇[12]发明的自动辣椒去把机皮带可以对辣椒进行输送和挤压,以方便辣椒去把,滚子的外部表面包裹有粗糙的橡胶,可以提高摩擦力,以期提高辣椒去把效率。王磊[13]等人发明的辣椒去把机在凸轮的驱动下上下往复运动,使得进料斗中的辣椒均匀进入压碎斗中进行破碎,再进入过滤筛中进行筛选,筛选效率较高。纪义岗[14]发明的辣椒切把机辣椒进入滚筒即可进行自动箩筛,开始阶段滚筒缓慢运转,之后再逐步提高转速,使得滚筒即使是在长期运转下出现轻微磨损,也不会因为偏心而产生噪音大、损坏设备等现象,降低了维护成本。张俊英[15-17]等人研发的辣椒去柄器可以手动与机动兼顾,还有一些研发人员在辣椒除柄方面进行了大量工作[18-20]。

上述发明虽然可以去除辣椒的柄部,但鲜有装备投放市场。李志敏[21-22]等人发明的辣椒全自动除柄机通过滚筒的高速旋转,使得滚筒内的辣椒在离心力的作用下,带有柄部较重的一端贴在滚筒壁上,而滚筒壁上设置若干分布均匀、大小相同的圆孔,因此辣椒的柄部就有机会卡在圆孔中;当柄部透过滚筒壁上的圆孔之后,紧贴在滚筒外壁上的固定刀片,就会顺利将辣椒的柄部切掉,可较好完成辣椒的除柄任务。

但是,上述发明的动力传动路线不够紧凑,传动稳定性差;采用被动式剪切机构,刀片易磨损,且位置不易调整和更换;滚筒内的辣椒翻滚效率较低,辣椒柄穿进滚筒上筛孔的概率小,因此除柄效率低、效果差;除柄过程中易产生粉尘及气味,无法实时观察其设备运行状态,同时粉尘对环境污染严重,不符合环保要求。

1 滚筒式辣椒除柄机结构原理

1.1 总体结构及主要技术参数

改进后的滚筒式辣椒除柄机由机架、滚筒、剪切机构、搅动装置、除尘装置、监控装置及进料斗等组成,如图1所示。

1.进料口 2.滚筒 3.除尘装置 4.机架 5.剪切机构 6.监控装置图1 滚筒式辣椒除柄机结构简图Fig.1 Structure diagram of drum type pepper handle remover

其中,机架采用框架结构,底面装有自位脚轮和支承脚轮。滚筒件数可根据用户需求配置,一般以3件滚筒为宜。安装时,各滚筒位于同一铅锤面内、自上而下排列,且呈倾斜状态布置;相邻滚筒交替布置,以便于辣椒在滚筒内翻滚的同时由一端向另一端输送。各滚筒设在滚道的端部均设有安装在机架上的进料斗,且上层滚筒的出料口均对应位于下层滚筒的进料斗上方。每件滚筒一侧均装有剪切机构,且剪切机构的一端与安装在机架上的剪切驱动装置连接。

改进后辣椒除柄机的主要技术参数如下：

除柄机层数/层：3

外形尺寸/mm：8600×1200×4000

滚筒直径/长度/mm：φ1000/6800

滚筒转速/r·min-1：50

剪切机构的剪切频率/Hz：2

除净率/%：≥92

破碎率/%：≤1.5

噪声/dB(A)：≤88

配套总功率/kW：17.7

1.2 工作原理及特点

启动滚筒式辣椒除柄机之后,各滚筒驱动装置直接驱动相应的滚筒转动,各剪切驱动装置分别驱动相应的剪切机构做往复直线运动。

待除柄的辣椒从最上层的进料斗加入到滚筒靠近滚道的一端后,被滚筒带动沿着滚筒内壁向上运动,由于重力作用也会沿着滚筒内壁回落;设置在滚筒内壁上的挡板增加了辣椒的翻滚次数,同时也会延长辣椒与滚筒内壁的接触时间。由于滚筒内壁设有多个小孔,且小孔直径大于辣椒的柄部直径,因此辣椒在翻滚运动过程中,一旦其柄部接触到滚筒内壁上的小孔,即可从小孔穿出,并被设置在滚筒一侧的剪切机构剪除。

由于各滚筒均呈(设有进料斗的一端高)倾斜状态布置,加之呈螺旋线状的搅动装置的推动作用,因此辣椒随着滚筒转动、翻滚的同时,还会沿着滚筒的长度方向朝设有出料口的一端运行;当抵达出料口后,便从出料口流出而落入设置在下一层滚筒端部的进料斗,并进入滚筒继续去除尚未被除去的辣椒柄部;经最下层滚筒的去除后,除净率达到要求的辣椒从最下层的出料口流出。

2 关键零部件设计

2.1 滚筒

现有除柄机的驱动装置通过链条与滚筒轴连接,传动路线较长,加之链传动的稳定性差,导致其传动的稳定性和可靠性均不够理想。改进后的除柄机滚筒由滚筒体、滚道、出料口和连接法兰等组成,如图2所示。圆筒形滚筒体上设有若干小孔,筒内设有挡板,其一端设有滚道,另一端设有出料口,且出料口远离滚道的一端,端部装有连接法兰。

(a) 滚道端 (b) 出料口端1.滚筒体 2.挡板 3.滚道 4.连接法兰 5.出料口图2 滚筒结构简图Fig.2 Structure diagram of drum

组装后的滚筒一端通过设置在连接法兰中心的轴端直接与安装在机架上滚筒驱动装置的输出轴连接,另一端通过设置在滚筒体上的滚道支承在安装于机架上的滚轮上,从而使得传动路线更加紧凑,大大提高了传动的稳定性和可靠性。

2.2 剪切机构

现有剪切机构采用被动式刀片,即刀片固定安装在滚筒一侧,其板面与滚筒相切,不仅除柄效果差、磨损严重,且磨损后不易更换。改进后的剪切机构为主动式,由刀片、刀杆、支承杆及调整装置等组成,如图3所示。其中,刀片呈平板、梯形结构,各刀片均匀排列安装在刀杆上,且板面位于同一平面内;2件刀杆与多片刀片构成的组合体的刀片板面相互贴合、且刀杆平行,2件刀杆与刀片构成的组合体的刀杆杆身相互平行,并承托在支承杆上。

(a) 片、杆组合 (b) 调整装置1.刀片 2.刀杆 3.螺钉 4.支承杆 5.调整臂 6.剪切驱动装置 7.调整座 8.调整杆 9.支座图3 剪切机构结构简图Fig.3 Structure diagram of shear mechanism

现有剪切机构直接固定在机架上,无法调整其相对位置;改进后的调整装置由调整臂、调整座、调整杆和支座组成,如图3(b)所示。调整臂和调整座均为U形, U形底边平行、且开口方向相同。与支座固定连接的调整座和调整臂的U形底边之间通过调整杆连接,支承在支承杆上的2件刀杆与刀片的组合体连同支承杆两端安装在调整臂的U形侧边的端部。松开螺母、转动调整杆即可改变调整臂与调整座之间的相对位置,从而达到精确调整剪切机构与滚筒之间的相对位置之目的,以期提高除净率。刀片与滚筒壁外表面之间留有适当间隙,彻底解决了刀片与筒壁之间的磨损问题,大大延长了刀片的使用寿命。

组装后的各剪切机构分别对应位于滚筒一侧,通过支座安装在机架上,刀杆的长度方向分别与滚筒轴线平行,刀片板面与滚筒外圆柱面相切,并与刀片所在位置的滚筒法线方向相垂直,刀杆一端与安装在机架上的剪切驱动装置连接。

2.3 搅动装置

为了改善滚筒内辣椒的翻滚效率,提高辣椒柄穿进滚筒上小孔的概率,改进后的除柄机增设了由搅动杆和搅动轴组成的搅动装置,如图4所示。2件搅动杆沿着搅动轴的径向呈放射状对称向外伸出,且位于搅动轴的同一轴截面内。多组由2件搅动杆构成的搅动杆组沿着搅动轴的轴向均匀分布,以便搅动辣椒、加速其穿进滚筒上小孔的概率,提高除柄效率;沿着搅动轴的轴线方向,由2件搅动杆构成的各搅动杆组构成2条螺旋线,搅拌装置在搅动辣椒加速翻转的同时,推动辣椒朝着滚筒的另一端运行。

1.搅动杆 2.搅动轴图4 搅动装置结构简图Fig.4 Structure diagram of agitating device

2.4 除尘、监控装置

现有除柄机未设置除尘和监控设施,除柄过程中产生的粉尘和气味对操作工人和环境会造成严重伤害和污染。改进后的除柄机在设备中部设有两台除尘装置,可将设备工作时产生的粉尘和气味及时排出,并收集到粉尘处理装置中进行处理,既减轻了对环境的污染程度,又保护了除柄机的各个零部件不至于因粉尘的入侵而导致其损坏和老化。

改进后的除柄机内部两端均装有监控装置,以便将设备内部的运转状况传输给显示器,操作工人可从显示器上实时观察设备内部辣椒的运行状态,及时发现排除问题。

3 除柄试验

3.1 试验基本条件

除柄性能试验在山东省青岛市胶州市的青岛柏兰集团有限公司进行,该公司是一家生产各种以辣椒为主要原料的酱菜、调味品的专业生产企业。

试验用辣椒品种为大板椒和印度S17,试验前喷水湿润,辣椒含水率约为18%～20%,以降低除柄过程中的破碎率。

3.2 试验结果

辣椒除柄试验结果如表1所示。由表1可以看出：各项性能指标均达到了标准[23],满足了用户的使用要求,且试验过程中基本无粉尘和气味污染现象,工作环境得到了根本改善。

表1 辣椒除柄试验数据统计表Table 1 Statistical table of pepper removing handle

4 结论

1) 对滚筒式辣椒除柄机进行了改进设计,设计的滚筒与滚筒驱动装置直接连接,使得传动路线更加紧凑,提高了传动的稳定性和可靠性;剪切机构改为主动式,并增设了调整装置,转动调整杆可改变调整臂与调整座之间的相对位置,从而达到精确调整剪切机构与滚筒之间的相对位置之目的,提高了除净率;刀片与滚筒壁外表面并非直接接触,彻底解决了刀片与筒壁之间的磨损问题,延长刀片的使用寿命;增设了搅动杆呈螺旋线状的搅动机构,加大了辣椒在滚筒内的翻滚程度,提高了除柄效率;增设了两台除尘装置,可及时将设备运转时产生的粉尘和气味排出,并加以收集处理,既减轻对环境的污染,又避免设备因粉尘入侵而导致的损坏和老化,延长了使用寿命;增设了监控装置,以便实时监控设备内部的运转状况。

2) 试验结果表明：改进后的辣椒除柄机各项性能指标均达到了标准满足了用户使用要求,试验过程中无粉尘和气味污染现象,从根本上解决了对工作场所和环境的污染问题。