莲子剥蓬机的设计与试验

潘 松,廖 禺,刘 云,王康军,陈立才,曹志军

(1.江西省农业科学院 农业工程研究所,江西 南昌县 330200;2.江西省农业综合执法大队,南昌 330000;3.广昌县兴莲机械制造有限公司,江西 广昌 344900)

0 引言

莲子为睡莲科莲的种子[1-3],生于小巧玲珑的莲蓬(莲房)中,属莲的副产品,我国大部分地区均有种植,主要盛产于南方[3],是我国的特产之一。以生产莲子为主的莲,称为子莲,被誉为中国四大子莲之乡的江西赣州、福建建宁、湖南湘潭、湖北洪湖,均是闻名的子莲产区[2-5]。莲子营养丰富,含有人体所需的蛋白质、碳水化合物和钙、磷、铁及多种维生素等元素[6],是老幼皆宜的食品。2018年,我国莲子种植面积约61.3万hm2,同比2017年的55.75万hm2增长了10.2%;莲子产量约15.48万t,同比2017年的14.05万t增长了10.18%[7]。

传统的莲子加工需要经过采摘、剥离莲蓬、剥壳、去皮、捅芯、干燥等一系列的过程[2]。剥莲蓬也叫剥莲子,即把莲子一个个从莲蓬里剥取出来,一直是纯手工劳动完成,效率非常低,且易伤手指,1个成年人1h最多可剥离莲蓬12kg(1天按10h计算,1天最多可剥离莲蓬120kg),严重影响后续工序的进行。另外,莲蓬采收季节多在高温季节,采摘后的莲蓬仍然是有生命的机体,其呼吸作用及生理代谢都处于较高水平,耐贮存性较差,在自然条件下极易发生褐变、衰老等品质劣变问题[8]。市场上新鲜莲子货架期一般在3～5天[9],新鲜莲子的供应很难满足市场的需求。

因此,要实现莲子产业的规模化、产业化,依靠手工剥离莲蓬难以实现,严重地影响了生产效率。莲子采摘当天干燥的品质最好,隔天就容易变质,莲农都不敢大量种植,严重影响了莲农的收入。随着莲子产业的发展和农村劳动力的日益短缺,以及劳动力成本的不断提高,研发莲子加工机械对提升莲子产业发展具有重要的意义。因此,设计一种能代替人工剥离莲蓬的新型机械成为当前急需解决的问题。

近年来,有研究者针对莲子剥蓬机进行了研究。赖明全[10]发明了一种新鲜莲蓬脱粒机,莲蓬进入进料口,通过莲蓬破碎机构破碎后进入分料机构,达到破碎莲蓬的目的。这种机械破碎莲蓬采用弹簧钢丝,但弹簧钢丝粗,材质较硬,撞击力强,在高速击打时很容易打伤莲肉,有的莲子表面壳都会击烂,效果不甚理想。张礼欢[11]发明了一种莲蓬脱粒机,采用柔性叶片之间的交错分布结构破碎莲子,在机壳下方设有筛选机构,使莲子与莲蓬分离。这种机械在实际使用中莲蓬剥出的莲子很多还会被莲蓬里面的小膜包裹住,不能充分将莲子与莲蓬分离,需要人工二次参与。黄小从[12]发明了电动莲蓬快速脱粒机,在电机的输出轴上设有若干对交错成十字型的撕料棒,打碎莲蓬外壳,使较大的莲蓬碎片从莲蓬格网筛下滑到机架外,较小的莲蓬碎片和莲子一起下落到莲子格网筛上,再落入收集箱。这种机械在实际使用中莲蓬剥出的莲子很多还会被莲蓬里面的小膜包裹住,不能充分将莲子与莲蓬分离,需要人工二次参与,且对部分莲子的损伤较大。饶学雄[13]等发明了一种莲蓬脱粒机,利用预脱粒定刀与脱粒定刀想配合,将莲子外壳撕碎。这种机械在实际使用中莲蓬剥出的莲子的损伤较大。曹志军[14-17]等发明了一种农业莲蓬自动剥离机、一种莲蓬脱粒机及莲蓬破碎机,这几种机械使用时莲子与破碎的莲蓬碎屑不易分离,分离过程很繁琐。以上研究均没有形成产业化,未投入生产实际使用。

本研究在现有的各类莲蓬脱粒机、莲蓬破碎机基础上,针对现有机械作业效果不佳、伤莲率较高等特点,优化设计了一种全新的莲子剥蓬机,旨在降低损伤率,提高机器的剥蓬效率。

1 莲子剥蓬机总体设计

1.1 鲜莲蓬物理参数及剥蓬设计思路

选择江西省广昌县出产的鲜莲蓬,形体呈不规则的椭球形,进行初步测量。鲜莲蓬球面直径分布范围为12～21cm,锥面高度分布范围为6～10cm。经对莲子(外壳有可见的茶褐色斑块,且发芽口部位的内衣有明显可见的粘液)进行测量,莲子粒度大小范围为φ15～φ21mm,莲子椭圆度范围为最大外径与最小外径差值不超过2mm。莲子被厚厚的莲蓬皮包裹,莲子与莲蓬皮有一定的间隙。相对来说,莲子具有较好的韧性和强度,对莲蓬施加一定围内的压力进行碾搓,能够将莲蓬捣碎而不会对莲子产生损伤。

设计的基本思路是:利用莲子和莲蓬的结实度有很大的差异、莲子本身比莲蓬的蜂窝状结构硬度更大的特点,在同样强度的力度下,将莲蓬的蜂窝状结构破碎的同时不会损伤莲子。设计时,考虑使用钢丝轮将莲蓬先破碎,再将破碎的莲蓬与莲子通过带齿滚轮进行分离,从而达到剥蓬的目的。具体来说,就是莲蓬经过钢丝轮撕碎,第1道粉碎初步形成莲蓬蜂窝被撕碎、莲子和莲蓬混合在一起的状态,再经过脱模骨架;第2道粉碎形成破碎的莲蓬与莲子混合物,然后再进行分离。根据实际生产经验,机械加工后的莲子损伤率要不大于5%,剥蓬率要不小于98%,这样的机器才有实际的研发价值。

1.2 第一代莲子剥蓬机结构与工作原理

根据以上思路,设计了第1代莲子剥蓬机样机图。第1代莲子剥蓬机主要由进料口、莲蓬破碎装置、莲蓬碎屑分离装置、出料口、动力系统、莲子收集箱、碎屑收集箱等7部分组成[9-10],如图1～图4所示。

1.进料口 2.料仓 3.第2电机 4.第1主动轮 5.第1传送带 6.第1保护罩 7.第1从动轮 8.出料口 9.第1电机 10.第1保护罩图1 立体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional structure。

1.进料口 2.莲蓬破碎装置 3.料仓 4.第2电机 5.漏料孔 6.支架 7.第1弯折部 8.莲蓬碎屑分离装置 9.出料口 10.盖板 11.导料板 12.第1间隙 13.料仓 14.第1电机 15.第1主动轮 16.第1传送带 17.第1防护罩 18.轴承 19.第1从动轮图2 剖面结构示意图Fig.2 Schematic diagram of section structure。

1.轴承 2.第1从动轮 3.钢丝轮 4.毛刷 5.凸起部 6.转轴 7.轴承图3 莲蓬破碎装置结构示意图Fig.3 Schematic diagram of structure of lotus seed pod crushing device。

1.第2从动轮 2.第2辊体 3.第1辊体 4.第2间隙 5.齿牙图4 莲蓬碎屑分离装置结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the structure of the detrital separation device of lotus seed pod。

由图1、图2可以看出:莲蓬由进料口进入到料仓,莲蓬破碎装置的转轴带动刷毛轴转动,莲蓬会与转轴上的钢丝轮接触,将整个莲蓬破碎,但不会损伤莲子;然后,通过莲蓬碎屑分离装置,最终实现莲子不损伤剥离的效果。

2 第1代莲子剥蓬机关键工作机构设计

2.1 莲蓬破碎装置设计

图3中,莲蓬破碎装置包括转轴和位于转轴上破碎部分。破碎部分包括多根刷毛,形成钢丝轮,转轴由第1电机驱动转动,转轴带动钢丝轮转动。钢丝轮是破碎莲蓬的主要工作部件,要求轮结构简单、成本低且性能稳定,同时要有较高的强度、弹性和耐磨性。本设计钢丝轮用钢丝制作,直径为0.3mm,密集排列。根据人体一般送料的活动宽度,设计钢丝轮工作幅宽为300mm,且钢丝轮用直径32mm轴纵向固定在喂入口上。考虑到转速过快,会将莲子划伤,因此通过计算设计转速为800r/min。从使用方便性、环保性出发,破碎装置、碎屑分离装置分别选择用电机作为动力,电机分别选择用功率为1.5、3kW。莲蓬进入到料仓的时候,会与转轴上的钢丝轮接触,可以将整个莲蓬破碎,因为莲子本身比莲蓬的蜂窝状结构更硬,莲蓬的蜂窝状结构破碎,但莲子本身并不会损伤,最终实现莲蓬剥蓬。

2.2 莲蓬碎屑分离装置设计

图4中,莲蓬破碎后,莲子和莲蓬碎屑还是混合在一起的,设计莲蓬碎屑分离装置,可以将莲蓬碎屑去除掉,从而将莲子分离出来。莲蓬碎屑分离装置包括相对转动的第1辊体和第2辊体,设计辊体长度L为500mm。其中,第1辊体上设有齿牙,直径为50mm;第2辊体为光轴,直径为20mm;考虑到齿牙在莲子与碎屑分离的时候不会损伤莲子且可以将碎屑分离,间隙设计成2～3mm,转速为380r/min。由于莲蓬碎屑通常都是不规则结构,而莲子本身通常都是表面光滑的椭圆结构,所以在第1辊体和第2辊体相对转动时莲蓬碎屑会被齿牙咬住,卷进到第1辊体和第2辊体之间,并向第1辊体和第2辊体的下方运动;但是,莲子本身是光滑的,所以只会在第1辊体和第2辊体的表面运动,并不会被咬到第1辊体和第2辊体之间去。这样即可将莲蓬碎屑去除掉,将莲子分离出来,便于进行后续的莲子脱壳、去皮及通芯的操作。

3 第1代莲子剥蓬机试验

3.1 试验材料

试验所使用的莲蓬来源于广昌,为常见的太空莲品种,莲蓬当天采收当天处理。试验日期为2017年7月22日,晴,室温30～33℃,大气压0.101 0MPa,在室内进行。选择成熟莲蓬扁圆形,莲面平或凸,直径13～18cm,高6.5～8cm,结实率84.6%～89.7%。

3.2 试验方法

针对试制出的第1代莲子剥蓬机进行试验,评估其整体加工性能。准备好试验所需仪器,即秒表、天平、电表等器具。试验样机按使用说明书的要求进行调整和维护保养,共测2次。

试验样机先空运转10min,检测机器是否能正常运转。空运转后,进行试剥试验,时间不超过10min。试剥蓬结束后,准备试验的莲蓬不少于200kg,开始正式试验。测出试验的莲蓬质重W、试验时间T、耗电量G,分别计算吨料电耗及生产率。另外,随机选取试验的莲蓬1 000个进行试验,正式试验结束后分别计算损伤的莲子数、未剥蓬数,计算损伤率及剥蓬率。

3.3 试验结果

样机试验得到的结果如表1所示。结果表明:第1代莲子损伤率为12.3%～14.6%,损伤较大,不能满足生产加工的品质需要,下一步要想办法解决莲子损伤率高的问题。

表1 莲子剥蓬机试验参数表Table 1 Parameter table of lotus seed stripping machine experiment。

4 改进优化

经研究分析,莲子剥蓬机莲蓬破碎装置设计合理,符合农艺要求。但莲蓬碎屑分离装置设计存在如下缺陷:第1辊体和第2辊体的相对转动时会损伤莲子,导致莲子损伤大。现改变莲子与碎莲蓬分离方式,采用传送带原理,设计传送带速度为20m/min,由下向上传送。利用莲子自身的质量及与传送带之间产生的摩擦力,沿着传送带方向向上运送,而莲蓬碎屑直接掉落。用4.5kW电机作为传送带的动力,保证功率合理配置。图5、图6为改进后的第2代莲子剥蓬机样机外观图、结构剖视图。

图5 外观图Fig.5 Appearance of the figure。

图6 结构剖视图Fig.6 Structural profile。

5 第二代莲子剥蓬机试验

5.1 试验材料

试验日期为2018年8月17日,晴,室温32℃～35℃,气压值1012hPa,在室内进行。其余同3.1节。

试验所使用依然选择广昌的莲蓬,为常见的太空莲品种,莲蓬当天采收当天处理。试验日期为2018年8月17日-8月19日,晴,室温32～35℃,大气压0.101 2MPa,在室内进行。选择成熟莲蓬扁圆形,莲面平或凸,直径13～17.5cm,高7.0～9.5cm,结实率85.2%～90.5%。

5.2 试验方法

同3.2节,测5次。

5.3 试验结果

样机试验得到的结果如表2所示。由表2可知:第2代莲子剥蓬机损伤率小,耗电少,效率高,工效相当于人工的8倍左右,极大地提高了生产效率。

表2 莲子剥蓬机试验参数表Table 2 Parameter table of lotus seed stripping machine experiment。

6 结论

1)设计的莲子剥蓬机以电机为动力,可一次性完成莲蓬剥离作业。整机设计合理,结构简单,操作维护方便,适应性强,具有节能环保、劳动强度低、生产率高及性能稳定可靠等优点。

2)对试验样机进行了剥蓬试验,结果表明:该机作业性能稳定,剥蓬率、损伤率和生产率平均值分别为100%、2.59%和109.02kg/h,满足农艺要求,适用于莲蓬的机械化作业。