籽瓜双道打浆机的设计

，黄晓鹏，徐彦瑞，李晓伟，毛雪杰

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

籽瓜属西瓜分支品种，相对于常见的食用西瓜，籽瓜的种植目的主要是获取瓜籽[1]，籽瓜在甘肃地区的种植面积约为1.86万 hm2，年产量约为1 800 kg/hm2[2]，在完成籽瓜的取籽之后，约有90%籽瓜皮、瓤、汁被倒掉，利用率仅为10%，既造成了大量的资源浪费，又污染了环境。籽瓜的皮、瓤、汁具有极高的药用价值，其果肉具有降火败毒、利尿去燥、止咳平喘的特殊功效[3]。由课题组设计的籽瓜全利用加工生产线，能够实现籽瓜皮、瓤、籽的全利用，生产线主要包括破碎取籽、细碎打浆、固液分离、灌装杀菌几部分[4]，细碎打浆作为生产线的关键步骤，提高了固液分离过程中的分离效率，在籽瓜的深加工过程中起到了至关重要的作用。

目前打浆技术主要运用于造纸行业，对于果蔬类的打浆研究相对较少，葫芦科果品的打浆更是如此，国内一些学者对其他种类的打浆机进行了深入研究。肖硕男等[5]设计的自动番茄打浆机，能自动除去番茄的表皮等杂质，并将番茄打成浆液；山西省农机研究所[6]设计的9DF-28型多功能粉碎打浆机，能实现各种秸秆和薯块的粉碎及豆浆的研磨；田忠静等[7]设计的五味子打浆机改善了原有的手工加工方式，产量达4 t/h；安徽农业大学[8]设计的间歇式中小型苹果真空打浆机，解决了苹果打浆过程中氧化褐变而影响果浆的外观和口感问题，可有效遏制苹果褐变，提高果浆质量，但打浆过程只能采用间断式，限制了打浆效率，生产效率为1.5 t/h。现有的研究基本上都采用单桶式打浆结构，打浆效率低，不能满足生产线的需求。笔者在现有研究的基础上采用双道式打浆结构，对整机的工作原理和重要部件进行分析，试验表明，此设计可以满足籽瓜汁生产线的需求。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

籽瓜双道打浆机结构简图如图1所示。籽瓜双道打浆机主要由机架、一道桶体打浆装置、二道桶体打浆装置、电机和清洗系统组成。此款打浆机的设计是配合籽瓜全利用加工生产线使用，将完整的籽瓜经籽瓜破碎分离机破碎分离以后，将分离出的瓜瓤和瓜汁做进一步快速高效的细碎打浆，使籽瓜汁中固形物的含量达到最低，又不会破坏籽瓜汁的原有口味[9-10]。

图1 籽瓜双道打浆机结构简图

1.2 工作原理

双道打浆机的设计主要是用来配合籽瓜全利用加工生产线进行使用，籽瓜在生产过程中经过破碎分离、细碎打浆、固液分离、杀菌灌装等工序后生产出最终产品，双道打浆机主要完成瓜瓤的细碎打浆。该机工作时，将籽瓜破碎分离机分离出的瓜瓤和瓜汁由进料口喂入到一道桶体打浆装置内，转轴带动刀片高速旋转，共有12个刀片，刀片的整体形状呈锥形，前大后小，籽瓜瓜瓤受到刀片的撞击力和离心力后被甩到筛网上，通过筛网的瓜汁在重力作用下通过物料连接管进入二道桶体内，未通过筛网的瓜渣在刀片推动下从排渣管排出，通过筛网的瓜汁进入到二道桶体内后重复上述工作[11]。在完成籽瓜的打浆以后，机器自带的清洗系统会对机器内部进行清洗。

1.3 主要技术参数

籽瓜双道打浆机的主要技术参数见表1。

表1 籽瓜双道打浆机的主要技术参数值

2 关键部件的设计

2.1 物料输送装置

在实现瓜瓤和瓜皮的打浆之前，需要利用籽瓜破碎分离机将完整的籽瓜进行破碎分离，将瓜籽分离之后对瓜瓤和瓜皮进行打浆处理，经过破碎分离机处理后的瓜瓤颗粒小于0.8 mm，籽瓜破碎分离机和打浆机之间用管道连接实现物料的传输。一道桶体打浆装置位于二道桶体打浆装置的斜上方，一道桶体打浆装置和二道桶体打浆装置之间采用管道连接，一道桶体打浆装置筛网网孔的直径为1 mm，在完成一道打浆之后，物料能够在重力作用下通过物料连接管进入到二道桶体打浆装置中，一道桶体打浆装置和二道桶体打浆装置之间的物料输送管道采用直径为38 mm的304不锈钢钢管。

2.2 打浆装置

2.2.1 刀片和刀辊

刀片和刀辊为打浆机的主要工作部件，也是打浆机的主要受力部件，打浆机的刀片设计成外宽内窄的形状，在刀片外部边缘留有刀刃，这样的设计不仅增大了进料口处的缓冲空间，又提高了打浆机的打浆效率，刀片和刀辊如图2所示。打浆刀辊由刀片绕一辊轴螺旋焊接而成，刀片的起点和终点所在的直线和辊轴中心线之间的角度为4°，不仅防止了物料的堆积，同时对打浆机的打浆效率有所提高[12]。打浆刀辊分别通过主轴传动装置与电机相连，打浆刀辊整体呈锥形，进料口位于小端，这样有助于提高打浆机的进料速度，且不会影响小颗粒的筛选，从而提高了整机的产能[13]。

图2 刀片和刀片总装图

主轴传动装置作为打浆机的主要工作部件，其性能直接影响打浆机的正常工作，主轴传动装置的一端通过联轴器与动力装置相连，一端和刀片相连，刀片通过焊接和主轴相连，主轴传动装置的材料为合金钢。主轴传动装置在工作过程中只承受扭矩而不承受弯矩，因此作为传动轴来计算轴的强度和刚度，通过机械设计手册来验证主轴传动装置的可靠性[14]。

2.2.2 一道桶体打浆装置和二道桶体打浆装置

一道桶体打浆装置主要由电机、刀片、主轴传动装置、筛网和桶体外壳组成，瓜瓤经物料输送装置进入到一道桶体打浆装置内部，电机带动辊轴高速旋转，破碎刀辊对瓜瓤和瓜皮进行打浆处理，瓜瓤和瓜皮的纤维受到刀片的剪切力而改变了纤维的形态，同时纤维的细胞壁发生位移、变形与破裂等现象而吸水膨胀，产生细纤维化。

一道桶体打浆装置和二道桶体打浆装置的基本组成和工作原理基本相同，仅以第一桶体为例进行说明，一道桶体打浆装置与二道桶体打浆装置相互平行，一道通体打浆装置位于二道桶体打浆装置斜上方，一道桶体的筛网网孔直径为1 mm，完成对瓜瓤的粗级打浆，二道桶体的筛网网孔直径为0.8 mm，完成对瓜瓤的细级打浆[15]。一道桶体打浆装置位于整机的上半部分，也是打浆机的主要组成部分，打浆机在工作时，电机带动刀轴高速旋转，高速旋转的刀片带动瓜瓤和瓜汁在筒体内转动，未能通过筛网的瓜瓤和瓜籽通过排渣口排出机外，一道桶体装置如图3所示。

图3 一道桶体总装结构简图

2.2.3 桶体的性能校核

桶体在打浆过程中承受瓜瓤和瓜皮的重力和挤压，对桶体的强度和刚度进行校核，验证设计的合理性。

(1)桶体的强度校核：

τT=TWT≈9 550 000pn0.2d3

(1)

桶体的材料使用45号钢，τT的值为25～45 MPa。经计算可得，桶体的材料满足设计要求。

(2)圆桶的刚度校核，圆桶扭转角的计算公式：

φ=5.73×1 041 LGτ=1zTτLτIpτ

(2)

桶体的极惯性计算公式：

Ip=πd432

(3)

[φ]为桶体的扭转角，可取[φ]=1°/m，φ<[φ]，圆桶扭转刚度符合要求。

2.3 排渣装置

瓜瓤通过连接管道进入一道通体打浆装置内部后，刀片高速旋转带动瓜瓤旋转进而将大颗粒的瓜瓤切碎，切碎以后的瓜瓤进入二道桶体打浆装置重复上述工作，排渣口位于打浆装置的右侧位置，未通过筛网的大颗粒瓜瓤则通过排渣口排出机外。

2.4 清洗装置

由于打浆机在完成籽瓜打浆后瓜瓤会粘附在机腔内壁，对机器的清洗造成很大困难，传统的清洗方法很难对机器内壁进行清洗，因此为机器设计了一种能够完成机器自动清洗的清洗系统，清洗系统主要通过主管道和分管道输送水，将喷淋装置设置在桶体内部的各个位置，在完成打浆以后，能够对打浆机内部进行全方位的清洗，提高了打浆机的清洗效率。

3 试验

本次试验采用自主研发的籽瓜全利用加工生产线进行，验证籽瓜打浆机的生产效率，以当地生产的籽瓜为试验材料，以固形物颗粒含量和瓜瓤的细碎程度作为试验指标，以一道桶体打浆装置电机的转速、二道桶体打浆装置电机的转速和进料口的喂入量为试验因素，进行3因素3水平正交试验[16-17]。

3.1 试验材料与设备

此次试验采用当地生产的籽瓜，在甘肃白银对自行设计的双道打浆机进行试验，瓜体的平均重量在5 kg左右，平均大小为17 cm×23 cm，首先利用自主研发的籽瓜破碎分离机对籽瓜进行破碎分离，用分离出的籽瓜瓜瓤作为试验材料进行试验。测量仪器设备主要有TCS-01型电子秤(测量范围0～300 kg，精度0.01 kg，上海速展机电有限公司)，LQ-C5001型电子天平(最大量程3 000 g，精度0.1 g，上海瑶新电子科技有限公司)。

3.2 试验方案

按照试验水平将破碎分离后的瓜瓤和瓜汁进行称重和分组，每组试验重复三次，最后取其平均值，将称重后的籽瓜瓜瓤和籽瓜汁在10 min之内均匀地喂入到打浆机里面，待出料口停止出料后，关闭机器电源，然后测定打浆后籽瓜汁中固形物含量和瓜瓤的细碎程度，试验水平见表2。

表2 试验水平

3.3 试验结果与分析

正交试验和试验结果见表3。由试验结果可以看出，影响打浆机打浆质量的主要因素为喂入量，次要因素为一道桶体打浆装置电机转速和二道桶体打浆装置电机的转速，最佳的工作参数为A2B2C3。各因素水平对固形物含量的影响如图4所示，一道桶体打浆装置电机的转速和二道桶体打浆装置电机的转速随着转速的提高固形物的含量也呈先增加后减小的趋势，当一道桶体打浆装置二道桶体打浆装置和电机转速为800 r/min时，双道打浆机的打浆效率最高，打浆机的喂入量为影响打浆机打浆效率的主要因素，当喂入量为170 kg/min时，打浆机的生产效率为10 200 kg/h。

表3 正交试验与结果

图4 各因素水平对固形物含量的影响

4 结论

(1)设计了一种新型籽瓜双道打浆机，对双道打浆机关键部件进行分析，确定了打浆机的整机结构，验证了设计的合理性。整机的工作性能稳定，生产效率高，能够满足籽瓜汁生产线的加工使用。采用双道式打浆结构，改变了传统单桶式打浆机打浆效率低的问题，为葫芦科果品的打浆提供了理论依据。

(2)通过三因素三水平试验结果可以看出，双道打浆机的设计可以满足籽瓜汁生产线的需求，生产效率可达10 t/h。对打浆效果影响最大的因素为喂入量，其次是一道通体和二道桶体打浆装置电机的转速，一道桶体打浆装置和二道桶打浆装置最适宜的电机转速为800 r/min，打浆机在工作过程中最适宜的喂入量为170 kg/min。