一种新型食用甘蔗自动去皮装置的设计与研究

黄才贵，常青青，蒋正忠，刘兴国

（南宁学院，南宁 530200）

0 引言

甘蔗所含的微量元素以及糖分，对人体具有一定的保健防护作用［1-3］。蔗糖作为重要的制糖原料，是我国白糖加工的主要来源［4］。甘蔗在使用或者榨汁之前，一般要先去皮，以保证所食用部分的卫生。在制糖工艺中，往往会先添加很多化学剂，以去除甘蔗表面杂质或者污物造成的甘蔗汁悬浮物。如果先对甘蔗做去皮处理，可先去除大量的杂质和污物，进而降低榨出蔗汁所含的悬浮物浓度，减少化学药剂的使用［5］。

目前甘蔗去皮方式主要还是以人工为主，利用削皮刀对甘蔗进行削皮［6］。而人工去皮的方式，劳动强度大，效率低且容易划伤手，存在一定的安全隐患［7-8］。基于此，设计出一款经济实惠、可靠性高，且能有效去皮的甘蔗去皮装置，有利于提高甘蔗在食用或工业加工前的去皮效率，减轻劳动强度。

1 装置的总体结构及原理

1.1 整机结构

如图1所示，甘蔗去皮装置包括底座、电机、去皮机构、支撑槽、切断机构、传动机构和甘蔗转动机构。电机、支撑槽、切断机构、传动机构、甘蔗转动机构均安装在底座上，去皮机构位于支撑槽上方，并与传动机构连接。电机上设有主动轮A，主动轮A通过同步带A与传动机构连接，甘蔗转动机构安装在支撑槽一端，切断机构安装在支撑槽的另一端。支撑槽的一端设有滑轨，通过其与去皮刀架连接，提高去皮刀架进行往复运动时的稳定性。支撑槽一端设有积屑槽，积屑槽与支撑槽长度相同，并通过螺丝与支撑槽连接。去皮刀削下的皮通过积屑槽收集，以保持工作区域的清洁。

图1 装置的整体结构图Fig.1 Overall structure drawing of the device

1.2 整机的工作原理

装置工作时，将甘蔗放置于支撑槽上，甘蔗的一端插在圆柱块的固定钉上，启动电机经过传动机构带动去皮机构沿着同步带B向棘轮移动，当感应铁块分别到达两个感应开关时，感应开关感应到信号并将此信号传送到控制箱，控制电机停止转动，保持1秒后，再控制电机反转，如此去皮机构往返运动保证了去皮刀切削和回位过程。在切削过程，当去皮机构运动靠近棘轮时，拨杆进入棘轮齿，当去皮机构回位时，拨杆拨动棘轮上方的棘爪，带动棘轮转动一个角度，再经过主动锥齿轮和从动锥齿轮带动圆柱块转动，进而带动甘蔗转动一个角度以备下次切削。切削出来的甘蔗皮落入积屑槽内以便收集。经过六次往复的切削过程，甘蔗皮被切削干净，再利用切断机构切成段，完成甘蔗的去皮切段工作。

2 装置的关键结构设计

2.1 传动机构设计

如图2所示，传动机构包括主动轮A、主动轮B、从动轮A、从动轮B，从动轮B通过轴座D安装在底座上，从动轮A通过轴座A安装在底座上，从动轮B和从动轮A通过同步带B连接，从动轮A上附有主动轮B，两轮同轴连接，且主动轮B通过同步带A与主动轮A连接，主动轮A通过电机控制带动主动轮B，使同步带B可以往复地直线运动，从而为去皮机构提供动力。

图2 传动机构Fig.2 Transmission mechanism

2.2 甘蔗去皮执行机构设计

甘蔗去皮执行机构如图3所示。

图3 甘蔗去皮执行机构Fig.3 Sugarcane peeling actuator

甘蔗去皮执行机构主要包括去皮刀架、去皮刀和拨杆，去皮刀架通过螺纹连接安装在同步带B上，去皮刀一端与去皮刀架铰接，且去皮刀中部通过压紧弹簧与去皮刀架连接，拨杆铰接在去皮刀架一侧，拨杆中部与去皮刀架之间设有回位弹簧，去皮刀架上设有感应铁块，去皮刀的刃口与水平面夹角为倾斜。去皮时，压紧弹簧使去皮刀紧贴在甘蔗上，去皮机构前进时，去皮刀的刃口朝向去皮机构的运动方向，将甘蔗皮削下。在去皮机构后退时，去皮刀的刃口背对去皮机构的运动方向，沿着甘蔗滑动，不进行去皮工作。在往复运动时，通过拨杆拉动棘轮，每次都可以使甘蔗旋转60°，从而可以对甘蔗进行360°去皮，将甘蔗削净。

2.3 甘蔗旋转控制机构设计

如图4所示，甘蔗旋转控制机构包括棘轮、主动锥齿轮、从动锥齿轮和圆柱块。棘轮通过拨杆动作，与主动锥齿轮同轴连接，且两轮通过轴座B安装在底座上，主动锥齿轮与从动锥齿轮相互啮合，从动锥齿轮与圆柱块同轴连接，且都通过轴座C安装在底座上。如图5所示，圆柱块上设置有多根固定钉，主要功能是将甘蔗端插到固定钉上，实现甘蔗的轴向固定，在圆柱块旋转时，可以带动甘蔗一同旋转，使切削机构对各个径向的甘蔗表面进行切削。

图4 旋转控制机构Fig.4 Rotary control mechanism

在切削过程，当去皮机构运动靠近棘轮时，拨杆进入棘轮齿。当去皮机构回位时，拨杆拨动棘轮上方的棘爪，带动棘轮转动一个角度，再经过主动锥齿轮和从动锥齿轮带动圆柱块转动，进而使甘蔗转动，完成对甘蔗进行360°的去皮，将甘蔗削净。

2.4 切断机构设计

切断机构包括切断刀和切断刀架，切断刀滑动安装于切断刀架上，切断刀架底部通过螺纹连接固定安装于底座上，需要切断甘蔗时，只需要将切断刀下压将甘蔗切断，提高劳动效率。

3 检测控制方案设计

控制箱安装在底座下部，通过导线分别与电机、感应开关连接，通过感应开关的信号控制电机的转向，使去皮机构可以进行往复运动。其检测控制流程如图5所示。

图5 检测控制流程Fig.5 Detection and control process

支撑槽两端均设有感应开关，感应开关1靠近切断机构位置的，感应开关2靠近圆柱块位置，感应开关与感应铁块处于同一水平面上，去皮机构带动感应铁块运动到感应位置时，感应开关向控制箱发送信号，使电机反转，实现去皮机构的往复运动。同时感应开关的位置可以调整以适应不同长度的甘蔗。

4 机械运动协调设计

4.1 甘蔗去皮工艺流程分析

甘蔗放置到位后，需要经过六次间歇地去皮和旋转换位，最后完成整周的去皮工作。

4.2 机械运动循环图设计

为了使得各个执行机构能够相互配合、相互协调来完成既定的工艺动作，从而提高生产效率，需要进行运动循环的设计［9］。甘蔗去皮执行机构和旋转控制机构之间，需要进行运动循环的设计，保证去皮工作和旋转动作能够正常、安全、高效地完成协调运动配合，避免发生干涉。根据甘蔗去皮的工艺流程，得出甘蔗去皮装置关键机构的机械运动循环图，如图6所示。AB段为甘蔗去皮执行机构的回程，BC段为去皮工作行程，DE段为甘蔗旋转控制机构静止等待阶段。

图6 机械运动循环图Fig.6 Mechanical motion cycle diagram

5 性能试验与结果分析

试验选择90根可食用黑蔗作为对象，进行甘蔗去皮性能测试。具体试验方案为：将90根甘蔗分30批次，每批次3根，记录每一批次甘蔗去皮的平均干净度。得到甘蔗去皮试验的总平均干净度。从试验过程及结果可知：该装置能够通过棘轮机构实现甘蔗旋转控制机构对甘蔗的旋转操作，并能实现与甘蔗去皮执行机构的良好运动协调。甘蔗的去皮干净度均达到78%以上，总平均去皮干净度达到91.17%，去皮的效果明显，达到设计要求。去皮干净度未能达到100%，分析其主要原因是少量甘蔗的径节比较突出或者弯曲，导致去皮过程中切削深度不够，造成漏去皮现象。

6 结语

所设计的新型食用甘蔗自动去皮装置，通过电机控制去皮机构进行往复运动，用于甘蔗去皮切段工作，可以极大地提高工作效率。该装置结构简单但巧妙合理、操作方便、运行稳定，可实现甘蔗360°干净去皮，工作效率和安全性高。本装置的设计一定程度上填补了目前市场上甘蔗去皮机械化的空白，为今后甘蔗削皮自动化提供一定的技术基础和参考。