木薯连续机械式去皮机设计与参数优化

李 玲，崔振德，李国杰，郑 爽，覃双眉，何冯光

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东 湛江 524091；2. 农业农村部热带作物农业装备重点实验室，广东 湛江 524091）

0 引言

木薯（Manihot esculenta crantz）是世界三大薯类作物之一，也是全球年产超亿吨的七大作物之一，是许多热带、亚热带地区国家重要的粮食作物和能源作物，在我国广泛分布于广西、广东和海南等地[1-3]。我国当前木薯种植面积约30 万hm2左右，木薯产量占世界产量的2.5%左右。木薯可食用、饲用、提取淀粉等[4-5]，不同于其他作物，木薯块根、茎叶均含有氰苷，会生成有毒的氢氰酸[6]，木薯块根的氰苷主要集中于木薯皮中[7]，木薯皮分外皮和内皮，其中薯外皮约有1.0%～2.0%，薯内皮约有10.0%～14.0%[8-9]，木薯皮中的氰苷含量是木薯肉中含量的5～10 倍。因此木薯制品其加工工艺都要求对原料木薯进行去皮处理，以去除大部分氰苷，保证产品的质量、良好的外观、色泽和口感。当前市场上尚没有专门针对木薯去皮的成熟技术与设备。

本文设计了一款基于磨削去皮方法的连续式木薯去皮机，该机对切断后的木薯块根进行去皮，可提高去皮效率，降低生产成本。

1 整机结构

木薯连续式去皮机整机结构如图1 所示，连续式木薯去皮机主要由机架、盖板、可拆卸面板、驱动电机、变频器、金刚砂辊、螺旋输送轴及叶片、传动机构、木薯皮回收槽、排水口、出料口等组成。

图1 连续式木薯去皮机整机结构图

去皮机作业时，启动机器开始按钮，经过切段的木薯通过提升机由进料口落入由螺旋轴及叶片与一组金刚砂辊组成的空腔内，由螺旋轴缓慢向前推送，木薯在金刚砂辊上滚动、摩擦，在金刚砂辊表面砂粒磨削作用下去掉木薯皮，通过调节变频器旋钮来改变螺旋轴转速，控制木薯在空腔内的停留时间，从而控制木薯去皮时间，同时喷淋管出水孔将水流喷到木薯表面，泥沙和磨削掉的薯皮随水流流入回收槽，废水经排水口排出，完成去皮后，木薯在螺旋轴推动下到达卸料口，从而完成卸料。

2 关键部件设计

2.1 传动线路设计

该木薯去皮机螺旋轴和金刚砂辊组分别采用独立电机驱动，设计的木薯去皮机传动线路如图2 所示。

图2 传动线路图

螺旋轴驱动部分主要由变频器、减速电机、联轴器等组成，减速电机连接变频器，减速电机输出轴通过联轴器直接与螺旋轴连接，电机额定转速1 430 r/min，减速机减速比35 :1，输出转速0～41 r/min；金刚砂辊组件传动部分主要由电机、蜗轮蜗杆减速机、链轮、链条等组成，电机选用2.2 kW 三相异步电机，额定转速1 350 r/min，连接蜗轮蜗杆减速机，减速比10，输出轴转速135 r/min，通过链轮链条与1个金刚砂辊轴Ⅴ连接，传动比3 :4，金刚砂辊转速180 r/min，其他金刚砂辊轴通过链轮、链条两两互连（如图2b），金刚砂辊间的链轮链条传动比1 :1。

2.2 去皮辊组件设计

去皮辊组件主要由8 根直径为135 mm 的金刚砂辊组成，两端采用轴承、轴承座固定于机架上，如图3 所示，去皮辊呈弧形排列，圆弧直径605 mm，形成用于木薯去皮的空腔，辊与辊中心距145 mm。工作时，8 根去皮辊沿顺时针方向转动，木薯在空腔内与金刚砂辊的表面碰撞、摩擦，完成去皮过程，磨削后的木薯皮在水流作用下与废水混合物一起通过辊与辊之间的缝隙排出。

图3 去皮辊组件示意图

2.3 螺旋推进装置设计

螺旋推送装置由中心轴和螺旋叶片组成，中心轴直径80 mm，中心轴转速0～41 r/min，螺旋叶片外径460 mm，螺旋叶片与金刚砂辊间隙10 mm，螺旋叶片螺距250 mm，为避免叶片伤薯，叶片外缘做加厚处理。工作时，木薯由入料端进入由去皮辊和螺旋推送装置组成的腔体内，在旋转叶片作用下，向出料端推送。

图4 螺旋推进器结构示意图

3 试验

3.1 试验设备与材料

试验于2021 年3 月在中国热带农业科学院农业机械研究所木薯生产基地进行，试验设备主要包括设计的连续式木薯去皮机、输送带上料机、游标卡尺、电子秤、测速仪、木薯收获机、铡刀等；试验材料为中国热带农业科学院农业机械研究所木薯生产基地种植的南植199 木薯，木薯通过木薯收获机挖掘收获，再人工挑拣除去直径小于等于15 mm 以及有机械损伤的木薯，根据试验方案采用铡刀切断、分类。木薯连续式去皮机放置于调试区，并将连续式木薯去皮机的进水管与室内自来水管道连接。试验现场和去皮后木薯分别如图5 和图6 所示。

图5 木薯连续式去皮机试验现场

图6 去皮后的木薯

3.2 试验方法与指标

木薯连续式去皮机的主要工作目的是尽可能多地去除木薯皮，同时尽可能少地在去皮过程中造成木薯损失。因此，选取去皮合格率、断薯率、减重率为性能试验指标。其中去皮合格率指去皮合格（表皮去除率90%以上为合格）的木薯根数占总木薯根数的比例；断薯率是指切断、压碎木薯根数所占木薯总根数的比例；减重率是指木薯去皮前后重量减少比例。

为优化去皮机作业参数，以木薯长度、木薯直径、去皮机螺旋轴旋转速度作为影响木薯去皮效果的因素，调试机具并准备试验材料，主要包括：

1）调整螺旋轴转速。根据螺旋轴转速范围0～41 r/min，调节变频器，采用测速仪测定螺旋轴转速，选取10、20、30 r/min 3 个水平。

2）准备试验木薯。①为了避免木薯弯曲位置无法去皮，木薯通常需要切断去皮，剔除收获过程中有损伤的木薯以及中段直径小于15 mm 的木薯，根据螺旋轴螺距25 cm，木薯长度应小于25 cm，试验前将木薯采用铡刀切成10、20、30 cm 3 个长度水平的木薯段；②根据已切段木薯中心位置直径大小，将木薯段分成小于40 mm、40～60 mm、大于60 mm 3种规格；③每组准备试验用木薯40 条。

因素水平表如表1 所示。

表1 试验因素水平

3.3 试验方案与试验结果

选用L9（34）正交表，进行4 因素3 水平的木薯连续式去皮机正交试验，统计试验结果并记录，试验方案及试验结果如表2 所示。

表2 试验方案及试验结果

对试验结果进行分析，计算每个因素的K 值和极差，试验结果如表3 所示。试验结果表明：对木薯连续式去皮机去皮合格率影响程度从大到小依次为螺旋轴转速、木薯长度、木薯直径，当螺旋轴转速10 r/min、木薯长度10 cm、木薯直径大于60 mm 时，木薯去皮合格率最高；对断薯率影响程度从大到小依次为木薯长度、木薯直径、螺旋轴转速，当木薯长度为10 cm ；木薯直径小于40 mm；螺旋轴转速20 r/min 时候，木薯断薯率最低；对减重率影响程度从大到小依次为木薯直径、螺旋轴转速、木薯长度，当木薯直径大于60 mm；螺旋轴转速30 r/min、木薯长度20 cm 时候，减重率最低。

表3 试验结果分析

去皮合格率为木薯连续式去皮机重要的性能指标，螺旋轴转速慢，物料推进速度降低，木薯表皮与金刚砂辊接触时间越长，去皮效果越好；木薯长度短，更容易避开弯曲部分，木薯表面与金刚砂辊接触越充分，去皮效果越好；木薯直径越粗，在去皮腔内翻滚碰撞越多，与金刚砂辊表面接触越多，去皮越充分。综合分析断薯率和减重率，当螺旋轴转速10 r/min，木薯长度10 cm 时，木薯直径大于60 mm时，木薯去皮机效果最好，考虑到实际作业过程中，对木薯直径的挑选影响作业效率，仅以螺旋轴转速和木薯长度作为木薯连续式去皮机参考的影响因素，但作业时应尽量剔除直径细小的木薯。

4 结论

为解决木薯收获后去皮问题，设计了一种木薯去皮机，主要包括机架、螺旋轴、金刚砂辊组件、传动系统等。

为优化去皮机作业参数，以木薯长度、木薯直径、去皮机螺旋轴旋转速度作为影响木薯去皮效果的因素，以去皮合格率、断薯率、减重率为评价指标，采用3 因素3 水平正交试验方法进行试验。结果表明：对去皮合格率影响程度从大到小依次为螺旋轴转速、木薯长度、木薯直径；对断薯率影响程度从大到小依次为木薯长度、木薯直径、螺旋轴转速；对减重率影响程度从大到小依次为木薯直径、螺旋轴转速、木薯长度。优化后最佳作业参数为螺旋轴转速10 r/min、木薯长度10 cm、木薯直径大于60 mm，在此条件下，木薯连续式去皮机作业效果最优。

考虑到实际作业过程中，对木薯直径的挑选影响作业效率，仅以螺旋轴转速和木薯长度作为木薯连续式去皮机参考的影响因素，但作业时应尽量剔除直径细小的木薯。