食用槟榔切片机的设计

陈阳 陈致水

摘要：目前槟榔（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．）的切片主要依靠手工操作，加工效率低下，产业得不到很好发展，究其原因是槟榔的果肉纤维与种子的连接层致密，分离很困难。设计了一台将槟榔果肉均匀切片，并尽可能保持种子完好，且能实现种子果肉与种子自动分离的切片机，重点分析了关键部件及其参数。槟榔切片机的成功应用可有效解决槟榔收获后的加工问题，提高中国槟榔主产区农民经济收入和种植槟榔的积极性，促进当地槟榔产业的发展。

关键词：槟榔（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．）；切片机；设计

中图分类号：ＴＳ２５５．３５；Ｓ７９２．９１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）16－3615-04

Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｄｉｂｌｅ Ａｒｅｃａ Ｓｌｉｃｅｒ

ＣＨＥＮ Ｙａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｚｈｉ－ｓｈｕｉ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｉｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｉｋｏｕ ５７０２２８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｒｅｃａ（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．） ｗａｓ ｍａｉｎｌｙ ｓｌｉｃｅｄ ｍａｎｕａｌｌｙ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， ｗｈｉｃｈ ｂｌｏｃｋｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｒｅｃａ ｉｎｄｕｓｔｒｙ． Ｔｈｅ ｄｅｎｓｅ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｌｅｓｈ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｓｅｅｄ ｗａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｏｆ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ． Ａ ｓｌｉｃｅｒ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｓｌｉｃｅ ｔｈｅ ａｒｅｃａ ｆｌｅｓｈ ｅｑｕａｂｌｙ ｗｈｉｌｅ ｋｅｅｐｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｅｄｓ ｉｎｔａｃｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｅｓｈ ａｎｄ ｓｅｅｄ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｅｃａ ｓｌｉｃｅｒ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ａｒｅｃａ ｐｏｓｔ－ｈａｒｖｅｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ｉｍｐｒｏｖｅ ｆａｒｍｅｒｓ ｉｎｃｏｍｅ ｉｎ ｍａｉｎ ａｒｅｃａ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏｃａｌ ａｒｅｃａ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｒｅｃａ（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．）； ｓｌｉｃｅｒ； ｄｅｓｉｇｎ

槟榔（Ａｒｅｃａ ｃａｔｅｃｈｕ Ｌ．）为棕榈科常绿乔木，是中国四大南药之一。槟榔全身都是宝，其有效成分主要为槟榔碱，具有固齿杀菌、健胃驱寒、消化积食、去水肿以及驱虫等功能。完整的槟榔果实干制品称为榔干，是中国海南、湖南、云南等地群众咀嚼用嗜好品。目前中国国内槟榔干果市场需求日益增长，规模化的槟榔加工已成为扩大槟榔种植面积、增加农民收入的重要手段［１］。

利用现代科学技术改进槟榔的加工工艺是一种突破，加工后的槟榔果干可供人们在四季享用，口感更佳，便于保存；提炼出的槟榔精华可制成药物用于治疗疾病，又可作养生的补品，是居家旅行的必备良药。随着人们对槟榔认识的逐步拓展，槟榔这一热带果品正逐步走向市场，并深受人们的喜爱，但其加工过程大多仍采用较为传统的工序，对槟榔进行切片去核这一部分还是以手工刀切为主。因槟榔果肉的纤维与其种子的连接非常紧密，且槟榔果实体积小巧，使得切片去核这一工序尤为困难和耗时。因此，目前在槟榔食用加工这一领域，生产率还比较低下，尚存在很大的发展空间。联系目前槟榔果实在食品领域加工的生产现状，可以得出一个结论，就是槟榔的果肉纤维与种子的分离困难是导致其生产滞后的一大主要原因。当然，这也为目前的努力提供了方向。如何更好地把槟榔果实的种子和包裹种子的纤维组织分开，以便能充分利用槟榔的有效成分，并且能够实现机械化和自动化的生产是研究的主要方向。如果这一研究成果得以实现，其将成为槟榔加工史上的一大突破性飞跃，将使槟榔的加工工艺迈上一个新台阶。

１工作原理与总体结构

１．１总体结构

槟榔切片机由料斗、托盘、组合刀盘、冲头等组成，其结构见图１。

１．２工作原理

将槟榔从送料斗送进来后，放在固定成型刀具上用冲头冲压，冲头可由气缸控制，从上至下做冲压动作切分槟榔，切完后果肉与种子顺着刀形分别进入各自的出料装置。

２主要工作部件及其参数的确定

２．１槟榔切片机单个刀具的设计

图２为果肉与种子自动分离式刀具的结构，槟榔经过这样的刀具切分后，果肉会分成４瓣，球形种子也会与果肉分离，图３和图４分别模拟了切片后果肉的形状和种子的效果。

２．１．１刀具承受总压力的计算刀具承受的总压力Ｆｄ为槟榔的重力Ｇｂ与冲头冲压时的冲压力Ｆｃ之和，即Ｆｄ＝Ｇｂ＋Ｆｃ，通过查阅槟榔结构相关资料和采样统计得到，槟榔按照体积和质量可分为大、中、小３个等级。大、中、小级别的槟榔质量分别为大于８０小于等于１２０、大于５０小于等于８０、大于３０小于等于５０ ｇ。

经试验测算，切分单个槟榔的平均冲压力为１５０.0 Ｎ。且在计算Ｆｄ时，Ｇｂ应取各种级别槟榔的最大重量，切大号槟榔的刀具应能承受的压力为Ｆｄ１＝（１．２＋１５０.0）Ｎ＝１５１．２ Ｎ；切中号槟榔的刀具应能承受的压力为Ｆｄ2＝（０．８＋１５０.0）Ｎ＝１５０．８ Ｎ；切小号槟榔的刀具应能承受的压力为Ｆｄ3＝（０．５＋１５０.0）Ｎ＝１５０．５ Ｎ。由此可知，刀具承受的总压力大致为１５０ Ｎ。

２．１．２刀具尺寸的计算为提高切分的精确度，设计出３种更为合理科学的与槟榔等级对应的刀具。通过查阅槟榔的相关资料可知，槟榔一般分为３类，按果实横径分为短（＜２０ ｍｍ）、中（２０～４０ ｍｍ）、长（＞４０ ｍｍ）；按果实纵径分为短（＜３０ ｍｍ）、中（３０～６０ ｍｍ）、长（＞６０ ｍｍ）；用游标卡尺测量每粒种子的纵径作为种子长度，计算平均值，按种子长度分为短（＜１５ ｍｍ）、中（１５～３５ ｍｍ）、长（＞３５ ｍｍ）。

为确保在冲头冲压时，槟榔能保持稳定，需要增加刀具的外筒长度，如图５所示，△ｈ即为增加的刀筒长。

△ｈ≥1/2 h槟榔时，才可使槟榔在切压过程中重心保持稳定，确定△ｈ为６０ ｍｍ。

根据图５刀具外筒的实际结构，设计刀具应计算的参数有刀具总长ｈ、增加的刀筒长△ｈ、刀片部分的长度ｈ刀，满足ｈ＝△ｈ＋ｈ刀，刀具圆柱筒外径ｄ外、刀具圆柱筒内径ｄ内。

根据槟榔果肉和种子的不同尺寸，可计算出３种型号的刀具。大刀尺寸为ｈ＝１４０ ｍｍ，△ｈ＝６０ ｍｍ，ｈ刀＝８０ ｍｍ，ｄ外＝６０ ｍｍ，ｄ内＝３５ ｍｍ；中刀尺寸为ｄ外＝４０ ｍｍ，ｄ内＝２５ ｍｍ；小刀尺寸为ｄ外＝２０ ｍｍ，ｄ内＝１５ ｍｍ。此外，考虑到加工的方便，中刀和小刀的其他尺寸设计成与大刀的一样。

２．２组合刀盘的设计

为提高切片效率，将３种型号的刀具并排组合成一套刀具，材料为不锈钢１Ｃｒ１８Ｎｉ９，刀筒之间用钢板焊接而成（图６），进料口用３种对应型号的进料管道分别往３种刀具上送入３种等级的槟榔，同时进行切片作业。

为进一步提高生产效率，又将由３种型号组成的一套刀具制成相同的６套分布于同一圆周上，用钢板焊连形成一个整体式的组合刀具盘（图７）。在切片过程中，位于同一水平面上的６套刀具随着刀盘旋转，以同一轴心按规律旋转至冲头正下方接受冲压。

２．３切片机的冲头设计

冲头采用图８所示的结构。

２．３．１冲头的材料和具体结构形式冲头的材料选用不锈钢１Ｃｒ１８Ｎｉ９，由前面可知，冲头的结构和尺寸取决于刀具的结构形式和尺寸，组合刀具由大刀、中刀、小刀３种刀组合而成，则冲头应与之对应有大冲头、中冲头、小冲头。

２．３．２冲头的工作行程ｈ冲结合切刀结构形式和切刀尺寸可知，冲头工作行程ｈ冲应为冲头上极限位置到刀具起切位置的距离（图９），即ｈ冲＝Ｌ1＋△ｈ，Ｌ1为冲头在上极限位置时与刀具的垂直距离，根据需要设定为７５ ｍｍ即可；△ｈ为增加的刀筒长（图５）。经计算得，ｈ冲＝（７５＋６０） ｍｍ＝１３５ ｍｍ。

２．３．３冲头工作部分尺寸的计算冲头总长度为Ｌ、仿形弧度为Ｒ仿、直径为ｄ。大冲头的ｄ大冲＝５８ ｍｍ，Ｌ大冲＝７０ ｍｍ，Ｒ仿大冲＝１００ ｍｍ，要求冲头外形美观，则将３种冲头的总长度Ｌ设计成同一种规格，即都为７０ ｍｍ。中冲头的ｄ中冲＝３８ ｍｍ，Ｌ中冲＝７０ ｍｍ，Ｒ仿中冲＝７６ ｍｍ；小冲头的ｄ小冲＝１８ ｍｍ，Ｌ小冲＝７０ ｍｍ，Ｒ仿小冲＝３０ ｍｍ。

２．４组合刀具的盘连轴设计

槟榔切片过程中，刀盘旋转由伺服电机提供动力和控制旋转速度，使轴每１／６周定点停止。轴在旋转过程中始终和刀盘是一个同步运动的整体，既要承受刀盘的重力和冲头冲压槟榔时对刀盘的冲压力，又要承受电机对轴的扭转力。因此，轴的结构设计和材料的选择都要满足一定的力学要求。

２．５进料装置的设计

通过切刀尺寸计算和组合刀具盘的设计计算可知，设计的主要思路之一是，槟榔的切片工序是用３种型号的切刀对应切分３种等级的槟榔。因此，进料装置也相应地设计成由３种对应型号的进料管道组成一套进料装置，一一对应送料。

２．５．１进料管道的材料和尺寸计算材料选用不锈钢３０６，将进料管设计成３类，分别按管径的粗细称作大管、中管、小管，与前面的大刀、中刀、小刀的刀筒直径对应。３种管道的管径不同，其余参量均相同，用薄钢板将之并排焊接而成。大管管径ｄ大＝８０ ｍｍ，中管管径ｄ中＝６０ ｍｍ，小管管径ｄ小＝３０ ｍｍ（图１０）。

２．５．２下料定量方案的设计对每种等级的槟榔切片只能单个进行，这就要求下料时能够使槟榔一个个地被送到刀具上。为此，采用两个双作用气缸在一个控制器下做一进一退的交替运动。如图１１所示，Ａ缸位于上端，Ｂ缸位于下端，槟榔被Ｂ气缸的活塞杆拦住。启动信号使气缸Ａ的活塞杆伸出，气缸Ｂ的活塞杆收缩，槟榔滚入对应的刀具筒内。

３结论

在完成对样机的设计和制造后，对其槟榔切片性能进行了试验，试验所采用的槟榔是采摘自海南省三亚市和陵水县一带的槟榔园。现场的大量切片试验结果表明，该机器能够有效地把槟榔均匀切成４瓣，并且完好地与种子分离，完好率可以达到７５％以上，而对于一小部分形状怪异的槟榔，切完后，果肉当中会含有部分切碎的种子，而对于这一部分的槟榔，可以事先通过筛选进行分离，这样的话，切片的效果会更好，完好率也会大为提高。

实现槟榔工业的自动化是时代的需求和人类发展的必然，采用机器代替人工进行槟榔的切片操作是行之有效的途径，它既能提高加工质量，又能明显减轻劳动强度，从而大大降低了生产成本，经济效益显著。因而，槟榔切片机的设计不仅实现了槟榔加工的自动化，提高了生产效率，而且充分利用了槟榔的有效成分，为槟榔加工领域注入了一股新动力，有着美好的应用前景。

参考文献：

［１］ 张翠玲，谭乐和，许春梅，等．五香槟榔加工工艺研究初报［Ｊ］．广东农业科学，２０１１，３８（３）：９０－９１．

［２］ 张国治．方便面主食加工机械［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５． ［３］ 邱宣怀． 机械设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９７．

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［５］ 谭乐和，张翠玲，许春梅，等．香草槟榔加工工艺研究初报［Ｊ］．广东农业科学，２０１１，３８（１）：１０８－１１０．

［６］ 谢龙莲，张慧坚，方佳．我国槟榔加工研究进展［Ｊ］．广东农业科学，２０１１，３８（４）：９６－９８．

［７］ 孙立立，郑臣河，庄立品，等．中药槟榔饮片切制工艺研究［Ｊ］．中成药，１９９７，１９（１１）：２０－２２．

［８］ 龚溎义．机械设计课程设计图册［Ｍ］． 北京：高等教育出版社，１９９９．

［９］ 刘鸿文．材料力学［Ｍ］． 北京：高等教育出版社，２００４．

［１０］ 张国治．方便面主食加工机械［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５．