揉搓式豌豆脱皮机研究与设计

潘光杰 孙传祝 张志杉 薛立桥

（山东理工大学精密制造与特种加工省级重点实验室，山东 淄博 255091）

揉搓式豌豆脱皮机研究与设计

潘光杰 孙传祝 张志杉 薛立桥

（山东理工大学精密制造与特种加工省级重点实验室，山东 淄博 255091）

针对现有豌豆脱皮设备存在的脱皮率低、产量小，难以满足规模企业生产要求等问题，对豌豆脱皮技术原理与方法进行分析与研究，在此基础上，设计一种揉搓式豌豆脱皮机。介绍该脱皮机的主要结构特点及其工作原理，通过设计计算与分析，确定脱皮机的总体结构，分析影响豌豆脱皮质量的因素。设计后的豌豆脱皮机脱皮方便、结构相对简单、预期产量较大。

揉搓；脱皮机；豌豆；设计

豌豆又名荷兰豆，是一种低脂肪、高蛋白的食物［1］。由于它价格低廉且加工与食用方式多样，而逐渐受到人们的青睐。豌豆是中国重要的食用豆类之一，具有蔬菜、粮食、饲料和医药等多种用途，也是当前中国粉丝生产行业的主要原料。在豌豆组织构成方面，豌豆干物质［2］主要由淀粉、蛋白质、纤维素和脂类所组成，其中豌豆淀粉除用于纺织、轻化、医药等工业外，它在食品中的重要用途是用来替代价格相对较高的绿豆淀粉加工粉丝和粉皮等。

目前，通常采用传统的酸浆沉淀法［3］提取淀粉。这种方法将原料浸泡一定时间后便直接带皮粉碎，造成后续的脱渣工序变得麻烦，并且粉碎后的豆皮极大地影响了淀粉质量进而降低了粉丝质量。因此，生产优质粉丝的关键技术是将豌豆预先脱皮，以便于改进粉丝生产工艺，提高生产率。在豆类脱皮机械研究领域，周玉林等［4］基于对大豆物理特性的分析，利用大豆皮在超干状态下，受拉应力和弯曲应力的作用易破裂的特点，设计了一种大豆脱皮机，其脱皮装置的压力头对大豆施加一定压力，并且该压力头具有与压力方向相垂直的速度，当其应力超过强度极限时实现皮壳破裂与子叶脱离，该技术工艺简单、可靠，平均脱皮率达92%～98%，但受脱皮装置限制，生产率较低。黄和祥［5］设计了一种豌豆剥壳机械，使豌豆依靠重力作用进入由两个相对旋转、转速不同的胶辊所构成的剥壳工作区域，由于两胶辊的线速度差而产生一对摩擦剪切力实现豌豆剥壳，其优点在于结构简单，但受胶辊数量限制只能实现单次碾搓，因此无法保证实际生产对剥壳率和生产率的要求。

随着豌豆需求量的日益增大，豆类淀粉行业急需一种能够方便地将豌豆皮去除，且脱皮效果好的设备，以提高淀粉及粉丝的质量。目前，常用的脱皮方法有借助粗糙面碾搓作用的碾搓法、借助打板高速撞击作用的撞击法、借助锐利面剪切作用的剪切法以及借助轧辊挤压作用的挤压法等［6］。本试验根据豌豆自身的特性及脱皮率、生产率等要求，采用碾搓法设计了一种结构相对简单、实用、生产率高的揉搓式豌豆脱皮机。

1 结构原理及特点

1.1 脱皮机理分析

豌豆经适宜温度水浸泡后送入脱皮区域（即弹性揉搓爪与滚筒之间的楔形空间）后，豌豆受到来自揉搓爪与滚筒之间的正压力和摩擦力的共同作用。此作用主要由F1、F2组成的一对摩擦剪切力引起（见图1），它们的产生及大小取决于揉搓爪与滚筒之间的相对运动状态及压缩量等的变化。设任一位置A点揉搓爪的曲率半径为r，滚筒的半径为R，R＞r且滚筒中心O1与揉搓爪的曲率中心O2不重合，其偏心距为e。由此形成的楔形空间，加强了对豌豆的揉搓 效果。

图1 脱皮原理分析简图Figure 1 The diagram of peeling principle analysis

楔形空间内A点的径向间隙l为

则豌豆压缩量Y为

式中：

d—— 豌豆直径，m；

θ，α—— 位置角，°。

1.2 主要结构

揉搓式豌豆脱皮机主要由行星传动装置、内壁设有螺旋状棱骨的滚筒、链传动装置、进料斗、出料口及减速电机等组成（见图2）。豌豆由进料斗进入滚筒后，在工作区域随着滚筒、行星架、揉搓辊的转动，其位置连续变化并作行星运动，同时压缩量也在不断变化。由于揉搓辊与滚筒的相对运动，使得夹在两者之间的豌豆受到多次挤压揉搓，最终因摩擦剪切力实现揉搓脱皮，脱皮后的豌豆由出料口进入分离装置。

图2 揉搓式豌豆脱皮机结构简图Figure 2 The structure diagram of the knead－style peas peeling machine

驱动装置包括功率不同的两台减速电机，大功率减速电机与行星传动装置的主轴连接，该主轴空套支承在固定的太阳轮中心孔及右端轴承孔内，两行星架均固定在主轴上。行星轴两端分别支承在两行星架上，左端穿过行星架后，还装有行星轮与太阳轮啮合。小功率减速电机联接的传动轴上装有链轮，通过链条与另一托辊同轴固定的链轮共同连接构成链传动装置。滚筒呈两端敞开、内表面设有棱骨的圆筒状，在靠近进料斗一端联接有挡料板，外圆两端通过滚轮承托在托辊上。行星轴的中部装有揉搓辊，各揉搓辊圆周布置有弹性揉搓爪（见图3），其弹性可以通过调整揉搓爪的材料及形状确定。

图3 揉搓辊结构简图Figure 3 The structure diagram of knead roller

1.3 工作原理

大功率减速电机在驱动主轴及两行星架、并带动行星轴和揉搓辊公转的同时，行星轴和揉搓辊在行星轮与固定太阳轮啮合力的作用下，还做与公转转向相同的自转。滚筒通过链传动装置在小功率减速电机的驱动下，朝着与行星架转向相反的方向旋转。打开进料闸门，浸泡后的湿豌豆经进料斗进入滚筒内腔，由于与滚筒内壁之间的摩擦力及物料自身离心力的作用，随着滚筒壁向上做回转运动。由于滚筒的旋转方向与行星架、揉搓辊的旋转方向相反，揉搓辊在对豌豆进行反复揉搓的同时，将豌豆向相反方向抬起。与此同时，在整个揉搓过程中还伴随着物料由自身重力造成的塌落现象。物料经某个揉搓辊的揉搓作用后，分成左右两部分，由于揉搓辊沿螺旋线分布，物料在经过揉搓辊循环揉搓的同时，实现了向出料口方向的轴向输送。除此之外，当物料上升到一定高度，将沿着棱骨的方向下落，这对物料的轴向输送起到了辅助作用。最后，依靠靠近出料口的最末揉搓辊的推移，物料间断性地经出料口流出。

1.4 特点

（1）行星架、揉搓辊与滚筒的转速可通过两台驱动装置单独调整，以得到较佳的揉搓效果。

（2）揉搓辊在随着行星架公转的同时，还绕着行星轴做旋转方向与公转方向相同的自转，并且该转向与滚筒的旋转方向相反，加大了揉搓辊与滚筒之间的相对转速，从而可以提高豌豆的脱皮效果。

（3）单条行星轴上的揉搓辊在轴上以等间距方式布置，而各行星轴上的起始揉搓辊顺着行星架的旋转方向在轴向间隔一个相等距离，因此所有揉搓辊便按照前后顺序构成了一条螺旋线，以便将物料朝着出料口轴向推移。

（4）合理配置滚筒转向与滚筒内壁棱骨的旋向，使得棱骨不仅能提高揉搓效果，还能产生对物料的辅助输送作用。

（5）主轴贯穿滚筒两端，同步驱动两个行星架，避免了由于揉搓阻力造成的各行星轴的扭曲。

（6）可根据豌豆的特性不同设定揉搓辊的数量，在保证良好的揉搓效果的同时，避免揉搓辊过少或冗余。

2 豌豆脱皮机参数设计与计算

影响豌豆脱皮质量的因素很多：① 豌豆自身因素，包括品种、水分、籽粒大小、均匀度、饱满程度、浸泡时间、浸泡水温等；② 脱皮机参数，包括行星架、揉搓辊和滚筒的绝对转速及相对转速等。因此，应根据豌豆淀粉生产企业所用原料的特点，对脱皮机各参数进行详细地设计计算，才能得到较佳的脱皮效果。

2.1 功率计算

2.1.1 驱动滚筒所需功率 脱皮过程中，驱动滚筒所需的功率是在不断变化的，当有两排揉搓辊处于工作状态时其驱动功率最大。此时，滚筒与揉搓辊之间的切向力Fq由两排揉搓辊的揉搓力和另一排揉搓辊与滚筒之间的摩擦力两部分组成，即Fq为

式中：

Frd—— 单排揉搓辊的揉搓力，N；

μ—— 摩擦系数，取μ＝0.1；

Ny——单排揉搓辊与滚筒之间的正压力，N。

初步确定滚筒各有关参数后计算得，驱动滚筒所需功率Pt≈0.31kW。

2.1.2 驱动主轴所需功率 由结构分析可知，驱动主轴所需的总功率Pz应包括驱动行星架回转所需功率Pj、驱动揉搓辊回转所需功率Pr和揉搓辊抬高物料所需功率Pl。则根据上述受力分析，经设计计算得：

Pz＝Pj＋Pr＋Pl＝ 0.881＋0.508＋0.809 ≈2.20（kW）

2.1.3 电动机选用 本设计驱动装置选用摆线针轮减速电机。由于本脱皮机运转时存在一定的载荷不稳定性，并考虑到相应的功率储备，选用两台减速电机配备的电动机分别为Y132S1－6和 Y90S－6，功率分别为3.0，0.75kW。

2.2 生产率计算

豌豆在一定水温下浸泡至较佳的脱皮状态后，经试验测得干豌豆和湿豌豆的密度分别为ρ干＝835.0kg/m3和ρ湿＝700.6kg/m3。所测密度为松散状态下的豌豆密度，即所测豌豆体积包括豌豆之间空隙的体积。

脱皮率达到要求的豌豆经最后一个揉搓辊的推移作用脱离滚筒，进入出料口，因此单位时间内揉搓辊推移物料的次数与单个揉搓辊轴向推移物料质量的乘积即为脱皮机生产率。由此计算得该揉搓式豌豆脱皮机的干、湿豌豆生产率分别为A干＝1 728.3kg/h，A湿＝3 697.8kg/h。

3 结束语

本试验设计了一种揉搓式豌豆脱皮机，其基本原理是利用行星架、揉搓辊在滚筒内相对于滚筒转向相反的公转和揉搓辊的自转，将夹在滚筒与揉搓辊之间的豌豆进行反复揉搓。同时，采用在揉搓辊上设置弹性揉搓爪、在滚筒内壁设置棱骨等措施，以提高脱皮效果；采用将揉搓辊按螺旋状排列的方式，以实现物料的轴向输送。设计后的豌豆脱皮机，解决了传统的豌豆脱皮设备生产率和脱皮率低下的问题。不过，本设备只能对浸泡后的豌豆实施脱皮，而脱皮后的胚、皮分离技术和设备有待于进一步研究和设计。

1 崔再兴，李玲.豌豆的特征特性及开发利用价值［J］.杂粮作物，2010，30（2）：154～155.

2 李兆丰，顾正彪，洪雁.豌豆淀粉的研究进展［J］.食品与发酵工业，2003，29（10）：70～74.

3 王德培.绿豆和豌豆淀粉的分离方法及其品质特性［J］.仲恺农业技术学院学报，1996，9（2）：93～97.

4 周玉林，夏韧毅.大豆脱皮机原理［J］.齐齐哈尔大学学报，2003，19（3）：72～74.

5 黄和祥.豌豆剥壳机械的设计［J］.农机化研究，2005，124（2）：109～110.

6 张林泉，龚丽.剥壳机具的现状及效果改进方法的探讨［J］.食品与机械，2006，22（4）：72～74.

Research and design on knead－style peeling machine of pea

PAN Guang－jie SUN Chuan－zhu ZHANG Zhi－shanXUE Li－qiao

（Shandong Provincial Key Laboratory of Precision Manufacturing and Non－traditional Machining，Shandong University of Technology，Zibo，Shandong255091，China）

In allusion to the available peas peeling equipment exist the problems that low peeling rate，small production，difficult to meet large－scale production requirements and so on，the principle and method of peas peeling technology were analyzed and studied.On this basis，designed a kind of knead type peas peeling machine.This text introduced the construction and characteristics about the peeling machine.Through the design calculation and analysis，the overall structure of the peeling machine was determined and the influence factors of peeling quality were analyzed.The designed peas peeling machine is peeling convenient，structure is relatively simple，expected output is bigger.

knead；peeling machine；pea；design

10.3969 /j.issn.1003－5788.2012.04.040

潘光杰（1990－），男，山东理工大学机械设计制造及其自动化专业在读本科生。E－mail：pgj1990＠126.com。

孙传祝

2012－02－17