香榧去皮机研制与应用

曾松伟，喻卫武，姬长英，叶邦宣，肖庆来

香榧去皮机研制与应用

曾松伟1，2,3，喻卫武2，姬长英1，叶邦宣4，肖庆来4

（1.南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031;2.浙江农林大学 信息工程学院，浙江 临安 311300；3.浙江农林大学 浙江省林业智能监测与信息技术研究重点实验室，浙江 临安 311300；4.浙江省松阳县林业局，浙江 松阳323400）

香榧Torreya grandis‘Merrillii’青果外有一层假种皮，香榧果仁加工需要去除假种皮。果农大多采用堆沤腐烂手工脱皮法去除假种皮，这不仅效率低且腐烂的假种皮无法再利用，另外，假种皮腐烂污液渗入果壳而污染果仁，从而降低香榧的品质与商品价值。为了提高香榧加工效率并充分利用其经济价值，研制一种香榧自动去皮设备具有很好的应用前景。在测量了香榧物理等外形特性参数基础上，设计了一套去香榧假种皮设备并进行了结构参数设计分析，并对产自浙江省绍兴市、嵊州市和临安市等的带皮鲜香榧进行了去皮实验。结果表明：该设备生产效率较高，去除假种皮率达98.5%以上，果壳破损率小于1.5%。结果还表明：去除假种皮效果与香榧成熟度、电机转速以及拨打橡胶条与外壁间距等有关。图6表2参25

经济林学；香榧；去皮；加工；去皮率

香榧是Torreya grandis ‘Merrillii’属红豆杉科Taxaceae世界稀有经济树种。香榧种子营养丰富，脂肪酸以亚油酸和油酸为主，不饱和脂肪酸占脂肪酸总量约80%；其种仁蛋白质含量高，含有17种氨基酸，19种矿物元素［1］，也是一种名贵中药材［2］。香榧种子外有一层很厚的肉质化假种皮，约占种子鲜质量的50%~60%。曾发现该植物中存在抗肿瘤和抗艾滋病毒活性成分［3］，含二萜类成分［4］、挥发油等26种芳香物质，从香榧假种皮可获蒸馏油2.0~3.0 g·kg－1［5］。自从20世纪80年代以来，中国众多农林专家、学者对香榧生境条件、空间分布、栽培、病虫害发生与防治、果品成分及品质等进行了研究与开发，但是对香榧去假种皮及后期炒制加工方面的研究较少。目前，采收后脱除香榧假种皮的方法大多采用堆沤腐烂手工脱皮法，但由于香榧的形状不规则、尺寸差异较大、果皮结合紧密等原因，这种加工方式费事费力而且变黄甚至腐烂的假种皮可能无法再利用而一直被作为废物丢弃，既浪费了资源，又造成了环境污染，甚至有时由于污液渗入果壳而污染果仁，从而降低香榧的品质与商品价值。因此，需要掌握香榧青果的物质特性和参数，掌握去皮机制，从而设计制造香榧去皮设备并进行试验分析。

1 香榧去皮机制

农产果品常见去皮方法有基于常规堆沤预处理的手工［6］、化学堆沤［7－12］及机械等［13－25］方法。目前，中国现有的香榧机械脱青皮法的专利有：专利号为201020556869.1的滚动式手摇香榧剥皮机。该方法使香榧通过筒体上的投料窗口输入到滚筒内，利用手摇传动机构带动滚筒旋转，使香榧在筒体与装在筒体内壁上的鱼鳞刮擦档之间不断翻滚、撞击、摩擦与撕裂，最终使果皮分离。专利号为201020132373.1的香榧剥皮机香榧通过进料口加到上磨盘和小磨盘之间，然后利用下磨盘的长条状孔和上磨盘的长条突块作切削运动，从而达到去皮目的，切削下来的假种皮经过下磨盘的长条状孔掉到机座上用人工清除。这2种方法都有一定缺陷，没有综合考虑香榧品种、形状、尺寸、壳厚、成熟度及含水率等因素对去皮效果的影响。

在掌握香榧青果的物质特性基础上进行去皮物性分析，结果显示：如果只施加挤压力，则香榧青果假种皮不易脱离，且施力位置对去皮效果影响较大，而挤压力较大时又造成香榧青果破损。如果只施加剪切力，去皮效果也不理想。但通过试验发现沿青香榧的径向和轴向2个不同方向同时施加挤压和剪切力，结果比较理想。为此，提出如图1所示的香榧去假种皮原型机。该机由电机、机座、香榧进料斗、剥皮滚筒、动力轴筒、出料斗和螺旋输送叶片等构成，系统结构如图1所示，主要部件如图2~5所示。香榧剥皮机机架（1）底部的电动机（2）通过带传动将动力由小带轮（4）传递给大带轮（6）。大带轮与动力转轴（16）通过平键联接。动力转轴总成通过轴头两端的轴承支撑座（10）安装在机架上，采用动联接。动力转轴的右端焊接螺旋叶片（5），左端焊接有拨打筋板（15），拨打橡胶条（9）通过螺钉与拨打筋板联接。去皮笼（8）同样采用螺栓连接与机架联接，该为静联接。去皮笼采用焊接件，由内凸环（13）、普通圆环

图1 香榧去皮设备结构图Figure 1 Peelers structure diagram of Torreya grandis ‘Merrillii’fruits

图2 动力总成结构图Figure 2 Structure diagram of power shaft roller

图3 去皮筒结构图Figure 3 Structure diagram of peeling roller

图4 普通圆环Figure 4 Ordinary ring

图5 内凸环Figure 5 Inner convex ring

（14）及钢架焊接而成，保证了去皮笼在撞击工作过程的可靠性。

当鲜青香榧从进料斗（7），向下落入到旋转的动力转轴上后，利用螺旋叶片产生的动能传递到安装在动力转轴上的3个独立拨打橡胶上，香榧被均匀的向出口端推送，当鲜青香榧被运送到拨打筋板处时，由于鲜青香榧尺寸大于拨打橡胶条与去皮圆环之间的间隙，转轴转动时带动鲜青香榧沿切线方向运动，香榧流在去皮筒上的拨打橡胶条与圆环（14）及内凸环（13）之间受到由角度差、速度差及每个拨打橡胶条与圆环之间的空间弧形三角工作区所产生的挤压力、摩擦力、剪切力的共同作用下将鲜青香榧假种皮剥离，达到去皮目的。香榧在搓剥过程中不间断螺旋前进，使其立体旋转翻滚，达到均匀剥皮目的。剥下的皮层通过环间隙排出机外，尚未被搓剥掉的香榧皮层继续受到搓剥并被分离。在去皮笼内部的间隔环由于内部的凸台，能够有效地增加与青香榧的碰撞力度，可以更有效去皮。该过程中拨打橡胶条拨打力通过橡胶得到缓冲，可以有效地减少香榧的破损率。

经过上面的推送、拨打的过程，已剥离的香榧及青皮最后通过出料斗（12）滑落出剥离滚筒，为了避免出料时香榧及青皮的弹跳、飞落出口处的出料挡板（11）可以起到有效的阻挡作用。

2 香榧去皮机结构参数设计

2.1 进料斗设计

设计进料斗的出口尺寸需要根据生产率Q＝2 000 kg·h－1的要求。在此，假设鲜青香榧果被连续喂入，且将鲜青香榧果近似看作圆柱体，进料斗尺寸为长130.0 mm，宽110.0 mm，进料斗深度450.0 mm，单颗鲜青香榧质量（6.640+1.310）g。则鲜青香榧子从进入到进料斗出口所需的时间根据自由落体公式：

计算得出：t＝0.092 s。因此，香榧生产率：

代入数据得：mn＝0.014 90 m2，取m＝130.0 mm，取n＝110.0 mm。

式（1）式（2）中：Q为生产率（kg·h－1）；m为进料斗出口长度（mm）；n为进料斗出口宽度（mm）；h为进料斗深度（mm）；t为香榧从进入到排出进料斗所需时间（s）；a为香榧长轴长（mm）；b为香榧短轴长（mm）；M为单颗香榧质量（kg）；ψ为香榧充满系数，一般取0.3~0.4；

2.2 动力轴筒转速确定

动力轴筒是香榧去假种皮机的关键部件，其转速、拨打橡胶条与去皮圆环之间的间隙大小是影响鲜青香榧去皮效果的关键因素。按Q＝2 000 kg·h－1，根据《农产品加工机械与设备》的螺旋输送生产率计算公式：

得：n≈70 r·min－1。

综合考虑去皮率及结构参数，确定其转速在80~100 r·min－1，可以通过验证优化确定。式（3）中：Q为生产率（kg·h－1），2 000 kg·h－1；n为转速（r·min－1）；ρ为香榧密度（kg·m－3），取850 kg·m－3；D为螺旋叶片外径（m），0.129 m；d为转轴外径（m），0.112 m；s为螺距（m），0.150 m；ψ为香榧充满系数，一般取0.3~0.4。

2.3 动力转轴外壁半径确定

该半径确定需满足设备结构安装、生产率的要求以及保证香榧鲜青皮被剥离的时间充足，保证获得较高的剥净率，根据香榧物理参数和机器设备的其他参数，经试验后综合考虑，取该半径R=110.0 mm。在验算动力转轴半径计算过程中作如下假设：①待剥离鲜青皮香榧由去皮笼带入，并呈单层状态均匀进入青皮剥离区；②近似把香榧看作圆柱体；③物料被连续喂入，无间断。

根据以上假设推导出去皮笼每转一圈带入到青皮剥离区域内的香榧质量为：

转速取80 r·min－1时，按满足生产率要求的条件验证其半径，则：Q＝60， q×n≈2 078。可见，与设计生产率相比，所选尺寸满足其要求。式（4）中：q为动力转轴每转1周进入到青皮脱皮区域的香榧质量；d为香榧等值直径，20.90 mm；S为螺旋输送的螺距，0.15 m；λ为同样尺寸的圆柱体体积和立方体体积之比，λ＝0.78；ρ为香榧密度，850 kg·m-3（不同地域差异较大）；n为转速（r·min－1）；ψ为香榧充满系数，一般取0.3~0.4。

2.4 动力转轴长度确定

去皮笼应有足够的长度，以满足青皮脱净率和生产率的要求。由设计确定螺旋输送区长度为150.0 mm，青皮剥离区长度由下式确定：设青皮香榧的长轴为a（m），短轴为b，轴筒长度为L（m），轴筒半径为R（m），动力转轴转动速度为n（r·min－1），要求脱香榧青皮的生产率为Q（kg·h－1）。则香榧在转轴上均匀且单层地布满时青香榧的数量为：

由于剥皮区要足够长，才能保证剥皮质量，假设每颗香榧在工作区平均旋转5圈就完成剥皮，则其生产率为：

由式（5）式（6）得：L≈900.0 mm。式（6）中：M为香榧平均质量（kg·颗－1）。

2.5 拨打橡胶的选择

综合考虑不同地域香榧外形尺寸的差异及其物理特性，为了增加设备的通用性，该去皮设备在动力转轴的筋板上外装有环保型的拨打胶条，本机选取天然橡胶板，加工宽度为20.0 mm，厚度为8.0 mm的拨打橡胶条，长度与剥皮区域长度一致，安装在笼外圆柱面上。

2.6 去皮笼的设计

机罩用螺栓与机架联接，去皮笼采用焊接件，由内凸台间隔环、普通圆环及钢架等组成。去皮笼半径＝动力转轴半径（110.0 mm）＋拨打筋板及胶条高度（20.0 mm）＋去皮香榧直径（13.5 mm）＝150.9 mm，取155.1 mm。经过台架试验，间隔圆环可以采用圆钢材料。间隔环间隙按尺寸最小的香榧不会从间隙中掉出去的原则确定，通过测量几个浙江省香榧盛产区的脱去青皮香榧的尺寸，最小尺寸都在11.0 mm，按确定的圆环尺寸和滚筒长度计算取间隔环数量，而两环实际间隙为9.0 mm。

2.7 传动方式的确定

该设备采用带传动方式，用普通V带传动不仅能够满足工作要求，同时也能简化设备，降低成本。另外，动力轴筒的工作速度应该保持在一个合理的范围内，速度太快，香榧破损率高，速度太慢，会影响生产效率。综合考虑，该设备动力装置采用单相双值电容异步电动机，由其带动小带轮，小带轮驱动大带轮，大带轮带动滚筒轴旋转，该电动机的额定功率2.2 kW，额定转速为1 400 r·min－1。

3 香榧去皮试验

3.1 试验材料及方法

试验香榧购于浙江省绍兴市、嵊州市和临安市，采收时间分别为9月15日、9月17日和9月20日。样品共15.0 kg鲜香榧青果，即3地分别取样5.0 kg。

首先，采用精度为0.02 mm的游标卡尺测量香榧青果外形尺寸，采用精度为0.001 g的电光分析天平测量其质量。其次，3地香榧青果经过后熟处理后，各筛选样品500颗，利用香榧去皮原型设备分别对其进行去皮试验，试验如图6所示。

3.2 试验数据及结果分析

3地样品质量范围分别为 3.502～10.73 g，3.923～9.332 g，3.605～10.24 g；3地样品长轴范围分别为16.10～34.36 mm，26.60～37.10 mm，24.80～35.20 mm。其外形尺寸及质量见表1，去皮指标见表2。

从表1可以看出：各地样品间的外形尺寸和质量差异较大，长轴主要分布在28.0~31.0 mm，短轴主要分布在18.0~20.0 mm，斜轴主要分布在15.0~17.0 mm。嵊州香榧青果样品外形饱满，而绍兴香榧青果样品外形修长，临安香榧青果矮壮。测量结果表明：在去皮设备结构设计时需充分考虑不同地域香榧的外形尺寸参数的差异，以提高设备的通用性。

从表2可以看出：去皮后，香榧坚果基本没有裂纹或其他破裂等影响后期加工品质的缺陷存在，效果良好。香榧去皮率及其坚果完好率分别达到了96.0%和98.5%以上，损失率1.5%左右（考虑到僵果）。但3地香榧青果去皮效果有一定差异，这也许与采收时间及后熟处理有关。

图6 香榧去皮实验Figure 6 Peeled experiment

表1 香榧青果的外形尺寸Table 1 Physical statistic parameters of Torreya grandis‘Merrillii’

表2 去皮试验指标Table 2 Index of peeled experiment

4 讨论

本研究首先对3个产区的香榧青果进行了外形等参数测量，设计了一套去皮原型机械设备并进行了结构参数的设计分析，最后用产自浙江省绍兴市、嵊州市和临安市的15.0 kg香榧青果进行了试验。结果表明：去皮率达96.0%，香榧坚果完好率为98.5%，损失率1.5%左右，基本达到了设计要求。但也有不足之处，由于香榧假种皮有一定的黏附性，导致其在掉落过程中有少量黏附在设备外壳上，优化时需要增加清洁功能和部件；另外，试验发现：香榧青果去皮效果与香榧成熟度（含后熟）、电机转速以及拨打橡胶条与外壁的间距有关。香榧青果成熟度好、电机转速高或拨打橡胶条与外壁的间距小，则去皮率也高。但到一定程度时则会影响其破损率，因此，后期仍需进一步改进并优化参数。

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A peeling machine for Torreya grandis‘Merrillii’nuts

ZENG Songwei1,2,3,YU Weiwu2,JI Changying1,YE Bangxuan4,XIAO Qinglai4
（1.College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,Jiangsu,China;2.School of Information Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;3.Zhejiang Provincial Key Caboratory of Forestry Intelligent Monitoring and Information Technology Research,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300, Zhejiang,China;4.Forest Enterprise of Songyang County,Songyang 323400,Zhejiang,China）

An aril on the outside of the Torreya grandis ‘Merrillii’fruit must be removed when processing the ‘Merrillii’nuts.At present,the T.grandis‘Merrillii’fruit is usually placed in rotten compost and peeled by hand.Since rotten aril cannot be reused,this is inefficient.In addition,decay allows aril liquid to seep into the shell producing spoiled nuts and reducing their quality and commercial value.Therefore,development of an automatic peeling device to improve T.grandis ‘Merrillii’production efficiency and make full use of its economic value,would be beneficial.Based on the physical parameters from three sources of T.grandis‘Merrillii’（Shaoxing,Shengzhou,and Lin’an）,and the data of stress and transmogrification obtained by experimentation of the locomotion and force.Peeling parts and equipment was designed and analyzed.A peeling experiment then showed a high production efficiency for this machine with a peeling rate over 98.5%and a breakage rate of less than 1.5%.Peeling efficiency depended on maturity of T.grandis‘Merrillii’,motor speed,and spacing between the peeling strips and the rings of the wall.［Ch,6 fig.2 tab.25 ref.］

cash forestry;Torreya grandis‘Merrillii’;peeling;processing;peeling rate

S667.7

A

2095-0756（2015）01-0133-07

浙 江 农 林 大 学 学 报，2015，32（1）：133-139

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.01.020

2014-05-21；

2014-09-08

浙江省自然科学基金资助项目（LY13C200014）

曾松伟，副教授，从事农业信息化与自动化、智能检测与控制等研究。E-mail：zsw@zafu.edu.cn。通信作者：姬长英，教授，博士，博士生导师，从事机电一体化、农业机器人和土壤机械等研究。E-mail:chyji@njau.edu.cn