宽皮柑橘剥皮机去顶环切装置的设计与试验

范登峰，陈红，尹伊君，徐翔宙，潘海兵，李善军

(华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070)

宽皮柑橘剥皮机去顶环切装置的设计与试验

范登峰，陈红*，尹伊君，徐翔宙，潘海兵，李善军

(华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070)

为了提高宽皮柑橘果皮剥净率，为宽皮柑橘剥皮机设计了去顶环切装置，以去除柑橘果柄部果皮并沿最大果径环切一周将果皮划破。该装置主要由机架、对心机构、去顶机构、环切机构组成。工作时，柑橘固定，去顶刀刃逐渐旋切嵌入果柄处果皮，切断果柄周围果皮及橘络，在柑橘顶部旋出一个圆形的切痕并夹持住顶部果皮，在刀具箱上行的过程中，在刀刃挤压力和摩擦力的作用下带走柑橘顶部果皮，实现去顶；环切压盘随着刀具箱的下行压紧去顶后的柑橘，环切压盘上的压盘尖刺嵌入柑橘橘皮并卡住柑橘，此时，一侧的环切刀随着对心轴的转动嵌入柑橘果皮中；电机启动，环切压盘带动柑橘做旋转运动，环切刀在柑橘径向形成一周划痕，实现环切。对影响去顶性能和环切性能的热蒸气时间和刀轴转速进行的单因素试验结果表明：在热蒸气时间90 s、刀轴转速120 r/min时，柑橘去顶成功率和去顶损伤率分别为96.7%、4.2%，柑橘环切率和环切损伤率分别为97.5%、4.7%。

柑橘剥皮机；剥皮；去顶机构；环切机构

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现有宽皮柑橘剥皮机加工工序主要包括2道工序：一是划皮，柑橘在托盘内通过高速旋转的刀辊或固定的划皮刀组时，柑橘表面被划出多道切口[1–3]或柑橘通过固定划皮筒被划出多道切口[4–5]；二是剥皮，相对旋转的对辊夹持住外翻果皮并将果皮从果肉表面撕扯下来[3–4]。柑橘剥皮采用高速旋转的划皮刀辊的划皮方式，由于柑橘相对固定，只有在柑橘与划皮刀接触处才被划皮，导致划皮率较低，而采用固定划皮筒的划皮方式对柑橘的果形指数要求较高，当柑橘的形状不规则或径高比较大时，柑橘会存在受力不均匀或无法在滑道内翻滚，导致划皮率较低。现有的剥皮设备没有翻皮工序，不能保证所有柑橘果皮都被划破并翻起，且柑橘顶部(果柄)的橘皮较其他部位硬且厚，橘络密度大，橘皮与橘瓣之间的粘结力大，导致后续对辊剥皮时果皮一次剥净率低。刀辊和柑橘的高速碰撞，还易造成果肉损伤率高，因此，现有宽皮柑橘剥皮设备普遍存在果皮剥净率低，果肉损伤率高等问题，限制了其在橘瓣罐头加工业上的应用。

针对现有剥皮设备存在的问题，笔者提出一种包括去顶、环划果皮、翻皮、对辊剥皮等工序在内的新型柑橘剥皮方法[6]。针对去除柑橘果柄部果皮以及沿柑橘果径最大处(垂直橘瓣间隙方向)环切一周并将果皮划破的作业要求，设计了一种去顶、环切装置。

1 柑橘去顶环切装置的总体结构与工作原理

去顶环切装置(图1)主要由电机、刀具箱、对心机构、去顶压盘、环切压盘、环切刀、去顶刀、机架组成。去顶主要由对心机构和去顶机构完成，环切主要通过环切机构和环切刀完成。去顶和环切机构相对独立，先对柑橘进行去顶，后由推板组件将已经去顶的柑橘推到环切位置进行环切划皮。

图1 柑橘去顶环切装置的结构Fig.1 Structure diagram of citrus top removal and ring cutting device

去顶采用柑橘固定而使去顶刀旋转的方式。工作时，推板将果柄朝上的柑橘推入去顶刀头下方，刀具箱下行，去顶压盘压紧柑橘，去顶刀嵌入柑橘果皮中，对心机构径向夹紧柑橘，电机启动，带动去顶刀旋转。刀刃逐渐旋切嵌入果柄处果皮，切断柑橘果柄周围果皮及橘络，在柑橘顶部旋出一个圆形的切痕并夹持住顶部果皮。当电机停止转动，刀具箱带动刀具向上运动时，在挤压力和摩擦力作用下，刀刃将夹持住的顶部果皮和橘络从果肉表面扯离并带走[7]。

环切采用刀具固定、环切压盘带动柑橘一起作旋转运动的方式。工作时，环切压盘随着刀具箱的下行压紧去顶后的柑橘，环切压盘上的压盘尖刺嵌入柑橘橘皮并卡住柑橘，此时一侧的环切刀随着对心轴的转动嵌入柑橘果皮中；电机启动，环切压盘带动柑橘做旋转运动，环切刀在柑橘径向形成一周划痕，实现环切。

2 主要部件的设计

2.1 对心机构

在进入剥皮设备之前，柑橘虽然经过分级处理，其直径仍然有较大的差异。为了保证柑橘被有效去顶又不损伤果肉，需要利用对心机构保证去顶刀中心正对着柑橘顶部中心[8]。

如图2所示，对心机构主要由铰链、连杆、对心轴、压板及弧形架组成。弧形架通过滑动螺栓与压板和推板相连，螺栓上套有弹簧，弧形架可以沿螺栓滑动，铰链与刀具箱相连，随着刀具箱的上下运动实现对心轴的往复转动，安装在对心轴上的压板及弧形架也随着往复转动。工作时，箱体到最低位置，压板转动到转动轴的正下方，压板上的弧形架与推板上的弧形架形成包裹柑橘的圆弧，既能实现自动定心，又能适应直径有差异的柑橘，且能夹紧柑橘[9]。

图2 对心机构的三维示意图Fig.2 Three dimensional schematic diagram of the centering mechanism

对心机构的主体是偏置式曲柄滑块机构[10](图3)，刀具箱(滑块)上下往复运动带动对心轴作往复旋转运动，进而带动固定在对心轴上的压板弧形架，实现柑橘的自动定心及对柑橘的侧向夹紧与分离。对心机构的参数包括对心曲柄长度、连杆的长度及偏心距。偏置式曲柄滑块机构的曲柄长度l1，连杆长度l2，偏心距s，曲柄转角θ1，连杆转角θ2，滑块位移Sc。

图3 对心机构的结构Fig.3 Schematic diagram of the centering mechanism

橘瓣罐头所需柑橘的直径为55～75 mm，径高比1.1～1.4[6]。为了保证对心机构与推板处于同一水平面，零部件之间不发生干涉，且刀具箱在竖直方向上的位移不过大，确定对心轴到去顶轴的中心距(曲柄滑块的偏心距)为27.5～37.5 mm，刀具箱(滑块)的上下运动行程为40～50 m m。通过多次取值和优化计算可知，l1=20 mm，l2=30 mm，s=30 mm。曲柄转角θ1与滑块位移Sc关系如图4所示。对心轴的转动角度随着刀具箱行程的升高而增大，当刀具箱上下往复的行程Sc为48 m m时，对心机构转动角为90°，满足柑橘水平通过的设计要求。

图4 不同曲柄转角的滑块位移Fig.4 Sliding displacements for different crank angles

2.2 去顶机构

去顶不仅要保证去除柑橘果柄顶部的果皮，而且要能适应具有一定高度差的柑橘，以不损伤果肉为原则，据此要求，设计的去顶机构如图5所示。去顶机构主要由刀刃、去顶压盘、套筒、钩头平键、去顶轴组成。刀刃安装在去顶压盘上，在压盘上的安装位置形成一个相对于压盘中心的圆，主要作用是切断柑橘顶部果皮与周围果皮之间的连接及夹持住柑橘顶部果皮使之与柑橘分离，去顶压盘起连接刀刃和套筒的作用，套筒用来连接压盘和传递扭矩，钩头平键保证去顶刀在轴的键槽内滑动，适应一定高度的柑橘，压簧的弹力保证去顶压盘始终压住柑橘，去顶刀刃嵌入柑橘果皮中。

图5 去顶机构的结构Fig.5 Structure diagram of the top removal platen mechanism

2.2.1 去顶刀

去顶刀由一定齿形、齿高及齿数的刀刃组成。已有试验分析表明，齿形刀有利于柑橘的去顶[11]，据此，分别设计了直齿(a)、三角斜齿(b)、弧形齿(c)3种不同的齿形刀具(图6)。

图6 不同齿形刀具的滑切角Fig.6 Sliding cutting angle of different toothed tool

根据滑切理论，在刀具结构相同的条件下，滑切时刀具对物料的正压力比正切时小[12]，刀具对柑橘橘瓣挤压力较小，柑橘橘瓣的完整性较好。在相同的刀具转速下，不同齿形刀具对柑橘橘皮的滑切角也不相同。

由图6可知，直齿刀具的α=0°，刀齿切割柑橘橘皮属于正切，所需的切力最大。三角斜齿α=β，滑切角等于刀具的刃倾角，当刀具刃口深度一定后，由B=d·tan β知(B为刀齿宽度、d为刃口深度或者橘皮厚度)，滑切角越大，刀齿宽度越大，当刀齿的回转直径确定后，刀齿宽度的变动范围有限。弧形齿刀具的刃倾角随着齿形的变化而变化，在整个去顶过程中，滑切角是变化的[13]，试验表明弧形齿的去顶性能较好。

刀具回转直径确定后，齿数赵多，刀刃的宽度就越小，反之亦然。刀刃的齿数过多，不利于安装和加工，且刀刃的刚度不够，但齿数少于3个时，不能发挥弧形齿的滑切优势[11]，也不能保证将顶部果皮与柑橘分离，兼顾二者选取刀具的齿数为3齿。

齿高指刀尖到压盘底部的长度，齿高越大，越利于刀刃割断柑橘顶部果皮与橘瓣之间的橘络，但对橘瓣的损伤也随之增大；齿高越小，对橘瓣的损伤越小，但不利于割断橘络。试验表明齿高为6 mm的去顶效果较好。

2.3 环切机构

如图7所示，环切机构主要由环切压盘(带压盘尖刺)、环切托盘和环切刀组成。环切压盘上的尖刺卡住柑橘果皮并带动柑橘一起旋转，托盘主要起支撑柑橘一起作旋转运动的作用，环切压盘和环切刀是主要部件。

图7 环切机构的结构Fig.7 Structure diagram of the ring cutting

2.3.1 环切压盘

环切压盘上端与套筒相连，通过套筒传递扭矩，下端压住柑橘，压盘尖刺嵌入柑橘果皮，当电机启动后，压盘尖刺卡住柑橘做旋转运动，为此设计的环切压盘的结构如图8所示。

图8 环切压盘的结构Fig.8 Structure diagram of the ring cutting plate

前期试验表明，仅仅通过压盘与柑橘之间的摩擦力，无法带动柑橘作旋转运动。压盘上等间距分布有10个压盘尖刺，通过压盘上的尖刺嵌入柑橘果皮能带动柑橘作旋转运动。根据柑橘截面成椭圆形的物理特征，将压盘设计成锥形可以增大压盘尖刺与柑橘接触点的当量半径(尖刺所在投影面的圆的半径)，从而增大环切压盘给予柑橘的旋转力矩。

如图9所示，环切压盘带动柑橘做旋转运动的过程中，柑橘受到环切压盘上10个尖刺提供的抓取力矩Fi·li，有助于带动柑橘旋转；推板弧形架的摩擦力f1、环切刀的阻力f2、摩擦力矩T阻碍柑橘旋转；因此，柑橘随着环切压盘旋转，完成环切需要满足以下条件。

假设柑橘受到各个压盘尖刺的抓取力大小相等，则由(1)式有：

式中：l为压盘尖刺所在当量圆弧的半径，r为柑橘半径。

图9 柑橘环切过程的受力分析Fig.9 Force analysis of citrus ring cutting process

由式(2)可知，F和l越大，f1、f2、r和T越小，柑橘越容易实现旋转运动。这些参数中，F、f1、f2的大小较难改变，柑橘半径r由柑橘自身的尺寸确定，因此，增大压盘尖刺所在当量圆弧半径和尖刺施加给柑橘的抓取力、减小摩擦力矩T可以提高柑橘作旋转运动的可靠性。

环切压盘的主要结构参数是压盘直径D和夹角α。环切压盘采用尼龙材料，为了保证压盘的强度，压盘的厚度δ应大于2.5 mm，取δ=3 mm。

去顶后的柑橘经推板水平推送到环切位置的环切托盘后，环切压盘随着刀具箱的下行压紧柑橘，为了避免因压盘外径大于柑橘最大直径而与推板弧形架等装置在空间上干涉，或因环切压盘过小会减小压盘尖刺对柑橘的作用半径，因此选取压盘外径值不大于柑橘最小直径55 mm。

滑切理论表明，刀具在正切物料时所需要的力最大。压盘尖刺施加给柑橘的抓取力，最大等于压盘尖刺在柑橘果皮上滑动切割果皮的力，当压盘尖刺正切嵌入柑橘橘皮时抓取力最大。为了便于加工，压盘尖刺的轴向垂直于压盘，为了保证压盘尖刺正切嵌入柑橘果皮，压盘须与柑橘果皮在接触处相切。

以直径65 mm的柑橘为例，建立如图10所示的数学模型。

图10 压盘夹角分析Fig.10 Platen analysis chart angle

为了简化分析，假设柑橘的截面为一个标准椭圆，直径为65 m m，径高比分别为1.1和1.4的柑橘的标准椭圆方程为：

经过计算可知，压盘底端的最大内径为49 mm，即压盘内壁与柑橘接触的最大跨度为49 mm。

如图10所示，直线x= –24.5 mm，与两个椭圆分别相交于A、B点，过A、B点分别作椭圆的切线P1、P2，P1、P2与X轴的夹角分别为α1、α2。

计算可得：tan α1=1.04，tan α2=0.82，即压盘夹角α在39.4°～46.1°，取α=45°。

2.3.2 环切刀及安装方式

环切刀的作用是刺入并划破果皮，尽量降低柑橘橘瓣的损伤，设计的环切刀的结构如图11所示。环切刀由刀头和刀柄组成。刀头嵌入并割破柑橘果皮，截面呈三角形，有利于刀头刺入果皮，斜边为切割刃，切割时由于与柑橘果皮呈一定的夹角，在柑橘果皮上产生滑切，减小了切割力和环切刀对柑橘橘瓣的损伤。刀柄的作用是固定刀头并与对心轴连接。

图11 环切刀的结构Fig.11 Structure diagram of ring cutting knife

如图12所示，将环切刀安装在对心轴上，当箱体向下运动到最低位置时，连杆带动对心轴转动，环切刀具随着对心轴转动，被柑橘挡住在对心轴的正下方，环切刀刀头嵌入柑橘果皮。由牛顿第三定律可知，环切刀柄对柑橘有压力，当柑橘在旋转过程中径向尺寸发生变化时，由不锈钢材料制作的环切刀柄由于有一定的韧性会紧贴着柑橘，保证环切刀头充分割断果皮。

图12 环切刀的安装Fig.12 The installation of the ring cutting knife

3 去顶和环切性能试验

根据国家标准GB/T 13 210—2014有关柑橘罐头品质规定，橘瓣囊胞破损即视为柑橘损伤[14–15]，柑橘顶部去除，则去顶成功。试验采用柑橘去顶成功率和去顶损伤率作为衡量去顶效果的指标，环切率和环切损伤率作为衡量环切效果的指标。

式中：Lq为去顶成功率，N1为去掉的顶部个数，N为试验柑橘总数；Yq为去顶损伤率，Q1为去顶橘瓣破损数；Q为橘瓣总数；Lq为环切率，M1为环切切痕的长度，M为所有柑橘赤道面的周长；Yh为环切损伤率，Q2为环切橘瓣破损数目。前期试验表明，影响去顶、环切性能的因素有热蒸气时间和刀轴转速。选取100个直径为65～70 mm、高度为50～55 mm的柑橘进行试验。

将影响去顶、环切性能的热蒸气时间和刀轴转速逐一进行单因素试验。热蒸气时间分别取60、90、120 s，刀轴转速120 r/min；热蒸气时间90 s，刀轴转速分别为80、100、120、140 r/min，考察去顶成功率和去顶损伤率以及环切率和环切损伤率的变化趋势。每组单因素试验30次，结果取平均值。

由图13可知，去顶成功率和去顶损伤率均随着热蒸气时间的延长而先升高后略微下降，在热蒸气时间为90 s时，去顶成功率和去顶损伤率均达到最高。热蒸气时间对去顶成功率和去顶损伤率的影响不大，因此综合考虑去顶成功率和去顶损伤率，热蒸气时间为90 s时去顶效果较好。

图13 不同热蒸气时间的去顶成功率和去顶损伤率Fig.13 The rate of top removal and damage rate of top removal of heating time

由图14可知，环切率随着热蒸气时间的延长无明显变化，环切损伤率随着热蒸气时间的延长而显著升高， 在120 s时环切损伤率已升高到12.5%。综合柑橘环切损伤率，热蒸气时间为90 s的环切效果较好。

图14 不同热蒸气时间的环切率和环切损伤率Fig.14 The rate of ring cutting and damage rate of ring cutting of heating time

由图15可知，去顶成功率随着刀轴转速的增加先上升后略微下降，在120 r/min时去顶成功率最高，损伤率最低，由此可知，刀轴转速为120 r/min时去顶效果较好。

图15 不同刀轴转速的去顶成功率和去顶损伤率Fig.15 The rate of top removal and damage rate of top removalof rotating speed of cutter shaft

由图16可知，随着刀轴转速的上升，环切率先下降后逐步上升；随着刀轴转速的增加，环切损伤率先下降后逐步上升。根据柑橘去顶环切装置设计总体要求，环切率达到95%以上，环切损伤率控制在5%以内。综合考虑环切率和环切损伤率，刀轴转速为100～120 r/min时环切效果较好。

试验结果表明，在热蒸气时间90 s、刀轴转速120 r/min的条件下，柑橘的去顶成功率和去顶损伤率分别为96.7%和4.2%；柑橘的环切率和环切损伤率分别为97.5%和4.7%。

图16 不同刀轴转速的环切率和环切损伤率Fig.16 The rate of ring cutting and damage rate of ring cutting of rotating speed of cutter shaft

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责任编辑：罗慧敏

英文编辑：吴志立

Design and experimental of topping and ring cutting device for citrus reticulate peeling machine

Fan Dengfeng, Chen Hong*, Yin Yijun, Xu Xiangzhou, Pan Haibing, Li Shanjun
(College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

To improve the p eeling rate of citrus, a top removal an d ring cutting device was designed for citrus peeling machine，In order to remove the peel of the citrus fruit stalk and cut the peel through the largest fruit diameter of the citrus peel. The device is mainly composed of frame, a centering mechanism, a top removal mechanism, a ring cutting mechanism. At work, the citrus does not move, to the top removed blade gradually peeling embedded in the fruit stalk peel, cut off the citrus fruit stalk around the peel and orange network, in the top of the citrus spin a circular cut and hold the top peel, in the tool box in the process of upward, under the effect of cutting edge squeezing force and friction force, the top peel of citrus is taken away; Ring cutting pressure plate with the knife box down to the top of the mandarin orange, ring pressure plate pressure plate embedded citrus orange peel and stuck citrus, this time, the side of the ring cutter with the heart The rotation of the shaft is embedded in the citrus peel; the motor starts and the circular cut and pressure plate drives the citrus to rotate, and the ring cutter forms a circle of scratch in the citrus radial direction to realize ring cutting. The s ingle-factor tes t was c arried out on the h ot s team tim e and the rot ating speed of th e ar bor, which affect th e performance of detaching and cutting. The experiment results showed that when operation on the heating time of 90 s and cutter shaft rotation speed of 120 r/min, the rate of topping and damage rate was 96.7% and 4.2%; the rate of ring cutting and damage rate was 97.5% and 4.7%, respectively.

peeling machine for citrus; peeling; top removal mechanism; ring cutting mechanism

S226.4

A

1007-1032(2016)06-0686-07

2016–04–12

2016–10–08

国家现代柑橘产业技术体系专项(农科教发[2011]3号)；中央高校基本科研业务费专项(2013PY127)；湖北省自然科学基金项目(ZRY2014000710)

范登峰(1989—)，男，湖北洪湖人，硕士研究生，主要从事农产品加工技术与装备研究，364015221@qq.com；*通信作者，陈红，博士，副教授，主要从事农产品加工技术与装备研究，chenhong@mail.hzau.edu.cn