揉搓式马铃薯脱皮装置设计及试验研究

杨嘉鹏G Jia-peng 王庆惠 - 闫圣坤 - 杨忠强G -

(1. 新疆工程学院电气与信息工程系，新疆 乌鲁木齐 830022；2. 新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

马铃薯为茄科茄属植物，是全球第四大重要的粮食作物[1]。截至2014年，中国马铃薯种植面积约为5.614 6×106hm2，产量约为9 551.5万t[2]，均占到世界的1/4左右。中国已成为马铃薯生产和消费的第一大国[3]。然而，中国马铃薯加工产业却十分落后，加工量仅为5%[4]。2016年，农业部发布《关于推进马铃薯产业开发的指导意见》，提出将马铃薯作为主粮产品进行产业化开发，到2020年，马铃薯种植面积扩大到667万hm2以上，适宜主食加工的品种种植比例将达到30%，主食消费占马铃薯总消费量的30%[5]。

脱皮技术一直是制约马铃薯产业发展的关键性问题，要促进马铃薯产业发展，必须解决该问题。目前，学者们对马铃薯脱皮装置的研究已取得了一定的成果[6-8]，如刘守江等[9]研发了马铃薯切削去皮装置，利用可调节切削刀片进行脱皮，解决了切削厚度不可调节的问题，提高了马铃薯的利用率，但该装置加工量小，无法实现连续作业；Wang[10]发明了一种既可以去皮又可以去核切片的马铃薯与苹果去皮装置，该装置利用摇臂控制削皮、取芯和切薄片等操作，去皮切片效果良好，对物料的尺寸没有严格要求，但是存在效率低、切削宽度大等缺点； Chand 等[11]研究了一种脚踏式马铃薯去皮切片机，利用表面凸起的去皮辊摩擦物料实现去皮，同时还可以实现切片功能，但该装置存在耗费人力，生产成本高的问题。

针对上述问题，本研究拟设计一种揉搓式马铃薯脱皮装置，并进行试验研究，同时提出马铃薯脱皮装置的自动化提升方式，为自动化马铃薯脱皮装置的研制提供理论依据。

1 总体结构和工作原理

1.1 总体结构

揉搓式马铃薯脱皮装置主要由出料口、上机体、进料口、电机、喷水装置、出料控制装置、锁紧装置 、脱皮辊、接料板、水泵、过滤装置、水箱、泄水阀、下机架和螺旋毛刷辊组成(见图1)。

1. 出料口 2. 上机体 3. 进料口 4. 电机 5. 喷水装置 6. 出料控制装置 7. 锁紧装置 8. 脱皮辊 9. 接料板 10. 水泵 11. 过滤装置 12. 水箱 13. 泄水阀 14. 下机架 15. 螺旋毛刷辊

图1 揉搓式马铃薯脱皮装置

Figure 1 Rub peeling machine for potato

马铃薯经进料口进入到脱皮辊和毛刷辊组成的U型槽内，在脱皮辊和螺旋毛刷辊的带动下不断滚动，马铃薯之间相互挤压摩擦，在脱皮辊的摩擦作用下脱皮，在螺旋毛刷辊及喷水装置所产生一定压力的水的作用下清洗，马铃薯的表皮及其他杂质不断被清洗干净，通过PLC控制主电机的工作时间来实现出料装置的打开，控制螺旋毛刷辊，将脱皮后的马铃薯推送至出料口，表皮及杂质通过脱皮辊和螺旋毛刷辊之间的间隙随水流下，经接料板排至水箱中。

1.2 自动化控制部分

马铃薯脱皮装置中的自动化装置采用三菱的FX2N系列PLC和变频器对主电动机、水泵、进料口挡板、出料口挡板进行控制，以达到最优工艺组合[12-14]。采用PLC作为控制核心，使用变频器对电机进行调速，简化了系统硬件结构，使得主电机调速更加平滑，节约了能量，并可根据后期系统优化的需要，进行程序的编写及加入外围电路，使得脱皮装置效率更高。

控制系统工作原理见图2，通过控制面板对PLC发送指令，进料装置面板打开，待脱皮马铃薯进入到U型槽后，PLC控制主电动机旋转，从而带动脱皮辊和毛刷辊旋转，同时，PLC对水泵发送命令，使其启动，对马铃薯进行清洗、脱皮，清洗完毕后，出料装置面板打开，马铃薯在旋转毛刷辊的带动下，进入出料口。在整个控制系统中，PLC可通过变频器改变主电动机的旋转速度，从而使脱皮辊和毛刷辊达到最优转速，还能通过PLC设置主电机的工作时间，实现马铃薯脱皮的最优加工时间。为了控制喷水装置的出水量和水速，在水泵前一级加入了变频器，可通过PLC实现对水泵的转速控制。另外，可通过控制面板设置主电机和水泵旋转速度、脱皮时间、辊轴旋转方向，控制面板上的液晶屏可显示当前主电机转速、水泵转速、电机频率等参数。

2 主要部件设计

2.1 脱皮辊

脱皮辊是由光滑辊和金刚砂表层组成，金刚砂纸可根据脱皮物料的不同进行更换，金刚砂材料选用具有耐磨、耐水特性的物料。脱皮辊与螺旋毛刷辊呈交替排列。

2.2 螺旋毛刷辊

毛刷辊选用具有螺旋推送功能的毛刷，毛刷辊上的刷洗毛材料主要为尼龙610刷丝，该材料抗磨损性能较好，具有耐高温耐酸碱等特性，弹性较好，抗刷洗强度大，且不易倒毛，符合食品卫生要求。脱皮棍与螺旋毛刷辊选材示意见图3。

2.3 U型槽体设计

U型槽体是由脱皮辊和毛刷辊组成。设计成U型原因主要有以下三方面：① 有利于马铃薯进入U型空间内，防止其在转动过程中掉落出机体，可实现马铃薯的自由进入和脱皮后排出；② 可以近距离观察马铃薯在U型空间内的运动状态，随着脱皮辊和毛刷辊的相互转动，带动马铃薯在脱皮辊和毛刷辊之间旋转，实现单个物料自转摩擦，同时槽内物料实现整体运转摩擦；③ 可以实现物料集中喷水清洗，不用改变喷水的角度，减少清洗水用水量。

3 试验材料与方法

3.1 试验材料

马铃薯：单粒重237～824 g，初始湿基含水率为82.14%±0.50%(烘干法，105 ℃，24 h)，购于乌鲁木齐北园春市场。

3.2 试验指标的确定

由于马铃薯的形态各异，表面也并非完全平滑，具有随机性，因此马铃薯去皮效果的评价采用模糊评价原则，即除马铃薯凹陷区域没被去皮之外，其他部分均被磨损掉则视为达到预期去皮效果。因此不再另设指标对马铃薯去皮效果做出评价。每组试验平行3次，结果选取平均值。

3.3 计算方法

试验中质量损失率是判定马铃薯去皮效果的重要指标。脱去的马铃薯表皮部分越多，马铃薯表面脱皮效果越好，但同时也会带来马铃薯果肉质量损失率的提高。试验中质量损失率按式(1)计算：

(1)

式中：

s——马铃薯去皮质量损失率，%；

M——试验前马铃薯的总质量，g；

m——试验后马铃薯的总质量，g。

3.4 单因素及正交试验

根据前期预试验，结合设备自身特点，选用的脱皮辊转速、脱皮时间和喂入量为影响马铃薯脱皮效果的影响因素，其中以脱皮辊转速150～250 r/min，脱皮时间2～4 min，喂入量80～110 kg，分别进行单因素试验，并在单因素试验的基础上，采用正交试验获取揉搓式马铃薯脱皮装置最优的参数组合。

4 结果与分析

4.1 单因素试验

4.1.1 辊转速对马铃薯脱皮效果的影响 由图4可知，随着脱皮辊转速的增大，质量损失率急剧增加，因为随着脱皮辊转速增大，脱皮辊、螺旋毛刷辊与马铃薯表面接触的次数增加，马铃薯表面被刷下的部分增加，脱皮效果越好，进而质量损失率增加，但是相应的马铃薯果肉损失率也增加，综合考虑，脱皮辊转速在200～225 r/min时较为理想。

4.1.2 脱皮时间对马铃薯脱皮效果的影响 由图5可知，随着脱皮时间的延长，马铃薯表面的皮脱得越干净，作业效果越好，与辊转速对马铃薯质量损失率的影响趋势相同，随着马铃薯在脱皮装置内时间的延长，马铃薯果肉的质量损失率也随之增加，此外，较长的脱皮时间也会使得整机的生产率降低。故选取去皮3 min左右较为适宜。

4.1.3 喂料量对马铃薯脱皮效果的影响 由图6可知，随着单位时间内马铃薯喂料量的增加，马铃薯的质量损失率随之降低，主要是脱皮机内马铃薯的数量越多，单位时间内马铃薯与脱皮辊和毛刷接触的次数越少，马铃薯表皮被刷掉的几率降低，部分马铃薯表皮没有来得及被刷掉就已被后续喂入的料推出脱皮腔，故而质量损失率降低，影响脱皮效果。同时喂料量的增加，加剧了马铃薯间及其与辊之间的碰撞次数，造成马铃薯表面易出现不必要的创伤。综合考虑，选择马铃薯的喂料量为100 kg/h左右较为适宜。

4.2 正交试验

在单因素试验的基础上，采用三因素三水平的正交试验(见表1)，获取揉搓式马铃薯脱皮装置最优的参数组合。

由表2可知，因素影响大小顺序为A>B>C，最优工艺组合为A1B3C3，即辊转速205 r/min，去皮时间3.5 min，喂料量105 kg/h。

4.3 验证实验

通过3组平行验证试验结果表明，当辊转速205 r/min，去皮时间3.5 min，喂料量105 kg/h时，马铃薯质量损失率最低，为11.1%，与正交试验数据表中列出的最优组(试验3)所得质量损失率结果(10.9%)相吻合。马铃薯表皮脱去部分较多，除凹陷区域未被去皮之外，已达到预期去皮效果。

5 结语

本研究对揉搓式马铃薯脱皮装置进行了脱皮试验，详细分析了影响马铃薯脱皮质量损失率的3个因素，通过单因素及正交试验获得马铃薯脱皮装置的最优工艺参数，并实现了揉搓式马铃薯脱皮装置的全程自动化。本装置的特点：① 通过揉搓实现马铃薯脱皮效果的提升，避免了现有脱皮方式的弊端，同时自输送可实现连续化作业，提高生产效率；② 装置结构简单，操作方便，经济安全。

下一步计划实现马铃薯脱皮全程自动化，形成进料、脱皮、出料、清洗、切片、包装一体化生产线。

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