组合式巴旦木脱青皮机设计研究

吐鲁洪·吐尔迪,杨会民， 阿依木妮莎·拜克热

(新疆农业科学院 农业机械化研究所, 乌鲁木齐 830091)

0 引言

巴旦木是世界四大著名干果之一，又称巴旦杏，学名扁桃(Amygdalus communis L.)，主要分布在美国、地中海地区，巴旦木在我国的分布十分有限，大面积巴旦木种植主要集中在中国新疆，而新疆主要分布在喀什地区莎车县、英吉沙县，这些地区具有发展巴旦木生产独特的自然条件。巴旦木栽培在新疆已经有1 300年多的历史[1]，是我国具有地方特色的树种。根据联合国粮食及农业组织2010年统计数据[2]，世界范围内，巴旦木种植面积167.3万hm2，主要种植国家有美国(29万hm2)、西班牙、伊朗、摩洛哥、意大利、叙利亚、突尼斯、阿富汗、土耳其、阿尔及利亚及中国(1.2万hm2)等国，总产量251万t。其中，美国为141万t，占世界总产量的56.2%,位居各国产量的首位。

巴旦木在美国的特色经济作物出口产值位居第一，中国产量3.8万t，位居世界排名第11位。我国巴旦木种植业主要集中在新疆喀什地区，有上千年的种植历史，但长期以来，巴旦木的种植没有得到足够的重视，种植规模小、产量低，种植户家庭成员齐上阵即可完成巴旦木的收获、脱青皮、晾晒作业流程，成品即可进入集市买卖。但是，去青皮及去杂由手工完成，效率低、成本高、劳动强度大，巴旦木脱青皮机的研究和研制应用处于空白阶段。

现有的机械化脱青皮技术采用钢丝刷脱青皮、毛刷清洗机相结合的方法，主要用于核桃脱青皮。纵观坚果的去青皮作业原理与机具研制现状，针对不同的物料特性，采用的方法有：间隙挤压式、滚刀旋切式、离心抛摔式、自碾搓式及抽打搅拌式。到目前为止，坚果去青皮尚未取得令人满意的实质性突破，技术创新或者技术集成方面亟待提高。我国的大多数坚果去青皮机均在名牌或者说明书上标明去青皮率达到95%以上，清洁度达到90%以上；在实际的脱青皮作业中，由于坚果栽培管理的差异，致使坚果在脱青皮时的青皮与硬壳结合程度、成熟度等诸多影响指标，实际的作业性能均低于出厂的技术指标，破损率甚至高达15%～20%，与美国等发达国家的坚果脱青皮存在很大的差距。

巴旦木脱青皮是一个涉及巴旦木青皮、巴旦木硬壳的生物学特性和物理机械特性的加工过程，必须将巴旦木的生物特性研究与脱青皮原理、关键部件工作结构参数(工作部件对巴旦木物料的施力原理、施力方式、巴旦木的物料流动方式、巴旦木物料流内部的相互摩擦作用力)研究和工作部件的材料选用、工作部件的结构设计等诸多方面的因素相结合起来，从巴旦木脱青皮的机理与硬壳损伤机理等理论着手，进行巴旦木脱青皮原理研究与装置的设计；新疆农业科学院农业机械化研究所通过几年的反复试验与改进，研发了一种巴旦木脱青皮机，但还存一些问题，如脱青皮率≥90%，脱青皮后，青皮与巴旦木核混合从出料口排出，还需要人工分离等有关问题，因而研发了组合式巴旦木脱青皮机。

1 整体结构设计

1.1 整体结构

组合式巴旦木脱青皮机主要由刮板式输送器、动力传动系统、2级螺旋输送器、2级分离滚筒筛、喂入口及出料口等组成，如图1所示。在原有巴旦木脱青皮机(ZL201320278310.0)基础上对巴旦木脱青皮进行了改进，巴旦木脱青皮时不需要分级，可一次完成对大小不一致的巴旦木进行脱青皮，通过两级不同的脱青皮装置，提高了脱青皮率，避免了巴旦木脱青皮后核中含皮率高的问题，增加了提升装置，减轻了劳动强度；增加了清理树叶装置，避免了树叶与青皮核揉搓在一起，对巴旦木核染色，影响出售价格；改进了巴旦木脱皮机构，模仿人工用手瓣的原理，其结构简单，易于制造，不仅脱青皮速度快，而且工作效率高。

1.机架 2.电机 3.主动链轮 4.第2级螺旋输送器 5.第2级分离滚筒筛 6.出料口 7.第1级螺旋输送器 8.第1级分离滚筒筛 9. 喂入口 10.输送机 11.输送机喂入口 图1 6TB-500巴旦木脱青皮机结构Fig.1 Structure of 6TB-500 almond dehusked machine

1.2 工作原理及主要技术参数

工作原理：物料通过提升机上的刮板,将物料均匀地输入脱青皮机进料口,电机通过链条驱动主动链轮带动第1级螺旋输送器旋转；进料口落入的青皮巴旦木通过螺旋输送器上的钢丝去皮刷，未去皮的巴旦木通过螺旋去皮橡胶条，与分离滚筒筛内壁进行揉搓，逐步向出料口推进；螺旋输送器在旋转过程中将青皮巴旦木夹在中间进行揉搓，致使巴旦木表面青皮剥离，皮剥离后的巴旦木核与青皮，从滚筒分离筛缝隙中排出，未排干净的青皮与核从出料口进入下一个分离装置中；螺旋输送器将未排干净的青皮与核输送到分离区进行再一次分离，冠状齿形叶板作用将青皮从滚筒分离筛缝隙中排出，巴旦木核从出料口排出。技术参数为：

生产率/kg·h-1： 500

配套动力/kW：2.2

脱净率/%：≥95

破损率/%：≤4

核中含皮率/%： ≤4

配套动力/kW：1.1

2 主要部件设计

2.1 螺旋输送装置的设计

螺旋输送装置是脱青皮机的关键部件之一，作用是将喂入的青皮巴旦木进行输送和揉搓脱去巴旦木核上的青皮，结构如图2所示。其主要由主轴、螺旋去皮橡胶条、钢丝去皮刷、螺旋支撑板及支杆等零件构成。主轴前轴头上均布钢丝去皮刷将未成熟、核与青皮黏合强的青皮去除，主轴上均匀焊接有支杆和支撑板用于固定螺旋去皮橡胶条。螺旋去皮橡胶条随主轴一起旋转，转动时螺旋去皮橡胶条推动巴旦木物料向出料口方向移动；螺旋去皮橡胶条边缘与级分离滚筒筛内壁有一定的间隙，其间隙小于巴旦木带青皮厚度，范围在15～25mm之间，使带青皮巴旦木在螺旋去皮橡胶条边缘与级分离滚筒筛内壁形成的腔体内进行揉搓，揉搓后脱落的青皮从分离滚筒筛之间的间隙排出，分离滚筒筛间隙6～7.5mm。

1.支杆 2.螺旋支撑板 3.主轴 4.螺旋去皮橡胶条 5.钢丝去皮刷 6.前轴头 7.后轴头 图2 螺旋输送器Fig.2 Spiral transmitter

2.2 输送器与清理树叶机构的设计

原巴旦木脱青皮机喂料靠人喂入，劳动强度大，喂料很不均匀，经常导致巴旦木脱青皮机无法正常工作。因此，该机增加了提升装置，喂料均匀，减轻了劳动强度；增加了清理树叶装置，避免了树叶与青皮核揉搓在一起，对巴旦木核染色，影响出售价格，结构如图3所示。其主要由喂料斗、刮板输送器、输送机支架、减速机总成及清选风机组成。在刮板输送器上端安装有清选风机，目的是当从喂料斗进入的巴旦木青皮混合物料通过刮板输送器输送到脱青皮机喂入口时，将混杂在巴旦木青皮中的树叶通过清选风机吹除。

1.减速枕总成 2.输送枕支腿 3.刮板输送器 4.喂料斗 5.清选风机 图3 输送器Fig.3 Transmitter

新疆的巴旦木收获靠人工用木棒敲打树枝，收获后的巴旦木中掺杂树叶和树枝，如果不将树叶分离脱青皮，脱青皮后的巴旦木核被染色，影响销售价格。

3 受力分析

螺旋输送器和分离滚筒筛是该脱青皮机装置的主要部件，螺旋输送装置以角速度匀速转动时，将青皮巴旦木带人到工作区域。青皮巴旦木在分离滚筒筛上受两组力(见图4)，一组受螺旋去皮橡胶条作用于青皮巴旦木上的挤压力F1，螺旋去皮橡胶摩擦力f1，去皮橡胶的挤压力F2,分离滚筒筛的壁对青皮巴旦木上的支撑力F支, 滚筒筛的壁摩擦力f2共同作用力F挤，巴旦木的弹性模量和抗压强度明显小于巴旦木硬壳。为了保证巴旦木核不受破坏前青皮产生裂纹，挤压力F1、F2,摩擦力f1、f2应该在合理范围内，青皮脱落的条件为

其中，Fw、Fh分别代表使青皮产生裂纹的挤压力和使巴旦木硬壳产生裂纹的挤压力；Ft代表使青皮发生破坏的剪切力。

4 试验内容与方法

4.1 试验内容及其评价指标

巴旦木的品种不同,物理特性也会有些差别，依据坚果的脱皮技术要求，结合机械脱青的技术特点，试验从巴旦木青皮的物料特性方面和脱青皮机脱青皮性能等方面进行评价。

1.滚筒 2.螺旋输送器 3.巴旦木核 图4 巴旦木青皮受力图Fig.4 Force of almond

4.2 试验方法

依照GB/T 5667-2008 农业机械生产试验方法进行。

青皮巴旦木果实主要由外层青皮、硬壳、果仁3部分组成，成熟后的巴旦木青皮易开口与硬壳剥离，此时采取手工作业较容易；而未成熟的巴旦木青皮无裂口，手工作业需小刀划刻较难剥离。

新疆的巴旦木品种繁杂，不同的青皮巴旦木品种外形尺寸与硬壳厚度差异明显，脱壳后的青皮、带壳巴旦木物料间差异较大，目前新疆巴旦木的品种主要有纸皮巴旦木、薄皮巴旦木、鹰嘴巴旦木和双仁巴旦木4个品种。脱青皮机目前适应鹰嘴巴旦木(硬壳)，本试验中采用的巴旦木为新疆莎车县产地。青皮巴旦木的尺寸用游标卡尺测定。

1)青皮巴旦木厚度。由于青皮巴旦木加工时，一般采用挤压和揉搓原理，主要以巴旦木青皮厚度方向进行挤压和揉搓，因此青皮巴旦木外形尺寸主要测定厚度方向尺寸。本试验测定时共取100粒青皮巴旦木，成熟度为80%。

2)脱青皮率、破碎率和核中含皮率。影响巴旦木脱青皮的因素有螺旋输送器的转速、螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛的壁之间的间隙。由于带青皮的巴旦木脱青皮，螺旋输送器在分离滚筒筛内带动青皮巴旦木旋转，主要以厚度方向脱青皮，且青皮巴旦木外形尺寸差异很大，为了提高脱青皮效果，脱青皮前将青皮巴旦木按后度方向进行分级，选取莎车巴硬壳3号(带青皮巴旦木厚度d为15～21.5mm)(见表1)进行。

表1 青皮巴旦木的厚度分布Table 1 The almond peel thickness distribution

第1步：进行螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛的壁之间的间隙(d)和螺旋输送器旋转速度(V)和螺旋器输送器角度(θ°)的3因素正交试验。脱青皮的间隙(d)，根据莎车3号巴旦木品种的物料特性参数选取(15、18、20mm)3个水平(记A1，A2，A3), 和螺旋去皮橡胶条旋转速度(V)选取(5、10、15m/mim)3个水平(记B1,B2,B3)。螺旋输送器的输送角度(θ°)选取(55°，75°,65°)3个水平(记C1,C2,C3)，如表2所示。

第2步：在上述正交试验基础上，选择螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛的壁之间的间隙的最佳间隙值，螺旋输送器在不同旋转速度下对巴旦木脱青皮进行脱青皮试验，测定青皮巴旦木的脱青皮率和破壳率。设青皮巴旦木在第一个脱青皮装置中脱青皮率T1、青皮巴旦木在第二个脱青皮装置中脱青皮率设为T2、破壳率设为P、核中带青皮率设为S,巴旦木脱青皮的计算公式为

其中，T0为青皮巴旦木总数；T1为第1级脱青皮数；T2为第2级脱青皮数；P破为脱青皮时破碎数。

5 试验结果与讨论

5.1 青皮巴旦木厚度分析

测定结果如表1所示。由表1可知：青皮巴旦木厚度的分布范围为13～21mm，极差为8mmm，厚度在13～19mm范围内的粒数占测定总数的87%以上，所以巴旦木脱青皮间隙在13

5.2 破壳性能正交试验分析

通过表2的直观分析，3个试验因素对巴旦木青皮剥离效果的影响大小依次为B>C>A，螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛间隙>螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛间隙为15 mm、螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛角度为75°。通过计算各因素的水平和，求出平均值，可分析各因素水平的变化对青皮脱净率和巴旦木破损率的影响，从而找出各因素的最好水平，由表3 分析结果可以看出：当取B1D1A1时，脱净率指标较好；当取B3D3A1时，巴旦木破损率指标较好采用综合平衡的方法，可以得到较优处理组合A1B2D2；经过多次试验验证当因素组合在A1B2D2的条件下，能够得到较好的结果。

5.3 螺旋输送器旋转速度对脱青皮性能影响单因素试验

由正交试验表3可知，螺旋输送器旋转速对脱青皮的影响不大。由表3中可以看出：螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛内壁的间隙在15mm不变的条件下，螺旋输送器角度75°时，螺旋输送器旋转速越高，脱青皮的效率越高，其生产率越高。

表3 脱青皮旋转速度与性能参数Table 3 Peeling the rotation speed and performance parameters

由正交试验表3可知：当螺旋输送器旋转速从200r/min增加到400r/min，脱青皮率逐渐提高，巴旦木破碎率为零；随着转速的进一步提高450r/min到600r/min，脱青皮率提高不明显平均在94.2%，反而巴旦木破碎率逐步提高，平均在3.5‰。设计巴旦木脱青皮机时，螺旋输送器旋转速在400～450r/min范围较合适，螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛内壁的间隙在15mm范围较合适。

6 结论

1)螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛的间隙对于巴旦木脱净率和破碎率指标影响最大，螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛的间隙的角度次之，螺旋输送器的前进速度影响较小。

2)为获得最佳的综合指标，在喀什地区莎车县进行的实际作业中，采用螺旋输送器前进速度为5m/min。螺旋去皮橡胶条和分离滚筒筛间隙15mm，螺旋去皮橡胶条角度75°，加工效果良好。

3)该机可同时实现巴旦木多个品种巴旦木脱青皮，具有结构简单、维修方便和成本低等优点。

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