双速毛刷辊式水果清洗机设计与试验

2020-10-13何晓东朱德泉朱健军李镜发

浙江农业学报 2020年9期

何晓东，朱德泉，*，朱健军，廖娟，张顺，李镜发

(1.安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036； 2.江西绿萌科技控股有限公司，江西信丰341600)

水果产后处理是一种提高水果外在品质与增加农产品附加值的有效方法[1-2]。我国是水果生产大国，但我国水果产后处理意识淡薄，处理技术落后，每年水果损伤量达20%～30%，经济损失达750亿元[3-4]。水果产后处理主要分为清洗、杀菌、保鲜、打蜡、烘干、分级与包装等步骤[5-8]。近年来，水果产后处理成为我国水果加工产业发展的方向。

清洗是水果产后处理加工的关键环节，其清洗效果对水果表面品质、农产品附加值与农民收入等有着紧密相连的关系。为了提高清洗设备的清洗效果，国内外学者对清洗设备进行了一定的研究。Butz等[9-10]研制的高压水射流清洗机，运用高压水射流机理清洗水果与蔬菜，清洗效果良好。Kaye等[11]研究在气泡清洗方式下的气蚀作用，研究表明，超声波清洗效率较高，但清洗过程中产生的气蚀作用容易对物料表面造成损伤，需要对一些清洗参数进行优化以达到清洗效果和清洗效率的最佳值。王海鸥等[12]设计了超声波臭氧组合式果蔬清洗机，但以超声波为动力清洗果蔬，果蔬整体受力较小，洗净率较低，影响清洗效果。

针对目前水果清洗设备洗净率低、损伤率高的问题，尤其是对类球形脆皮水果的清洗，现有清洗设备不能达到其清洗要求。为满足我国水果加工产业的实际需求，本文提出一种双速毛刷辊清洗方法并且改进工艺与结构，设计集浸泡、刷洗、喷洗、集果等功能于一体的清洗设备，解决现有水果清洗机洗净率低、损伤率高与浪费水资源的问题，为我国水果产后处理提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

双速毛刷辊式水果清洗机主要由浸泡装置、喷淋装置、刷洗装置、集果装置、电机、储水箱和机架等部分组成。浸泡装置主要包括浸泡水箱和输送带；喷淋装置主要包括水泵、过滤器和喷嘴等部件；刷洗装置主要由6根奇数排毛刷辊和6根偶数排毛刷辊组成，奇、偶排毛刷辊相间排列。整机示意图如图1所示。

1.2 工作原理

工作时，待清洗的水果在浸泡装置浸泡一定时间后，由输送带运送至刷洗装置，水果由刷洗装置中奇、偶排毛刷辊带动转动并向前运动，同时毛刷辊上方的高压喷淋装置将高压水流射向水果表面，最后由集果装置收集。由于奇、偶排毛刷辊转速不同，相邻毛刷辊形成转速差，增大水果与毛刷辊的摩擦力，同时在高压水作用下，使水果达到更好的清洗效果；在集果装置内壁安装橡胶垫，避免碰撞造成水果损伤。

2 关键零部件设计

2.1 浸泡装置

浸泡装置主要包括浸泡水箱和输送带，输送带设置在浸泡水箱内，如图2所示。浸泡水箱用于存放并浸泡未清洗的水果，输送带用于输送水果。浸泡可有效溶解水果与尘土、杂质、泥沙、农药残留的黏度。为了提高水果浸泡效果，工作时，注水液面要求比输送带高约50 mm。

1，浸泡装置；2，输送带；3，奇数排毛刷辊；4，偶数排毛刷辊；5，喷淋装置；6，刷洗装置；7，集果装置；8，橡胶垫；9，重型铁芯聚氨酯轮；10，水泵；11，电机；12，储水箱；13，机架；14，不锈钢调节脚座。1， Soaking device; 2， Conveyor belt; 3， Odd-numbered rows of brush rollers; 4， Even-numbered rows of brush rollers; 5， Spray device; 6， Brushing device; 7， Fruit collecting device; 8， Rubber pad; 9，Heavy-duty iron-core polyurethane wheel; 10， Water pump; 11， Motor; 12， Water storage tank; 13， Frame; 14， Stainless steel adjustable feet.图1 整机示意图Fig.1 Schematic of whole machine

1，浸泡水箱；2，Z字型传输运送带；3，Z字型传输运送带第一部分；4，Z字型传输运送带第二部分；5，Z字型传输运送带第三部分；6，变频器；7，电机；8，漏水孔；9，承托板。1， Soaking water tank; 2， Z-shaped conveyor belt; 3， First part of Z-shaped conveyor belt; 4， Second part of Z-shaped conveyor belt; 5， Third part of Z-shaped conveyor belt; 6， Inverter; 7， Motor; 8， Leak hole; 9， Support plate.图2 浸泡装置Fig.2 Soaking machine

水箱采用厚度1.5 mm的不锈钢板加工而成，其尺寸为2 700 mm×1 200 mm×500 mm，可容纳1.62 t水。水箱外表面设置两个环形方管进行加固。水箱底部设置3°的倾角，在低端设置排水口，排水更加迅速。输送带设计为Z字形，分3个部分：第1部分在水面以下，用于浸泡水果；第2部分用于向上输送水果；第3部分与刷洗装置完成对接。输送带设置厚度为1 mm的矩形承托板，在承托板表面铺设橡胶垫，防止水果碰撞损伤，降低水果损伤率；输送带表面均匀分布圆形漏水孔，可增大与水果的摩擦力，带动水果向前运动，利于水的流出。输送带由电机驱动链轮传动，通过变频器控制电机转速，调节水果清洗时间。

2.2 喷淋装置

1，流水板；2，排水阀；3，储水箱；4，不锈钢过滤网盘；5，过滤器；6，水泵；7，喷嘴；8，水管；9，流量调节阀。1， Flow plate; 2， Drain valve; 3， Water storage tank; 4， Stainless steel filter screen; 5， Filter; 6， Water pump; 7， Nozzle; 8， Water pipe; 9， Flow control valve.图3 喷淋循环装置Fig.3 Spray circulation machine

喷淋装置包括水泵、过滤器、流量调节阀、水管、喷头、流水板、储水箱、排水阀和不锈钢过滤网盘等部件，如图3所示。工作时，储水箱注入一定水，水泵将储水箱中的水增压后经过滤器过滤注入上方水管，通过流量调节阀调节喷嘴的流量，最后水流经喷嘴射向水果表面，清洗水果的水流通过毛刷辊下方的流水板进入储水箱，流水板设置成斜梯型，有利于水流流动，流水板与储水箱之间设有不锈钢过滤网盘，用于水流过滤。此水循环设置两个水流过滤装置，使水流达到良好的净化效果并且实现水流的循环，节约水资源。

2.3 刷洗装置

2.3.1 毛刷辊材料

相对于PA610、PBT、PP等刷丝材料，PA1010材料在常温与低温下具有较好的冲击性能，表面硬度较大，耐疲劳强度高，比重轻，容易安装与搬运，并且无毒、耐菌与虫蛀、价格低，经济效果好，是理想的刷丝材料[13]。因此，刷洗装置毛刷辊材料选用PA1010。毛刷棍结构如图4所示。

2.3.2 毛刷辊尺寸

清洗机作业时，主要依靠毛刷辊与水果之间的摩擦进行刷洗，毛刷辊的尺寸极其重要。毛刷辊尺寸过小，则水果与毛刷辊接触面积小，致使水果自身难以翻转，从而影响清洗效果；毛刷辊尺寸过大，则水果易卡在两个毛刷辊中间难以向前运动，影响清洗效果。试验选用苹果平均直径在60～100 mm，综合考虑苹果尺寸及清洗效果，

图4 毛刷辊Fig.4 Brush roller

2.3.3 毛刷辊组数

水果的刷洗工作主要是利用毛刷辊与水果之间相对运动的摩擦进行，若清洗毛刷辊组数太少，达不到清洗的效果，若清洗毛刷辊组数太多，则会增加水果在毛刷辊上的运动行程，易增加水果表面的损伤率[14-15]。

根据前期预研结果，选用奇数排毛刷棍转速为70 r·min-1、偶数排毛刷辊转速90 r·min-1，对10、11、12、13、14组清洗毛刷辊作业时的洗净率与损伤率进行了分析。由图5可知，毛刷辊组数越多，水果洗净率越高，但损伤率也越高；当毛刷辊组数为12时，洗净率较好，损伤率较低，故确定清洗辊组数为12。

图5 毛刷辊组数的影响Fig.5 Determination of the number of brush roller groups

2.3.4 毛刷辊传动方式

清洗机采用毛刷辊差速原理清洗水果，其传动由两个驱动电机驱使奇、偶排链轮转动，传动系统如图6所示。

3 苹果力学特性分析

类球形脆皮水果在产后处理过程中存在磕碰与损伤问题，为解决这一问题，分析类球形脆皮水果的力学特性至关重要，可为低损伤清洗装置的设计提供理论依据。苹果作为类球形脆皮水果之一，其种植与产出在水果产业中占有十分重要的地位，本节以苹果为研究对象，对苹果在清洗过程中的运动进行分析。

对毛刷辊上的苹果进行受力分析，如图7所示。苹果主要受到两个毛刷辊的支持力N1、N2，与毛刷辊的摩擦力f1、f2与自身重力G(G=mg)的作用。其中：ω为毛刷辊的旋转方向，V是苹果运动的方向，O是苹果的质心位置，O1、O2是苹果与两个毛刷辊的接触点，θ1为支持力N1与水平方向的夹角，θ2为支持力N2与水平方向的夹角，α为重力G与支持力N2的夹角，β为支持力N1与支持力N2的夹角，O到O1的距离与O到O2的距离均为苹果半径R，以支持力N2方向为Y轴，以O为原点做垂直于Y轴的X轴。

1，奇数排毛刷辊驱动电机；2，偶数排毛刷辊驱动电机；3，双排链轮；4，机架；5，链条。1， Odd-numbered rows of brush roller drive motors; 2， Even-numbered rows of brush roller drive motors; 3， Double-row sprockets; 4， Racks; 5， Chains.图6 传动系统Fig.6 Transmission system

a，水果受力位置示意图；b，水果受力示意图。a， Schematic diagram of fruit stress; b， Fruit force.图7 水果运动受力分析图Fig.7 Fruit sports force analysis chart

由图7得：

f1=μN1；

(1)

f2=μN2。

(2)

式(1)、(2)中μ为苹果与毛刷辊之间的摩擦系数。

苹果在清洗的过程中，可以得到作用在苹果上所有力对接触点O2的合力矩为

∑MO2=N1Rsinβ-mgRsinα-f1(R-Rcosβ)。

(3)

将式(1)代入式(3)得

∑MO2=N1Rsinβ-mgRsinα-μN1(R-Rcosβ)。

(4)

苹果在此位置能够滚过毛刷辊的条件是：同时满足在O2处的合力矩大于零和在O2处切线方向的合力大于零，即：

∑MO2=N1R(sinβ+μcosβ)-mgRsinα-μN1R>0。

(5)

μN2+N1cos(90-β)-μN1sin(90-β)-mgsinR>0。

(6)

由上述分析可知，只有同时满足式(5)与式(6)时苹果才能顺利进入下一个毛刷辊，在清洗过程中，如果没有苹果之间的碰撞，苹果与两个毛刷辊的作用力N1与N2的夹角β基本不变，但苹果在运动过程中不仅会受到输送带上初始速度的影响，而且苹果之间的相互挤压与碰撞也很明显，所以苹果在毛刷辊上的运动情况极其复杂，输送带的初始速度、两个毛刷辊的转速是影响苹果受力的关键因素，也是影响苹果清洗的洗净率与损伤率的主要因素。

4 性能试验

为研究不同转速的毛刷辊对类球形脆皮水果的清洗效果，确定奇、偶排毛刷辊组的最优差速值，开展了清洗机单因素试验与正交试验研究。

4.1 试验材料

为研究类球形脆皮水果的清洗效果，以红富士苹果为试验材料。根据国家分级标准[16]，大型果与中小型果按照果实横径大小分为3个等级：一等品、二等品和小于二等品的等外果。因清洗机面对不同果径大小的水果应具有适应性，本试验选用横径为60、70、80、90、100 mm的红富士苹果进行试验。

4.2 试验评价指标

试验选取洗净率与损伤率为清洗效果的评价指标。目前水果行业并没有定量评价水果是否清洗干净的判断标准，洗净率只是一种定性的概念，故行业人士认为清洗后观察水果表面没有泥沙、虫卵、尘土等杂质即为清洗干净[17-19]。

洗净率的检测方法：对水果进行清洗，筛选清洗干净的水果与未清洗干净的水果并用高精度电子秤进行称量。洗净率计算公式为

(7)

式(7)中：X为洗净率，%；M1为清洗机作业后苹果的清洗后总质量，g；M2为清洗机作业后未清洗干净的苹果质量，g。

损伤率的检测方法：筛选清洗后未损伤的水果与损伤的水果并用高精度电子秤进行称量。损伤率计算公式为

(8)

式(8)中：Y为损伤率，%；N1为清洗机作业后表皮损伤的苹果质量，g；N2为清洗机作业后苹果的总质量，g。

研究表明，分别以洗净率与损伤率作为评价指标时，所得各因素显著性并不一致，需要综合考虑试验因素对两个评价指标的影响，采用综合加权平均法对其进行优化，综合加权平均值计算公式为

Z=[ε1X+ε2(1-Y)]×100。

(9)

式(9)中：Z为综合加权平均值(%)；ε1为洗净率的综合加权系数，取0.5；ε2为损伤率的综合加权系数，取0.5。

苹果清洗试验如图8所示。

图8 苹果清洗试验Fig.8 Test of washing apples

4.3 单因素试验

4.3.1 试验设计

以奇数排毛刷辊转速Va，偶数排毛刷辊转速Vb，浸泡时间T为影响因素，以洗净率、损伤率为评价指标，进行单因素试验。

1) 以奇数排毛刷辊转速Va为试验因素：偶数排毛刷辊转速Vb为60 r·min-1，顺时针方向转动；浸泡时间T为15 s，奇数排毛刷辊为顺时针方向转动，其转速Va依次选取40、60、80、100、120 r·min-1。

2) 以偶数排毛刷辊转速Vb为试验因素：奇数排毛刷辊转速Va为40 r·min-1，顺时针方向转动；浸泡时间T为15 s，偶数排毛刷辊为顺时针方向转动，其转速Vb依次选取40、60、80、100、120 r·min-1。

3) 浸泡时间T为试验因素：奇数排毛刷辊转速Va为40 r·min-1，偶数排毛刷辊转速Vb为60 r·min-1，均为顺时针方向转动，浸泡时间T依次选取5、10、15、20、25 s。

4.3.2 试验结果与分析

如图9-a所示，奇数排毛刷辊转速对苹果洗净率呈非线性关系，试验结果表明，当奇数排毛刷辊转速为40～80 r·min-1时，洗净率呈显著上升趋势，80～120 r·min-1时，洗净率呈下降趋势；奇数排毛刷辊转速与损伤率呈非线性关系，随着转速的增加，损伤率呈先下降后上升趋势；洗净率在毛刷辊转速80 r·min-1时达到最高；如图9-b中所示，当奇数排毛刷辊转速为80 r·min-1时，综合加权平均分值最高。综合洗净率、损伤率与综合权平均分值，正交试验中选取奇数排毛刷辊转速3个水平为60、80、100 r·min-1。

图9 奇数排毛刷辊转速对清洗效果的影响Fig.9 Effect of odd-numbered brush roller speed on cleaning performance

如图10-a所示，偶数排毛刷辊转速对苹果洗净率呈非线性关系，试验结果表明，当偶数排毛刷辊转速为40～100 r·min-1时，洗净率整体呈上升趋势，100～120 r·min-1时，洗净率整体呈下降趋势；偶数排毛刷辊转速与损伤率呈非线性关系，随着转速的增加，损伤率呈先下降后上升趋势，当转速在40～100 r·min-1，损伤率显著下降，100～120 r·min-1时，损伤率缓慢增加；洗净率在毛刷辊转速100 r·min-1时达到最高；如图10-b所示，当偶数排毛刷辊转速为100 r·min-1时，综合加权平均分值最高。综合洗净率、损伤率与综合加权平均分值，正交试验中选取偶数排毛刷辊转速3个水平为80、100、120 r·min-1。

图10 偶数排毛刷辊转速对清洗效果的影响Fig.10 Effect of even-numbered brush roller speed on cleaning performance

如图11-a所示，浸泡时间与苹果洗净率呈非线性关系，浸泡时间在5～20 s时，洗净率呈上升趋势，20～25 s，洗净率呈下降趋势；浸泡时间与损伤率近似呈线性关系，损伤率上下变动幅度不大；从图11-b看出，当浸泡时间为20 s时，综合加权平均分值最高。综合洗净率、损伤率与综合加权平均分值，正交试验中选取浸泡时间的3个水平分别为15、20、25 s。

图11 浸泡时间对清洗效果的影响Fig.11 Effect of soaking time on cleaning effect

4.4 正交试验

4.4.1 试验设计

根据单因素试验分析结果，选取奇数排毛刷辊转速Va，偶数排毛刷辊转速Vb，浸泡时间T为试验因素，每个因素设置3个水平，同时设置空白列，进行3因素3水平正交试验，使用L9(34)设计试验[20-21]。试验因素和水平如表1所示。

表1 试验因素与水平Table 1 Factors and levels of test

4.4.2 试验结果与分析

正交试验结果如表2所示。对综合加权平均值Z的极差分析结果如表3所示，对综合加权平均值Z的方差分析结果如表4所示。由表3可知，各因素影响顺序由大到小为Va>Vb>T，最优组合为Va2Vb2T3。由表4可知，因素Va、Vb、T对综合指标Z的影响均显著，其显著顺序由大到小为Va、Vb、T。由对综合指标Z的极差分析与方差分析结果可得，因素Va应选取第二水平，Vb应选取第二水平，因素T应选取第三水平。因此，清洗机的最优组合参数为Va2Vb2T3，即奇数排毛刷辊转速为80 r·min-1，偶数排毛刷辊转速为100 r·min-1，浸泡时间为25 s。