西瓜破碎分离机的设计与试验

2021-12-28常兵兵吴劲锋徐彦瑞李晓伟毛雪杰

农业装备与车辆工程 2021年12期

常兵兵，吴劲锋，徐彦瑞，李晓伟，毛雪杰

（730070 甘肃省兰州市甘肃农业大学机电工程学院）

0 引言

西瓜是由国外传入中国的的一种水果，在国内经过不断改良以后被广泛种植。西瓜瓜瓤的含水量达到94%，碳水化合物的含量仅为4%，膳食纤维的含量为0.3%，含有大量的维生素及营养物质[1-2]。西瓜是一种季节性非常强的水果，所以西瓜大多仅仅以比较单一的原果形式进行销售，鲜榨西瓜汁虽然深受大众的喜爱，但是工业化生产并未实现。

国内外目前对于西瓜破碎方面的研究较少。其中，张志强[3]等设计的籽瓜破碎取籽分离机，较好地实现了籽瓜的破碎取籽，能够高效实现皮瓤籽的分离；由谭磊[4]等设计的油棕果壳破碎分离机解决了油棕果壳破壳不完全和壳仁分离不彻底的问题。目前市场上存在的西瓜汁类的产品仅限于鲜榨西瓜汁，为了实现西瓜的深加工，课题组设计了一道西瓜汁加工生产线，可以实现西瓜汁的产业化发展，西瓜的破碎分离为生产线的首要环节。本文设计的西瓜破碎分离机实现了西瓜的破碎分离。

1 西瓜破碎分离机的设计

西瓜破碎分离机主要用于西瓜汁的深加工生产线上，其主要作用是完成西瓜整瓜的初步破碎分离，以及在完成西瓜的破碎分离以后，对西瓜瓜瓤进行进一步的打浆处理和固液分离，然后进行灌装和杀菌。西瓜的破碎分离为生产线的首要环节。西瓜汁生产线的流程如图1 所示。

图1 西瓜汁生产线流程图Fig.1 Flow chart of watermelon juice production line

1.1 整机的结构

西瓜破碎分离机的整体设计主要由3 部分组成：（1）破碎辊和挤压辊，实现整瓜的破碎；（2）皮瓤分离机构，实现瓜皮和瓜瓤分离；（3）籽瓤分离机构，实现瓜瓤和瓜籽的分离。西瓜破碎分离机结构如图2 所示。

图2 西瓜破碎分离机的二维图Fig.2 Two-dimensional diagram of watermelon crushing separator

1.2 工作原理

首先由喂料口喂入清洗干净的完整西瓜，破碎辊和挤压辊对西瓜进行破碎和挤压，使瓜皮和瓜瓤变成较小的块茎以后进入到皮瓤分离装置中，在皮瓤分离辊的作用下，西瓜块茎受到皮瓤分离辊的挤压力和摩擦力，使瓜皮和瓜瓤分离，瓜皮通过瓜皮出料口排出机外，果瓤和瓜籽通过皮瓤分离筛网后进入到籽瓤分离装置，瓜籽和瓜瓤受到籽瓤分离辊的挤压力，实现了瓜瓤和瓜籽的分离，而未能通过筛网的瓜籽经瓜籽出料口排出机外，通过筛网的瓜瓤经瓜瓤出料口排出机外，实现了西瓜皮瓤籽的分离[5]。

1.3 关键部件的设计

1.3.1 破碎刀辊的设计

西瓜瓜籽外形尺寸较小，在完成西瓜的破碎分离后，利用价值不大，因此在分离过程中不考虑瓜籽的损失和损伤程度，故将破碎刀辊设计成三棱柱形状，既可以完成西瓜的破碎，又可以提高籽瓜的破碎效率[6]。破碎刀辊的形状如图3 所示。破碎刀辊整体形状为三棱柱形，破碎刀辊的动力由电机驱动。在不同的3 个平面内均匀地分配有5 个刀辊，角度较小的棱为破碎刀辊的主要切割刀刃，角度为45°。三棱柱形破碎刀辊的设计，增加了刀辊与西瓜之间的接触面积，使西瓜在破碎过程中受到破碎刀辊切削力、剪切力、摩擦力的混合作用力，以提高西瓜的破碎效率[7]。

图3 破碎刀辊三维图Fig.3 Three-dimensional diagram of crushing knife roller

1.3.2 皮瓤分离筛网的设计

皮瓤分离筛网实现了西瓜瓜皮和瓜瓤的分离，皮瓤分离筛网的设计主要根据西瓜完成破碎以后瓜皮颗粒的大小程度而定。在完成整瓜的破碎以后，皮瓤分离辊对瓜皮和瓜瓤进行挤压，由于瓜皮的硬度大于瓜瓤的硬度，因此瓜瓤在皮瓤分离辊的挤压作用下和瓜皮分离并进入到籽瓤分离装置中。皮瓤分离筛网的结构如图4 所示。筛网的网孔直径为12 mm，可以保证瓜瓤能够顺利通过皮瓤分离筛网且阻挡瓜皮通过筛网。

图4 皮瓤分离筛网结构图Fig.4 Structure diagram of skin and pulp separation screen

1.3.3 籽瓤分离筛网的设计

在制备西瓜汁的过程中，西瓜在进行破碎分离以后，还需要对瓜瓤进行一系列的打浆分离，西瓜籽的影响几乎可以忽略不计，故籽瓤分离筛网的设计应遵循瓜瓤损失率最小为原则。籽瓤分离筛网的网孔过小虽然有利于提高瓜籽的分离效率，但是瓜瓤的损失率也增高了；筛网的网孔过大会导致在籽瓤分离过程中瓜籽的分离效率降低。筛网的网孔大小根据西瓜瓜籽的平均大小来设定，西瓜瓜籽的平均大小为4 mm×6 mm，因此籽瓤分离筛网的网孔直径为4 mm。籽瓤分离筛网如图5 所示。

图5 籽瓤分离筛网结构图Fig.5 Structure of seed and pulp separation screen

2 西瓜破碎分离的试验研究

2.1 试验材料与设备

试验在甘肃农业大学机电工程学院521 实验室进行，此次试验采用自主研发的西瓜破碎分离机进行其性能测试。测量仪器设备主要有上海速展机电有限公司的TCS-01 型电子秤（测量范围0～300 kg，精度0.01 kg），上海瑶新电子科技有限公司的LQ-C5001 型电子天平（最大量程3 000 g，精度0.1 g），上海工具厂有限公司的MNT-150T 型电子数显游标卡尺（测量范围0～300 mm，误差±0.03 mm）。将新鲜的西瓜清洗干净后进行称重分组，双道打浆机为自主研发设计的样机，试验材料为陕西省的“甜王瓜”。西瓜各组分的含量见表1[8]。

表1 西瓜的组成成分Tab.1 Composition of watermelon

2.2 试验目的

为了实现西瓜皮瓤籽的完全分离，以破碎辊转速、皮瓤分离辊转速、籽瓤分离辊转速分别为单因素试验，研究各因素对皮中含瓤率、籽中含瓤率和西瓜汁的浓度的影响效果，通过试验来测定最适宜的工作参数[9]。

2.3 试验指标

在实际生产中，西瓜籽的利用价值不大，不再考虑西瓜籽的损毁程度，以瓜皮中所含瓜瓤的量和瓜籽中所含瓜瓤的量来作为试验的两个指标，进行单因素试验[10-12]。

（1）皮中含瓤率的测定

皮中含瓤率表示瓜皮出料口中瓜瓤含量所占整体物料含量的比值[13]。

式中：T1——皮中含瓤率，%；N1——瓜皮出料口中瓜瓤的质量，kg；N——瓜皮出料口物料的总质量，kg。

（2）籽中含瓤率的测定

籽中含瓤率表示瓜籽出口中瓜瓤含量所占整体物料含量的比值。

式中：T2——籽中含瓤率，%；M1——瓜籽出料口中瓜瓤的质量，kg；M——瓜籽出料口物料的总质量，kg。

2.4 试验方案

试验时，先将西瓜分成等质量的份数，待机器运转稳定以后，将西瓜在1 min 内匀速投放进喂料口，在瓜皮出料口和瓜籽出料口停止出料以后关闭机器电源。瓜皮分离实验中以破碎辊转速和皮瓤分离辊转速为单因素试验，以皮中含瓤率为试验指标，对西瓜皮瓤分离效果进行研究，试验因素见表2[14-15]。

表2 皮瓤分离效果试验水平Tab.2 Test level of separation effect of skin and pulp

瓜籽分离试验中以破碎辊转速、皮瓤分离辊转速和籽瓤分离辊转速为单因素试验，以籽中含瓤率为试验指标，对西瓜的籽瓤分离效果进行研究，试验因素见表3。

表3 籽瓤分离效果试验水平Tab.3 Test level of seed and pulp separation effect

2.5 试验结果与分析

2.5.1 破碎辊转速对西瓜破碎分离的影响

以破碎辊转速为单因素试验，研究破碎辊转速对西瓜破碎分离效果的影响，如图6 所示。由图6 可知，当破碎辊转速为180 r/min 时，皮中含瓤率为12%，籽中含瓤率为16%，即可达到最佳分离效果。当破碎辊的转速过大时，由于破碎辊电机相对地面的高度差比较大，机器震动幅度也随之变大，整机的稳定性也随之变差。