龙眼去核关键部件设计与试验

卿艳梅 李长友

(华南农业大学工程学院，广东 广州 510642)

中国龙眼产量大，约占全球50%以上[1]。龙眼成熟于高温潮湿季节，鲜果水分含量高、不易贮存且加工适期短，而其深加工产品有很高的经济价值[1-3]，及时完成产后加工，对其产业和区域经济发展至关重要。龙眼剥壳去核是其深加工的重要前工序，龙眼果酒、果汁等对果肉完整性要求不高，剥壳后采用刮板打浆筛分去核[4-5]；而龙眼罐头、干果等要求去核后果肉为灯笼状。龙眼果肉柔软多汁，获取灯笼状果肉是其机械去核的难点[6-7]。

前人已对水果的去核加工技术进行了大量研究，如对单核果，红枣的枣核大多呈梭状，红枣去核采用空心圆筒刀具插核再顶核全自动化去除果核[8-9]，杏果采用人工竖向摆放且用十字爪形刀头冲核[10]及荔枝用柔性去核刀具切除果蒂组织抓取出果核[11]。近年就龙眼去核装置及关键技术研究取得了很多研究成果[12-16]，但专利及装置因可靠性、对物料的适应性及加工果品质量等问题使得产业化应用困难。目前龙眼灯笼状果肉大多仍依靠手工去核，不符合食品卫生及不适应工业化生产[17]。为获取龙眼灯笼状果肉，剥壳后一般采用顶杆冲核，试验拟对顶杆直径、顶杆速度和橡胶垫圈孔径各因素对去核性能的影响进行研究，以期为龙眼机械去核获取灯笼状果肉提供设计依据。

1 龙眼去核工作原理和关键部件结构参数

1.1 龙眼去核工作原理

龙眼为单核果，果核近球形位于整果中心，果核材质较脆且个体大小差异显著。果壳、肉和核三者之间通过蒂部海绵状组织连接，其他部位均为光滑表面且无粘连，剥壳后果肉外有一层光滑韧性薄膜，对果肉有一定保护作用。

如图1所示为去核原理图，顶杆作上下往复运动且与承料孔精确定位，剥壳后的龙眼果置于去核孔架上，去核孔架上安装了柔性定位橡胶垫圈，垫圈孔边缘相对于柔软龙眼果肉则如柔性圆形刀具，在顶杆向下运动压至龙眼果且果核未被顶出前，橡胶垫圈孔边先把接触处龙眼下方一小块果肉切离，顶杆向下运动的冲力将龙眼核顶出，果核从去核孔往下掉落，随重力下落到收集器，完成去核工序。

1.万能试验机 2.拉力传感器 3.调速器 4.去核顶杆 5.橡胶垫圈 6.去核孔架 7.已剥壳龙眼 8.螺钉 9.去核口图1 龙眼去核原理图Figure 1 The principle of longan core removal

1.2 去核过程中的受力分析

1.2.1 果核的受力分析 图2为龙眼去核中果核的受力图，要使果核顺利被顶出，则要满足

Ft≥f+N+Fjsinβ，

(1)

式中：

Ft——顶杆去核力，N；

f——摩擦力，N；

N——果肉垂直方向包裹力，N；

Fj——核与果肉蒂部结合力，N；

β——蒂部与垂直方向的夹角，°。

顶杆去核力Ft由试验台测出，与顶杆速度有关，过小冲击力不能顶出核或使果蒂拖曳果肉而增加果肉损失；过大的去核力易使果核捅裂、捅碎而不能顺利去核，破碎及残留果核也让果肉品质变差，如图3所示。龙眼果肉与果核的摩擦力f较小，因果肉与果核接触面是光滑无粘连(除蒂部外)；果肉包裹力N与果肉厚度有关，果肉包裹力N和蒂部结合力Fj可依据文献[18]。

1.顶杆 2.果蒂 3.果肉 4.果核 5.孔架 6.去核孔图2 龙眼去核过程中果核的受力Figure 2 Force analysis of kernel in coreing process

图3 龙眼去核后果核图Figure 3 Kernels chart after stoning

1.2.2 果肉的受力分析 果肉受力如图4所示，果肉受果核和顶杆挤压力Ft'、橡胶垫圈支撑反力Nd1和Nd2、摩擦力f'及蒂部组织对果肉拉力Fj'。挤压力和蒂部组织对果肉的拉力太大，使橡胶垫圈的支撑反力增大，对果肉的完整性不利。去核中的果肉损伤主要有挤压损伤和撕裂损伤，包括顶杆切入对果肉的挤压、果核和去核孔对果肉的损伤以及果核与果肉连接的蒂部组织对果肉的撕裂等。顶杆直径和果核越大，去核时对果肉的挤压损伤越大。顶杆去核力远大于果肉抗压力时，顶核时果肉下端会被弹性橡胶垫切去一小块而造成果肉的损失。

图4 龙眼去核过程中果肉受力Figure 4 Force analysis of longan pulp

当去核力与果肉、果核蒂部组织接合力相比不是足够大，去核时因果核的结蒂组织拖拽果肉，果肉在撕裂力的作用下破损，果核蒂部粘连果肉致果肉损伤和损失。图5为预备试验去核后果肉图。

图5 龙眼去核后果肉图Figure 5 Pulps chart after stoning

通过上述分析可知，要保证龙眼果核顺利被顶出又不破碎，减少果汁果肉损失和保持果肉的完整性，去核关键部件应满足以下要求：① 顶杆要有合适的向下冲击力和直径；② 弹性橡胶垫圈要有合适的去核孔径和足够的柔性；③ 尽可能降低各构件作用于果肉的力。

1.3 去核关键部件结构参数

1.3.1 顶杆 龙眼果核平均直径约为外径的50%，为减小果肉损失，顶杆直径不能按果核最大外径来设计，顶杆直径越小对果肉的挤压损伤越小，但去核预备试验中发现，顶杆直径在4 mm以下时出现难脱核、碎核现象，见图3(b)。

根据预备试验和龙眼物性，设计7根直径为4，5，6，7，8，9，10 mm的顶杆，其长度均为40 mm，去核杆径<7 mm的顶杆，其头部长度均为10 mm、直径为8 mm以方便夹持；其他为直杆，顶杆都采用圆柱状平底面，材质为不锈钢，如图6所示。

图6 不同直径的顶杆Figure 6 Ejector rod of different diameter

1.3.2 柔性橡胶垫圈和孔架 顶杆作用力通过试验台自带软件生成力学曲线，顶杆向下运动推挤到果核，去核力快速上升并达峰值，迫使果核向下运动，一旦果核与蒂部果肉分离下移时，去核力迅速下降。在预去核试验中，柔性橡胶垫圈孔径为12 mm或更小时，其去核力增加，可知当核大而去核孔径过小其冲核阻力增大。

橡胶垫圈有弹性，橡胶垫圈孔直径比龙眼核略小时依然能成功去核。橡胶垫圈孔径越大，去核时切除的小块肉质量也越大，损失率增加(未考虑小块果肉回收)；当果核大而去核孔径过小会增大去核力，过大去核力易使果核被挤裂或捅碎。

根据前期预备试验和果核物性，设计了橡胶垫圈孔径为15.0，14.0，13.0，12.2 mm，孔架孔径为16 mm，橡胶垫圈为食品级PP弹性材质，加工好后用螺钉固定在不锈钢金属孔架上，见图1。

2 龙眼去核试验

2.1 试验材料

广东“储良”龙眼鲜果，个体形态及成熟度良好，果实大小先分级，手动剥壳后完整带核果肉，整果质量约在9.5～16.5 g，果核直径约在11～16 mm。

2.2 试验设备

以济南试验机厂生产的WD-E精密型微控电子式万能试验机为作业平台，传感器量程为0～20 kN，精度为0.1 N。在垂直升降上压板中固定去核顶杆，静止下压板上安装带有橡胶垫圈的孔架作为试验平台，以及日本A&D公司生产的HF-300/d型上皿式精密电子天平、游标卡尺和计算机数据采集系统。

2.3 评价指标

2.3.1 去核成功率 按式(2)计算。

(2)

式中：

S——去核成功率，%；

n1——去核成功的龙眼数，个；

n——试样龙眼总数，个。

2.3.2 去核损失率 按式(3)计算。

(3)

式中：

η——去核损失率，%；

m1——去核中损失的果肉和果汁质量，g；

m2——剥壳后整果质量，g。

2.3.3 果肉完整性 参照文献[5]。

2.4 龙眼去核单因素试验

以顶杆直径、顶杆速度、橡胶垫圈去核孔径为试验因素进行单因素去核试验，记录龙眼去核前的质量、去核后果肉质量和果核质量,每组试验选取20个试样，重复5次取平均值。

(1) 顶杆直径：取顶杆直径4，5，6，7，8，9，10 mm共7个水平，顶杆速度500 mm/min，橡胶垫圈去核孔直径为15 mm。

(2) 顶杆速度：取顶杆速度180，360，500 mm/min共3个水平，顶杆直径为10 mm，橡胶垫圈去核孔直径为15 mm。

(3) 橡胶垫去核孔径：取橡胶垫圈孔径15.0，14.0，13.0，12.2 mm共4个水平，顶杆速度500 mm/min，顶杆直径10 mm。

2.5 龙眼去核正交试验

为进一步探究各因素对去核性能影响的显著性以及影响的主次关系，在单因素试验基础上，开展正交试验。取顶杆直径、橡胶垫圈孔径和顶杆速度3个试验因素和去核较好的3个水平进行正交试验，如表1所示。每组试验选取100个试样，重复3次取平均值。选取L9(34)正交表安排试验。试验时选择大小相差不大的龙眼果实手动将其果壳剥离用做去核试样，每组去核试验后，分别测出取样总质量，包括完整剥壳后整果质量、去核果肉质量、果核质量等数据，记录并计算去核成功率、损失率和果肉完整性。

表1 龙眼去核正交试验因素水平表Table 1 Factor level of longan stoning orthogonal experimental

2.6 试验结果与分析

2.6.1 单因素试验结果 不同顶杆直径的去核试验结果如图7所示。顶杆直径>6 mm其去核率为99%以上，试验中发现，顶杆直径为4 mm出现难脱核或核捅碎现象，使部分碎核残留果肉中，故顶杆直径不宜太小。顶杆直径为7 mm时损失率较小。顶杆直径为7 mm去核后果肉完整性较好，直径为10 mm时果肉完整性稍差，说明大直径顶杆对果肉的挤压力大而影响果肉完整性。

图7 不同顶杆直径去核试验结果Figure 7 Results of stoning by different diameter ejector rod

不同顶杆速度的去核试验结果如图8所示。在试验速度内，果肉完整性在0.95以上，说明顶杆速度在0～500 mm/min对果肉的冲击小。后期试验可在更高的速度下进行，考虑现有低速去核试验各项指标较好，在低速完成去核，而空行程退回采用较高速度快速复位，并将顶杆定在较短行程约40 mm，以提高去核效率。顶杆速度低至180 mm/min，损失率高的原因是顶杆去核力小，果蒂组织拖曳果肉所致。

图8 不同顶杆速度去核试验结果Figure 8 Results of stoning by different speed ejector rod

不同橡胶垫圈孔径的去核试验结果如图9所示。橡胶垫圈孔径对去核后果肉完整性影响小，其去核后果肉完整性达0.95以上。当橡胶垫圈孔径为12.2 mm，因孔径小而果核不能顺利通过或被挤碎，使其去核成功率低。龙眼去核损失率随橡胶垫圈孔径的增大而增大，因果肉与垫圈孔径相接触而果肉被切掉小块，可回收切下的小块果肉以减小损失率。

图9 不同橡胶垫圈孔径去核试验结果Figure 9 Results of stoning by different rubber washer aperture

2.6.2 正交试验结果

由表2可知，影响去核成功率的因素顺序为顶杆直径、橡胶垫圈孔径>顶杆速度；影响损失率因素顺序为橡胶垫圈孔径>顶杆直径>顶杆速度；影响果肉完整性的因素顺序为橡胶垫圈孔径、顶杆速度>顶杆直径，顶杆直径在7～8 mm对果肉完整性影响小。

表2 龙眼去核正交试验结果及极差分析Table 2 Orthogonal test results of longan stoning and range analysis

由表3可知，橡胶垫圈孔径对去核成功率的影响显著，顶杆直径和顶杆速度表现为不显著。橡胶垫圈孔径对去核损失率的影响极显著，顶杆直径对去核损失率的影响显著，顶杆速度表现为不显著。

表3 龙眼去核试验结果的方差分析†Table 3 Variance analysis of longan stoning test results

橡胶垫圈孔径对果肉损失率的影响极显著，主要原因是橡胶垫圈孔会将果肉下部切去一小块肉，随果核一起通过去核孔掉落，要避免果肉下端被橡胶垫切去一小块，可采取更加柔软的橡胶垫，以使顶杆作用力主要由果核来承受，而果肉受到的挤压则由果肉和橡胶的足够弹性变形来共同分担，以减小果肉的损伤。后续进一步试验，可设计定向输送机构，以期获取龙眼蒂部位于最下部即去核孔上，这样橡胶垫圈切去一小块果肉的大部分是果蒂组织，减少了果肉和果蒂组织的结合力从而使所需去核力小，且可减少去核时果蒂组织拖拽果肉，可降低损失率。

从上述对各评价指标的分析可知，影响去核性能的因素顺序依次为B、A、C。对去核成功率其三因素的优方案是A3B3C1或A3B3C2，对去核损失率其优方案是A1B1C1，对果肉完整性其优方案是A1B3C1。分析得出去核综合性能最好的试验方案为A1B3C1，即顶杆直径为7 mm，橡胶垫圈孔径为14 mm，顶杆速度为400 mm/min。

3 结论

影响龙眼去核成功率的主要因素为顶杆直径、橡胶垫圈孔径，顶杆直径较小为4 mm时出现难以脱核或是核被捅碎现象，橡胶垫圈孔径较小为12 mm时去核成功率较低。影响损失率的因素顺序为橡胶垫圈孔径>顶杆直径>顶杆速度，损失率随橡胶垫圈孔径的增大而增大。

柔性果龙眼采用顶核式和橡胶垫圈柔性定位以机械去核获取灯笼状果肉是可行性的。

后续可研究去核前设计定向输送机构，使龙眼蒂部刚好位于去核孔位置，这样因橡胶垫圈切去的一小块果肉大部分是果蒂组织，以减少果肉损失及果蒂组织拖拽果肉。