一种鲜莲蓬剥粒机的研究设计

陈 慧，罗细芽，周 鹏，徐桃珍

（江西省农业技术推广中心，南昌 330000）

0 引言

莲蓬，又称莲房，埋藏莲花雌蕊的倒圆锥状海绵质花托，表面分布有多数散生蜂窝状孔洞，受精后逐渐膨大而称之为莲蓬。每个孔洞内生有1 枚小坚果即为莲子，莲子中间长有1 根莲芯，果熟期为9～10月［1］。莲子富含淀粉、蛋白质及棉子糖等，不仅可制作许多美味佳肴、精美食品，还可作为药物在中医上应用［2］。随着食品和药品行业的发展，莲子需求量与日剧增，带动了莲子产业的发展。2018年我国莲子的种植面积约920 万亩，同比2017年835 万亩增长了10.2%［3］。

当天采摘的鲜莲蓬必须当天剥蓬、去皮、通芯、烘干，否则在自然条件下莲子易出现褐变、衰老等品质劣变问题［4］。而剥莲蓬一直是采用传统纯手工完成，效率非常低，难以满足莲子初加工的规模化、产业化发展。

近年来，有学者针对剥莲蓬机械装置进行了研究，赖明全［5］发明了一种新鲜莲蓬脱粒机，采用弹簧钢丝结构来破碎莲蓬。张礼欢［6］发明了一种莲蓬脱粒机，采用叶片交错分布的柔性结构对莲蓬进行破碎。黄小从［7］发明了电动莲蓬快速脱粒机，采用若干十字交错的撕料棒来打碎莲蓬。但以上机械尚存在一些不足：粗硬的弹簧钢丝在高速运动中容易打伤莲肉，有的莲子表面会被击烂，效果不甚理想；叶片柔性结构和十字撕料棒结构在实际使用中，剥出的莲子很多还会被莲蓬里面的果膜包裹住，不能充分实现莲子与莲蓬的分离，需要人工二次参与，且十字撕料棒也会对部分莲子造成较大损伤。

为此，本文在前人研究设计基础上，为避免莲蓬剥粒过程中易损伤莲子问题，设计一套初级破碎机构［8-9］，利用柔性装置的定动挤压轴实现莲蓬的破碎［10］，而不伤及莲子；针对初级破碎机构中莲蓬剥粒不干净问题，设计一套二级研磨机构，利用柔性研磨装置，实现莲子的剥粒干净；最后设计一套振动分级清选机构，利用振动分级，实现干净莲子的清选分离，完成鲜莲蓬的机械化剥粒工作。

1 鲜莲蓬剥粒机的设计

鲜莲蓬剥粒机由初级破碎机构、二级研磨机构、机架、振动分级清选机构和动力系统等部分组成，如图1所示。

图1 鲜莲蓬剥粒机Fig.1 Fresh lotus seed peeler

1.1 初级破碎机构

设计采用广昌的鲜莲蓬做试制原料，带壳鲜莲子呈椭圆形，比较鲜嫩，容易碰伤，直径约14～21 mm，长度约22～24 mm，被一层较韧性的薄果膜包裹，鲜莲子这些特点给机械剥粒造成很大的技术难度。经过研究分析，设计出初级破碎机构完成鲜莲蓬挤压破碎，又不伤及莲子，为后期清理工作提供重要保障。如图2所示。

图2 初级破碎机构Fig.2 Primary crushing mechanism

1.1.1 结构设计

机构主要由外壳体、定盘体、传动轴和动盘体等4 部分组成。定盘体主要由φ400 mm 的定盘及3 圈带有软套的定挤压轴构成，如图3所示。

图3 定盘体结构Fig.3 Fixed disk structure

距离中心63 mm 处，第1 圈装有1 根定挤压轴；间隔52 mm 处，第2 圈装有8 根定挤压轴，再间隔52 mm 处，第3 圈装有8 根定挤压轴。定挤压轴共17 根，用φ8 mm 的圆钢制作，长度225 mm，每根定挤压轴均套有塑料软管，防止损伤莲子。动盘体也是由φ400 mm 的定盘及3 圈带有软套的动挤压轴构成，如图4所示。

图4 动盘体结构Fig.4 Moving disk structure

距离中心89 mm 处，第1 圈装有2 根动挤压轴；间隔52 mm 处，第2 圈装有12 根动挤压轴；再间隔52 mm处，第3圈位置装有24根动挤压轴。动挤压轴共38 根，用φ8 mm 的圆钢制作，长度225 mm，每根动挤压轴均套有塑料软管，防止损伤莲子。

1.1.2 工作原理

鲜莲蓬从进料口投入到定盘体内圈，动力传输部件带动传动轴转动，传动轴带动动盘体转动，定盘体不动。动盘体上的动挤压轴和定盘体上的定挤压轴产生相对运动，挤压、揉搓鲜莲蓬，把莲蓬撕裂开后向外圈运动。通过几轮挤压、揉搓后，破碎的鲜莲蓬与莲子初步分开并从出料口溜出。

1.2 二级研磨机构

鲜莲蓬经初级破碎机构后，莲子大部分都已和莲蓬脱离，但还有少部分莲子上粘附着果膜或莲蓬，因此设计一套二级研磨机构，使不干净莲子上的果膜或莲蓬研磨干净。

1.2.1 结构设计

机构主要由一级钢丝刷辊、二级钢丝刷辊、三级钢丝刷辊、厚橡胶板、安装铰链、安装轴承、传动链条和传动皮带等组成，如图5所示。

图5 二级研磨机构Fig.5 Secondary grinding mechanism

3 个钢丝刷辊直径均为180 mm，长440 mm，钢丝长度40 mm，选用φ0.6 mm 的304 不锈钢丝。选用厚度8～10 mm 的表面带菱形花纹的厚橡胶板。3 个钢丝刷辊通过传动附件带动，与厚橡胶板形成一个研磨通道。通过大量的试验，确定研磨通道的间隙为17 mm，此时莲子的损伤率最低。

1.3 振动分级清选机构

鲜莲蓬经初级破碎、二级研磨后，莲子与莲蓬已经完全剥离，从二级研磨机构出来的是大的碎莲蓬、干净的莲子和小的碎莲蓬3 种物质的混合物。在试验中发现碎莲蓬很容易粘连，而莲子又太容易滚动，根据这2 种物料的特性，设计振动分级清选机构，使干净的莲子能有效地从混合物中分离出来。

1.3.1 结构设计

机构主要由清扫装置、振动筛框组合、减震弹簧、振动电机、振动筛框固定支架、清扫装置固定轴承座和清扫装置传动链轮等组成，如图6所示。

图6 振动分级清选机构Fig.6 Vibration grading cleaning mechanism

1.3.2 工作原理

振动分级清选机构倾斜14°左右，安装在莲蓬剥粒机的机架上。其工作原理：从二级研磨机构出来的碎莲蓬、干净莲子等混合物落入振动分级清选机构内的振动筛框第1 层；清扫装置在传动附件的带动下按箭头方向转动，干净莲子及小莲蓬碎屑被转动的清扫装置内的硅胶片阻挡落入第2 层筛框；大莲蓬碎屑在第1 层被清扫装置清扫出后落入地面。干净莲子及小莲蓬碎屑在第2 层筛框中在振动电机的振动下实现二次分离，干净莲子从第2 层筛框的出口溜出；小莲蓬碎屑在振动电机振动下溜至第3 层托板后落入地面。

2 鲜莲蓬剥粒机试验

为考核设计的鲜莲蓬剥粒机的性能指标，采用鲜莲蓬进行性能试验，试验样机如图7所示。

图7 鲜莲蓬剥粒机样机Fig.7 Prototype of fresh lotus seed peeler

2.1 试验方法

准备好电子磅秤、天平和秒表等所需仪器，试验样机空运转10 min 后，进行试剥试验，时间不超过10 min。试剥结束后，把试剥产生物清理干净后开始正式试验，试验用鲜莲蓬原料不少于200 kg，试验过程中，样机应正常作业，剥粒工作不允许间断［11］。进行5 次试验，每次试验时间12 min，在出料口收集样品，分别测出出料口合格莲子重、损伤莲子重、未剥干净的莲子重、含莲子的莲蓬渣混合物总重、莲蓬渣中含莲子重，然后取其平均值，再由式（1）-（4）分别计算出剥蓬率、损伤率、莲蓬中含莲子率、生产率。

式中 W1——合格莲子重，kg；

W2——损伤莲子重，kg；

W3——未剥干净的莲子重，kg；

W4——含莲子的莲蓬渣混合物总重，kg；

W5——莲蓬渣中含莲子重，kg；

T——试验时间，h；

C——剥蓬率，%；

P——损伤率，%；

X——莲蓬中含莲子率，%；

E——生产率，kg/h。

2.2 试验结果

5 次样机试验数据见表1，取平均值。由式（1）-（4）分别计算出剥蓬率C=99.27%，损伤率P=2.21%，莲蓬中含莲子率X=1.43%，生产率E=36.26 kg/h。结果表明：该机作业性能稳定，符合设计要求，能够满足鲜莲蓬机械化作业。

表1 五次试验数据表Fig.1 Data sheet of the five tests （单位：kg）

3 结语

研究分析莲子产业发展现状，为解决人工剥蓬效率低，实现莲子剥蓬机械化加工，促进莲子初加工产业化、规模化发展，设计一种鲜莲蓬剥粒机。在前人研究的基础上，针对机械化剥蓬易出现损伤莲子及剥蓬不干净等问题，设计初级破碎机构和二级研磨机构，利用初级破碎机构在不损伤莲子的情况下实现莲蓬的破碎；然后对部分没有破碎的莲子果膜和莲蓬粘连的莲子进行二级研磨，实现鲜莲蓬的剥粒；最后经过振动分级清选机构将干净的莲子清选分离出来。并对初级破碎机构、二级研磨机构和振动分级清选机构从设计思路、结构设计和工作原理3 个方面进行详细叙述。通过样机试验，证明该机作业性能稳定，能够满足鲜莲蓬剥粒的机械化作业。