辣椒切片机设计与试验

袁小伟 蒋志琴 杨双平 吕慧捷 道尔吉才仁

摘要：针对新疆地区辣椒烘干时间长、人工切片效率低、工作量大等问题，设计一种辣椒切片机。通过理论分析与参数计算确定辣椒切片机的关键部件结构和工作参数，运用性能试验，选取影响辣椒切片机工作性能的切割圆盘转速、输送带线速度和切割圆盘高度为试验因素，以切片完整度为试验指标，进行二次旋转正交组合试验，建立试验指标与影响因素回归模型，确定辣椒切片机最优作业参数组合为切割圆盘转速118 r/min，输送带线速度0.5 m/s，切割圆盘高度10 mm。通过试验验证，在该最优参数组合下，切片完整度为97.85%，与模型预测结果基本一致，相较人工切片效率提高344%，可满足新疆地区辣椒切片作业要求。

关键词：辣椒；切片；干燥；压片设计；圆盘切割；响应面分析

中图分类号：S223.2

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 03-0082-07

Abstract： Aiming at the problems of long drying time， low manual slicing efficiency， and heavy workload in Xinjiang area， a pepper slicer was designed. The key structure and working parameters of the pepper slicer was determined through theoretical analysis and parameter calculation. Through the performance test， the speed and the height of cutting disc and the linear speed of conveyor belt were selected as independent variables. The structural integrity of slices of chilli was used as the test index. The secondary rotation orthogonal combination test was carried out. A regression model of test index and influencing factors was established. The model showed that the optimal operating parameters of the pepper slicer were as follows： cutting disc speed 118 r/min， conveyor belt linear speed 0.5 m/s， cutting disc height 10 mm. Through experimental verification， under the optimal parameter combination， the slice integrity was 97.85%， which was basically consistent with the model prediction result. Compared with manual slicing， the efficiency is improved by 344%， which meets the requirements of pepper slicing operations in Xinjiang. This research can provide reference for the design of pepper slicer.

Keywords： pepper; slicing; drying; tablet pressing design; disc cutting; response surface analysis

0引言

辣椒是一種深受广大消费者喜爱的调味食品，可在美食中提供诱人的色泽和辛辣刺激的口感［12］。截止2021年，辣椒种植面积占蔬菜种植总面积的12%以上［3］，稳居蔬菜行业前列。但由于新鲜辣椒含水量高，货期短，不耐储藏，收获后若不及时处理，极易受到微生物的侵染而腐烂变质。脱水干燥作为新采收辣椒的主要加工方式［46］，是延长辣椒货架期的重要途径。干燥辣椒不仅可以用作调味剂，还可用来提取辣椒色素用作工业原料，应用广泛［67］。

现有的辣椒干燥技术主要有自然干燥、热风干燥、真空干燥、气体射流冲击干燥、冷冻干燥以及多种方式联合干燥等［810］。自然干燥方式采用自然阴干方式，耗时较长；其余均为人工辅助干燥方式，人工辅助进行干燥在一定程度上提高了辣椒干燥的效率，但辣椒本身呈封闭立体，在干燥时，内部水分散失较慢。因此在不影响产品品质的前提下，在烘干过程中增大辣椒热量传递的接触面积，即对辣椒进行切片处理后再进行烘干作业对提高烘干效率是十分必要的。

目前辣椒切片主要有旋切式和往复式两种，旋切式［1113］主要是利用高速旋转的刀片与连续进给的辣椒配合完成切片，可将辣椒切割为大小均匀的小段，切片主要呈圆圈状，用于制作辣酱等商品。往复式［1416］主要是利用往复机构使得刀具模拟人工切片动作切割辣椒，该方式作业效率受到机构本身的影响，效率不高，切片主要呈圆圈状，用于鲜辣椒腌制。现有辣椒切片机均针对鲜辣椒腌制进行切片，不适合用于辣椒烘干作业预处理。

本文设计辣椒切片机针对辣椒烘干作业进行预处理，采用输送带与切割圆盘进行配合作业，将待烘干辣椒切分为两半，增大烘干过程中辣椒的接触面，提高辣椒烘干效率。通过优化试验确定装置最优工作参数，以期均匀切割辣椒，保证辣椒品质，提高烘干效率。

1结构与工作原理

1.1辣椒切片机结构

辣椒切片机结构如图1所示。

辣椒切片机主要包括机架、输送带、梳理棒、压片、切割圆盘等组成，切割圆盘安装在输送带后端，由电机驱动。压片安装在切割圆盘上端，辅助辣椒切割，梳理棒安装在输送带前端，对辣椒进行预整理。

1.2工作原理

工作原理如图2所示，工作时，辣椒从进料区进入，由输送带向后方切片区输送；过程中，辣椒先碰到梳理棒，在梳理棒的作用下，辣椒分为左右两列，且梳理棒与两边挡板间距刚好只允许辣椒纵向通过，使得辣椒纵向放置。整理后的辣椒在输送带作用下继续向后方输送，在切片区压片的辅助下，由高速旋转的切割圆盘完成辣椒切片，切片后的辣椒掉落到下方收集区域。

2关键部件设计

2.1输送带设计

输送带是保证辣椒切片装置能够高效运行的前提，输送带的辣椒输送能力决定了辣椒切片的质量和效率。如图3所示为输送带设计图，如果输送带凸起挡块过小或挡块间隔过大，辣椒在输送带的摩擦力过小，输送能力差且辣椒易堆积；如果输送带凸起挡块过大，会导致在压片作用下，辣椒损伤严重，同时凸起挡块过大，切割圆盘安装位置也会受限。

已知辣椒平均最大直径为30 mm，因此设计切割圆盘时高度不应高于15 mm，因此输送带上凸起挡块的高度不应高于15 mm。同时为降低挡块对辣椒的损伤，选择挡块凸起高度a为10 mm，挡块宽度b为40 mm，输送带宽度B取90 mm，挡块间距L取60 mm。

2.2切割圆盘设计

切割圆盘是辣椒切片机的核心部件。工作时，依靠高速旋转的薄片圆盘对接触到的辣椒进行切片，设计如图4所示。为使得辣椒在接触到圆盘时保持相对稳定，避免辣椒横向堆积，要求输送带上的辣椒最多两个并排，因此设计切割圆盘安装位置与输送带中线偏移距离e放置。

辣椒在被圆盘切割时，主要是受到横向的剪切力，即由高速旋转的圆盘与辣椒接触后产生的圆盘切向力F对辣椒在横向的分力。假定理想状态下，辣椒与圆盘的接触位点在输送带宽度的四分之一处，输送带宽度为B，切割圆盘直径为D，偏心距为e，则有

2.3压片设计

压片是确保切割圆盘在工作过程中辣椒中线尽量在一个水平值上的關键。压片高度H过高，不能对接触到的辣椒起固定作用，导致切片时，辣椒中线发生变化，切割完整度下降。压片高度H过低，辣椒不能顺利通过，辣椒在输送带上产生滑移和堆积，影响切片质量。根据辣椒平均直径，本次设计取压片高度为20 mm，则取切割圆盘高度的理论设计值为10 mm。

压片设计如图5所示。针对不同品种的辣椒，压片高度可通过上方压紧弹簧和调节螺栓进行调节，最大调节高度不低于切割圆盘高度。

3性能试验

3.1试验设备及方法

为得到贴近实际生产的试验数据，于2021年10月在新疆巴州焉耆县五号渠乡开展试验，切割后的辣椒直接进入烘干设备进行烘干，由经验丰富的农户辨别切片质量的优劣。选取当地种植面积大且在适采期的猪大肠辣椒作为试验材料，试验设备为自制辣椒切片机，如图6所示。

每100 kg辣椒完成切片，作为一次独立试验，每完成一次试验，对本次切片完成的辣椒分类处理，计量切片完整和不完整的辣椒质量，并记录。

3.2试验指标

为确保辣椒烘干质量，切片后的辣椒在烘干过程中须能均匀受热、散发水汽，因此要求切片完整，即切片时须将辣椒均匀一分为二，避免出现如图7所示的不完整切割现象，即辣椒未被均匀切分。

为评估辣椒切片机效果，引入辣椒切片完整度，即在同一批次辣椒切片作业中，切割完整的辣椒质量与总辣椒质量的比值。

3.3试验方案与结果分析

3.3.1二次旋转正交组合试验设计

根据理论分析确定影响作业质量的因素为切割圆盘转速、输送带线速度和切割圆盘高度。因此选取影响辣椒切割完整度的切割圆盘转速x1，输送带线速度x2和切割圆盘高度x3作为试验因素，进行三因素二次旋转正交组合试验［1719］。根据所选电机的功率设置切割圆盘转速的低水平为100 r/min，高水平为130 r/min。设置输送带线速度低水平为0.4 m/s，高水平为0.6 m/s。根据辣椒平均直径大小设置切割圆盘高度低水平为8 mm，高水平为12 mm。通过性能试验对各指标影响因素进行显著性分析，根据实际作业需求对各参数进行优化。试验水平编码表如表1所示，试验方案及结果如表2所示。

3.3.2回归分析与显著性检验

利用Design Expert 10软件对试验结果进行二次回归分析，并进行多元回归拟合，得到切割完整度y的回归方程，并检验其显著性。

通过对数据的分析，剔除不显著因素后的切割完整度y的方差分析如表3所示。由表3可知，试验模型极显著（P＜0.01）。主因素切割圆盘转速、输送带线速度和切割圆盘高度对切割完整度影响均极显著（P＜0.01）。二次项中切割圆盘转速、输送带线速度和切割圆盘高度对切割完整度影响均极显著（P＜0.01）。交互项中切割圆盘转速与输送带线速度对切割完整度的影响显著（0.01＜P＜0.05），切割圆盘转速与切割圆盘高度对切割完整度的影响较显著（P＜0.01），输送带线速度与切割圆盘高度对切割完整度的影响较显著（P＜0.01）。各因素对切割完整度的影响主次顺序为x12、x32、x1、x22、x2、x3、x1x3、x2x3、x1x2。将不显著因素并入残差项后再次进行方差分析，得到各因素与指标间回归模型，如式（4）所示。

3.3.3响应面分析

通过Design Expert 10软件对数据处理，得出因素间的显著与极显著交互作用对切割完整度影响的响应曲面，如图8所示。

由图8（a）可知，对于切割圆盘转速，在100～118 r/min 范围内，随着切割圆盘转速的增大，切割完整度提高，在118～130 r/min范围内，随着切割圆盘转速增大，切割完整度逐渐降低。原因在于，当切割圆盘转速小于118 r/min时，传送带速度较低，导致圆盘重复切割辣椒，完整度较低；传送带速度较大，导致辣椒移动较快，圆盘切割不及时，造成辣椒横向挤压变形，完整度下降。当切割圆盘转速大于118 r/min时，传送带速度较低，导致重复切割，传送带速度较高，辣椒输送滑移现象严重，造成辣椒堆积，完整度下降。

对于输送带线速度，在0.4 ～0.5 m/s范围内，随着输送带线速度增大，切割完整度逐渐增大，在0.5 ～0.6 m/s范围内，随着输送带线速度增大，切割完整度降低。原因在于，当输送带线速度小于0.5 m/s时，辣椒在输送带上保持相对静止，输送效果较好，输送带速度增大时，与切割圆盘转速相匹配，切割完整度增大。当输送带线速度大于0.5 m/s时，随着输送带速度增大，辣椒在输送带上产生滑移，输送效果较差，辣椒堆积、变形，导致切割完整度下降。

由图8（b）可知，对于切割圆盘高度，在8～10 mm范围内，随着切割圆盘高度增大，切割完整度增大，在10～12 mm范围内，随着切割圆盘高度逐渐增大，切割完整度降低。原因在于，当切割圆盘高度小于10 mm时，辣椒切割位置较低，当切割圆盘高度大于10 mm时，切割位置较高，均会导致辣椒切割完整度下降。对于切割圆盘转速，在100～118 r/min范围内，随着切割圆盘转速的增大，切割完整度提高，在118～130 r/min 范围内，随着切割圆盘转速增大，切割完整度逐渐降低。原因在于，切割圆盘转速过低，辣椒切割不充分，切割圆盘转速过高，辣椒被重复切割，均会导致切割完整度下降。

由于8（c）可知，对于切割圆盘高度，在8～10 mm范围内，随着切割圆盘高度增大，切割完整度增大，在10～12 mm范围内，随着切割圆盘高度逐渐增大，切割完整度降低。原因在于，当切割圆盘高度小于10 mm时，输送带线速度较低，辣椒在输送带排列空隙较大，辣椒碰到切割圆盘后产生移位，辣椒中线位置变化，切割高度较低，导致切割不完整；输送带线速度较高，辣椒在输送带上滑移，堆积到一侧，中线位置较高，切割高度较低，不能均匀分割辣椒，切割完整度较低。当切割圆盘高度大于10 mm时，输送带线速度较低，辣椒在输送带排列间隙较大，中线位置较低，切割位置较高，切割完整度较低；输送带线速度过大，辣椒滑移后堆积，中线位置较高，切割位置高，但由于滑移现象不稳定，因此切割完整度呈缓慢下降趋势。

对于输送带线速度，在0.4～0.5 m/s范围内，随着输送带线速度增大，切割完整度逐渐增大，在0.5～0.6 m/s范围内，随着输送带线速度增大，切割完整度降低。原因在于，当输送带线速度小于0.5 m/s时，辣椒在输送带上排列间隙大，在碰到切割圆盘时，易产生移位现象，中线位置发生变化，因此当切割高度较低或较高时，切割完整度均较低。当输送带线速度大于0.5 m/s时，辣椒易产生滑移并堆积，但堆积现象并不稳定，导致中线位置变化，因此在切割圆盘高度较低或较高时，切割完整度均较低。

4参数优化与验证

4.1参数优化

为获得辣椒切片机最佳作业参数，利用Design Expert 10优化模块对回归模型进行约束目标优化求解，根据实际作业及相关理论选择优化约束条件、目标及约束函数。

对目标函数进行优化求解，遵循保证切割完整度，提高切割效率，即提高输送带速度的原则，得到的优化结果为：当切割圆盘转速为118.3 r/min，输送带线速度为0.47 m/s时，切割圆盘高度为9.76 mm，切割完整度为97.87%。

4.2试验验证

将模型预测的最优参数组合取圆整，以切割圆盘转速为118 r/min，输送带线速度为0.5 m/s，切割圆盘高度为10 mm，对待烘干的辣椒进行切片试验，试验共进行3组，每组测试1 h，人工和機具作业分别同时进行，测试结果如表4所示。

综上可知，辣椒切片机对辣椒烘干预处理效果较好，在最优切割圆盘转速为118 r/min，输送带线速度为0.5 m/s，切割圆盘高度为10 mm条件下，辣椒切片完整度为97.85%，基本达到了人工切片水平，可满足烘干要求，相较人工切片，机具效率提高了344%。

5结论

1） 设计一种高效辣椒切片机，通过输送带对辣椒喂入，压片对与输送带配合对辣椒进行稳固，辅助高速旋转的切割圆盘完成辣椒切片作业，有效解决了辣椒切片人工耗时、耗力问题。

2） 确定影响辣椒切片机作业性能的主要因素为切割圆盘转速、输送带线速度和切割圆盘高度，以切割完整度为试验指标，对各影响因素进行二次旋转正交组合试验，得出辣椒切片机最优工作参数组合：切割圆盘转速为118 r/min，输送带线速度为0.5 m/s，切割圆盘高度为10 mm。

3） 在最优参数组合条件下，进行验证试验，得到切片完整度为97.85%，与模型预测结果基本一致，相较人工切片效率提高了344%。

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