寬皮柑橘剝皮機去頂環切裝置的設計與試驗

范登峰，陳紅，尹伊君，徐翔宙，潘海兵，李善軍

(華中農業大學工學院，湖北 武漢 430070)

寬皮柑橘剝皮機去頂環切裝置的設計與試驗

范登峰，陳紅*，尹伊君，徐翔宙，潘海兵，李善軍

(華中農業大學工學院，湖北 武漢 430070)

為了提高寬皮柑橘果皮剝凈率，為寬皮柑橘剝皮機設計了去頂環切裝置，以去除柑橘果柄部果皮并沿最大果徑環切一周將果皮劃破。該裝置主要由機架、對心機構、去頂機構、環切機構組成。工作時，柑橘固定，去頂刀刃逐漸旋切嵌入果柄處果皮，切斷果柄周圍果皮及橘絡，在柑橘頂部旋出一個圓形的切痕并夾持住頂部果皮，在刀具箱上行的過程中，在刀刃擠壓力和摩擦力的作用下帶走柑橘頂部果皮，實現去頂；環切壓盤隨著刀具箱的下行壓緊去頂后的柑橘，環切壓盤上的壓盤尖刺嵌入柑橘橘皮并卡住柑橘，此時，一側的環切刀隨著對心軸的轉動嵌入柑橘果皮中；電機啟動，環切壓盤帶動柑橘做旋轉運動，環切刀在柑橘徑向形成一周劃痕，實現環切。對影響去頂性能和環切性能的熱蒸氣時間和刀軸轉速進行的單因素試驗結果表明：在熱蒸氣時間90 s、刀軸轉速120 r/min時，柑橘去頂成功率和去頂損傷率分別為96.7%、4.2%，柑橘環切率和環切損傷率分別為97.5%、4.7%。

柑橘剝皮機；剝皮；去頂機構；環切機構

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現有寬皮柑橘剝皮機加工工序主要包括2道工序：一是劃皮，柑橘在托盤內通過高速旋轉的刀輥或固定的劃皮刀組時，柑橘表面被劃出多道切口[1–3]或柑橘通過固定劃皮筒被劃出多道切口[4–5]；二是剝皮，相對旋轉的對輥夾持住外翻果皮并將果皮從果肉表面撕扯下來[3–4]。柑橘剝皮采用高速旋轉的劃皮刀輥的劃皮方式，由于柑橘相對固定，只有在柑橘與劃皮刀接觸處才被劃皮，導致劃皮率較低，而采用固定劃皮筒的劃皮方式對柑橘的果形指數要求較高，當柑橘的形狀不規則或徑高比較大時，柑橘會存在受力不均勻或無法在滑道內翻滾，導致劃皮率較低?，F有的剝皮設備沒有翻皮工序，不能保證所有柑橘果皮都被劃破并翻起，且柑橘頂部(果柄)的橘皮較其他部位硬且厚，橘絡密度大，橘皮與橘瓣之間的粘結力大，導致后續對輥剝皮時果皮一次剝凈率低。刀輥和柑橘的高速碰撞，還易造成果肉損傷率高，因此，現有寬皮柑橘剝皮設備普遍存在果皮剝凈率低，果肉損傷率高等問題，限制了其在橘瓣罐頭加工業上的應用。

針對現有剝皮設備存在的問題，筆者提出一種包括去頂、環劃果皮、翻皮、對輥剝皮等工序在內的新型柑橘剝皮方法[6]。針對去除柑橘果柄部果皮以及沿柑橘果徑最大處(垂直橘瓣間隙方向)環切一周并將果皮劃破的作業要求，設計了一種去頂、環切裝置。

1 柑橘去頂環切裝置的總體結構與工作原理

去頂環切裝置(圖1)主要由電機、刀具箱、對心機構、去頂壓盤、環切壓盤、環切刀、去頂刀、機架組成。去頂主要由對心機構和去頂機構完成，環切主要通過環切機構和環切刀完成。去頂和環切機構相對獨立，先對柑橘進行去頂，后由推板組件將已經去頂的柑橘推到環切位置進行環切劃皮。

圖1 柑橘去頂環切裝置的結構Fig.1 Structure diagram of citrus top removal and ring cutting device

去頂采用柑橘固定而使去頂刀旋轉的方式。工作時，推板將果柄朝上的柑橘推入去頂刀頭下方，刀具箱下行，去頂壓盤壓緊柑橘，去頂刀嵌入柑橘果皮中，對心機構徑向夾緊柑橘，電機啟動，帶動去頂刀旋轉。刀刃逐漸旋切嵌入果柄處果皮，切斷柑橘果柄周圍果皮及橘絡，在柑橘頂部旋出一個圓形的切痕并夾持住頂部果皮。當電機停止轉動，刀具箱帶動刀具向上運動時，在擠壓力和摩擦力作用下，刀刃將夾持住的頂部果皮和橘絡從果肉表面扯離并帶走[7]。

環切采用刀具固定、環切壓盤帶動柑橘一起作旋轉運動的方式。工作時，環切壓盤隨著刀具箱的下行壓緊去頂后的柑橘，環切壓盤上的壓盤尖刺嵌入柑橘橘皮并卡住柑橘，此時一側的環切刀隨著對心軸的轉動嵌入柑橘果皮中；電機啟動，環切壓盤帶動柑橘做旋轉運動，環切刀在柑橘徑向形成一周劃痕，實現環切。

2 主要部件的設計

2.1 對心機構

在進入剝皮設備之前，柑橘雖然經過分級處理，其直徑仍然有較大的差異。為了保證柑橘被有效去頂又不損傷果肉，需要利用對心機構保證去頂刀中心正對著柑橘頂部中心[8]。

如圖2所示，對心機構主要由鉸鏈、連桿、對心軸、壓板及弧形架組成?；⌒渭芡ㄟ^滑動螺栓與壓板和推板相連，螺栓上套有彈簧，弧形架可以沿螺栓滑動，鉸鏈與刀具箱相連，隨著刀具箱的上下運動實現對心軸的往復轉動，安裝在對心軸上的壓板及弧形架也隨著往復轉動。工作時，箱體到最低位置，壓板轉動到轉動軸的正下方，壓板上的弧形架與推板上的弧形架形成包裹柑橘的圓弧，既能實現自動定心，又能適應直徑有差異的柑橘，且能夾緊柑橘[9]。

圖2 對心機構的三維示意圖Fig.2 Three dimensional schematic diagram of the centering mechanism

對心機構的主體是偏置式曲柄滑塊機構[10](圖3)，刀具箱(滑塊)上下往復運動帶動對心軸作往復旋轉運動，進而帶動固定在對心軸上的壓板弧形架，實現柑橘的自動定心及對柑橘的側向夾緊與分離。對心機構的參數包括對心曲柄長度、連桿的長度及偏心距。偏置式曲柄滑塊機構的曲柄長度l1，連桿長度l2，偏心距s，曲柄轉角θ1，連桿轉角θ2，滑塊位移Sc。

圖3 對心機構的結構Fig.3 Schematic diagram of the centering mechanism

橘瓣罐頭所需柑橘的直徑為55～75 mm，徑高比1.1～1.4[6]。為了保證對心機構與推板處于同一水平面，零部件之間不發生干涉，且刀具箱在豎直方向上的位移不過大，確定對心軸到去頂軸的中心距(曲柄滑塊的偏心距)為27.5～37.5 mm，刀具箱(滑塊)的上下運動行程為40～50 m m。通過多次取值和優化計算可知，l1=20 mm，l2=30 mm，s=30 mm。曲柄轉角θ1與滑塊位移Sc關系如圖4所示。對心軸的轉動角度隨著刀具箱行程的升高而增大，當刀具箱上下往復的行程Sc為48 m m時，對心機構轉動角為90°，滿足柑橘水平通過的設計要求。

圖4 不同曲柄轉角的滑塊位移Fig.4 Sliding displacements for different crank angles

2.2 去頂機構

去頂不僅要保證去除柑橘果柄頂部的果皮，而且要能適應具有一定高度差的柑橘，以不損傷果肉為原則，據此要求，設計的去頂機構如圖5所示。去頂機構主要由刀刃、去頂壓盤、套筒、鉤頭平鍵、去頂軸組成。刀刃安裝在去頂壓盤上，在壓盤上的安裝位置形成一個相對于壓盤中心的圓，主要作用是切斷柑橘頂部果皮與周圍果皮之間的連接及夾持住柑橘頂部果皮使之與柑橘分離，去頂壓盤起連接刀刃和套筒的作用，套筒用來連接壓盤和傳遞扭矩，鉤頭平鍵保證去頂刀在軸的鍵槽內滑動，適應一定高度的柑橘，壓簧的彈力保證去頂壓盤始終壓住柑橘，去頂刀刃嵌入柑橘果皮中。

圖5 去頂機構的結構Fig.5 Structure diagram of the top removal platen mechanism

2.2.1 去頂刀

去頂刀由一定齒形、齒高及齒數的刀刃組成。已有試驗分析表明，齒形刀有利于柑橘的去頂[11]，據此，分別設計了直齒(a)、三角斜齒(b)、弧形齒(c)3種不同的齒形刀具(圖6)。

圖6 不同齒形刀具的滑切角Fig.6 Sliding cutting angle of different toothed tool

根據滑切理論，在刀具結構相同的條件下，滑切時刀具對物料的正壓力比正切時小[12]，刀具對柑橘橘瓣擠壓力較小，柑橘橘瓣的完整性較好。在相同的刀具轉速下，不同齒形刀具對柑橘橘皮的滑切角也不相同。

由圖6可知，直齒刀具的α=0°，刀齒切割柑橘橘皮屬于正切，所需的切力最大。三角斜齒α=β，滑切角等于刀具的刃傾角，當刀具刃口深度一定后，由B=d·tan β知(B為刀齒寬度、d為刃口深度或者橘皮厚度)，滑切角越大，刀齒寬度越大，當刀齒的回轉直徑確定后，刀齒寬度的變動范圍有限?；⌒锡X刀具的刃傾角隨著齒形的變化而變化，在整個去頂過程中，滑切角是變化的[13]，試驗表明弧形齒的去頂性能較好。

刀具回轉直徑確定后，齒數趙多，刀刃的寬度就越小，反之亦然。刀刃的齒數過多，不利于安裝和加工，且刀刃的剛度不夠，但齒數少于3個時，不能發揮弧形齒的滑切優勢[11]，也不能保證將頂部果皮與柑橘分離，兼顧二者選取刀具的齒數為3齒。

齒高指刀尖到壓盤底部的長度，齒高越大，越利于刀刃割斷柑橘頂部果皮與橘瓣之間的橘絡，但對橘瓣的損傷也隨之增大；齒高越小，對橘瓣的損傷越小，但不利于割斷橘絡。試驗表明齒高為6 mm的去頂效果較好。

2.3 環切機構

如圖7所示，環切機構主要由環切壓盤(帶壓盤尖刺)、環切托盤和環切刀組成。環切壓盤上的尖刺卡住柑橘果皮并帶動柑橘一起旋轉，托盤主要起支撐柑橘一起作旋轉運動的作用，環切壓盤和環切刀是主要部件。

圖7 環切機構的結構Fig.7 Structure diagram of the ring cutting

2.3.1 環切壓盤

環切壓盤上端與套筒相連，通過套筒傳遞扭矩，下端壓住柑橘，壓盤尖刺嵌入柑橘果皮，當電機啟動后，壓盤尖刺卡住柑橘做旋轉運動，為此設計的環切壓盤的結構如圖8所示。

圖8 環切壓盤的結構Fig.8 Structure diagram of the ring cutting plate

前期試驗表明，僅僅通過壓盤與柑橘之間的摩擦力，無法帶動柑橘作旋轉運動。壓盤上等間距分布有10個壓盤尖刺，通過壓盤上的尖刺嵌入柑橘果皮能帶動柑橘作旋轉運動。根據柑橘截面成橢圓形的物理特征，將壓盤設計成錐形可以增大壓盤尖刺與柑橘接觸點的當量半徑(尖刺所在投影面的圓的半徑)，從而增大環切壓盤給予柑橘的旋轉力矩。

如圖9所示，環切壓盤帶動柑橘做旋轉運動的過程中，柑橘受到環切壓盤上10個尖刺提供的抓取力矩Fi·li，有助于帶動柑橘旋轉；推板弧形架的摩擦力f1、環切刀的阻力f2、摩擦力矩T阻礙柑橘旋轉；因此，柑橘隨著環切壓盤旋轉，完成環切需要滿足以下條件。

假設柑橘受到各個壓盤尖刺的抓取力大小相等，則由(1)式有：

式中：l為壓盤尖刺所在當量圓弧的半徑，r為柑橘半徑。

圖9 柑橘環切過程的受力分析Fig.9 Force analysis of citrus ring cutting process

由式(2)可知，F和l越大，f1、f2、r和T越小，柑橘越容易實現旋轉運動。這些參數中，F、f1、f2的大小較難改變，柑橘半徑r由柑橘自身的尺寸確定，因此，增大壓盤尖刺所在當量圓弧半徑和尖刺施加給柑橘的抓取力、減小摩擦力矩T可以提高柑橘作旋轉運動的可靠性。

環切壓盤的主要結構參數是壓盤直徑D和夾角α。環切壓盤采用尼龍材料，為了保證壓盤的強度，壓盤的厚度δ應大于2.5 mm，取δ=3 mm。

去頂后的柑橘經推板水平推送到環切位置的環切托盤后，環切壓盤隨著刀具箱的下行壓緊柑橘，為了避免因壓盤外徑大于柑橘最大直徑而與推板弧形架等裝置在空間上干涉，或因環切壓盤過小會減小壓盤尖刺對柑橘的作用半徑，因此選取壓盤外徑值不大于柑橘最小直徑55 mm。

滑切理論表明，刀具在正切物料時所需要的力最大。壓盤尖刺施加給柑橘的抓取力，最大等于壓盤尖刺在柑橘果皮上滑動切割果皮的力，當壓盤尖刺正切嵌入柑橘橘皮時抓取力最大。為了便于加工，壓盤尖刺的軸向垂直于壓盤，為了保證壓盤尖刺正切嵌入柑橘果皮，壓盤須與柑橘果皮在接觸處相切。

以直徑65 mm的柑橘為例，建立如圖10所示的數學模型。

圖10 壓盤夾角分析Fig.10 Platen analysis chart angle

為了簡化分析，假設柑橘的截面為一個標準橢圓，直徑為65 m m，徑高比分別為1.1和1.4的柑橘的標準橢圓方程為：

經過計算可知，壓盤底端的最大內徑為49 mm，即壓盤內壁與柑橘接觸的最大跨度為49 mm。

如圖10所示，直線x= –24.5 mm，與兩個橢圓分別相交于A、B點，過A、B點分別作橢圓的切線P1、P2，P1、P2與X軸的夾角分別為α1、α2。

計算可得：tan α1=1.04，tan α2=0.82，即壓盤夾角α在39.4°～46.1°，取α=45°。

2.3.2 環切刀及安裝方式

環切刀的作用是刺入并劃破果皮，盡量降低柑橘橘瓣的損傷，設計的環切刀的結構如圖11所示。環切刀由刀頭和刀柄組成。刀頭嵌入并割破柑橘果皮，截面呈三角形，有利于刀頭刺入果皮，斜邊為切割刃，切割時由于與柑橘果皮呈一定的夾角，在柑橘果皮上產生滑切，減小了切割力和環切刀對柑橘橘瓣的損傷。刀柄的作用是固定刀頭并與對心軸連接。

圖11 環切刀的結構Fig.11 Structure diagram of ring cutting knife

如圖12所示，將環切刀安裝在對心軸上，當箱體向下運動到最低位置時，連桿帶動對心軸轉動，環切刀具隨著對心軸轉動，被柑橘擋住在對心軸的正下方，環切刀刀頭嵌入柑橘果皮。由牛頓第三定律可知，環切刀柄對柑橘有壓力，當柑橘在旋轉過程中徑向尺寸發生變化時，由不銹鋼材料制作的環切刀柄由于有一定的韌性會緊貼著柑橘，保證環切刀頭充分割斷果皮。

圖12 環切刀的安裝Fig.12 The installation of the ring cutting knife

3 去頂和環切性能試驗

根據國家標準GB/T 13 210—2014有關柑橘罐頭品質規定，橘瓣囊胞破損即視為柑橘損傷[14–15]，柑橘頂部去除，則去頂成功。試驗采用柑橘去頂成功率和去頂損傷率作為衡量去頂效果的指標，環切率和環切損傷率作為衡量環切效果的指標。

式中：Lq為去頂成功率，N1為去掉的頂部個數，N為試驗柑橘總數；Yq為去頂損傷率，Q1為去頂橘瓣破損數；Q為橘瓣總數；Lq為環切率，M1為環切切痕的長度，M為所有柑橘赤道面的周長；Yh為環切損傷率，Q2為環切橘瓣破損數目。前期試驗表明，影響去頂、環切性能的因素有熱蒸氣時間和刀軸轉速。選取100個直徑為65～70 mm、高度為50～55 mm的柑橘進行試驗。

將影響去頂、環切性能的熱蒸氣時間和刀軸轉速逐一進行單因素試驗。熱蒸氣時間分別取60、90、120 s，刀軸轉速120 r/min；熱蒸氣時間90 s，刀軸轉速分別為80、100、120、140 r/min，考察去頂成功率和去頂損傷率以及環切率和環切損傷率的變化趨勢。每組單因素試驗30次，結果取平均值。

由圖13可知，去頂成功率和去頂損傷率均隨著熱蒸氣時間的延長而先升高后略微下降，在熱蒸氣時間為90 s時，去頂成功率和去頂損傷率均達到最高。熱蒸氣時間對去頂成功率和去頂損傷率的影響不大，因此綜合考慮去頂成功率和去頂損傷率，熱蒸氣時間為90 s時去頂效果較好。

圖13 不同熱蒸氣時間的去頂成功率和去頂損傷率Fig.13 The rate of top removal and damage rate of top removal of heating time

由圖14可知，環切率隨著熱蒸氣時間的延長無明顯變化，環切損傷率隨著熱蒸氣時間的延長而顯著升高， 在120 s時環切損傷率已升高到12.5%。綜合柑橘環切損傷率，熱蒸氣時間為90 s的環切效果較好。

圖14 不同熱蒸氣時間的環切率和環切損傷率Fig.14 The rate of ring cutting and damage rate of ring cutting of heating time

由圖15可知，去頂成功率隨著刀軸轉速的增加先上升后略微下降，在120 r/min時去頂成功率最高，損傷率最低，由此可知，刀軸轉速為120 r/min時去頂效果較好。

圖15 不同刀軸轉速的去頂成功率和去頂損傷率Fig.15 The rate of top removal and damage rate of top removalof rotating speed of cutter shaft

由圖16可知，隨著刀軸轉速的上升，環切率先下降后逐步上升；隨著刀軸轉速的增加，環切損傷率先下降后逐步上升。根據柑橘去頂環切裝置設計總體要求，環切率達到95%以上，環切損傷率控制在5%以內。綜合考慮環切率和環切損傷率，刀軸轉速為100～120 r/min時環切效果較好。

試驗結果表明，在熱蒸氣時間90 s、刀軸轉速120 r/min的條件下，柑橘的去頂成功率和去頂損傷率分別為96.7%和4.2%；柑橘的環切率和環切損傷率分別為97.5%和4.7%。

圖16 不同刀軸轉速的環切率和環切損傷率Fig.16 The rate of ring cutting and damage rate of ring cutting of rotating speed of cutter shaft

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責任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Design and experimental of topping and ring cutting device for citrus reticulate peeling machine

Fan Dengfeng, Chen Hong*, Yin Yijun, Xu Xiangzhou, Pan Haibing, Li Shanjun
(College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

To improve the p eeling rate of citrus, a top removal an d ring cutting device was designed for citrus peeling machine，In order to remove the peel of the citrus fruit stalk and cut the peel through the largest fruit diameter of the citrus peel. The device is mainly composed of frame, a centering mechanism, a top removal mechanism, a ring cutting mechanism. At work, the citrus does not move, to the top removed blade gradually peeling embedded in the fruit stalk peel, cut off the citrus fruit stalk around the peel and orange network, in the top of the citrus spin a circular cut and hold the top peel, in the tool box in the process of upward, under the effect of cutting edge squeezing force and friction force, the top peel of citrus is taken away; Ring cutting pressure plate with the knife box down to the top of the mandarin orange, ring pressure plate pressure plate embedded citrus orange peel and stuck citrus, this time, the side of the ring cutter with the heart The rotation of the shaft is embedded in the citrus peel; the motor starts and the circular cut and pressure plate drives the citrus to rotate, and the ring cutter forms a circle of scratch in the citrus radial direction to realize ring cutting. The s ingle-factor tes t was c arried out on the h ot s team tim e and the rot ating speed of th e ar bor, which affect th e performance of detaching and cutting. The experiment results showed that when operation on the heating time of 90 s and cutter shaft rotation speed of 120 r/min, the rate of topping and damage rate was 96.7% and 4.2%; the rate of ring cutting and damage rate was 97.5% and 4.7%, respectively.

peeling machine for citrus; peeling; top removal mechanism; ring cutting mechanism

S226.4

A

1007-1032(2016)06-0686-07

2016–04–12

2016–10–08

國家現代柑橘產業技術體系專項(農科教發[2011]3號)；中央高?；究蒲袠I務費專項(2013PY127)；湖北省自然科學基金項目(ZRY2014000710)

范登峰(1989—)，男，湖北洪湖人，碩士研究生，主要從事農產品加工技術與裝備研究，364015221@qq.com；*通信作者，陳紅，博士，副教授，主要從事農產品加工技術與裝備研究，chenhong@mail.hzau.edu.cn