（化工过程机械专业论文）新型板栗脱壳技术与机械研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 西 2 3 3 97 l 食用板栗在世界上有很长的历史，板栗由于其营养丰富，昧美可口，而且具 t 有食疗价值，深得人们喜爱。但是板栗的脱壳去衣一直是困扰人们的难题，特别 是在我国这个产栗大国，更是影响着板栗的生产加工和销售，因此，一直是科研 、 人员攻关的重点课题。y 本文就目前世界上现有的板栗脱壳去衣技术设备进行了全面的调查，就其各 种板栗脱壳去衣工艺流程和设备结构进行比较分析，在此基础上成功设计开发了 适合我国国情的可应用于大中型板栗加工厂的新型板栗脱壳去衣工艺流程和设 备。 在工艺流程方面，为了提高板栗脱壳去衣率，采用先干燥后脱壳去衣的工艺 步骤：通过板栗的干燥实验对板栗干燥工艺进行优化设计，避免了因干燥引起板 栗栗仁的褐变，并对传统的干燥机进行了改进设计，以适应板栗干燥工艺要求。 在板栗脱壳去衣设备方面，对核心工作部分的结构以及刀具完成优化设计， 并进一步提出了力学模型对板栗脱壳去衣过程进行理论分析验证，最后通过板栗 去衣设备实验进行实际验证其脱壳去衣效果的良好性。 本文最后还对板栗加工技术的系列化研究发展作了讨论，对其今后发展方向 也作了探讨。 l一。l v 一 关键词：板栗板栗干燥栗仁褐变板栗脱壳去衣 塑垩查兰婴主堂笪丝奎一 a b s t r a c t l na l lt h ew o r l dp e o p l eb e g a nt op i c ka n de a tc h e s t n u t sa sf o o dl o n ga g o a n dh a v eb e e nb e i n gl o v i n gt h e m t h i si s b e c a u s et h a tt h ec h e s t n u t sa r e n u t r i t i o u s ，d e l i c i o u sa n dc a nb eu s e dt ot r e a ti l l s b u tt os h e l lc h e s t n u t si st h e m a i n p r o b l e m t h a tt r o u b l e p e o p l e a l la l o n e i n c h i n a ，ac o u n t r y r i c hi n c h e s t n u t s ，t h ep r o b l e mi sm o r es e r i o u s s ot h es h e l l i n gm a c h i n eo fc h e s t n u t s b e i n gr e s e a r c h e d a n db l o c k st h ep r o d u c t i o no fc h e s t n u t s h a sb e e nt h ei m p o r t a n tp r o j e c tt h a ti s t h ep a p e r f i r s t l yi nt h er o u n di n v e s t i g a t e dt h et e c h n i q u e sa n d m e t h o d so f s h e l l i n g c h e s t n u t si nt h ew o r l d ，a n dc o m p a r e sa n da n a l y z e st h e i rf e a t u r e s t h e no nt h eb a s i so fa n a l y z ew ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h en e wp r o c e s s f l o wa n dt h en e w c h e s t n u t s h e i i l n gm a c h i n e t h a ts u i to u rc o u n t r yb e t t e r i nt h en e w p r o c e s s f l o wo fs h e l l i n gc h e s t n u t st h ed e s i c c a t i o no fc h e s t n u t s i sb e f o r et h es h e l l i n gt om a k et h es h e l l i n gb e t ( e ra n dm o r ee f f e c t i v e a n dw e s o l v e dt h e b r o w n i n gp r o b l e md u r i n g t h ec h e s t n u t d r y i n gp r o c e s sb y e x p e r i m e n t so fd r y i n gc h e s t n u t si n d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e - t i m ec o n d i t i o n s a t l a s ti no r d e rt og r a n tt h ed e m a n do fd r y i n gc h e s t n u t sw ei m p r o v e dt h ed e s i g n o ft r a d i t i o n a ld r y e r s t h ed e s i g no fs h e l l i n gm a c h i n e si st h ek e yi nt h ep a p er b a s e do nt h e a n a l y s i s o ft h ef o r m e r d e s i g n s w ed e v e l o p e da n d o p t i m i z e d t h en e w c h e s t n u t s h e l l i n g m a c h i n e t h e nt h em e c h a n i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt o v a l i d a t et h es h e l l i n g p r o c e s s a l l o ft h ea n a l y s i sa n dc o n c l u s i o nw a sl a s t p r o v e dt oa c c o r dt ot h er e s u l t so ft h es h e l l i n ge x p e r i m e n t st h a tw ed i d k e y w o r d ：c h e s t n u t d r y n e s so fc h e s t n u t s b r o w n i n go f c h e s t n u tn u t l e t s s h e l l i n go fc h e s t n u t s 2 浙江大学硕士学位论文 前言 粟( c a s t a n e am o l l i s s i m ab l u m e ) 属坚果( n u t ) ，英文名口qc h i n e s ec ；t n u ： 啦国，其历史悠久，是我国主要经济树种之一，在世界食用栗生产r 吁有重 儿逝 13 。 使用板栗在我国可追溯到原始社会的有巢氏时代，据考古发现，在) 0 0 b i 的原始社会时期原始人就把野生栗实作为食物之一；而庄子中更乏记载 。者禽兽多，而人民少，于是皆巢居以避之，昼拾橡栗，暮栖木上”电就嘉 有巢氏时期人们打猎的技能还很差，为了躲避猛兽的袭击，都攀居右山树上 ：开始摘食栗子充饥了。然而，原始人吃野栗只是便于取食和充饥而f c 并刁 宣得如何把栗子加工成美味可口的食品。约至西周时期，我国才真正使栗子登 。之堂，甚至成为宫廷食品。 板栗在我国古代深受人们的喜爱，进入现代仍然是人，：_ 喜爱的美嗍滋补1 改革开放以来，1 9 8 6 年到1 9 9 5 年，全国板栗产量年平e 年增长1 一百吨， ? 9 5 年全国种植面积已达6 7 万公顷，产量达到2 4 7 万吨。不仅我1i 世： j 板栗也是大众食品，在欧洲1 9 9 0 年板栗的总产量达到1 2 6 万吨，矗利； 1 洲最大的板栗生产国，1 9 9 1 年总产量达6 6 万吨，其次是西班牙和法国。而月 1 板栗业的技术十分发达，以意大利和法国为代表，板栗采收使用板畀。c f 获机 后清洗、分级、抛光、包装、贮藏全部工厂化，板栗精加工产品种乡繁多 ；精良，有高档品，也有全年供应的方便食品h 3 。 在日本，板栗业在二战后发展迅速，1 9 7 8 年日本全国板栗产量达( 万吨 来产量下降，目前仅2 3 万吨，但日本仍是板栗消费大国，每年消r 量7 ， 吨，大部分主要来自中国和韩国。日本的板栗加工非常肯特色，炒口板栗育 一供应，且包装精致，内附纸巾，极尽人情味，其糖炒板栗还出口远销欧美吲f 6 。 板栗如此受人们喜爱，其保健价值不容忽视，栗仁的蛋白质含量是香蕉的 荔枝的4 倍，为苹果的近4 0 倍；含磷量是香蕉、荔枝的3 倍，苹果的8 倍 、核黄素和维生素的含量也高过一般硬果和水果类，足见栗子的营养十分丰富 食补角度来讲，栗子性甘平，可充饥，厚肠胃，补肾强腰。古代医书对此有不 l 浙江大学硕士学位论文 少介绍，诸如本草求真说：栗子“入肾补气，凡人。肾气亏损，而见腰腿软弱， 并胃气不足，而见肠鸣泄泻，服此治无不效。”名医别录亦云：“栗子主益气， 厚肠胃，补肾气，令人充饥。”古人还总结了吃栗食疗的方法，如本草纲目 中记载有苏子由食栗疗法诀：“老去自添腰脚病，山翁服栗旧传方，客来为说晨 兴晚，三咽徐收白玉浆。”中医还认为：栗子生吃可止血，熟吃能止泻。如遇寒 泻，则“令食煨栗二三十枚，可获痊愈”( 本草纲目) 。现代技术分析表明板栗 除含有淀粉、蛋白质、磷、铁、维生素还含有脂肪、钾、钠、钙、镁等大量微量 元素，具有重要的保健价值”1 。 近年来板栗生产和科研引起世界各产栗国的广泛关注，板栗的生产加工都呈 现一番前所未有的巨大潜力，欧洲与日本市场的需求量不断加大，作为世界上最 大的板栗生产国，开发板栗精加工品种以适应国际国内市场的需求，赢得市场的 主动权，是解决当前迅速增长的板栗产量出路的首要问题。 而在进行板栗精加工时，首先遇到的问题就是板栗脱壳。传统的手工板栗脱 壳法，工序复杂，生产效率低，无法进行规模化的工业生产，使这一问题成为长 久以来阻碍板栗深加工生产发展的首要问题。本论文基于这一亟待解决的问题， 讨论可用于现代板栗深加工生产的板栗破壳去衣技术及其刀具的开发研究，为广 大的板栗加工者和板栗制品生产企业提供一种新的加工方法和出路。 1 2 3 4 5 6 1 7 参考文献 王俊奇，食海说栗，美食，2 0 0 0 2 ：3 6 板栗，张宇和，王福堂主编，北京：中国林业出版社，1 9 8 5 5 柳鎏，世界板栗业与2 1 世纪我国板栗发展的思考，河北林果研究，1 9 9 9 1 ( 1 4 ) ： 2 1 - 2 5 贾恩卡洛波努斯，欧洲的栗子业 j ，植物资源与环境，1 9 9 5 4 ( 2 ) ：5 4 e db ys cc h e n p r o c e e d i n go fk e l l o gi n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nd i e t a r yf i b e r t o k y o j a p a n1 9 9 0 茅林春，板栗加工的技术难题及其对策，食品科技，2 0 0 0 1 ：2 5 李荣林，板栗的营养与加工，江苏食品与发酵，2 0 0 0 9 ：1 2 1 4 浙江大学硕士学位论文 第一章板栗脱壳去衣技术发展现状 板栗的外壳与花生、瓜籽、松籽、核桃等硬壳类干果不同，外层坚壳没有鲜。 合缝，里层红衣( 涩衣) 柔软微薄且紧贴与栗仁之上，难于剥离。现有的板栗脱 壳去衣方法有传统手工法、化学法、机械法、能量法以及真空法等几种方法，其 中后两种方法是近年来为了适应板栗大规模深加工而兴起的。 在世界上，板栗脱壳去衣技术在很多国家都有研究，其中在欧洲以法国和意 大利这两个板栗消费大国技术最为先进，板栗采收后清洗、分级、抛光、包装、 储藏都已经工厂化，而且板栗精加工产品种类繁多，制作精美。而在亚洲日本则 是最先开展这项研究的国家，其板栗脱壳去衣加工技术在亚洲也处于领先地位。 我国虽然是世界板栗生产第一大国，但是长久以来一直是板栗原料出口大 国，板栗的深加工十分落后。改革开放之后，随着人们的消费需求的提高，国内 开始逐渐将板栗的深加工提上日程，从七十年代末八十年代初到现在，技术人员 在板栗脱壳方面做了大量的研究工作，充分吸收了欧洲和日本技术的先进技术居 想，为我国的板栗深加工产品进入广大人民生活及国际市场，开拓了一务崭新的 道路。 第一节传统手工与化学脱壳去衣法 1 1 1 传统手工脱亮法 最早使用的板栗脱壳方法是人工手工脱壳法，这种方法主要是借助于双手将 坚硬的外壳剥离，再经过烫煮和手工揉搓进一步将红衣去掉。这种方法不但工序 复杂，生产效率非常低，无法进行规模化的工业生产，而且在烫煮过程中容易将 栗仁中的营养成分丢失，栗仁也容易氧化褐变，又不卫生。 近年来，手工脱壳法开始采用碾辊等辅助工具，其原理是将板栗烘干或烘烤 后进行碾压脱壳，但这种新方法较以前脱壳去衣率更低，破碎率更高，到目前为 止很少被使用。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 化学法 化学脱壳法是一种主要用于脱板栗红衣的方法，其主要原理是将已脱去外壳 的栗仁放入添加了酸碱、酶以及其他添加剂的溶液中处理一段时间，去除栗仁表 层的红衣。 1 1 。2 1 酸碱法 这种方法主要使用酸( h c l ) 和碱( n a o h ) ，以及表面活性剂，在温度高达 8 0 9 0e 镕液中将板栗红衣去除。此法还可进一步分为纯酸碱法、碱法加助渗剂 法和碱法加表面活性剂法，但是这些方法都会使栗仁成分有所改变，产生异味， 影响后继栗仁成品品质风味。 1 1 2 2 生物酶法1 1 生物酶法是近年来才出现的新方法，其主要采用生物酶和抑制剂对板栗进行 浸泡脱衣，酶包括果胶酶和纤维素酶，抑制剂则包括s 0 2 、亚硫酸盐。其主要步 骤是： 脱壳 烘干经过自然风或热风烘干 浸泡 取抑制剂进行加热到3 0 7 0 ，将带有种皮的板栗果实加入 到该溶液中恒温浸泡一定时间 添加酶再在该溶液中添加酶，并在此温度下保持一定时间，板栗红 衣即与栗仁脱离 冲洗 护色 这种方法与酸碱法相比具有栗仁利用率高，去种皮后栗仁成分不破坏，口味 色泽均不变的优点。 无论是酸碱法还是生物酶法，都摆脱不了机械或手工脱板栗坚壳的制约，因 此无法满足大规模工业化生产的要求。 4 塑垩查兰堕主兰堡垒兰 一一二_ 一 第二节机械式脱壳去衣法 进入八十年代，随着板栗产量的增加以及人们对板栗消费需求的提高，世界 各国纷纷开始研制开发机械式板栗脱壳去衣技术，以适应板栗大规模加工生产的 需要。与传统手工法和化学法相比，机械法具有这两种方法无法比拟的优势。 首先，机械式脱壳去衣技术的脱壳去衣率较高，生产能力达到板栗大规模工 厂化加工要求。这是由于采用了机械式切割或挤压的方法对板栗外壳及红衣进行 剥离去除，并且由电机或液压传动，大大提高了生产效率。其次，机械式脱壳去 衣技术对板栗栗仁无污染，栗仁在加工过程中不会产生变质，因此也不会影响后 继栗仁的成品加工生产，因此非常适合板栗精加工高档产品的生产。在欧洲，高 档的板栗制品，均采用机械式脱壳去衣技术加工。 板栗的机械式脱壳去衣技术现在在世界各国已得到广泛的使用，其中在欧洲 以法国和意大利为代表，在亚洲的日本、韩国和中国也发展较为迅速。在技术上 虽然各国的技术指导思想基本相同，但其工艺过程与加工手段却各有千秋。 1 2 1 欧洲技术2 3 33 4 3 5 1 欧洲板栗脱壳去衣技术主要以法国为代表，图1 ，l 所示是法国具有代表性的 机械式板栗脱壳去衣技术的工艺流程图，其采用的是先火烧后机械挤压脱去板栗 外壳和红衣的方法，板栗由提升机9 加入特制燃烧室8 ，在其中高温液化气火焰 对板栗外壳进行短时间烧灼，然后板栗进入板栗挤压机对未烧尽外壳的板栗进行 挤压刮壳，使板栗的仁、衣分开，接着板栗壳、仁、衣的混合物一起进入到分离 器2 ，栗仁在此被分离出，最后分离出的栗仁由栗仁研磨机4 进行碾磨、清洗， 从而得到光洁的栗仁。 这种板栗脱壳技术是机械式脱壳去衣技术中比较独特的技术，具有脱壳效率 高，自动化程度高的优点。但是，整套设备的板栗损耗率较高，而且由于采用高 温燃烧将板栗外壳、红衣先行去除的预加工法，而燃烧的温度较难控制，栗仁很 容易熟化，甚至焦化，因此整套设备配备了栗仁研磨机4 ，将栗仁表面磨去以获 得干净整洁的外表，有一定损耗。另外，挤压机在去除残余壳、衣时也很容易将 塑垩查堂堡圭堂竺丝塞一 t 熟化的栗仁挤碎，造成很大损耗。 j j 于这套设备的技术相当复杂，价格十分昂贵，只适合大型的板栗精加工厂 因此不是机械式板栗脱壳去衣技术的发展方向。 图1 1 法国板栗脱壳技术示意图 1 一燃料容器2 一分离器3 一栗仁容器4 一栗仁研磨机 5 一提升机6 一挤压机7 一燃烧嘴8 一燃烧室9 一提升机 j 2 。2 日本技术6 3 7 3 日本技术主要是j p 5 9 1 5 6 2 7 5 公开的技术，采用不加热干燥的常温机械剥壳 原理，其结构如图1 2 所示，先将鲜板栗用提升机7 输送到脱壳机上方进入刮料 机9 ，板栗在刮料机中被从一端推到另一端，这样在其下方的脱壳机的高速旋转 辊刀6 把板栗外壳切破，而高速击打钢片8 则高速击打已被切破外壳的板栗，将 板栗外壳打掉或打松。 然后板栗进入旋转壳仁分离机1 0 ( 结构见图1 3 ) ，在这里板栗被分配到一 定大小的许多管子1 内，压缩空气气流由管底高速冲入，让板栗在管子内高速旋 转，壳随气流从管子的上端流出，进入垃圾回收器，板栗则在回转机构的推动下 进入下部的板栗收集装置3 ，此时板栗只剩下红衣未脱去。 6 浙江大学硕士学位论文 图1 2 日本板栗脱壳技术示意图 1 一栗仁容器2 - 碎栗仁出口3 一整仁出口4 一风机5 一驱动装置6 高速刀具 7 一提升机8 - - 高速击打器9 - - 刮料输送器1 0 一旋转壳仁分离机i i 一高压气嘴 图i 3 旋转壳仁分离机 1 一脱皮筒2 - - 底板3 一收集装置4 - - 气体分流器 5 一齿轮箱6 - - 传动器 7 一顶板8 - - 辐管 一一 7 浙江大学硕士学位论文 最后带有红衣的板栗将进入到专门的板栗红衣脱皮装置( 见图1 4 ) ，这是一 种采用高压蒸汽快速旋转脱去板栗红衣的旋转脱皮机，其工艺流程是板栗进入专 门的种衣脱皮筒3 ，脱皮筒的内衬塑制层( 上有脱皮用小突起) 在高温高压蒸汽 的推动下旋转，将板栗表面的红衣磨去。此装置为非连续工作机构，每批板栗在 脱皮筒中停留6 0 9 0 s ，筒上盖和下盖在2 的作用下打开，压缩空气冲入，脱去 红衣的板栗靠自重落到传送带1 上，而红衣则被压缩空气吹走。 这套日本脱壳设备的设计将脱板栗的外壳与去红衣分开，由两组设备组成联 合作业机组，提高了板栗的剥壳率，其栗仁破碎率较低。但是，此设备的板栗红 衣去净率仍较低，一般需要增设专门的红衣二次去除设备。另外，这种机组结构 复杂，对部件的制造精度要求高。因此，整套设备的价格昂贵，其出口型价格高 达十几万美元，不适合在我国推广使用。 图1 4 板栗红衣脱皮机 l 一传送带2 一空气压缩供给装置3 一脱皮筒 4 一蒸汽供给装置5 一塑制层6 一高压蒸汽喷嘴 1 2 3 国内技术 我国板栗机械式脱壳去衣技术研究起步较晚，但发展较快，而且吸收了欧洲 及日本先进技术的优点，发展出了适合我国国情的脱壳机，其中已获得发明专利 浙江大学硕士学位论文 的就有十几项，比较有代表性的有： 1 2 3 1 脱红衣的设备8 1 这是一种早期适合我国广大农村种 植户的板栗脱红衣设备，它吸收了化学法 的优点，采用加料液体浸泡加机械脱皮工 艺，浸泡液采用：e d t a ( 乙- - 胺四乙酸二 钠) ( o 0 5 ) 、柠檬酸( 0 2 ) 、葡萄酸 ( o 5 ) 和食盐( 3 ) ，脱皮机构如图 1 5 ，工艺流程也较为简单： 板栗加入配好的溶液中加热7 分 钟，维持温度5 0 。c 6 0 c ； 将加热的板栗倒入脱种衣机中， 启动电机运行5 1 0 分钟； 停机，倒出板栗清水漂洗。 5 图1 5 脱红衣机 1 一脱皮筒2 一转筒 3 一胶棒4 一机架5 电机 4 这种设备结构简单，只适用于农村半成品加工，但是制造成本低，操作方便 脱皮率可达9 0 以上是其最大的优点。 1 2 3 2 江苏板栗脱壳设备咖 这是由江苏理工大学机械设计工程 学院开发的设备( 见图1 6 ) ，而且采用 了板栗先干燥后脱壳的工艺流程，具体 过程为：板栗干燥、外壳划痕、揉搓然 后脱壳。 由于新鲜板栗的外壳坚硬，而且紧 贴红衣和栗仁，给脱壳带来很大的困难， 将板栗置于6 0 口_ f 干燥一定时间，则栗 仁会收缩，使得外壳、红衣与栗仁之间 图1 6 江苏板栗脱壳机 1 料斗2 一喂入辊3 一剥壳滚筒 4 一凹板5 一电机 9 新江大学硕士学位论文 的距离增大，可以避免脱壳时对栗仁产生划痕；同时干燥使得外壳失去水分变脆， 有利于脱壳。另外，在喂料辊2 上安装了一组间隔相等( 约一个板栗直径大小) 的锯齿状圆盘刀，喂入辊旋转时会将板栗带入工作区，并在其外壳上划上裂缝， 其划痕过程如图1 7 。 板栗经划口后被送入剥壳区，脱壳过程如图1 8 所示，采用的是揉搓原理， 借助锯齿状的剥壳条，对板栗施加径向和切向的作用力。而且凹板上的横条的转 动可以对板栗起保护作用，避免强硬的机械揉搓。 图1 7 板栗划痕示意图图1 8 板栗脱壳示意图 该设备工艺实现难度小，机械结构简单，制造成本低，操作容易，对板栗的 产生的划痕少，但是红衣去除率较低，需另外进行红衣去除，也属于只适用于中 小板栗加工工厂的设备。 1 2 3 3 广东板栗剥壳设备1 0 3 广东省农机研究所研制开发的这种设备主要面向栗子粉、栗子酱和栗子露等 对栗仁完整性要求较低，而且不需要将板栗红衣完全脱掉的加工场合。其结构原 理( 见图1 9 ) 是采用直接机械钩削( 切削) 撕脱板栗外壳的剥壳原理，将带齿 钩的组合刀具4 镶入剥壳刀盘6 中，工作时通过剥壳刀盘的高速转动，使板栗在 剥壳刀盘内自由翻滚钩削撕扯，将板栗壳钩碎撕脱达到剥壳的目的。 撕脱式板栗剥壳机的工作部件是由剥壳刀盘6 和组合刀具4 组成的，并且采 用双刀盘、双工位剥壳形式，剥壳刀盘用铸铝合金材料制成，其上均布8 组组合 刀具和2 块抛料板。抛料扳是为使盘内的板栗剥壳均匀而设置的，为使不同品种、 大小的板栗均能剥壳，并降低破碎率，还可通过调整刀具到盘面的高度、剥壳刀 浙江大学硕士学位论文 盘的转速( 变频调速) 及剥壳时间来实现。 图1 9 广东撕脱式板栗剥壳机 1 一提升机2 一抛料板3 一提升斗4 一组合刀具5 一电机 6 一剥壳刀盘7 一出料口8 一溜管9 一提升链条1 0 料斗 这种设备的缺点是适用范围窄，加工能力低，因此仅仅应用于小工厂的板栗 加工生产上，没有广泛推广价值。 1 2 3 4 云南板栗脱壳设备 1 2 3 4 1 云南省化工设计院一板栗脱壳机1 1 3 由云南化工设计院开发的这- d , 型板栗脱壳机具有结构简单，体积小，操作 安全的特点，是第一代板栗由手工加工向机械加工转换的产品。其结构如图1 1 0 所示，刀盘3 通过紧固件4 固定在电机2 的转轴上，以便在电机带动下转动；刀 盘的上、下部还分别固定有上、下限位环5 、6 ，用于固定进刀深度，保证脱壳 时栗仁的完整，另外上、下限位环还构成防护壳，上限位环，以确保操作安全， 并可起防尘作用；该机还配有助动器8 ，用于防止板栗脱出，保证安全。 浙江大学硕士学位论文 该产品较手工脱壳的优点较为突出，由于结构简单，体积小，适合于家庭、 餐饮行业、小型食品加工厂等使用。 图1 1 0 云南板栗脱壳机 1 一机座2 一电机3 一刀盘4 一紧固件5 一上限位环 6 一下限位环7 一护罩8 一助动器9 一缺口1 0 板栗 12 3 4 。2 云南林业科学院一新型板栗脱皮机1 2 3 3 这是云南省林业科学院开发的一种独具一格的新型板栗脱皮机( 见图1 1 1 ) ， 该机有一可转动的水平刀盘1 1 ，其上是一带有螺旋导向槽1 9 的导向盘7 和进料 斗8 ，刀盘上有放射布置的刀片l o 和排渣槽，其外缘还设有带柔性摩擦物的内、 外摩擦筒。 该机的工作原理十分简单，与工业用刨床的原理基本相同，工作时由电机 1 5 带动刀盘1 1 高速旋转，同时板栗自进料斗8 落到刀盘中部，因离一t l , 力的作用， 板栗在水平导向盘7 上螺旋导向槽的引导下由刀盘中部向外缘滚动推进，板栗在 不断滚动向前的过程中，高速旋转的刀片l o 与滚动的板栗存在同向速度差，从 而刀片刨削板栗( 刨削量在0 2 0 5 m m 之间) ，因板栗沿螺旋导向槽1 9 不断翻 滚滚动，板栗周身都受到刨削，经刨削后的板栗自刀盘边缘抛出后落入内摩擦筒 5 和外摩擦筒之间，在重力和高速转动的柔性摩擦物4 的作用下，自上而下作螺 旋运动，摩擦物将栗仁上的残余红衣进一步清除。 1 2 浙江大学硕士学位论文 b 图1 1 1 云南新型板栗脱壳机 1 一螺栓2 一支柱3 一外摩擦筒4 一尼龙线5 内摩擦筒6 一扇形压板 7 一导向盘8 一进料斗9 一板栗1 0 一刀片1 1 一刀盘1 2 一座盘1 3 一滑架 1 4 一机座1 5 一电机1 6 一支腿1 7 一减震垫1 8 三叶刀片1 9 一螺旋导向槽 此脱壳机与传统的脱壳机原理( 上面所讲广东和江苏) 有所不同，采用刨切 原理，使得加工效率提高，可连续作业，板栗外壳红衣脱尽率 8 0 ，栗仁破损 率 2 5 9 ，大型：单重约1 5 2 5 9 ， 中型：单重约1 0 1 5 9 之间，小型：单重l o g 。 3 3 3 实验过程与实验数据 3 3 3 。1 干燥前板栗性状分析 将板栗剖开，脱壳后进行外壳、红衣和栗仁性状研究，结果及分析见表3 6 。 表3 6 干燥前板栗性状研究 外壳木质较硬，水分大：韧性高，不易撕裂 外壳与红衣红衣与外壳紧密相连，结合成一体 外壳、红衣与栗仁紧密相贴，厚度约1 0 2 5 m m 栗仁水分大，质地较脆 3 3 3 2 板栗干燥实验与干燥后性状分析 将四类大小板栗分别就不同的干燥流程在板栗干燥机样机中进行干燥，并分 析干燥后板栗外壳、红衣和栗仁性状。 4 浙江大学硕士学位论文 小型板栗( 单重1 0 9 ) 的干燥实验：将小型板栗分四个流程分别用干燥机 进行干燥，并分析板栗干燥后的结果( 见表3 7 ) 。 表3 7 小型板栗的干燥分析 干燥流程外壳与红衣栗仁壳衣与栗仁脱开 7 5 f f9 0 r a i n 加热完全脱水，收缩裂开 表面脱水褐变0 5 1 o m m 6 5 下6 0 r a i n 恒速质地脆硬，裂口较大 7 5 口下6 0 r a i n 加热完全脱水，收缩裂开 表面脱水软化 0 5 1 o m m 6 5 研6 0 r a i n 恒速质地脆硬，裂口较大有少量褐斑 7 5f 下6 0 m i n 加热 完全脱水，少量裂开表面金黄 0 5 r a m 左右 6 5c t 下4 5 m i n 恒速 质地脆硬，裂口较小质地较脆 7 5f 下6 0 m i n 加热 完全脱水，少量裂开表面微黄 0 5 r a m 左右 6 5 研3 0 r a i n 恒速质地脆硬，裂口较小质地较脆 中型板栗( 单重约l o 1 5 9 ) 的干燥实验：考虑到小型板栗干燥在流程( 7 5 虾9 0 m i n 加热，6 5 研6 0 m i n 恒速干燥) 时，板栗出现褐变，因此在中型板栗 干燥实验中不再做此流程的板栗干燥，只进行其他三个流程的干燥分析( 分析结 果见表3 8 ) 。 表3 8 中型板栗的干燥分析 干燥流程外壳与红衣 栗仁壳衣与栗仁脱开 7 5 下6 0 m i n 加热完全脱水，收缩裂开 表面脱水软化 0 5 1o m m 6 5c 下6 0 r a i n 恒速 质地脆硬，裂口较大部分褐变 7 5 口下6 0 r a i n 加热完全脱水，少量裂开 表面金黄 0 5 r a m 左右 6 5 耶4 5 m i n 恒速质地脆硬，裂口较小质地较脆 7 5 口下6 0 r a i n 加热完全脱水，少量裂开表面微黄 o o 5 m m 6 5 7 下3 0 r a i n 恒速质地脆硬，裂口较小 质地较脆 大型板栗( 单重约1 5 2 5 9 ) 的干燥实验：同中型板栗干燥实验流程对大型 板栗在三种流程下干燥并分析( 分析结果见表3 9 ) 。 4 2 浙江大学硕士学位论文 表3 9 大型板栗的干燥分析 干燥流程 外壳与红衣栗仁壳衣与栗仁脱开 7 5 f 下6 0 r a i n 加热完全脱水，收缩裂开表面金黄 0 5 m m 左右 6 5 外6 0 r a i n 恒速质地脆硬，裂口较大质地脆硬 7 5 c 下6 0 r a i n 加热完全脱水，少量裂开表面金黄 o 5 m m 左右 6 5 研4 5 r a i n 恒速质地脆硬，裂口较大 质地脆硬 7 5 口下6 0 r a i n 加热完全脱水，少量裂开表面微黄 o o5 r a m 6 5 七r f3 0 r a i n 恒速质地脆硬，裂口较小 质地脆硬 特大型板栗( 单重2 5 9 ) 的干燥实验：实验过程同上，分析结果见表3 1 0 。 表3 1 0 特大型板栗的干燥分析 干燥流程外壳与红衣 栗仁壳衣与栗仁脱开 7 5 r f6 0 r a i n 加热完全脱水，收缩裂开表面金黄 0 5 m m 左右 6 5f 下6 0 r a i n 恒速 质地脆硬，裂口较大质地脆硬 7 5 口下6 0 r a i n 加热完全脱水，少量裂开 表面微黄 0 05 m m 6 5 口下4 5 m i n 恒速质地脆硬，裂口较小质地脆硬 7 5 口下6 0 m i n 加热完全脱水，少量裂开表面微黄 o 0 5 m m 6 5 下3 0 m i n 恒速质地脆硬，裂口较小质地脆硬 3 3 。4 板栗干燥流程实验结论 首先，由表3 7 1 0 我们可以看出不同大小类型的板栗在同样的干燥流程下 的干燥效果是不同的，这就是我们为什么在对板栗进行加工时的第一道工序就是 将板栗分类的原因。 对不同大小类型板栗的干燥情况进行总结分析，我们可以得到适合它们的不 同的干燥流程，从而优化板栗干燥机对不同大小类型板栗的干燥流程，为进一步 进行大规模板栗干燥提供参考( 板栗干燥流程参考表见表3 1 1 ) 。 4 3 浙江大学硕士学位论文 表3 1 1 板栗干燥流程选择参考表 小型中型大型特大型 推荐7 5f 下6 0 r a i n 加热7 5 f 下6 0 r a i n 加热7 5 f 下6 0 r a i n 加热7 5f 下6 0 r a i n 加热 流程6 5f 下3 0 m i n 恒速6 5 f 下4 5 r a i n 恒速6 5 c t4 5 m i n 恒速 6 5 研6 0 r a i n 恒速 另外，从板栗干燥的实验结果分析中，我们可以看出板栗干燥机的干燥效果 同使用恒温干燥箱干燥的效果相差无几，而且其达到相同的干燥效果相对于恒温 干燥箱用时更少( 约3 0 r a i n ) ，并且具有操作方便，自动化程度高等特点。因此， 板栗干燥机的功能设计满足了板栗干燥处理的要求。 1 2 3 3 4 5 6 7 i s 9 】0 1 i 1 2 参考文献 张志良，植物生理学实验 m ，北京：高等教育出版社，1 9 9 4 韩涛，板栗加工过程中的褐变及护色方法，农村实用工程技术，1 9 9 7 1 0 ：2 5 2 5 食品工艺学，赵晋府主编，北京：中国轻工业出版社，1 9 9 9 食品化学( f o o d c h e m i s t r y ) ，第二版， 美 菲尼马( f e n n e m a ，0 r ) ，王璋 等著，北京：中国轻工出版社，1 9 9 1 1 1 食品干燥原理与技术基础，高奎元译，北京：轻工业出版杜，1 9 8 6 4 郑传祥，板栗干燥特性试验研究，食品工业科技，2 0 0 0 ( 2 1 ) 5 ：8 1 0 化工设备设计全书一干燥设备设计，金国淼主编，上海：上海科学技术出版社， 1 9 8 6 5 干燥装置手册，( 日) 桐荣良三主编，秦吉光等译，上海：上海科学技术出版社， 1 9 8 3 1 0 中国机电产品目录( 第5 册) ，国家机械工业局编，北京：机械工业出版社，2 0 0 0 6 风机手册，续魁昌主编，北京：机械工业出版社，1 9 9 9 5 通风机手册，商景泰主编，北京：机械工业出版社，1 9 9 4 8 中国机电产品目录( 第1 4 册) ，国家机械工业局编，北京：机械工业出版社，2 0 0 0 6 4 4 浙江大学硕士学位论文 第四章新型板栗脱壳去衣机的开发 脱壳去衣机是板栗脱壳设备的核心部分，在机械式板栗脱壳设备中，有些采 用的是同时脱去板栗外壳与红衣的技术，如欧洲的挤压刮壳去衣技术，国内北京 的板栗脱壳去衣机的高速刮擦技术，以及中国农机院的板栗加工成套设备中的剥 壳去衣技术；有些则是将脱外壳与去红衣分开进行，如日本的技术中由高速辊刀 和高速击打钢片脱去板栗外壳，而由专门的红衣脱皮装置脱去红衣；还有一些则 只是将板栗外壳脱去，并没有脱去栗仁上的红衣，如广东的板栗剥壳设备。 无论是从设备的实用性，还是从设备的成本考虑，采用同时脱壳去衣技术的 设备都优于另外两种技术形式，因为其具有可以单机操作，无须其他中间环节， 一次性脱去板栗外壳与红衣的优点。因此，在考虑板栗脱壳去衣设备的技术时成 为我们首选的板栗脱壳去衣加工形式，而同时上一章中的板栗干燥特性研究和干 燥设备的开发也为设计开发此形式的设备奠定了基础，因而本章将以此为设计技 术指导思想开发新型板栗脱壳去衣机。 第一节机械形式的优化设计 机械式板栗脱壳去衣设备的机械形式可分为三种形式，第一种就是采用刀具 将板栗外壳、红衣切掉，也是目前国内外普遍采用的技术形式。比较有代表性的 是日本设备采用了高速辊刀和击打钢片，国内的如广东和云南的设备则是采用了 旋转刀盘，以及福建设备采用的是纵向切刀。这种形式的主要特点是技术要求较 低，脱壳去衣率高，但缺点是栗仁上容易产生刀伤，影响栗仁成品品质。 第二种机械形式是采用板栗的高速滚擦碰撞将板栗外壳、红衣去除，主要以 国内北京林业大学研制的设备为代表。由于这种形式技术要求较高，脱壳去衣率 较低，因此国内外较少采用。 另外一种形式是采用揉搓或挤压将板栗外壳、红衣去掉，法国设备采用的就 是挤压刮壳的形式，而国内具有代表性的中国农机院研制的设备也是采用揉搓形 式。但是相对前两种形式，这种脱壳去衣形式的栗仁破碎率、损耗率较高，脱壳 浙江大学硕士学位论文 去衣率也较低，只是其完整脱出的栗仁损伤较少，外观较好。 从以上三种脱壳去衣形式的比较可以看出，第一种由于实用性好，较为适合 我国国情，只要采用相应措施减少栗仁上的刀伤，其应用前景较为广阔。因此， 本次脱壳去衣机的脱壳去衣机械形式选用刀具切削、机械滚打形式。具体结构形 式参考日本技术的结构形式，工作部分采用下位式高速旋转切削刀辊以及高速旋 转滚打器，板栗的推料装置则采用的是螺旋推料装置，其结构示意见图4 1 。 图4 1 新型板栗脱壳去衣机的结构示意 1 一机架2 一切削装置电机3 一高速滚打器4 一出口 5 一螺旋推料器6 进1 37 一高速切削刀辊8 一推料器电机 第二节工作部分结构优化设计 机械式板栗脱壳去衣机的工作部分，即下位式高速旋转切削刀辊、高速旋转 滚打器的结构形式以及与螺旋推料器的配合形式的设计将直接影响板栗的脱壳 浙江大学硕士学位论文 去衣效果。因此，工作部分的结构优化设计在整个设计开发中就十分重要。 4 2 1 结构设计方案分析 方案i ：参考日本板栗脱壳技术以及中国农机院板栗划口机的结构形式，采 用刮料输送器配合单轴下位式高速旋转切削刀辊、高速旋转滚打器的结构形式， 具体结构见图4 2 。 il 2 图4 2 方案i 结构示意图 1 一切削刀辊2 一刮料输送器3 一滚打器 方案分析：方案i 的刮料输送器结构笨重，能耗较大，而且其矩形刮板结构 直接导致了与单轴下位式高速旋转切削刀辊和高速旋转滚打器的配合不合理，使 刀辊和滚打器得不到充分的利用( 图4 2 中i - i 视图所示) ，因此生产效率较低。 方案i i ：将方案i 中的刮料器换为螺旋推料器，而刀辊与滚打器采用双平行 反向旋转长轴结构，结构形式如图4 3 所示。 方案分析：方案i i 是方案i 的改进形式，使其结构上更合理，效率更高。首 先，将方案i 中的刮料输送器改为螺旋推料器，后者的结构简单合理，能耗较少； 其次，原来的单轴下位式高速旋转切削刀辊、高速旋转滚打器结构改为双平行长 轴式结构，此双轴结构更好的与螺旋推料器的螺旋页的圆形外轮廓配合( 图4 3 中i - - i 视图所示) ，充分利用推料器内的空间，提高生产效率；另外，双平行轴 反向旋转的设计也解决了方案i 中的板栗切削不均匀，破壳不完全的缺点。 门i 喝 塑垩查堂堡主兰垡堡苎 2 图4 3 方案i i 结构示意图 1 一切削刀辊2 一螺旋推料器3 一滚打器 从方案i 与方案i i 的分析对比中可以看出，方案i i 的结构合理，空间及能源 利用率高，板栗脱壳去衣的效果也较方案i 好，因此本设计的机械式板栗脱壳去 衣机的工作部分采用方案i i 。 4 2 2 切削刀辊的结构设计 切削刀辊是机械切削式板栗脱壳去衣技术的核心部分，本小节将从刀具的切 削原理入手，就板栗脱壳去衣的切割实现形式、切削速度优化进行讨论，以达到 切削刀辊的设计使板栗脱壳去衣的效果最佳。 4 2 。2 1 切削刀具的选择设计1 3 23 3 1 43 常用的非金属切削刀具主要是木材切削刀具，板栗外壳属木质化坚壳，与木 材的质软、弹性回复大和易于劈裂等特性十分相似，因此，木材切削刀具可适用 于板栗外壳的切削加工。 4 2 2 1 1 切削刀具类型的选择 木材切削刀具中的旋转刀具有圆锯片、铣刀和钻头三种，其中铣刀主要用于 木材的成型加工，钻头用于木材的孔加工，而圆锯片则是主要用于木材的切割加 4 8 塑垩盔兰堡主堂垡望塞一 工。因此，高速旋转切削刀辊中应采用圆锯片实现板栗外壳的切削( 见图4 4 ) 。 图4 4 圆锯片 d 一内径d 一外径 4 2 2 1 2 锯齿类型的选择 圆锯片的常见锯齿形状可分为纵锯齿形、横锯齿形和组合齿形，其中纵锯齿 主要用于进给方向和木材纤维方向相同的场合，横锯齿则用于垂直的场合，而组 合锯齿的圆锯片可以横锯也可以纵锯木材。 板栗的外壳的纤维化不明显，基本呈各项同性，因此可采用纵锯齿形锯片进 行切割。而纵锯齿形的三种刀齿形状如图4 5 所示，直线齿背( 图4 5 a ) 制造简 单，主要用于锯切软木材，折线齿背和曲线齿背( 图4 5 中b 和c ) 强度好，制 造复杂，主要用于锯切硬木材。由于板栗外壳的硬度较软，故选用直线齿背的刀 齿形状。 浙江大学硕士学位论文 b 图4 5 圆锯片的纵锯齿形 oo 一后角 bo 一楔角t 一齿矩h 一齿高 4 2 2 1 3 圆锯片结构尺寸的设计计算 圆锯片外径d 在本次设计中根据板栗外壳与红衣厚度和装置的大小尺寸选 定为8 0 r a m ，其厚度根据公式： s = 0 1 4 d ( m m ) ， 得出： s = 0 8 m m 。 查得d = 8 0 r a m 的圆锯片的齿数z 有5 6 、6 0 、7 2 和8 0 齿四种，由于7 2 与 8 0 齿锯片齿数密，破壳切削的效果较差，而5 6 和6 0 齿则较好，考虑到齿数越 少，锯片对板栗外壳与红衣的破壳撕裂效果越好，故选用： z = 5 6 。 根据直线齿背纵锯齿切削板栗外壳的工况与加工人造板的工况十分相似，可 参考其前角、后角o o 和楔角, a o 的取值范围( 5 0 1 0 0 ，2 0 0 4 0 0 ，3 0 0 浙江大学硕士学位论文 风6 0 0 ) ，取得适合本设计所需要的齿形： = 5 0 ， = 3 0 0 ， 卢o = 9 0 0 一口。一y o = 5 5 0 。 卤距根据公式： r - d s i n ( 18 0 0 z ) r c d z ( r a m ) ， 得出： r = 4 5 m m 。 齿高根据公式： h = ( o 4 5 0 5 0 ) t ( m m ) ， 得出： h = 2 0 2 3 m m ， 由于板栗外壳与红衣厚度占= 1 o 2 5 r a m ，而较厚的只是在板栗的后部的较小的 部分，又考虑到干燥后外壳与红衣同栗仁脱开，可取齿高： h = 2 o m m ， 齿槽半径根据公式： r = ( 0 1 0 0 2 0 ) t ( m m ) 得出： r = 0 6 m m ， 最后，圆锯片的内径d 根据轴的直径确定为： d = 3 5 m m 。 4 2 2 2 切削刀辊结构设计1 3 2 1 33 木材切削圆锯片的安装要满足：夹紧平面应垂直于锯片的回转轴；锯片中心 和主轴应有一定同心度要求；圆锯片应夹紧牢固。由于其一般单片工作，因此压 盘固定。 浙江大学硕士学位论文 本次设计的刀辊是多刀具共同工作，因此不能采用压盘固定圆锯片，考虑到 板栗加工为食品加工，故采用食品级聚丙烯隔片将圆锯片隔开固