（农业机械化工程专业论文）干壳莲子螺杆分级机设计与主要参数试验研究.pdf

摘要 莲子营养价值丰富，深受人们的喜爱，随着人们生活水平的提高和保健意识的 增强，莲子的需求量也逐年提高，因此对莲子的生产和加工提出了更高的要求。由 于莲子品种繁杂，尺寸差异较大、形状不规则，因而莲子机械自动化破壳取仁难度 较大。目前脱壳技术适应性不强，根据不同尺寸的莲壳进行切割力调节的技术不完 善，造成了莲子剥壳不彻底或者莲子剥壳破损严重的现象。市场上的一些脱壳设备 由于尚未完全解决不同尺寸莲子的适应问题，导致了莲子加工效率偏低，浪费严重 的后果。因此在进行莲子脱壳前，应先将莲子进行尺寸分级，然后再将分级后的莲 子投入剥壳机进行剥壳处理，以达到提高剥壳效果的目的。 课题在了解国内外物料特性及坚果类脱壳技术的相关研究工作的基础上，确定 了研究莲子物理尺寸特性的试验方案，即选择干壳莲子长径、横径、棱径以及球度 等基本物理参数进行了测定和计算。结合前人的研究结果，测量计算得到干壳红莲 子球度为0 7 3 ，白莲子球度为o 8 4 。红莲平均中径分布范围在9 6 2 ，- - 1 1 8 6 m m ，极 差为2 2 4 m m ，其中分布在9 5 0 ，- - 1 1 5 0 m m 范围内的粒数占总粒数的9 2 ，白莲平 均中径分布范围在1 1 1 8 - - 1 3 7 4 m m ，极差为2 5 6 m m ，其中分布在1 1 5 0 一- - 1 3 5 0 m m 范围内的粒数占总粒数的9 5 。通过统计干壳莲子尺寸分布的状况，分析不同尺寸 参数对莲子分级效果的影响，总结归纳了莲子分级的特点，对莲子分级设备的设计 有重要的参考价值。 在研究分析了干壳莲子物理尺寸特性的基础上，设计制造了一台莲子螺杆分级 机。以分级准确率、分级产量为试验指标，进行分级试验。通过单因素试验，分析 其试验数据，讨论了螺杆转速、螺杆转向和螺纹升角对分级准确率和分级产量的影 响规律。最后通过正交试验方法，确定莲子螺杆分级机分级准确率的最优因素水平 组合是，螺杆转速为：8 4 r m i n 、螺杆转向为：转向i i 、螺纹升角为：4 9 1 5 。；分 级产量的最优因素水平组合是，螺杆转速为：1 9 6 r m i n 、螺杆转向为：转向i 、螺 纹升角为：1 4 4 1 3 。对莲子分级实际生产有重要的参考价值。 关键词：莲子；物理特性；分级；螺杆； a b s t r a c t l o t u ss e e di sr i c hi np r o t e i n ，f a t ，m i n e r a le l e m e n t sa n ds oo n ，w h i c hi su s e da sa n i m p o r t a n th e r b a lm e d i c i n ea n dh e a l t hc a r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r da n dh e a l t hc o n s c i o u s n e s s ，t h en e e d so fl o t u ss e e di si n c r e a s e i n ga n n u a l l y t h e r e f o r e ，t h eh i g h e rs t a n d a r di sr e q u i r e di nt h ep r o d u c t i o na n dp r o c e s s h o w e v e r ，f a c t o r s s u c ha sl i t t l ec l e a r a n c eb e t w e e ns h e l la n dk e r n e l ，v a r i e t yi nb r e e d ，d i v e r s i t yi ns i z ea n d i r r e g u l a r i t vi ns h a p ee n h a n c et h ed i f f i c u l t i e so fc r a c k i n gs h e l la n df e t c h i n gk e r n e l t h e e x i s t i n gd e c l a d d i n ge q u i p m e n tc a n ta d j u s t i n c i s i o nf o r c ea c c o r d i n gt ot h eh a r d n e s so f s h e l l ，w h i c hl e a d st ot h ei m p e r f e c ts i t u a t i o ni nw h i c h f l e s hl o t u ss e e dc a nb ec u te a s i l ya n d d r yl o t u ss e e dc a n 。tb ec u t t h ec r a c k i n go p e r a t i o nw i l l l e a dt od a m a g e da n db r o k e n k e r n e l s a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h en a t i v ea n df o r e i g nr e s e a r c ho nt h em a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d n u t sh u l l i n gt e c h n o l o g y ，w ed e t e r m i n e dt h ee x p e r i m e n t a ls c h e m eo fs t u d y i n gt h ep h y s i c a l s i z eo fl o t u ss e e d sb ym e a s u r i n ga n dc a l c u l a t i n gt h el o n g i t u d i n a ld i a m e t e r ，h o r i z o n t a l d i a m e t e ra n de d g i n gd i a m e t e ro fd r yl o t u ss e e d s s o m es t a t i s t i c a lr e s u l t so nt h es i z eo fd r y l o t u ss e e d sa r eo b t a i n e d w ea l s oa n a l y s e dt h a th o w t h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so fl o t u ss e e d s w i l li n f l u e n c et h eg r a d i n ge f f i c i e n c y t h ec o n c l u s i o no nt h ef e a t u r e s o fl o t u s s e e d s g r a d i n gi sp r e s e n t e d ：t h e s er e s u l t sa r eo fi m p o r t a n tr e f e r e n c e v a l u ei nt h ed e s i g no fl o t u s s e e d sg r a d i n ge q u i p m e n t i no r d e rt os e et h ee f f e c to fg r a d i n go fl o t u so ft h ep r o t o t y p e ，t a k i n gt h eg r a d i n g a c c u r a c ya n dp r o d u c t i o na st h ee x p e r i m e n t a li n d e x ，t a k i n gt h es e t t i n go ff r e q u e n c y m o d u l a t o r ( a ) ，t h es t e e r i n g ( b ) ，t h et h r e a dn u m b e r ( c ) a st h ef a c t o r s ，w ea r r a n g e dl 9 ( 3 4 ) o r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h ef a c t o r sa b o v et o t h eg r a d i n g e f f e c t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ti nt h eg r a d i n ga c c u r a c yc a s e ，t h eb e s tc o m b i n a t i o no f f a c t o r si sa 1 8 2 c l n a m e l yw h e nt h er o t a t es p e e do fs c r e wi s8 4 r m i n ，a n dt h es t e e r i n go f s c r e wi s “t h es t e e r i n gi i ”，a n dt h el e a da n g l ei s4 9 1 5 。i nt h ep r o d u c t i o nc a s e ，t h eb e s t c o m b i n a t i o no ff a c t o r si sa 3 8 1 c 3 ，n a m e l yw h e nt h er o t a t es p e e do fs c r e wi s1 9 6 r m i n ，a n d t h es t e e r i n go fs c r e wi s t h es t e e r i n gi ”，a n dt h el e a da n g l ei s1 4 4 1 3 。c o n c l u s i o n so f t h i sp a p e rw i l lb ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f l o t u ss e e dg r a d i n g k e yw o r d s ：l o t u ss e e d ：p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c ；g r a d a t i o n ；s c r e w ； 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 齐 是否保密 蕾如需保密，解密时间年 月 日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生始杠锈 帆州年6 月7 日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版， 并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论5 r 。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全 部或部分内容，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用于本授权书。 娩舡巧 导师鲐绕 签名日期：妒夕年月夕日 签名日期： 垆7 年5 月歹日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学硕上学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 莲，是水生蔬菜栽培中的挺水宿根经济作物( 鲁运江，2 0 0 1 ；郑宝东，2 0 0 3 ) ， 原产于我国，种植分布很广，以形成藕莲、籽莲、花莲等多个品种( 倪学明，1 9 8 7 ) 。 我国籽莲种植多集中在长江流域中下游地区，盛产莲子，其中湖北莲子及藕的种植 见表1 1 所示。莲子的主要组成部分莲仁，具有丰富的营养价值( 邱晓波，1 9 9 2 ) 。莲 子是我国出口创汇的一个特色农副产品，仅建莲每年出口约6 0 0 万美元( 谢克强， 2 0 0 0 ；罗银华等，2 0 0 5 ) 。湖北素有“千湖之省”的美称，种植莲子有着天然的条件 优势，随着莲子的产量不断的提升，对莲子机械加工提出了更高的要求。 表1 1 湖北莲子产量表 t a b 1 - 1t a bo fl o t u ss e e dy i e l di nh u b e i 注：摘自湖北农村统计年鉴2 0 0 5 2 0 0 7 ，湖北农村统计年鉴编辑委员会。 莲子剥壳加工属于坚果类农产品加工，而目前此类加工机械化自动化程度还不 是很高。主要是因为加工对象形状不统一且不规则，导致大多加工机械存在适应性 较差、加工性能不稳定的缺点( 袁巧霞，2 0 0 1 ；l i a n g t u n g e ta l ，1 9 9 8 ；d u r s u na n di g ， 1 9 9 7 ) 。同样莲子也由于其外形尺寸差异较大的特性，以及莲子在采收时，整个莲蓬 内的莲子很难达到一致的成熟度等特点，均为莲子的自动化剥壳加工设置了障碍( 谢 丽娟等，2 0 0 5 ；刘木华等，1 9 9 9 ；v u r s a v u sk a n do z g u v e n ，e ，2 0 0 4 ) 。因而本课题 提出，如果在剥壳前先对莲子进行精确的分级，然后在根据不同的等级进入相应的 剥壳机剥壳通道进行剥壳加工，那将会大大增加莲子的加工效率，提高莲子的加工 水平。 本课题的目的就是针对莲子分级机械化而提出的，希望能通过设计一台莲子螺 杆分级机的试验台，来研究螺杆分级机械各项参数对莲子大小分级效果的影响，为 以后设计、生产和制造莲子分级机械提供一条可行的思路。 第一章绪论 1 2 莲子分级在剥壳机中的应用及其分析 农业物料基本物理参数包括物料的形状、尺寸、体积、密度、孔隙率、表面积、 比表面积和含水率等，它们是在产品分析时及设计加工机械不可缺少的最基本的原 始数据和重要的参数( 周祖愕和郭其泰，1 9 9 5 ；g e z e ri e ta l ，2 0 0 2 ；c e v a ta y d i na n d m u s ao z c a n ，2 0 0 2 ；r a k a ra n dc a y d i n ，2 0 0 5 ) 。莲子属于坚果类农产品，其成熟期长， 采集期较为分散。一般采收后先将其晾晒，待其成批后集中进行加工。加工前，莲 子可根据需要进行预干燥处理，以便于保存。莲子预干燥处理后，按其水分含量可 分为两类：一种水份含量较高，莲子仍保有较大的弹性，主要用于制造去芯干莲子 和莲子罐头等食品；另一种水份含量低，干燥后莲子外皮成褐色，几乎失去新鲜莲 子的光泽和弹性，主要是制造莲子粉等食品添加剂的原料。针对这两种不同性质的 莲子半成品，为了保证能顺利的对其进行剥壳作业，设计的莲子剥壳机必需能满足 每颗莲子特性的要求( 谢丽娟，2 0 0 5 ) 。通过实际操作莲子剥壳机的经验，不同状态 的莲子其外形尺寸是影响其分级效果的主要因素。 针对不同外形尺寸等物理特征的莲子，可以通过两种加工方式达到自动化机械 剥壳的目的，其分别为：加装有自适应调节机构，以不同的切割状态来满足不同莲 子加工的剥壳机械；以及对莲子先进行分级，然后再投入到不同的剥壳通道进行加 工的剥壳机械。这两种加工机械虽然加工方式不同，但目的都是为了满足不同莲子 对自动化机械加工的要求。具体分析和比较这两种设计思路和市场上已存在的机型， 可以观察到随着加工方式的不同，各种莲子加工机械各有其优缺点，为本课题设计 莲子分级机提供了思路。 1 2 1 自适应莲子尺寸调节方式 采用自适应方式对莲子进行加工的剥壳机，其结构主要是在普通剥壳机的基础 上增加了一个能根据莲子中径进行调节的装置。在莲子进入剥壳通道的过程中，该 调节装置能根据莲子尺寸进行剥壳切割距离的调节。该种调节装置的形式也是多种 多样的，下面将着重介绍几种市场上较为常见的机型： 1 2 1 1 手动压杆调节方式 如图1 - 1 ，该机型采用手动压杆调节方式，由于其使用维护简单，因而在农户 中最为常见。该机型主要是通过在切割莲子的滚刀上加装一根压杆，通过手动控制 压杆来保证滚刀和支承托辊的距离，以满足不同尺寸干莲子剥壳的要求。具体工作 过程是：电机启动后，干壳莲子从下料斗落入到输送对辊上，输送对辊以一定的转 速旋转，并推动莲子沿辊轴向方向运动，直至莲子进入剥壳工作通道。莲子进入剥 壳工作通道后，手动调节滚刀和支承托辊的距离，使莲子与滚刀相接触，并在支承 2 华中农业大学硕十学位论文 托辊摩擦力的作用下绕其长轴做旋转运动。此时莲壳被滚刀切割，同时支承托辊对 其挤压切搓，最后莲壳逐渐脱离莲仁，完成壳仁分离的过程。该干壳莲子剥壳机结 构简单，成本低适合少量的干莲子剥壳加工。但是由于其需要手工对其压力杆进行 调解，因而生产品质不稳定，不利于生产的机械自动化，使用有一定的局限性。 图1 1 干壳莲子剥壳机示意图 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo fd r yl o t u ss e e dd e c o r t i c a t o r 1 下料斗2 导向对辊3 齿轮4 大带轮5 滚刀6 干壳莲子7 支承托辊 8 压杆9 出料挡板1 0 箱体1 1 电机1 2 ，j 、带轮 1 2 1 2 皮带式调节方式 在旋转式莲子剥壳机中，设计了一种依靠输送带的张力来根据莲子的尺寸，自 动调整切割莲子的装置，如图1 2 所示。该剥壳装置由传输装置，圆盘滚刀，凹型 导槽组成。圆盘滚刀位于传输装置的一侧，在传动带、圆盘滚刀之间的圆盘滚刀的 刀口部位安装有凹型导槽，导槽的凹槽朝向传动带，且底部设有进刀槽。在进行莲 子剥壳加工时，该机器能根据莲壳的硬度、厚度的差异，由凹型导槽控制吃刀深度、 由传动带控制切割距离( 饶铭华，2 0 0 6 ) 。 黟一 图1 2 旋转式莲子剥壳机 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo fr o t a r yd e c o r t i c a t o r 1 传输装置2 进料斗3 莲子4 凹型导槽5 圆盘滚刀 这是一种通过自动调节传送带与圆盘滚刀的距离来控制刀具对莲子切割深度 的装置。由于传送带有一定的韧性，当莲子在导槽的引导下进入剥壳通道后，传送 带将产生一定的变形，以适应不同莲子的外形尺寸。使用皮带在一定程度上简化了 3 第一章绪论 机具的设计和制造难度，但是由于皮带本身的特性，造成该机型使用的剥壳效果不 理想和工作耐久性低。 1 2 1 3 弹性支承调节方式 如图1 3 ，该莲子脱壳机使用弹性支撑和柔性弧形垫来适应不同尺寸莲子的加 工要求。柔性弧形挚与切割器之间的挤压通道间隙能在弹性支撑的控制下进行调节。 同时，弧形垫由内衬柔性氟橡胶挚组成，支撑钢板变形曲率半径逐渐变小，它与切 割系统之间形成一个由大到小的柔性通道通道。这些设计使得该机型能自适应一定 尺寸范围内莲子的剥壳要求( 郑传祥，2 0 0 3 ) 。在刘守祥等设计的6 c b 5 4 型莲籽穿 芯脱壳机中，也类似的使用了通过滑动爪甲和压缩弹簧等部件来满足加工不同莲子 的需求，并在后续的使用中，取得了良好的效果( 刘守祥等，2 0 0 3 ；刘守祥和钱丽， 2 0 0 8 ) 。 图1 3 莲子脱壳机结构示意图 f i g 1 - 3s t r u c t u r eo fl o t u ss e e dh u l l e r 1 莲子进料器2 莲子进料斜溜槽3 切割器4 弹性支撑 5 出料器6 调节螺栓7 柔性弧形垫8 电动机9 机架 1 2 1 4 锥辊轴组调节方式 图1 4 莲子初加工一体机器 f i g 1 - 4s t r u c t u r eo fl o t u si n i t i a lp r o c e s s i n gm a c h i n e 1 机架2 料斗3 去壳 ：作轴组4 电机l5 去膜工作轴组6 电机l l7 导接管8 通芯机构 9 传动机构 1 0 电机i i l1 1 莲子 1 2 筛网 1 3 莲芯收集器皿 4 华中农业大学硕士学位论文 如图1 4 所示，这是一种利用锥形辊轴间间隙逐渐变大来自适应莲子尺寸变化 的机型。它主要的) j h - v 对象为含有水份的青莲子，其轴组上安装有切刀进行剥壳操 作，还具有实现自动去除莲心的装置。具体完成方式：莲子通过料斗进入去壳工作 轴组，轴组在电机i 的驱动下做内向运动，利用装在轴上的切刀将莲子的部分外壳 切开，莲子会根据自身的大小选择合适的轴间距离将外壳挤去；随后莲子进入去膜 工作轴组，去膜滚轴在电机u 的驱动下做低速运转，并向外运转，同样由于轴组间 的距离不同，莲子将在合适的位置由去膜滚轴表面的滚花将残留的外壳去掉；随后 通芯机构对莲子进行通芯处理，将莲子的莲仁与莲芯相分离，莲心通过筛网后掉入 莲芯收集器皿中，莲仁则留在筛网上面以待收集( 马宪伟，2 0 0 6 ) 。 1 2 2 莲子分级调节方式 针对莲子尺寸不一致而带来机械加工效果不理想的难题，有人还提出另一种解 决方案，就是在已有成熟的莲子剥壳加工机型入料端加装莲子分级装置，先行对莲 子进行大小分级，然后将分级后的尺寸相近的莲子送入剥壳间距合适的剥壳机通道 中进行剥壳加工，通过这种方式提高莲子剥壳效率，降低莲仁的破损率。 采用先分级再在进行剥壳的方式，较适合于水份少的干壳莲子。此种加工方式 难点在于莲子分级设备的设计，分级精度的高低直接影响下步剥壳的效果的好坏。 参考市面上已有的机型，目前主要有一下几种： 1 2 2 1 圆孔筒筛分级 莲子的加工属坚果类产品加工，传统的坚果分级多采用圆孔筒筛分级方式。即 将不同筛孔直径的筛板由小到大组合成滚筒，滚筒成一定倾斜角度安装，莲子在滚 筒内输送。工作时，滚筒在电机的带动下绕自身轴线旋转，莲子在其内翻动。在重 力的作用下，当莲子运动到合适直径的筛孔处，便会自行掉落，达到分级的目的。 此种机型加工简单、成本低，在分级坚果类的机型中十分常见。但是此种机型分级 误差大，而且还会发生莲子堵住筛孔的现象，降低了莲子分级的效果。 1 2 2 2 栅栏式滚筒分级 为了避免莲子堵孔的现象，可以使用一种改进了的栅栏式滚筒设计，如图1 - 5 所示。与圆孔筒筛不同，栅栏式滚筒分级采用了三节栅栏结构取代了传统的圆形筛 板，栅栏主要由并排的铁条沿筛筒轴线平行方向焊接而成，每节筒体栅栏的间隙沿 莲子运动方向逐节变大，通过栅栏的旋转来进行莲子的分级。由于莲子尺寸不同， 在分级筛简的旋转过程中，能从筒体栅栏的间隙掉入不同的接莲斗中，从而达到区 分莲子尺寸的目的( 贺书红，2 0 0 7 ) 。这种栅栏式滚筒分级精度不高，但是其避免了容 易堵孔的缺点，在一定程度上二改善了分级的效果。 5 第一章绪论 图1 5 全自动莲子分级装置 f i g 1 - 5s t r u c t u r eo fl o t u sg r a d i n gd e v i c e 1 入莲斗2 分级筛筒3 筒体栅栏4 减速机5 皮带 6 电机7 机架8 行走轮9 接莲斗 1 2 2 3 莲子螺旋筛条分级 同样是使用栅条，还有一种螺旋栅条滚筒结构可以用来进行类似莲子等椭圆形 坚果物料的大小分级。根据连政国等学者的研究，如下图，使用螺旋状栅条构成的 滚筒。他们以花生仁做为大小分级的对象物料，取得良好的效果。这种螺旋栅条圆 筒筛如图1 6 所示，筛筒轴线与水平线呈a 角放置。工作时，物料在筒内的厚度沿 整个筛筒长度不均匀分布，呈现首端较末端为厚的规律。任取一垂直于轴线的平面 来看，静止时，物料上层表面在螺旋筛内成水平位置。当筛筒转动时，物料层徐徐 上升，其物料上层表面的位置逐渐改变，转速稳定后，上层表面与水平成一定角度。 当物料的宽、厚尺寸小于栅条间隙时，在离心力和重力的作用下通过栅条间隙而分 离。颗粒径大于栅条间隙的物料，随栅条的螺旋旋转规律移送到间隙较大处，实现 分级分离( 连政国等，1 9 9 6 ) 。这种螺旋状的栅条设计，实际上是增加了待分级物料在 筛上输送的时间，为精确分级提供了保证，并且其栅条式的也能满足椭圆形的莲子 的分级需要。可是螺旋状的栅条滚筒加工要求高，栅条的精度直接影响莲子分级的 效果，进而影响莲子的剥壳效果，因而这种结构较为少见。 图1 6 螺旋筒筛示意图 f i g 1 - 6s t r u c t u r eo fs p i r a ld r u ms c r e e n 6 华中农业大学硕 学位论文 1 2 2 4 莲子杆筛分级 参考双辊分级苹果的原理，有的学者从提高分级精度的方向，提出莲子进行杆 筛分级的方案。如图1 7 ，此台干壳莲子分级杆筛机主要通过两根筛杆之间的间隙， 进行干莲子的尺寸分级。其分级作业过程为：进入料斗待分级的干壳莲子在送料机 构作用下，从机座上的出料孔中按序排出，排出的莲子在由两根筛杆与导流杆构成 的筛分通道中边调整位姿边向前推进，在此过程中，由于两筛杆之间的空间距离逐 段变大，当莲子的尺寸小于筛杆间隙时，在筛杆的作用力和重力的作用下莲子逐级 从筛杆间筛过，从而完成干莲子的分级( 丁一世云等，2 0 0 8 ) 。 该机型由于将莲子在辊间排列呈一条直线，然后逐个由双辊进行尺寸分级。因 而在强调分级精度的同时辊式分级机却牺牲了分级的效率，如果要增加产量可以采 用增加筛辊排列的方式提高分级产量。 图1 7 分级杆筛示意图 f i g 1 - 7s t r u c t u r e o fs h a f ta r r a ys i e v ef o rg r a d i n go fl o t u ss e e d s 1 进料斗2 传动系统3 排序上料螺杆4 机座5 筛杆 6 导流杆7 出料管8 机架 1 3 存在的问题 目前这些机具在莲子分级剥壳加工过程都有一定的作用，但还是存在一定的性 能不稳定、适应性较差等缺点。而且这些机型多数是单机制造，故制造成本偏高， 同时能耗偏高，加工成本也偏高。做业性能、可靠性、耐久性及商品性等方面还存 在不少问题。因而，本选题针对莲子分级机械化而提出的，通过对莲子外形尺寸的 统计分析，归纳出莲子的尺寸分布规律。同时根据莲子尺寸的分布特点，设计制造 一台莲子螺杆分级机。最后通过莲子的分级试验，来研究螺杆分级机械关键参数对 莲子大小分级效果的影响，为以后设计、生产和制造莲子分级机械提供一条创新的 思路。 7 第一章绪论 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 本课题在研究干壳莲子的基本物理参数的基础上，分析研究螺杆莲子分级机主 要工作部件的结构参数及工作参数对分级精度和分级产量的影响。根据当前国内外 农业物料物理机械特性及坚果类物料脱壳技术和方法的研究，确定本课题的研究内 容： ( 1 ) 测量及统计干壳莲子的外形尺寸，并与已有的资料进行对比，找出莲子的 尺寸分布特点，为设计莲子分级机的分级范围做准备。 ( 2 ) 通过分析己有莲子分级剥壳加工设备的原理、特点及分级效果，在初步试 探性试验研究的基础上，设计制造莲子分级机。 ( 3 ) 通过试验对不同关键参数下的莲子螺杆分级试验台进行分级操作。选用采 制湖北洪湖的红、白品种干壳莲子为试验材料，以分级准确率和分级产量为试验指 标，莲子损伤率为参考指标。确定了螺杆分级轴组的结构参数试验，通过试验数据， 分析螺杆辊对分级效果的影响。 1 4 2 研究技术路线 图1 8 技术路线 f i g 1 - 8t e c h n i c a lr o u t e 8 华中农业大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章干壳莲子外形尺寸特性分析研究 农业物料物理特性的研究为农业生产、农业物料加工机械装备及系统的设计、 生产工艺过程的检测与控制等提供了理论基础和技术手段，其研究成果的应用对提 高农业机械及装备现代化水平有重要的作用( 崔清亮和郭玉明，2 0 0 7 ) 。农业物料的 种类不同，其物理特性也不同。农业物料的物理特性主要包括农业物料的基本物理 特征、力学特性、电特性、光特性、热特性等，以及某些特性之间的相互影响( 姜 瑞涉和王俊，2 0 0 2 ；g r a y , j j a n db o n n e c a z e ，r t ，1 9 9 8 ) 。为设计出较理想的、适合 不同尺寸的干壳莲子分级设备，本章将重点针对干壳莲子的外形尺寸进行测试和研 究，同时将所得的数据与已有的资料相比较。通过对红、白莲子尺寸的数据的统计 分析，可以得知干壳莲子尺寸等级的分布，为验证所设计的莲子分级机性能提供了 理论支持。 2 2 材料和方法 2 2 1 试验样品 本试验采用的干壳红莲、白莲样品来自湖北洪湖地区，剔除杂质及破裂和不成 熟的干瘪莲子。 2 2 2 试验仪器 游标卡尺，精度为0 0 2 m m ； 2 2 3 测试方法 坚果的外形因其品种的不同，形状、大小各异( c e v a t a y d i na n dm u s a0 z c a nr ， 2 0 0 2 ；a k a ra n dc a y d i n ，2 0 0 5 ) 。莲子随品种的变化，其外形既有椭球形的、也有球 形的，但总的说来，外形近似为球形。用游标卡尺测量出红、白莲子各1 0 0 个，并 分析其外形特征，为设计分级机提供分级尺寸划分的依据。 首先，使用游标卡尺测量出两种莲子的最大长度和中径。将莲子的长轴方向的 长度定义为最大长度，简称长径；将短轴方向长度定义为莲子的中径，中径可包含 横径和棱径，由其平均值计算而得，横径和棱径为莲子短轴方向两个互为垂直测量 值。莲子测量并统计处理其平均值及标准差( s t d ) ，同时采用球度的定义来表示莲 9 第一二章十壳莲了外形尺寸特性分析研究 子外形近似与球的程度( 周祖愕，1 9 9 4 ；a r n o l dp c ，1 9 7 1 ) 。 球度公式如下： 球度= 鬻= 半 。2 叫 式中： a 一最大截距( m m ) ； b 一垂直于a 的最大截距( m m ) ； c 一垂直于a 和b 的最大截距( r a m ) 。 2 3 结果与分析 莲子尺寸的统计结果见表2 - 1 所示。 干壳红莲子的长径较白莲子的长，但中径较白莲子的短。对同品种的莲子而言 横径和棱径的尺寸差别不大，因此可把莲子的横径和棱径统称为平均中径。经计算 可知红莲子的球度比白莲子的球度小，所以从外观上看红莲子的外形接近椭圆，白 莲子的外形则比较接近圆形。 表2 1 两种莲子的尺寸 t a b 2 1t h et h r e ec o o r d i n a t ed i m e n s i o no ft w ok i n do f l o t u ss e e d 把莲子的横径和棱径统称为平均中径后的统计结果见表2 2 、表2 3 所示。 红莲长径分布范围在1 5 5 0 1 8 4 0 m m ，极差为2 9 0 m m 。由表2 2 可知，分布 在1 5 5 0 - 1 7 5 0 m m 范围内的粒数占总粒数的8 1 ；分布在1 6 0 0 - 1 7 o o m m 范围内 的粒数占总粒数的5 4 。红莲平均中径分布范围在9 6 2 - - 1 1 8 6 m m ，极差为2 2 4 m m ， 其中分布在9 5 0 - 1 1 5 0 m m 范围内的粒数占总粒数的9 2 ；分布在1 0 0 0 - - 一1 1 o o m m 范围内的粒数占总粒数的5 7 。 白莲长径分布范围在1 5 0 0 1 7 4 8 m m ，极差为1 9 8 m m 。由表2 3 可知，分布 在1 5 5 0 - - - - 1 7 o o m m 范围内的粒数占总粒数的6 9 。白莲平均中径分布范围在 1 0 1 1 1 8 1 3 7 4 m m ，极差为2 5 6 m m ，其中分布在1 1 5 0 1 3 5 0 m m 范围内的粒数占总 粒数的9 5 ；分布在1 2 0 0 - 1 3 o o m m 范围内的粒数占总粒数的6 4 。 表2 2 红莲长径、平均中径分布 ( m m ) d i s p e r s i o nr a n g eo f t h el o n g i t u d i n a l ( ) p e r c e n t a g eo fg r a i n n u m b e r ( r a m ) d i s p e r s i o nr a n g eo f t h ea v e r a g ed i a m e t e r ( ) p e r c e n t a g eo fg r a i n n u m b e r 1 1 5 5 ，1 6 0 ) 1 1 【9 5 ，1 0 0 ) 7 b 6 0 ，1 6 5 、 3 2 1 0 0 ，1 0 5 ) 2 1 1 6 5 ，1 7 0 ) 2 2 1 0 5 ，1 1 0 ) 3 6 0 7 0 ，1 7 5 ) 1 6 1 1 0 ，1 1 5 ) 2 8 1 7 5 ，1 8 o ) 1 2 1 1 5 ，1 2 0 ) 5 1 8 0 ，1 8 5 ) 7 1 1 5 1 8 5 2 均值( m e a n ) 1 6 6 5 9 1均值( m e a l l ) 1 0 8 5 7 标准差( s t d ) 竺：兰! 三 堡堡茎! ：竺：j 兰! l _ 一 1 夏23 忑匿函磊鬲历布表白莲长径、平均中径分布 t a b 2 - 3longitudinaldiameter&averaged i a m e t e rd i s p e r s i o no f w h i t el o t u ss e e d s 夏聂五鬲磊i 磊夏石历鬲五f 军鬲再丽范闱粒数自分比率 长径分布范围 粒数白分比率 平均中径分布汜闹 秘鳅日刀乩牛 ( 衄) ( )( 1 m ) ( ) d i s p e r s i o nr a n g eo f p e r c e n t a g eo fg r a i n d i s p e r s i o nr a n g eo f p e r c e n t a g eo f 争a m t h el o n g i t u d i n a l n u m b e r t h ea v e r a g ed i 棚e t e r n u m b e r 1 1 5 0 ，1 5 5 ) 2 1 1 1 5 ，1 2 0 ) 5 1 5 5 ，1 6 0 ) 3 7 1 2 0 ，1 2 5 ) 2 2 1 6 0 ，1 6 51 2 0 1 2 5 ，1 3 0 ) 4 2 1 6 5 ，1 7 0 ) 1 2 1 1 3 0 ，1 3 5 ) 2 6 1 7 0 ，1 7 5 ) 5 1 3 5 3 1 7 5 均值( m e a n ) 1 6 1 9 7均值( m e a n ) 1 2 4 8 9 标准筹“t d ) 一竺：二兰 堡兰茎! ：竺：j 竺2 一 _ _ _ - l _ _ _ 一 第二章干壳莲了外形尺寸特性分析研究 为了验证本次试验莲子的尺寸特征具有一定的普遍性，将已测量的莲子尺寸与 其他资料中的尺寸数据进行对比分析。根据谢丽娟的研究，红莲长径分布范围在 1 5 0 0 - 1 9 4 2 m m ，其颗粒数的8 0 分布在1 5 5 0 - - 1 7 5 0 m m ，红莲平均中径分布范围 在9 3 2 1 1 7 2 m m ，其颗粒数的9 3 分布在1 0 0 0 - 1 1 o o m m ，因而从外形上红莲呈 椭圆形；白莲长径范围在1 4 3 2 - - 1 6 8 0 m m 内，其中分布在1 4 5 0 - - - 1 6 5 0 m m 范围内 的粒数占总测量粒数的9 1 ，白莲平均中径分布范围在1 1 1 4 , - - 一1 3 3 4 m m ，其中分布 在1 1 5 0 - - 1 3 5 0 m m 范围内的粒数占总测量粒数的9 8 ，可以得出白莲外形上呈圆形 ( 谢丽娟，2 0 0 5 ) 。根据赵小广的研究，红莲长径分布范围在1 5 5 0 1 8 4 0 m m ，其颗 粒数的8 6 分布在1 5 5 0 1 7 5 0 m m ，红莲平均中径分布范围在9 6 2 - 1 1 8 6 m m ，其 颗粒数的9 7 分布在9 5 0 1 1 5 0 r a m ，因而从外形上红莲呈椭圆形；白莲长径范围 在1 5 0 0 1 7 4 8 m m 内，其中分布在1 5 0 0 1 7 o o m m 范围内的粒数占总测量粒数的 9 6 ，白莲平均中径分布范围在1 1 1 8 1 3 7 4 m m ，其中分布在1 1 5 0 1 3 5 0 m m 范围 内的粒数占总测量粒数的9 4 ，可以得出白莲外形上呈圆形( 赵小广，2 0 0 6 ) 。根据 曾绍校、郑宝东的文章，他们收集我国7 个省份2 2 个野生及栽培的莲子品种，并对 其进行莲子种质资源外形品质的研究，其中包含有湖北洪湖的洪湖莲。最终得到野 生洪湖莲纵径1 6 o m m ，横径1 2 5 r a m 、栽培洪湖莲纵径1 7 5 m m ，横径1 4 o m m ( 曾 绍校等，2 0 0 7 ；郑宝东等，2 0 0 4 ) 。 分析以上数据，与本次试验莲子所测量的尺寸进行比较，由于在前期试探性分 级试验中可以观察发现，中径尺寸为莲子分级的主要依据，因此将前人对莲子外形 尺寸试验数据做为本章莲子尺寸的验证，以归纳莲子的分级规则。测量得到红莲平 均中径分布范围在9 6 2 - - 1 1 8 6 m m ，极差为2 2 4 m m ，其中分布在9 5 0 - - - 1 1 5 0 m m 范 围内的粒数占总粒数的9 2 ，与谢丽娟所得的红莲平均中径分布在1 0 0 0 一- , 1 1 o o m m 的粒数占总粒数的9 3 ，赵小广统计得到红莲平均中径分布范围在9 5 0 1 1 5 0 m m 的粒数占总粒数的9 7 相吻合；白莲平均中径分布范围在1 1 1 8 - - 一1 3 7 4 m m ，极差为 2 5 6 m m ，其中分布在1 1 5 0 - 1 3 5 0 m m 范围内的粒数占总粒数的9 5 ，与谢丽娟所 得的红莲平均中径分布在1 1 5 0 1 3 5 0 的粒数占总粒数的9 8 ，赵小广统计得到红 莲平均中径分布范围在1 1 5 0 1 3 5 0 m m 的粒数占总粒数的9 4 相吻合。 表2 4 莲子分级规则 t a b 2 - 4g r a d i n gs c h e d u l e so fl o t u ss e e d s 种类红莲白莲 档位一档二档三档 四档五档六档 七档八档 九档 十档 尺寸 9 9 5 1 0 1 0 5 1 1 1 1 5 1 2 - - -1 2 5 1 3 1 3 5 m m 9 51 01 0 51 1 1 1 5 1 21 2 51 3 1 3 5 1 4 因此可以归纳出白莲在外形尺寸上分布较红莲广泛，红莲分布比较集中。红莲 1 2 华中农业人学硕士学位论文 球度小，便于对莲子分级时进行导向。所以根据不同的农业物料有不同的分级标准， 依据测得的数据，可将莲子按平均中径尺寸分为若干个等级，级差为0 5 m m 。具体 规则参照表2 4 。 2 4 本章小结 莲子中径为制定莲子尺寸分级规则的重要参考依据，结合前人的研究结果，测 量计算得到干壳红莲子球度为0 7 3 ，白莲子球度为0 8 4 。红莲平均中径分布范围在 9 6 2 - - - 1 1 8 6 r a m ，极差为2 2 4 m m ，其中分布在9 5 0 - - 1 1 5 0 m m 范围内的粒数占总粒 数的9 2 ，白莲平均中径分布范围在1 1 1 8 , - - - 1 3 7 4 m m ，极差为2 5 6 m m ，其中分布 在1 1 5 0 - - - 1 3 5 0 m m 范围内的粒数占总粒数的9 5 。红莲长径及平均中径均值分别为 1 6 7 1 m m ，1 0 4 5 m m ；自莲子长径及平均中径均值分别为1 6 0 3 m m ，1 2 4 3 m m 。红莲的 长径比白莲子大，因而分级时易于导向。白莲子在外形尺寸上比红莲子均匀，分布 也比较集中。 1 3 第三章干壳莲子螺杆分级机设计 第三章干壳莲子螺杆分级机设计 3 1 螺杆分级机整体设计 3 1 1 螺杆分级机功能要求 干壳莲子螺杆分级机应能满足将莲子进行尺寸分级的要求，同时还能方便调换 不同的特征参数的螺杆轴组，调节分级螺杆组的转速和转向。 试验时应满足不同特征