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特色农产品芡实脱壳工艺及装备研究 摘要 芡实是富有地方特色的优质农副产品。具有较高的营养、保健和经济价值。 由于芡实颗粒小、外壳坚硬，外壳与内仁之间间隙小等特点，长期以来只能通 过手工进行剥壳，这种脱壳方式极大的影响了芡实产业的发展。研究芡实脱壳 技术及其配套机具将有助于突破种植容易加工难的瓶颈，带动芡实产业发展， 扩大种植面积，加快发展绿色农业，给芡实产区带来巨大的经济和社会效益。 本文首先通过理论分析了芡实的可脱壳性。在归纳分析现有坚果的脱壳工 艺技术的基础上，结合芡实手工脱壳方法，提出了全新的芡实脱壳工艺流程， 即分选一干燥一预破壳一柔性揉搓的组合脱壳方式。并通过实验验证了该方法 的可行性。 在根据设定的加工工艺设计脱壳机具的过程中，为分选装置的主要零部件 滚筒进行了设计和优化；为预割切装置参与加工的零件圆锯片参数和偏心弧板 参数进行了计算说明和优化；为柔性揉搓装置部分产生加工路径的四杆铰链机 构进行了设计。 关键词：特色农产品，芡实，脱壳工艺，装备 t h er e s e a r c ho nt h es h e l l i n gp r o c e s st e c h n o l o g ya n d m a c h i n e r yf o rt h es e e do fg o r d o ne u r y a l e ，t h ef a r m i n g p r o d u c t sw i t hl o c a lc h a r a c t e r i s t i c a b s t r a c t t h es e e do fg o r d o ne u r y a l ei sh i g hq u a l i t yf a r m i n gb y p r o d u c t sw i t hl o c a l c h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hh a v ev a l u eo fh i g hn u t r i t i o n ，h e a l t hp r o t e c t i o na n de c o n o m y b e c a u s eo fi t sm i n o rd i a m e t e ra n ds o l i d i t ys h e l l ，l i t t l ec l e a r a n c eo fk e r n e la n dn u t w ec a no n l yr i n di tb yh a n d ss i n c e i tb l o c k st h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y t h e r e s e a r c ho fs h e l l i n gt e c h n o l o g ya n dm a c h i n e r yf o rg o r g o nf r u i tc a nb r e a kt h r o u g h t h eb o t t l e n e c ko fp l a n t i n ge a s i l ya n dp r o c e s s i n gd i f f i c u l t y ，w h i c hc a nb r i n gg o r g o n f r u i tm e c h a n i z a t i o n ，e n l a r g ep l a n t i n ga r e a ，d e v e l o pg r e e na g r i c u l t u r ea n db r i n g l a r g ea m o u n t so fe c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s a tf i r s t ，t h es h e l l i n gp r o b a b i l i t yo ft h es e e do fg o r d o ne u r y a l ei si n v e s t i g a t e d i nt h e o r y ，a n dt h e nag e o m e t r i c a lm o d e li sa d v a n c e do nt h eb a s eo fd i m e n s i o ns t a t i c b a s e do nt h es h e l l i n gt e c h n i c so fn u t sb ym a c h i n ei ne x i s ta n dt h em e t h o db yh a n d s ， t h e nb r i n gu pab r a n d - n e wf i n d i n gm o d e ，t h a ti sc o m b i n e dp i c k i n g 、d r y i n ga n d k n e a d i n gt e c h n i q u e s a tl a s tt h ep r o b a b i l i t yo ft h es h e l l i n gp r o c e s si sv a l i d a t e db y e x p e r i m e n t s d u r i n gt h ep e r i o d o fd e s i g nt h em a c h i n e r yf o rs h e l l i n gt h es e e do fg o r d o n e u r y a l e ，p a r a m e t e ro ft h ec h i e fo fp i c k i n g d e v i c e ，r o l l c a n i s t e r ，i sd e s i g n e da n d o p t i m i z e d ；t h ef r e t s a wa n da r c s h a p e db o a r dw i t he c c e n t r i c i t yo fr e s ti sc a l c u l a t e d a n do p t i m i z e d ，w h i c hi st h em a i np a r t so ft h ea d v a n c ei n c i s i n gd e v i c e t h e r u b b e d - b o a r da n d g e m e l m e c h a n i s mw i t hf o u r b a r s ，w h i c he n g e n d e r t h e m a n u f a c t u r i n gp a t hi sa l s od e s i g n e d k e y w o r d s ：t h ef a r m i n gp r o d u c t sw i t hl o c a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h es e e do fg o r d o n e u r y a l e ，s h e l l i n gt e c h n i c s ，m a c h i n e r y 插图清单 图2 - 1 板栗真空爆壳机 图2 2 银杏脱壳装置示意图 图2 - 3 龙眼脱壳装置示意图 图2 - 4 芡实外观照片及截面形状 图2 - 5 一对集中作用力下外壳破裂源分析 图2 - 6 不同对数集中力作用于外壳的分布情况 图2 7 挤压割裂外壳的三种方式 图2 8 三种挤压方式下的压缩变形曲线 图2 - 9 双圆锯片一偏心弧板结构脱壳原理图 图3 1 挤压式剥壳原理图 图3 2 斜槽面挤压式剥壳原理图 图3 - 3 预切刀口的两种实现形式 图3 - 4 芡实脱壳工艺流程图 图3 - 5 设计方案的验证试验示意图 图4 1 滚筒式分级机结构 图4 - 2 正三角形分布孔和正方形分布孔 图4 。3 滚筒设计尺寸 图4 4 物料在滚筒中受力分析 图4 5 圆锯片参数说明 图4 - 6 切削刀辊的布置形式 图4 7 不同芡实直径下的6 m r 。曲线 图4 8 预切割辅助装置结构图 图4 9 搓板的结构 图4 一l o 所用铰链四杆机构的连杆轨迹 图4 11p 点的运动轨迹 8 9 1 0 1 l 1 2 1 5 1 6 1 8 1 9 2 2 2 2 2 5 2 6 2 7 3 3 3 5 3 6 3 7 4 0 4 1 4 2 4 3 4 5 、4 6 4 8 表1 1 表1 2 表1 3 表1 4 表2 1 表3 1 表3 - 2 表3 3 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 芡实中三大营养素分析 芡实种仁中维生素含量 表格清单 芡实种仁中矿物质元素含量 芡实中氨基酸含量 各级芡实对应的理想挤入角 实验一结果数据表一 实验二结果数据表 实验三结果数据表 芡实的直径分布及分级情况 滚筒设计尺寸表 各级芡实对应圆柱销有效直径 曲柄摇杆机构各杆长度 2 2 2 2 1 9 2 8 2 9 3 0 3 3 3 6 4 3 4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文魁本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知除了文中特别加以标注和致谓i 的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒b g 圣些n 厶生 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：耕火 签字日期：2 。年乡月矿日 签字日期：2 0 为年夕月 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒照三e 些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权垒 胆王些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者掩采乎良 签字e t 期；“年 月吁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：、 蟛目霹7 彭 通讯地址：曹十1 予酗蝌风，一 导师签名 签字眺砰厂月斫 电话： 邮编：杉- 。彭 致谢 首先，谨向我的导师高荣慧副教授表示最诚挚的感谢! 本文从选题、方案设计到具体实施过程中，高老师都给予了指导，期间倾 注了大量的心血。在这两年多的时间里，高老师严谨的治学态度、渊博的知识 和丰富的实践经验以及务实的工作作风给令我受益匪浅，为以后的工作建立了 良好的基础，再次向高老师致以最崇高的敬意。 在本课题的研究过程中，得到了机械设计教研室黄康老师、翟华老师和赵 小勇老师的指导和建议，在此深表谢意。 在本课题的实施过程中，感谢机械设计研究生工作室的各位同学给予的鼓 励和支持，另外要感谢2 0 0 2 级本科生张来文、佟成林等人在实验阶段的协助和 配合。 最后，我要感谢我的父母家人以及所有曾经帮助过我的亲友。感谢他们多 年来对我学习和生活上的支持和关怀。 作者：宋率展 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 汉杨雄方言卷三有言：“芡，鸡头也。北燕谓之；青徐淮泗间谓之芡； 南楚江湘间谓之鸡头，或谓之雁头，或谓之乌头。” 芡，俗称“鸡头”，睡莲科多年生水生草本，全株多刺。地下茎粗短，具 白色须根。初生叶沉水，箭形而小，后生叶漂浮水面，圆盾形或心形盾状，直 径6 5 1 3 0 厘米，表面深绿色，有蜡被，具多数隆起，叶脉分歧点有尖刺，背 面深紫色，叶脉凸起，有绒毛。叶上多皱折，叶下带紫色。花单生于花梗顶端， 伸出水面；萼片4 ，有刺；花瓣多数为紫红色；浆果鸡头状，海绵质，呈青绿 色、紫褐色或紫红色，密被尖刺。种子球形，直径约l e m ，黑色。芡栽培或野 生于湖泊、沼泽、池塘中；国内广布于温带和亚热带地区。主产地为江苏、山 东、湖南、湖北、安徽。国外主要分布于东南亚、俄罗斯、日本、印度和朝 鲜半岛。 芡实，俗称“鸡头米”，外种皮厚，表面光滑，呈棕黄色或棕褐色，种子 较大，种仁圆整，糯性、微涩、无毒。芡实有“南芡”和“北芡”之分。南芡， 以江苏苏州市郊区黄天荡一带栽培的为代表，其历史悠久，在国内外享有很高 的声誉，被称为“南荡鸡头”。北芡产于苏北、皖北一带，比南芡质量差，果 实遍生密刺，俗称“刺芡”。南芡果实上无刺但密生茸毛，果实比北芡大，果 皮薄籽粒大。 1 1 芡实种子形状及其种仁成分的分析 芡实有三层壳，芡实的可食部分一芡米从内到外依次被种皮、假种皮和果 皮包覆。鸡头果为浆果，呈鸡头状，果皮呈海绵质，表面密生锐刺。在水中成 长，一般在夏季7 - 8 月开花，8 月下旬至9 月下旬成熟，每株结果2 0 个左右。 形状近球形，大小差异较大，一般长径约1 4 c m ，短径约1 0 c m 。单果质量3 0 0 1 0 0 0 9 ，内有种子8 0 3 0 0 粒。假种皮呈薄膜状，有红色斑纹，由两层薄壁细胞 组成，其间充满空气，能使种子漂浮于水面随风传播。成熟的芡实种子近圆形、 棕褐色、光滑，颗粒大小不一。南芡实呈圆球形，直径o 6 1 8 c m ，上端1 3 呈黄白色，顶端有一小凹陷，下端2 3 为棕红色，表面平滑，去假种皮后呈白 色，质硬而脆，破开后，断面不平，色洁白，有粉性，无臭味；北芡实多呈半 圆两片，表面紫红色，剖面白色，富粉性，质硬而脆。芡实不分等级，南北芡 实均以颗粒饱满均匀、粉性足、无碎屑及皮壳、无霉烂变质者佳。 芡实主要以其种子内的种仁供食用，通称芡米。鲜芡米含水约6 3 ，干制 品含水量为l3 左右。据分析测定，芡实种仁含有丰富的蛋白质、碳水化合物、 脂肪等基本营养成分( 表1 1 ) 。【2 表1 1芡实中三犬营养素分析( g l k g ) 名称 食部水分蛋白质 脂肪碳水化合物 重量( g ) 1 0 0 08 4 7 3 4 8 3 9 经测定，芡实种仁中也含有多种人体所需的维生素，且维生素c 、维生素 e 和b 一胡萝h 素的含量均较高( 表1 2 ) ，其中维生索c 含量可与某些蔬菜 相媲美。除上述营养成分2 _ 9 1 - ，芡实种仁也含有丰富的钠、钠、钙、镁、磷、 锌、铁、锰、钴、锡等矿物质( 表1 3 ) 。 表1 - 2 芡实种仁中维生素含量( m g l k g ) 项目 v c v b l v b 2v e1 3 一胡萝h 素 含量( m g ) 4 21 0 9o 3 9 1 4 1 07 3 表1 - 3芡实种仁中矿物质元素含量( m g l k g ) 宏量元素 钾钠钙镁磷 锌 含量( m g ) 8 7 04 0 4 02 4 0 02 l o7 2 01 7 4 微量元素铁铜 锰钻硒 氟 含量( r a g ) 1 o5 21 7 66 0 42 91 1 9 据薄层层析法所得图谱分析可知，芡实种仁中含有近2 0 种氨基酸( 表1 4 ) ， 其中含有亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸等6 种人体 必需的氨基酸以及组氨酸和精氨酸等2 种幼儿必需的氨基酸。 表l 一4 芡实中氨基酸含量( r a g l k g ) 成分赖氮酸苏氮酸丝氨酸谷氮酸甘氨酸丙氮酸蛋氨酸亮氨酸酷氨酸 m g 2 9 43 8 25 7 41 8 3 12 9 3 6 1 68 7 8 5 63 2 4 天门冬异亮氨苯丙氨 成分组氨酸精氢酸脯氨酸胱氨酸色氨酸缬氨酸 氨酸酸酸 m g 7 6 93 7 56 7 62 0 81 0 57 85 3 26 3 72 9 5 1 2 芡实的功效和开发利用现状 在中国园林中芡系以观叶为主的水生植物，多与荷花、睡莲等配植为水景。 其根、茎、叶、果均可入药。种仁可食和酿酒。嫩叶柄和花柄去皮后可作无公 害水生蔬菜。全草还可作绿肥和饲料。 芡实含有大量对人体极为有益的成分，如蛋白质、钙、磷、铁、脂肪、淀 粉、维生索b 1 、维生素b 2 、维生素c 、脂肪油、核黄素、胡萝h 素等i3 1 。在 国内被广泛应用于制药、烹饪、食疗、酿酒和饮料加工等行业。 神农本草经卷云：“鸡头实味甘平，主湿痹，腰脊膝痛，补中除暴疾，益精 气，强志令耳目聪明。久服，轻身不饥，耐老，神仙。一名雁啄实。生池泽。”李时 珍本草纲目称：“芡实固精气，明耳目。”本草从新亦谓：“鸡头米，能 补脾固肾，助气涩精。”因此从中医角度来看，芡实味甘性平，入脾、肾、胃经， 具有滋补强壮、补中益气、固肾涩精、补脾止泻、益肾止渴、开胃进食、助气 培元之功效，具有较高的药用价值。 芡实用于食疗则具有养血安神、益肾固精、去湿健脾、止泻止带等功效。 服食芡实的方法，有做粉、煎汤等法。但方书中以粥食为多。如本草择要纲 目的“芡实糯米粥”，经验方的“鸡头粥”，本草纲目的“芡实粉粥”等【4 1 。 食用方法及医疗作用列举如下： ( 1 ) 芡实红枣粥适宜体虚、产妇、贫血、气短者食用。 ( 2 ) 芡实薏米粥对胃及十二指肠溃疡病患者，促使其溃疡面愈合有很好 作用。并有防止癌变的作用。 ( 3 ) 芡实莲子粥可健脾养胃，安神补心。适于一t l , 脾两虚的失眠、心悸、 气短、乏力、食后腹胀，以及腹泻带下等病症。 ( 4 ) 芡实茯苓粥适用于小便不利、尿液混浊、阳痿早泄等症状。 ( 5 ) 芡实炖老鸭经常食用可治疗糖尿病、骨蒸劳热、脾虚水肿、肾虚遗 精、消化不良、带下、泄泻等病症。 ( 6 ) 芡实莲子肉汤适用于脾胃不固的泄泻、遗精或心肾不交的心悸、失 眠、虚烦、消温等病症。 芡实还可用于化妆品，具有明显的消炎、祛除色斑、防止皮肤开裂等功效。 微量元素硒在芡实中的含量也较高，采用芡实有效成分制成的中成药具有维持 心血管系统正常结构和功能以及抗衰老的作用。另外还能有效地提高机体的免 疫水平。 在国内还出现了以芡实为主要原料的“芡实薏米羹”和以荷藕、慈姑、芡 实为主要成分的果蔬功能性保健饮料；用芡实为原料配制的“唐龙健身酒”名 扬四海，已经打入了国际市场，并陆续出口了数千吨。 1 3 芡实脱壳方法的演变 芡实的种植面积虽然不小，但是其单产很低，从而使得总产量很少，因此 芡实名气大而市场小，又加上加工手段落后、交通不便以及市场不完善等种种 原因，大多数芡农种植的芡实多自产自销，从而导致芡实的加工手段单一，加 工方法落后。数千年来一直以手工脱壳为主，直至近些年才出现由手工操作的 脱壳机械。 1 3 1 传统的脱壳方式 数量较少的芡实一般在秋季果实成熟时采摘，此后的脱壳步骤为去掉果皮， 取出种子，洗净晒干，破开硬壳，取净仁，最后晒干。一直延用至今的芡实种 子脱壳取米方法有三种。一是用手指甲或戴指甲套将芡实种子剥开；二是将芡 实种子放在嘴里用牙嗑开；三是用木槌捣或堆沤脱壳，然后将去壳的芡实米仁 用水洗净 5 1 。 去果皮时苏芡可用手直接剥开果皮或用刀直接剖开果实，从中取出种子。 刺芡果实有刺，去果皮比较困难，一般用两种方法去皮。一种是挤压法，即用 小刀从果实基部插入，置于木凳上，上放小木板，用脚踩紧，将小刀撬开果实 基部，即将种子挤出。此法比较费时，但所得种子质量较好，适用于留种。 另一种为沤洗法。其步骤分为三部分： 1 ) 去果皮。即将采收的果实堆放在水泥池或土坑内，厚8 0 c m 左右，上 盖稻草，浇水沤闷，每隔5 天左右翻动1 次，1 0 多天后，果皮沤烂，即可分批 装入箩筐内? 用清水淘洗干净。此法比较省时间，但种子受沤发热，质量稍受 影响，不能用于留种。 2 ) 踏籽。将脱过皮的种子移入木盆或木桶内，双脚穿胶鞋不停踩踏，使包 在种子外面的一层假种皮破碎脱去，再装入箩筐中冲洗干净，然后置阳光下摊 晒，至充分干燥为止。 3 ) 去种皮。对充分晒干或烘干的种子，要再除去种皮，通称为脱壳。这时 种子坚硬，必须用专用芡剪剪开种壳，或用机械加工，或用脱壳机脱壳。脱壳 后的干种仁通称干芡米，即可作为商品销售。 对于大面积的芡实采摘则要等到所有的芡实完全成熟并脱落植株后，此时 果壳完全裂开，假种皮未被浸烂的部分芡实漂浮于水面，大部分芡实由于假种 皮破裂而沉于水底，此时就需要用专用的网状工具从水底捕捞。捕捞后晒干， 然后手工挑除贝壳、杂草等杂质，就得到仅包覆种皮的紫褐色芡实，然后只需 要剥掉种皮即可。 以上几种脱壳方法虽然整米仁率高，米仁质量较好，但由于脱壳方法原始， 速度慢，剥壳的效率极低，而且还存在严重的卫生问题，影响芡米的产品质量。 4 1 3 2 芡实机械脱壳方法 由于芡实脱壳机械使用场合有限，迄今为止采用现代技术设计的机械化自 动脱壳设备很少。经过调查得知仅有一例：即于2 0 0 2 年3 月出现的由苏州水利 农机科学研究所的顾宪东、成永芳、陈松玲等研制的芡实种子剥壳机( 原理机) ， 该机初步实现了芡实剥壳的自动化。其剥壳方法是将芡实冷冻预处理后剥壳。 一小时能剥几十千克，剥壳率达到7 0 至8 0 ，完整率达到8 0 至9 0 。其 不足之处在于冷冻后的芡实还要经过解冻，会影响品质并且仍处于研究阶段， 没有做大范围的推广。 1 4 本课题的主要研究内容及研究意义 1 4 1 研究意义及课题来源 有代表性的芡实的生产工艺如下1 6 】： 1 ) 冷冻工艺步骤： 剥掉外壳一取种一踏除假种皮一漂洗一除种皮一取出芡米一预冷一验收一 护色一分级一预煮一冷却一漂洗一装袋一速冻一冻藏。 2 ) 干制工艺步骤： 撬去果皮一踩掉假种皮一清洗一晾晒一剪去种皮一取出芡米 3 ) 罐制工艺步骤： 除去果皮一踏除假种皮一清洗一剥除种皮一取出鲜芡米一洗净一护色一煮 沸( 糖水中) 一罐装一真空封口一高温杀菌一冷却一装箱 从以上的工艺看出，对于芡实食品的工业化生产，脱壳工序是不可缺少的， 而作为食疗配料以及中药药材的芡实则更需要脱壳，因此研究高效的脱壳方法 具有重要的学术意义和经济意义。 随着对芡实成分、功效的研究和开发日益深入，仅仅依靠手工脱壳的芡实 深加工手段就显得越来越滞后于市场需求。尽管芡实的功效研究已经有了长足 进步，但芡实脱壳机械化和自动化仍处于刚起步阶段，芡实产品开发中最为关 键的脱壳工序还主要由手工来完成，不仅费时费力，不符合工业生产要求，而 且严重影响了成品质量和加工效率，致使芡实的综合利用水平低下。 发展芡实经济是比较具有地方特色的举措，而且可推广范围广，并具有显 著的经济效益。首先，种芡实的经济效益远高于一般粮食作物。江苏省某市实 地测算后公布的芡实米仁每公顷产量在3 5 0 k g 左右。目前市场价格每千克7 5 元左右，芡实每公顷产生的经济效益达2 62 5 0 元，且无需过多施用肥料，又很 少使用农药。而一般农田种植水稻，以一年双季，每公顷产量1 05 0 0 k g ，每千 克售价0 7 元计算，每公顷收入仅73 5 0 元，还要花费更多的农药和化肥费用， 其次，芡实种植多利用湖边、池塘边等低洼水田，很少占用农田。可大力发展 使其成为国际、国内市场急需的绿色农业，为农村和农民创造更多的经济效益。 芡实可脱壳性研究和脱壳设备的试制对于扩大芡实的使用范围，降低芡实 剥壳成本，提高剥壳效率和精度以及对加强芡实功效的深入研究和开发、减轻 剥壳的劳动强度等方面均具有非常重要的意义。只有这样才能从根本上解决限 制芡实产业发展的制约因素，芡实产业才会有更巨大的发展空间，才能提升芡 实产业的技术水平，产生更大的经济效益。才能为农村产业结构调整、促进农 民增收和改变农村面貌做出更大的贡献。 1 4 2 课题的研究内容 本课题的主要研究内容是：研究芡实外壳结构和可脱壳性，以及高效的脱壳 原理、方法和装置。 首先分析芡实的几何和物理特征，进行可脱壳性研究。在此基础上，提出 加工单个芡实时的受力分析模型，从模型求解出外力作用下可能的最大应力区 域。同时，研究现有的坚果脱壳方案，提出脱壳工艺的新方案并进行理论分析 和实验验证，找出对脱壳起主要作用的因素，从而确定对脱壳效果影响较大的 主要工艺参数。从所提方案中选出具有较好脱壳效果、较高脱壳效率的方案。 最后依据确定的脱壳工艺方案设计相应的脱壳设备，并根据理论分析结果优化 主要的工作部件结构参数。 第二章芡实的可脱壳性分析 2 1坚果的现代脱壳方式 经过数千年的发展，人类加工坚果时的脱壳方式已经由最原始的手工脱壳 发展成为种类繁多的现代化的自动脱壳方式，概括起来，现代的坚果脱壳方法 可分为能量脱壳法和机械脱壳法两大类。 2 1 1能量脱壳法 能量法包括常见的非机械脱壳方式，如化学脱壳法、火烧法、能量爆壳法、 真空爆壳法以及激光加工等方法。 1 ) 火烧法【7 1 该法用液化气火焰在高温下将板栗外壳烧掉，然后对未烧尽的板栗进行挤 压刮皮，使板栗的仁衣分离，将壳、仁和仁衣一起送入到分离器，栗仁在此被 分离出。再将栗仁进行碾磨、清洗、最后得到成品栗仁。这种方法脱壳率很高， 但燃烧温度较难控制，很容易使板栗熟化、甚至焦化。故必须将栗仁表面磨去， 以获得干净整洁的外表，但有一定损耗。 2 ) 能量爆壳法 能量法是近年来才出现的坚果脱壳新技术，其原理十分简单，输送坚果进 入一个高温高压的环境中一段时间，聚集大量的热量于坚果壳内，然后瞬间脱 离高温高压区域，这时聚集在坚果果壳与果仁之间的爆破压力瞬时将果壳爆破， 使得果壳与果仁脱离。其适用于对坚果果仁完整性要求较高的深加工场合。并 且能量法设备的适应性强，不论坚果颗粒大小均可加i t8 l 。 日本开发的板栗爆壳技术其设备如同中国老式的爆米花机，工艺流程为： 首先将新鲜板栗加入专用爆壳容器内，利用自锁装置将容器密封，然后用煤气 加热装置的高温火焰加热，使爆壳容器内的温度压力急剧上升，维持1 0 分钟左 右使得爆壳机内部处于压力和温度都均匀的稳态，然后突然将自锁密封装置打 开，使板栗在常温常压下迅速完成脱壳。这种板栗爆壳设备不能连续加工，加 工能力小；并且由于只能加热容器局部，使得在升温阶段板栗受热不均，影响板 栗脱壳质量。 能量法中比较有代表性的有z l 8 5 1 0 3 3 9 6 a ( 专利) 公开的蒸汽加压膨胀后 突然减压破壳的技术设备，板栗从入口处经进料阀进入蒸汽压力容器，在一定 压力和温度下，由螺旋输送机推到另一端，经出料阀进入壳、仁分离器进行分 离。这种技术设备的脱壳率较高。但是由于采用蒸汽使栗仁熟化，影响加工后 成品的品质，对要求进行生加工的场合不太适用。另外，这种设备需配备专用 的进出口料阀，投资相对较大。 还有一种板栗脱壳设备工艺流程为；板栗经喷淋器喷淋后，由输送带送入 料斗中，经由进料转阀在密封的条件下进入螺旋推进加热器的较低端，在螺旋 翼的推动下板栗向较高端行进，在行进过程中利用高温高压蒸汽进行加热，板 栗到达较高端时已经吸收到足够的能量，从而形成了板栗外壳、红衣与栗仁之 间的处于高温高压状态的蒸汽热能爆破动力层。然后经由出料阀在密封条件下 突然释放到常温常压条件下，在爆破动力作用下，板栗外壳、红衣与栗仁分离 并落入盛水的接料箱中，浮在水面上的外壳和红衣受到喷水器喷出的水流冲击， 然后被拨轮拨到输送带；而沉于水底的栗仁则经下部出口被冲落不同的输送带 上，由输送带送出。 3 ) 真空法 真空法是近两年在我国产生的一种新型脱壳技术，其原理与能量法异曲同 工，其区别只是将产生脱壳爆破动力层的正压力变成了负压力。由于能量法脱 壳工艺的实现不仅对设备要求高，而且工艺操作要求严格，容易使外壳和果仁 同时爆裂，造成大量的次品。而在真空条件下，将具有一定水分的生坚果加热 到一定温度并在特制容器中获得足够的真空度，这样坚果果壳外部压力就会降 低，并且内部处于相对较高的压力状态下；同时加热时外壳的水分不断的蒸发 而被移出，使其韧性和强度降低，脆性大大增加。 1 旋转接头2 对称圆锥型夹套干燥室3 横向翻料板4 内部空心加热翻料板 图2 1 板栗真空爆壳机 比较典型的例子如图2 1 所示陕西科技大学党心安教授等研制的板栗真空 爆壳机工艺为：板栗装入干燥室2 后，先由真空系统抽真空，同时泛汽通过蒸 汽管道4 和内部空心加热板通入，对干燥室内板栗进行间接式加热：加热的同 时，干燥室在传动系统的作用下不停旋转，使得板栗受到3 和4 及干燥室壁的 碰撞和搅拌作用而提高了传热效率，缩短干燥的时间；这样经过一段时问板栗外 壳即在内外压力差下爆开【9 l 。 2 1 2机械脱壳法 机械脱壳方式是目前应用最广的坚果脱亮方式，很多蟹果的脱壳都是采用 机械来进行。运用合理的设计可以模拟传统的采用人力脱壳的过程，采用机械 机构来实现预定的碾、压、搓、揉、撕扯等动作。从而增加脱壳的效率和质量。 并且这方面的研究也相对成熟，可供借鉴和利用的资料相对较多。几种常见的 坚果机械脱壳方法如下所示： 1 ) 荔枝： 荔枝经振动喂料槽被送到夹持区，荔枝被两橡胶环轮夹持并随橡胶环轮旋 转。到开口区时，固定在两橡胶环轮问内环端开! z i 刀在荔枝的底部开一个口； 随后荔枝被带到脱皮区，在脱皮区，在两橡胶环轮之间出料轮阻止荔枝继续前 进，由于荔枝皮与橡胶环轮之间的摩擦力较大，荔枝皮继续前进，而荔枝肉则 被阻挡，留下的荔枝皮通过出料轮与橡胶环轮及转轴之间的间隙继续前行，在 另一位置被去皮轮甩出机外；各通道被留下的果肉落入果肉出料斗集中送出。 如此循环完成整个剥壳过程【l 。 2 ) 核桃 由吴子岳等试制的绵核桃剥壳机采用了双齿盘一齿板式剥壳原理。当芡实 喂入到剥壳装置时，齿盘旋转带动绵核桃边旋转边向里挤入，一定间距的齿尖 不断的沿着外壳表面刻压，使得裂纹不断扩展，最后外壳基本上完全破裂，碎 壳和仁通过最小间隙落下，最后分离碎壳和核桃仁即完成整个过程j 。 3 ) 银杏： 由王灵军等人试制的银杏脱壳机采用了两辊对辊的改进方式【l “，如图2 2 所示。其中的一个辊子改成静止的，并且其形状变成圆筒形。 动 辊 图2 - 2 银杏脱壳装置示意图 安装时静止的部分与运动的辊子曲率方向相同。只是静止部分与转动部分 9 轴线需相差一个高度，致使静止部分与转动部分的间隙由上部到下部从大到小。 动辊材料具有一定弹性。银杏通过此间隙时同时受到挤压、扯、揉、碾等作用， 从而增强脱壳的效果。静辊上装有弹性装置，通过调整弹性装置来保证合适间 隙，使果实的外壳在脱壳通道的高处开始受挤压力，在通道中受碾揉，出通道 时果壳、果仁分离。 4 ) 龙眼 如图2 - 3 所示，因为轧距小于龙眼鲜果直径，龙眼鲜果不能在分离凹板螺旋 槽内左右方向移动，且轧距自上而下递减，随着龙眼鲜果不断向下运动，其所受压 力逐渐增大，直至挤破果壳。挤破的果壳被滚筒上凸齿抓取，在滚筒与凹板的配 合间隙被强行撕剥，沿滚筒切线向后抛出，落到集壳板上。剥壳后的核果直径小 于轧距，沿着分离凹板螺旋槽下滑，从底部的开1 ：1 处滑出，完成剥壳且果壳与核果 自动分离的过程3 i 。 核果 图2 - 3 龙眼脱壳装置示意图 5 ) 板栗： 较常见的一种脱壳方式是先将鲜板栗用提升机输送到脱壳机上方，板栗由 刮料机构从一端移送到另端。脱壳机下面是高速旋转辊刀和高速击打钢片， 旋转辊刀把板栗外皮切破，在高速击打钢片的打击下，将板栗外壳打掉或打松， 板栗从另一端出去，然后进入高压气流脱皮机。在这里板栗被分配到一定大小 的许多管子内，用高压气流压入管内，让板栗在管子内高速旋转，外壳随气流 从管子的上端流出进入垃圾回收器。板栗仁外面将只剩下红衣，最后进入到专 门的红衣脱皮装置l l ”。 这种设备剥壳率较高，破碎率较小，但红衣去净低，一般需要增设专门的 红衣二次去除设备。这种机组结构复杂，部件制造精度要求高，价格昂贵。 浙江大学化工机械研究所1 9 9 8 年所研制的板栗脱壳机采用双排双向高速 刀辊对板栗进行高速切削和高速击打脱壳。该设备的原理主要是将原料板栗首 先进行大小分类，对不同大小的板栗分别放置，并进行不同处理。将己分类的 板栗进行较低温度的干燥，然后放入机械脱壳机进行脱壳。该脱壳机是一种高 速刀具不断脱去板栗外壳的机械。首先将板栗破壳，板栗在脱壳机内被高速刀 具快速切割的同时被螺旋推料器不断地向出口处推进 1 5 】。 这种方法虽然脱壳率较高，但栗仁损伤严重，经脱壳后的栗仁需进一步加 工才能满足要求，同时增设了板栗的筛选工序，使整机结构复杂，造价较高。 由上面的几种机械脱壳方式可以看出，采用挤压方式脱壳最多，显然挤压 脱壳是比较成熟的机械脱壳方式。 2 2 芡实的可脱壳性研究 对于其他坚果如核桃板栗等至少已有相应脱壳装置用于工业生产，而用于 芡实的脱壳装置则基本上是空白，又因为坚果各自物理特性、几何特征以及果 实结构的不同，脱壳装置之间几乎不具备通用性。因此在研制芡实的脱壳装置 之前，先要对芡实的可脱壳性进行研究。 图2 - 4 芡实外观照片及截面形状 芡实外形为不规则球体，通过芡实外观照片及截面形状( 图2 - 4 ) 分析芡 实的几何特征可知：1 ) 芡实沿厚度方向有凸起，除凸起外其余厚度比较均匀； 2 ) 芡实表面大部分光滑，但有少量轻微凸凹处存在。3 ) 芡实干果果仁与外壳 间的间隙较小，但间隙比较均匀。3 ) 部分芡实外壳尾部有小孔。这种不规则的 卵形果实加工时不太容易定位，受力后很容易破碎，崩壳性好，整体强度低。 芡实外壳比较坚硬而果仁强度底，壳仁间隙小，形状不太规则，颗粒直径 小而不容易定位等这些特点都使得脱壳存在很大的难度。芡实干果的果仁和果 壳之间有一定的间隙，而鲜果的果仁与果壳之间几乎不存在间隙，而且鲜果果 仁含水量大，呈浆状，在一定程度上会阻碍脱壳的作用，如果对鲜果直接脱壳 则难度较大，因此干果相对于鲜果具有更好的可脱壳性。 芡实外壳主要有纤维素和半纤维素组成，仁壳间间隙较小，壳质硬而较难 破壳。果仁和果壳是不同的材料，果壳的刚度相对于果仁要大很多倍。为了增 加脱壳率，必须使内仁破壳前变形量尽可能小，而破壳前的变形量除了与果壳 的纤维含量相关以外，也和果壳的含水量有关，随含水量降低，果壳脆性增强， 破壳前变形量也会减少。 芡实的果壳在受力破坏时呈脆性，没有延展性。在不同方向加载单个集中 力时裂纹的产生部位和扩展方式是相似的：裂纹产生部位是随机的，但是其分 布是呈轮辐形状以加载点为圆心向四周发散。同时加载中心伴有凹坑，这是由 于集中载荷作用下壳体加载部位刚度不够而产生的较大变形。经测定使果壳开 裂的挤压力在6 0 1 0 0n 之间，挤压力的大小与载荷的加载速度有关，加载速 度增加，则由于冲击作用，最后测得的挤压力要小一些。考虑到加载速度以及 外壳不均匀性的影响，在以后计算时统一选取挤压力为1 2 0 n 。 2 2 1 破裂源的分析 芡实种壳材料可认为是各项异性不太显著的本质材料，可以简化为均匀薄 球壳利用薄壳理论进行力学分析。 图2 5 一对集中作用力下外壳破裂源分析 当均匀薄球壳受到一对法向集中力作用时，如图2 - 5 所示，在集中力作用 点附近区域弯曲力矩较大，须采用弯矩理论计算薄膜力n 十、n o 弯曲力矩m 。、 m e 以及横向剪力q q ，因为芡实种壳是脆性材料几乎没有塑性变形，故认为壳 的泊松比u = o 。根据弯矩理论内力公式【1 6 1 ，代入u 值简化后得到： 一= 一簪c 驯f + 古 耻案t 黝专e 分 石r m v = - 寺z ( k e 巾删窃 m e = 一p z i ( 土；x e ) 彩2 一嚣( 脚铆 ( 2 1 ) 式中r 为球壳半径， 为壳的厚度，妒为球心角，p 为集中力。胁r 亭、k e r 4 、 、k e i f 都是零阶汤姆生函数，均为复杂的无穷级数展开式。因此，当芡实 球壳的，、h 给定时，在集中力附近区域内任一p 角的圆截面上的内力就可求出， 下面给出集中力处( 即妒= 0 ，乒0 ) 的内力值。 f q q , = 一o 。 1 m 缈：哪 j 妒n o 4 i p l s h ( 2 - 2 ) l m 妒= 0 在集中力处弯曲力矩及横向剪力均趋于无穷大【1 7 l 。实际上由于力不是作用 在一个点上而是一个以该点为中心的一片小区域上，故不可能为无穷大，而是 一个很大的值。由于芡实种壳的抗弯能力远小于抗压能力，因而外壳的破裂首 先从集中力作用处开始，集中力处是一个破裂源。 o 2 2 2 集中力作用时各区域内力分析 1 ) 远离集中力作用点的区域内力分析【1 8 】 远离集中力作用点的区域中主要存在的是薄膜力，弯曲力矩很小可不加考 虑。在球心角为甲的圆截面上，内力总和应等于外力p ，即 p = 一【n o s i n r s i n 口o d o = 一2 万s i n 2 9 毗一赢；n o 一丽l - ( 2 - 3 ) 在一对法向集中力作用下的变形分析： 根据无矩理论推导出经线方向位移u 和法线方向w 的基本公式【17 1 ，由于 受力模型是轴对称变形，故纬线方向的变形量v 为零，代入p = o 可以得到： u=驾等；矿勘疗等+_f；管1sh1 1e h ( 一圳c口d口 一 式中a = i n t a n ( q 2 ) ：c h a = c s c t p ，进一步简化得： 麓 p f ，、l 中其 【，：竺旦 z r e h c h 口 l 形= 丽p 4 ( 1 - c t t h c r ) - c h 2 a 令m ) = i 1 4 ( 1 - a t h 口) 一c h 2 口 ， 2 ) 集中力作用点附近区域的位移分析： 在集中力作用点附近区域内，内力虬和是有限值，根据胡克定律可知， 应变和内力的性质相同。而位移是应变的积分，因此位移u 和都是有限值。 【等椰= 面r ( q 一圳 l u c 唧+ 矿：云( 一q ) 代入u = 0 ，化简、消元后可得常系数一阶微分方程 等砒岍云( 虬一n o ) u ：去。；n 妒i - a p 去s i n 妒。p 由此可知在集中力处，即当币= 0 时，因此上式可化简为 当r 、h 和p 给定时，法向集中力的法向位移w 与其力p 成正比。因此， 集中力处给定的法向位移越大，相应的外力p 也越大，因而壳中产生的内力越 大，外壳越容易破裂。 2 2 3 最佳集中力对数分析 图2 - 6 表示了分别为1 、2 、3 、4 对法向力作用在壳上的情形，下面从内力 大小、破裂根源两方面进行分析比较以便得出使外壳能完全均匀破裂的最佳法 向集中力对数。 1 4 2 妒 ， 旦劢 | i 矿 贝 延跏 旦勖 一 = k o 二肋 = = ，j、，l 图2 - 6 不同对数集中力作用于外壳的分布情况 4 压缩变形量是指挤压装置作用在壳上一点向里挤压时由外力产生的压缩 量，外壳在该点的实际压缩变形量称为位移。有胡克定律可知当单个外力作用 时，p 与位移成正比。设定当一对集中力尸在外壳上时，压缩变形量为d ，则 作用点位移也为d 。当壳上分别均匀作用大小相同的二、三、四对法向集中力 时外壳集中力处的位移计算如下： 一 ， 二对集中力下的位移为：研l + f ( 9 0 。) f ( 0 ”) 】= 1 2 5 9 6 一 ， 一 三对集中力下的位移为：研1 + 2 f ( 6 0 。) f ( 0 。) 】= 1 1 3 4 6 ， 四对集中力下的位移为：6 1 + f ( 9 0 。) l s ( o 。) + 2 f ( 4 5 。) s ( o 。) = 1 1 0 1 6 由此可知在两对法向集中力作用下，外壳上作用点的位移最大，则作用在 壳上的外力最大，也即说明壳中产生的内力也是最大的，外壳最容易发生破裂。 根据薄壳理论，球形薄壳受压能力弱，受弯曲能力强。根据断裂理论，应力 集中和交变应力有利于裂纹的产生和扩展，应力集中点和裂纹处是断裂源。因 此可以将挤压脱壳机构工作表面制造成齿纹状，一方面使剥壳机构与芡实的接 触部分面积减小，接触点应力增加，应力较集中，所产生的裂纹区域比单个挤压 力作用下所产生的裂纹区域要大的多，并且裂纹条数也较多。另一方面，齿纹能 增加其表面粗糙度，有利于增加摩擦力，使芡实在破壳机构处于纯滚动状态，这 样作用在壳上的是间距较小的交变壳压力，有利于裂纹扩展。因此，在剥壳机 构上开齿能产生较多的应力集中点，可以让芡实旋转使其承受的应力变成交变 应力，有利于薄壳破裂。 通过以上分析，两对集中应力，采用滚动挤压，在剥壳机构上铣齿纹有利于芡 实的剥壳取仁。 2 2 4 滚动挤压方式的选取与优化 滚动挤压割裂外壳基本上有图2 7 所示的三种方式【1 9 】。图中芡实简化为 半径为r 的圆，圆盘半径为r ，两挤压部分间隙均为s ，偏心弧板的半径为r 偏心距e = r - r s 。 1 双辊对挤结构2 圆辊直板结构3 圆辊弧板结构 图2 7 挤压割裂外壳的三种方式 1 ) 芡实的旋转角 第一种方式，芡实在圆盘锯片之间没有旋转，故旋转角o = o 。第二三种方 式，芡实则绕着接触点旋转，由于芡实种皮外表面并非理想的球形，且有定 的凹凸度，表面比较粗糙，因此认定向下无滑移现象，将芡实外壳的挤压破裂 过程近似简化为绕质心( 球心) 的匀速转动和质心的匀速平动的复合运动，其 运动过程可以简化为绕瞬心点作向下的纯滚动。 匀