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柿子 削皮 研制

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47農業機械學刊第 8 卷第 2 期1999 年 6 月 柿子削皮機之研製 陳 文 彬 國立嘉義技術學院農業機械工程系講師 摘要 柿餅加工過程中 削皮作業直接影響全程的加工品質 台灣地區現階段使用 的柿子削皮機仍無法一次完成削皮作業 尚需依賴人工再行補修 非但浪費工時 且造成柿子削皮不均 以致影響產品的品質 為解決勞力不足 提高產品品質 實有必要發展高性能的削皮機械 本研究所研製的削皮機係以靠模原理利用彈簧 的力量使刀架刃部接觸柿子 止塊沿凸輪環運動完成進刀與退刀作業 試驗結果 顯示 柿子曲率半徑於柿子外形上各點大小差的範圍約 4 4 mm 柿子果蒂處果皮 組織硬度最大 果尖果皮組織最具韌性 切削角 22 時削皮完整率最高 17 次之 27 最低 削皮厚度 0 4 mm 刺針轉速 300rpm 削皮完整率最高 重疊率低 刀具轉 盤的轉速與刺針桿轉速比為 1 9 時削皮完整性最為理想 重疊現象最少 削皮作 業能力每分鐘可達 10 12 個 關鍵詞 柿子 削皮 靠模力 THE DEVELOPMENT OF PEELING MACHINE FOR PERSIMMON FRUIT Wen Bin Chen Instructor Dept of Agricultural Machinery Engineering National Chia Yi Institute of Technology ABSTRACT Peelingoperation affects directly the product quality in persimmon fruits process Theconventional peelingmachinesmay not have persimmonfruitspeeling perfectly Compensation by manual operations is needed The emphasis of this study is to develop a new peeling machine to improve the effect of persimmon fruits peeling Applying the approach mold theory this peeling machine provides a tensile force by a coil spring to ensure the blade intimately contact the profile of the persimmon fruit beingpeeled A camas well as a stopblockdrives the blade approaching orrecessing Experimental results showed that the differences of curvature radii of a sampling persimmon fruit are less than 4 4mm The textures of fruit skin have maximum hardness and crispness on the stem and maximum tenacity on the top of fruit To the blade the best cutting angle of peeling is 22 The peeling effects decline as the cutting angle changes to 17 or 27 respectively When the rotary speed of thorn 48農業機械學刊第8卷第2期1999年6月 arrives 300 rpm a complete peeling may be obtained and peeling thickness is 0 4mm The highest efficiency is obtained when the rotary speed ratio between knife tray and throne is 1 9 The peeling capacity of this machine is around 10 to 12 persimmon fruits per minute Keywords Persimmon fruit Peeling Approach mold force 一 前言 柿子是我國原生的果樹之一 已有三千多年 的栽培歷史 柿子果實色澤美麗 營養豐富 滋 味甜美 自古以來就受到文學家之讚譽 張仲殊 曾在詠柿一詞讚美柿果說 味過華林芳蒂 色 兼陽井沈朱 輕勻絳蠟裹團酥 不比人間甘露 台灣地區柿子的栽培面積有 1 833 公頃 台 灣農業年報 1997 年產量 15 811 公噸 製柿 餅的品種多為中小型的無子品種 康 1990 主要使用之品種為牛心柿 產地為嘉義縣及苗栗 縣 與石柿 產地為苗栗縣與新竹縣 傳統柿 餅之製造過程全部仰賴日曬 就是利用秋季天然 之陽光 將削皮後之柿菁曝曬其下 使柿果在乾 燥溫和的環境下 逐漸脫去澀味與水分 其間並 經過 2 3 次之硫燻 史 1995 及反覆揉捏成型 而成柿餅 整個過程需時 7 12 天 時間長短依 照天候 柿果大小而異 做為柿餅之柿果一般都 在果實七 八分熟時採收 未達七分熟之柿果所 製成之柿餅 其外觀乾扁 且食味亦差 過熟之 柿果削皮困難 且不易乾燥 腐爛率高 製柿過 程中容易發生微生物感染而引起之腐爛 尤其以 在陰雨天或相對濕度較高之氣候下為甚 柿果在 削皮後以微量之硫磺燻蒸約 5 分鐘 可以控制微 生物之滋長 柿餅原料之選別在於剔除畸形 病蟲害 未 熟果及過熟果 未熟果可在室溫下追熟 如無法 追熟至八九分熟者不能加工 柿子多以不銹鋼 刀或銅質刀具削皮 削皮厚度越薄越好 厚度需 一致 目前農民已有自製之削皮機 因削皮時皆 由兩端夾住柿子 削皮會產生汁液而發生打滑致 使削皮效果不好 尚需一人做修補工作 光是修 補與削皮就需要兩個人工為之 與每一人一日新 台幣 1000 元估算 一季下來一個加工場僅是削皮 與修補之人工成本約 18 萬元 且在農忙時期 每 年約 10 月至 11 月 有找不到工人之可能性 本研究主要的目的是設計高性能的削皮機 械 以解決柿子削皮的問題 改善柿餅加工方 法 使柿餅加工邁向機械化與一貫作業化 提高 製造衛生標準 增加工作效率 減少農村勞力之 需求 降低生產成本 增進果農的收益 二 文獻探討 柿餅加工過程首要解決的問題為柿子削皮 關於柿子削皮機至今甚少被研究開發 仍停滯於 農民自製削皮機階段 該削皮機係由果蒂及果尖 處夾持固定柿子 機械作業時夾持處必定無法削 皮 尚須人工補削 而柿餅加工時正逢採收期 必造成人工短缺現象 為解決農村勞力不足 實 有必要開發較高性能削皮機 研發削皮機應對果物之物理性質需深入暸解 以供未來機構設計之基準 Mohsenin 1986 利用 蘋果的彈性模數 modulus of elasticity 做為果實的 成熟度與品質指標 Wan et al 1992 發展一黏塑 性模型探討蘋果和西洋梨在不同成熟期之堅實度 的變化情形 並據此建立最佳的堅實度參數判定 方法 該研究在以西洋梨所做的實驗中 係以兩 平板壓縮蔬果所獲得的力與位移曲線代入該黏塑 模型 所求得的初始切線斜率 轉折點及曲率變 化率等參數與穿刺力和最大壓縮力做比較 能有 效的表示西洋梨成熟度的變化 截至目前 柿子削皮機之相關文獻有限 國 內亦少從事這方面之研究 梁等人 1991 曾研究 全自動水果削皮機之研究 其應用全自動控制微 處理系統 以單位化連續供料 並藉自動固定軸 完成果體固定及下卸 配合自動往復刀座 達到 水果削皮功能 其削皮作業能力平均每分鐘十 49柿子削皮機之研製 粒 陳等人 1994 曾從事青芒果去核切片機之研 製 其設計一部可容納 60 公斤原料果之自動供 料機 可解決容料桶內果實架橋現象並提高供料 精確度 林 1993 曾研究愛玉果粒削皮機 由光 電回路 氣壓控制回路 機械式控制機構 沖洗 機構及可程式控制器所組合而成 以達到果柄部 的判斷與切除 果汁的沖洗 果粒夾持及削皮等 功能 其削皮裝置有四組成對的刀具分為四層 全高 900mm 依四方位而設置 因此削皮後之 果粒呈八角狀 刀刃部為活動形 刃部之後有 一導片以使所削的皮不致落於下方刀具上 以免 阻礙了進刀 刀刃部的伸出是藉由下端支持部內 的彈簧力所推出 兩刃部間的自由間距為 20mm 果尾端無法削到的部份 刀刃與刀托之間的 距離即決定了削皮的厚度 刀托由小彈簧向後拉 住 致使刀刃在未切削時即迎向果粒 氣壓缸將 果粒下送時刀刃則切入果皮內 刀托則會沿著果 形而移動 如此刀刃下端支持部內的彈簧將施於 刀刃一推力並且依果粒的向下移動張大其刃間距 離以利果粒的被削及通過 然而此機械因利用氣 壓需要另一空壓機 增加了成本 陳 1995 曾研 究連續式青芒果削皮機之研製 係利用連續式削 皮方法 將青芒果機械化削皮 操作時只要將適 量果實放進帶料桶內 藉由桶的移動帶入迴轉中 的刀盤上即可進行削皮作業 隨著桶的移動又可 將削皮完成的果實自動帶出 構成可連續進料 削皮 自動出料的作業機構 其削皮機作業能力 每天可處理原料果 1 5 噸 比人工作業快約 6 倍 削皮率達 95 回收率 60 以上 Singh 及Shukla 1995 曾研究馬鈴薯削皮機 應用削皮鼓 螺釘和噴灑裝置完成馬鈴薯削皮作 業 其作業能力每小時 100 公斤 削皮效率為 78 削皮損失率為 6 而處理 1 噸馬鈴薯所需 費用為 3 85 美元 三 試驗材料與方法 從事柿子削皮機的研製 首先須暸解柿餅加 工製造整個過程與柿子的物理特性 以做為機械 設計的參考 為達到最佳化的設計 本試驗機經 由試驗求得各機構間之最佳模式 以做為整台機 械設計的基礎 試驗材料 本研究採用的柿子 購自嘉義縣番路鄉 品 種名稱為牛心柿 採收期為 10 11 月 為了控制 材料品質及減少因存放而產生品質上的差異 採 收後立即運回實驗室 並實施人工選別 剔除果 蠅叮傷之不良品 且因要求柿餅加工過程之乾燥 一致效果 故挑選大小相近 成熟度 8 9 分熟的 鮮果柿子 隨機取樣 24 個 立即進行測試 試驗設備 1 黏彈性物質物性分析儀 textureanalyzer 廠牌 機型 Microstable System Co TA TX 以線性 可 變 微 分 轉 換 器 linear variable differential transformer L V D T 作為位移感測元件 102B 600transducer 以荷重元 loadcell 為負荷感測 元件 152A 50 荷重範圍為 0 25 公斤 探測 試棒之驅動速度可調整 2 直徑為 3 03mm 的圓柱針頭 3 個人電腦及週邊設備 4 UMAX Astra 1200S 平台式掃描器 scanner 5 Mitutoyo Pj 2505p 平面投影檢查機 角度範圍 370 精確度為 1 1 60 度 6 Mitutoyo游標卡尺測試範圍 0 200mm 精確度 0 05mm 7 轉 速 計 測 試 範 圍 0 10000rpm 精 確 度 為 1rpm 試驗方法 1 物性分析 削皮機各試驗條件及量測方法如下 柿子外形的量測 利用 LEO Persica 3000 Seriers 之 Pen tium III 裝有影像處理軟體AdobePhotoshop 4 0 的個人電腦 及 UMAX Astra1200S 平台 式掃瞄器來量測 將各 24 個授粉及無授粉 的鮮果柿子先沿橫徑中心剖半 後將剖半 之柿子切面平置於掃瞄器上 開始進行掃 瞄 經掃瞄後可得一張面積與實物大小相 同的圖檔 使用Photoshop中 裁切 工具 50農業機械學刊第8卷第2期1999年6月 將圖中不用之部份裁除 便可得一張和原 物形狀相同的圖 後再選擇Photoshop中的 顏色範圍 工具指向非柿子的地方後 便可以軟體中 選擇對調 及 描邊 工 具由電腦繪出精準度極高的柿子外形圖 取得外形圖後 再以軟體中的 尺規 顯 示工具 即可得其中心線位置 再使用 直 線 與 角度規 工具便可畫出中心點及 外形的角度 並可求得其最大及最小之距 柿子中心軸垂直距離 以做刀具貼靠柿子 外形的依據 柿子穿刺試驗 本研究擬以刺針穿刺柿子果蒂處 固 定柿子後以備削皮 故需求出機械設計所 需之穿刺深度及穿刺力相關特性 其法是 由實驗用的柿子中任選兩個做基本測定 藉以決定試驗時位移的零點與最大深度值 因每個柿子高度皆不相同 測試時分別做 零點校正 其定義位移的零點 是由負荷 位移圖得知針頭和柿子間的作用力 0 294 N 定為針頭的起始位置點 為暸解柿子由 負荷位移圖模式 首先對供做基本試驗用 的柿子在果尖 果蒂及果實側面上取四個 部位 進行不同深度的穿刺試驗 今設定 果蒂處為 0 果尖處為 180 最大縱剖面 處距離柿子外形距中心軸最大距離處兩端 分別定為 90 及 270 每個柿子試驗順序皆 為 0 90 180 270 四 機構設計 機械之設計開發研究 首先應針對問題進行 分析 進而提出可行方案 本研究柿子削皮機主 要機構有夾持裝置 削皮機構 動力傳動組 動 力來源為單相 110V 電動機 柿子削皮機設計之 流程圖如圖 1 所示 削皮方法 設計的削皮原理依據柿子的外形 藉靠模原 理 approach mold theory 利用彈簧力量來接觸柿 子 並配合夾持機構 削皮機構及刺針桿的轉速 與刀具組的進刀深度 進給 轉速及削皮時間 等 而達到削皮的效果 目前農民所使用的削皮 機係夾持式 在果蒂處與果尖間夾住柿子 作業 時果蒂及果尖周圍仍有大部分果皮無法去除 致 未能達到完全削皮的目的 本研究為改進上述之 缺失 利用刺針穿刺柿子 並行固定之 進刀行 程時刀刃係沿柿子外形做削皮 退刀時刀架底部 圖 1柿子削皮機構設計之流程圖 Fig 1 Flowchart of mechanism desigh for the per simmon fruit peeling 51柿子削皮機之研製 的止塊係沿凸輪環的內緣逆時針轉動 完成退刀 行程 於退刀行程 刀具需離開柿子 否則會產 生汁液 造成柿子表面不良之濕潤 削皮機設計概況 1 夾持機構之設計 夾持機構係由刺針 刺針基座 刺針桿組合 而成 如圖 2 所示 為使柿子固定良好 刺針長 度為 35mm 基部直徑 3mm的圓錐型 並沿圓周 成 120 角的排列固定於基座 為減低基座與柿子 接觸面積和殘蒂的範圍 基座設計的直徑為20mm 厚度 2mm 以便提高蒂處周圍果皮的削皮效率 基座與刺針桿的導角 R 為 16mm 以便使刀具切 削時能靠在基座邊緣 且不碰撞到基座 如此可 得更完整的削皮效果 2 削皮機構 係包含刀架 切削刃與誘導面 之刀具組 彈簧 轉盤及凸輪環等機構組成如圖 3 所示 刀 具之設計上 削皮刀刃角會影響整個削皮過程 若刀具角度選擇正確 則得以在時間內完成削皮 作業 而最佳刀具形狀需具備三種角度 梁等人 1978 如圖 4 所示 即餘隙角 clearance angle 可減少主刀腹面及柿子間之摩擦 其範圍在10 12 之間 大餘隙角用於軟性及延性之材料 而對硬 圖 2夾持機構之設計圖 Fig 2Clamping bar mechanism design 圖 3刀架與轉盤之構造 Fig 3Blade and frame structure 圖 4削皮刀角的關係 Fig 4 Relationship between peeling and cutting edge angle 120 52農業機械學刊第8卷第2期1999年6月 性及脆性材料之餘隙角要小 刀刃角 cuttingedge angle 可使刀口容易深入柿子 其範圍為 5 15 間 此角度若大 則降低刃口強度 若小則容易 發生顫紋 減短刀具壽命 傾斜角 rake angle 會影響削皮流動的方向 過大的傾斜角將使削皮 端減弱 適用於軟而延性材料 而小傾斜角則用 來削皮硬且脆之材料 陳 1980 陳等人 1994 Persson 1992 切削角 chipangle 為餘隙角與 刀刃角的和 其會影響切屑的厚度 所需的力及 功率 適當調整切削角使得切削力減小 傅 1986 本研製削皮機之設計刀架長度為 125mm 刀 架的底部設有止塊 離止塊 48mm 處有一銷孔 以固定銷連接在轉盤上 銷孔上方 10mm 處裝有 伸張彈簧 銷孔上方 74mm為刀刃 在其上 3mm 設有誘導面 而刀架的支點在固定銷處 見圖 5 做往復式擺動 牛心柿的外形概可分為授粉及無 授粉果兩種 有授粉者其形狀類似牛心形也即尾 端為尖形 果肉內有種子 無授粉者柿果尾端較 平直 果肉內無種子 為增加刀架與柿子因外形 變異的接觸範圍 刀刃距柿子中心軸最小距離定 於原點處 最大垂直距離為 40mm 兩者的差之 圖 5柿子外形與止塊相關位置 Fig 5Relative position between persimmon fruit shape and blade stop 53柿子削皮機之研製 平均數為 20mm 而試驗機的切削厚度為 0 4mm 故彈簧的初始長度設計為 20mm 刀架刀刃位於 柿子中心軸處為原點 刀架底部上止塊之最大垂 直距離處距凸輪環中心軸的距離為 41mm 而刀 刃距柿子中心軸 40mm 處 刀架底部上止塊之最 短距離處距凸輪環中心軸 15mm 其相關位置如 圖 5 所示 且知刀刃處因柿子外形的變異與止塊 的關係式為 41 15 p 40 b 亦即 p b 41 15 40 1 其中p 刀架上止塊至固定銷之距離 b 刀架上刀刃至固定銷之距離 柿子的外形強迫彈簧伸張 在削皮時 刀架上刀 刃緊貼於柿子表面 若刀刃距柿子中心軸為 則距凸輪環盤中心軸之距離為Q Q 15 p 40 b Q 15 p b 40 2 由 1 2 式得 Q 15 41 15 40 40 Q 15 41 15 40 40 由此可知靠模形狀的外形與止塊的關係式 Q Smin Smax Smin dmaxdmin dmax 3 Smin 止塊因柿子外形變異至凸輪環中心的最短 距離 15mm Smax 止塊因柿子外形變異至凸輪環中心的最大 距離 41mm dmin 柿子外形至柿子中心軸的最小垂直距離 原 點 0mm dmax 柿子外形至柿子中心軸的最大垂直距離 40mm 3 退刀行程凸輪環周緣之設計 刀架以固定銷連接在轉盤上 轉盤係為冠齒 輪 由入力軸的小齒輪所帶動 轉盤下即為凸輪 環 刀架由冠齒輪帶動而底部的止塊沿凸輪環內 緣作逆時針迴轉 如圖 6 所示 每迴轉前半圈為 削皮進刀行程 A B C 後半圈為退刀行程 C D E A 凸輪環設計以凸輪環中心為圓心 線 段 OE 29mm 為凸輪環基圓半徑 OA 41mm 為 凸輪環外圓半徑 而兩圓的半徑差為AE 12mm 此即為凸輪環的總升程 應用板凸輪的原理 陳 1980 即可繪出凸輪環半邊輪面的周緣 刀架上止塊在退刀行程中沿凸輪環內緣移 動 係做簡諧運動 每一迴圈刀架上止塊在凸輪 環內之運動軌跡 依上述條件可求得凸輪環在退 刀行程中的軌跡方程式 rt 416 6cos t 4 其中r 為退刀行程中凸輪環中心距止塊之距離 為角速度 rad sec t為時間 sec 所以 t為 角度 rad x r sint 41 6 6 cos t sin t 35 6 cos t sin t 5 y r cos t 41 6 6 cos t cos t 35 6 cos t cos t 6 於退刀行程 止塊在x及y方向的運動軌跡如圖 7 a b 所示 4 彈簧彈性模數的量測 利用物性分析儀將伸張彈簧置於負荷測試台 圖 6凸輪環周緣之上視圖 Fig 6The top view of cam ring circumference 54農業機械學刊第8卷第2期1999年6月 上 由鋸齒狀的夾具夾持固定彈簧上 下兩端 設定物性分析之負荷 實施張拉試驗 測試前先 行校正儀器 並由 L V D T 感測 並可記錄存檔 於個人電腦 依力和位移的關係作線性迴歸 並 求得斜率為彈簧的 k 值 k 稱為彈性常數 Spring constant 而因柿子外型的變異 伸張彈簧的伸 張量亦隨之改變 並以游標卡尺量測其伸張量 再由虎克定律求得彈簧力 刀具與柿子的關係位 置如圖 8 所示 可求得靠模力 其關係式由靜力平衡得 Mo 0 F1sin 1 10 F2sin 2 77 0 F1sin 1 10 F2sin277 F2 F1sin110 sin277 7 F1 彈簧伸張力 N F2 靠模力 N 1 彈簧伸張力與刀架夾角 degree 2 靠模力與刀架夾角 degree 削皮機構的作業性能測試 削皮機刀刃角度的量測係利用Mitutoyopj 2505 P 平面投影檢查機 將試驗用的刀刃置於測試台 上 調好鏡頭焦距後攝影 刀刃角度即由液晶 LED 顯示器直接讀取 三種不同刀刃角度為 7 12 17 等 試驗機上的餘隙角為 10 故測試時 切削角為 17 22 27 等三種型式 以轉速計量 測試驗機夾持裝置的轉速 當電動機的轉速經大 皮帶輪 可更換 第一次減速後 使夾持裝置的 轉速減為 200rpm 300rpm 400rpm 500rpm 而 刺針桿轉軸及小齒輪入力軸間再經變速箱中四組 皮帶輪第二次減速後 使小齒輪軸轉速維持為 100rpm 再由小齒輪與冠齒輪之齒輪比使刀具轉 盤轉速降為 33 3rpm 並以數字形游標卡尺量測 單鋒刀刃 singlepoint 與誘導面的間的距離 其值 圖 7位移和幅角的關係圖 Fig 7Relationship between displacement and angle a x 位移和幅角的關係 relationship between x displacement and angle b y 位移和幅角的關係 relationship between y displacement and angle 圖 8刀架彈簧伸張力 F1與靠模力 F2之關係 Fig 8 Relationship between spring tension force F1 and approach mold force F2 55柿子削皮機之研製 為 0 2mm 0 4mm 0 6mm等 亦即削皮厚度 而 進給係齒輪所帶動故試驗的進給設計為 10mm rev 並以夾持裝置轉速 切削角及削皮深度等再 測定其削皮完整率 P 及重疊率 O 與削皮時 間 t sec 等 其關係式定義如下 P 削皮完整之柿子數量 削皮前柿子數量 100 O 削皮寬度 削皮未重叠寬度 削皮寬度 100 t 柿子削皮實際行程60 進給量刺針桿轉速 rpm 柿子削皮機的構造及作業情形如圖 9 a b 所示 其主要構件及功能如下 1 刺針桿及刺針與基座 利於穿刺柿子 藉其迴轉與刀刃接觸而達到 切削效果 2 刀架 刀刃與彈簧 調整刀刃與刀架誘導面的距離 可控制所需 的切削厚度 由彈簧拉張達到最佳的靠模 3 齒輪及凸輪環 冠齒輪可帶動刀架轉動 而與小斜齒輪嚙合 並人做另一次的減速作用 凸輪環刀架上的 止塊於環內轉動 使刀架刀刃完成進刀及退 刀工作 4 電動馬達 單相 110V 1 4 馬力 為試驗機動力來源 5 皮帶及皮帶輪 動力傳遞及減速 以達到所需的轉數比 6 機架 用以支撐固定削皮機各項機件 五 結果與討論 柿子的物性分析 表 1 所列 授粉柿子與無授粉柿子的曲率半 徑變化情形 每一編號下 各有 24 個授粉柿子 或無授粉柿子樣本 以授粉柿子為例 於幅角 0 時 其曲率半徑 柿子外形距柿子中心軸的長 之平均值為 35 mm 該點位置於柿子中心軸上 幅角 15 其曲率半徑之平均值為 35 59mm 距柿子 中心軸垂直距離為 9 21mm 此處即為幅角 15 柿 子外形的平均位置 當幅角逐漸增加 曲率半徑 因柿子外形的變異 相對的在柿子外形上各點的 長度並非一致 大小差異的範圍約為 4 4mm 但 外形距柿子中心軸之垂直距離則隨著幅角的增加 而遞增 當幅角於 90 時 柿子外形距中心軸之 垂直距離為最大 即為對柿子所定縱徑 幅角大 於 90 柿子外形距中心軸之垂直距離隨著幅角 的增加而遞減 於幅角 180 時又回到柿子中心軸 處 故柿子外形 0 與 180 之位置連線定為柿子橫 徑 無授粉柿子幅角於 0 與 90 之間 柿子外形 圖 9 a 柿子削皮機的構造 b 削皮機作業情形 Fig 9 a Persimmon fruit peeling machinery b Peeling operation b a 56農業機械學刊第8卷第2期1999年6月 距中心軸之垂直距離仍隨幅角的增加而遞增 幅 角於 90 與 180 之間 柿子外形距中心軸之垂直 距離仍隨幅角的增加而遞減 與授粉柿子有相同 趨勢 如圖 10 所示 由 圖 11 負荷位移圖中最大負荷的對應位移 設為 d1 曲線轉為水平時的位移令為 d2 當位移 介於 0 至 d1之間時負荷位移曲線近似線性 d1所 對應的負荷即為果皮將破裂的最大抵抗力 此點 表 1柿子外形上輪廓之曲率半徑與距柿子中心軸之垂直距離 Table 1 The vertical distance from the fruit centerline to outside shape of persimmon fruit 圖 10柿子外形圖 Fig 10Outline shape of persimmon fruit 57柿子削皮機之研製 即為果皮穿刺力 位移於d1與d2間 負荷位移曲 線急遽下降 此曲線的變化代表果皮逐漸裂開 針頭逐步進入果肉組織 果皮組織對果肉組織的 影響也逐漸變小 位移大於d2 負荷位移曲線近 似水平 表示針頭阻力完全來自果肉組織的抵 抗 而 d2大小位移量約 3mm 左右 故本研究進 行穿刺試驗 針頭位移皆設定在 5mm 3mm 至 5mm之間負荷平均值定義為果肉組織之阻抗 四 個部位的果肉平均阻抗與穿刺力之間的關係經線 性迴歸分析結果如下 0 度 果蒂處 Y 6 9714 0 015X 相關係 數為 0 794 見圖 12 90 度部位 Y 4 9366 0 016X 相關係數為 0 9 180 度 果尖處 Y 5 9679 0 016X 相關係 數為 0 866 其中 X 為果肉組織阻抗 見圖 13 270度處 Y 4 2732 0 02X 相關係數為0 863 由各部位相關係數可知 果蒂處相關係數較 低 0 794 主要是果蒂幾何形狀變化較大且有較 硬果皮組織 果肉組織受果皮影響較大 由圖 14 可知果蒂處位移量最小 果尖處位移量最大 表 圖 11無授粉柿子負荷位移圖 Fig 11Load displacement diagram of non pollina tion persimmon fruit 圖 12柿子果蒂處穿刺力與果肉組織阻抗力關係圖 Fig 12 Relationship between penetration force of fruit stem and tissue resistance of fruit flesh 圖 13柿子果尖處穿刺力與果肉組織阻抗力關係圖 Fig 13 Relationship between penetration force of fruit top and tissue resistance of fruit flesh Fig 14 Effect of the penetration force and elastic modulus on the different position of fruit 1 fruit stem 2 90 from stem 3 fruit top 4 270 from stem 式 1 果蒂處 2 距果蒂 90 度 3 果尖 圖 14柿子不同部位穿刺力對應果肉深度與彈性模 處 4 距果蒂 270 度 58農業機械學刊第8卷第2期1999年6月 示果蒂處果皮組織最脆弱 果尖處果皮組織最具 韌性 由圖中亦可看出果蒂處彈性模數為最大 即果蒂處平均組織阻抗最大 即果蒂組織較果實 其它部位為硬 而本實驗用夾持裝置的刺針 係 由此處穿刺為顧及柿子有良好固定及減低果肉損 傷程度 其形狀設計為圓錐形刺針三支 沿刺針 基座成 120 排列 削皮機的試驗 1 靠模 柿 彈簧 圖 15 所示為刀具上伸張彈簧力與位移伸張 量關係圖 使用線性迴歸求得該彈簧的彈簧常數 為 0 2077N mm 並由圖 8 刀架彈簧伸張力與靠模 力的關係 測得刀刃貼靠柿子時彈簧最低伸張量 為 1 32 mm 因柿子外形的變異測得彈簧最大位 移伸張量為5mm 代入虎克定律F k X 0 2077 計算而得此彈簧的最小彈簧力為 0 274N 最大彈簧力為 1 038 N 而於方程式 7 中彈簧與 刀架夾角 1和柿子與刀架夾角2經量測結果相等 並由式中求得其最小靠模力為 0 036N 最大靠模 力為 0 135N 由此可知削皮機作業時 靠模力甚 小 因之靠模的關係而使穿刺固定之影響甚小 時止塊的幅角小於或等於 80 65 則 X 位移隨幅角 的增大而遞增 當幅角大於 80 65 時 則 X 位移 隨幅角的增大而遞減 由圖 6 及圖 7 b 知幅角在 0 至 180 Y 位移隨幅角的增加而遞增 並由方程 式 4 模擬退刀行程凸輪環的運動軌跡 3 切削角 削皮厚度與削皮完整率之相關特性 由表 2 知 當切削角在 17 時 刺針桿轉軸 在不同的轉速下 刀刃與誘導面之間隙分別調整 為 0 2mm 0 4mm 0 6mm 其去皮完整率之測試 結果 刺針桿轉速為 300rpm時 削皮厚度 0 2mm 的削皮完整率為66 67 0 4mm為83 33 0 6mm 削皮率完整為 87 5 但轉速於 400rpm時 削皮 厚度 0 4mm削皮完整率提升至 91 67 當轉速於 500rpm時 削皮厚度 0 4mm及 0 6mm的削皮完整 率皆提升至 95 83 以削皮厚度 0 2mm的削皮完 整率最低 厚度 0 4mm 次之 0 6mm 最高 切削 角 22 的刀具其削皮完整率與 17 和 27 的刀具有 相同的趨勢 但此三種刀具加以比較 舉圖 16 為 例並參考表 2 可看出來轉速於 200rpm 300rpm 400rpm 500rpm 削皮厚度為 0 2mm 0 4mm 0 6mm 等條下進行切削 削皮完整率仍以 22 最 高 17 次之 27 最低 就削皮厚度而言 0 6mm 的削皮最完整 0 4mm次之 0 2 最低 綜合上述 結果得知 切削角度 22 削皮厚度 0 4mm及 0 6mm 的削皮效率最高 但削皮厚度 0 6mm時 柿子表 面過多水分滲出 以柿餅加工立場 削皮厚度之 選擇以 0 4mm 為宜 圖 15靠模彈簧元件之負荷位移圖 Fig 15 Load displacement diagram of approach mold components Fig 16 Relationship between peeling undamaged ratio and needle bar speed Under different peeling thickness on 22 cutting angle 與刺針桿轉速的關係 圖 16切削角 22 度時不同削皮厚度其削皮完整率 2 進刀 退刀行程之止塊及凸輪環特性 參考圖 5 及方程式 3 進刀行程因柿子外形的 變異可求得止塊與凸輪環的中心距離 並可測知 進刀行程止塊的運動軌跡 在進刀終了亦即柿子 果尖削皮完全 進入退刀行程 由圖 7 a 知退刀 59柿子削皮機之研製 表 2 不同切削角 削皮厚度 刺針桿轉速與削皮完整率及重率的關係 Table 2 Relationship on the different cutting angle peeling thickness rotary speed of needle bar peeling undamaged and overlapped ratio 4 切削角 削皮厚度與重叠率之關係特性 不同切削角及削皮厚度在刺針桿轉軸轉速於 300rpm 時 削皮重疊率均為 5 400rpm 時為 12 500rpm 時為 18 由此可知削皮重疊率與 切削角度無關 但刺針桿轉速與刀具轉盤的轉速 有直接關係 削皮作業重疊情形刺針桿轉速於 300rpm時削皮重疊率最低 而柿子加工過程中削 皮作業最忌發生過多的有重疊現象 因重疊處柿 子表面滲透的水分太多 且當時滲透至柿子表面 皆為澀水 很容易附著於柿子表面上 因而導致 速 60農業機械學刊第8卷第2期1999年6月 柿餅帶有澀味 5 作業能力與效果 柿子橫徑大約在 70mm 左右 試驗機刀具貼 靠柿子表面 實際的行程在 90mm 95mm 進給 10mm rev 則削皮機切削時間 每顆在 1 8 1 9 秒 間 此時間不包含退刀時間 但為求每顆柿子真 正削皮時間 測試時將裝卸柿子及退刀等時間因 素均考慮在內 經測試結果在 5 秒 6 秒間 可完 成單粒柿子削皮 故試驗機每分鐘削皮能力達 10 12 個 目前農民所用的削皮機 每分鐘可處 理 5 6個 所以本試驗機可增加一倍的作業效率 柿子削皮時 除了完全成熟的柿子 即柿子果肉 已變軟 無法完成削皮作業外 其餘各種成熟度 的柿子 無論柿子大小皆能正確完成削皮作業 且刺針插入柿子削皮並不影響柿餅加工製作的效 果 六 結論 本研究製造的柿子削皮機 先利用刺針穿入 柿子果蒂處 再行削皮 並根據柿子物理特性分 析顯示出柿子外形差異 有授粉與無授粉柿子各 點曲率半徑大小之差範圍約 4 4mm 又其果蒂組 織較果實其他部位為硬 果蒂及果尖處平均曲率 半徑大致相同 故進刀行程刀刃貼靠柿子的範圍 可沿柿子中心軸向外擴張 40mm 相對的刀架與 止塊可由 15mm 處擴張到 41mm 利用刀架上的 止塊沿凸輪環內緣作簡諧運動 完成退刀行程 削皮機經分析結果顯示出柿子削皮作業時刀 具靠模力僅在 0 036N 與 0 135N 之間 不影響刺 針桿對柿子的固定作業 因此柿子表面非但不會 產生淤傷 且削皮時較為穩固 而當刀具轉盤與 刺針桿轉軸的轉速比在 1 9 時削皮效果最佳 重 疊現象最低 兩者之轉速比若小於 1 9 則削皮 作業易發生跳刀 即削皮不乾淨 現象 如大於 1 9 則有重疊現象發生 亦即柿子表面滲透出的 澀水太多損及品質 故兩者的轉速比設定是否得 當 足以影響整個削皮作業 本研究另針對削皮 作業進行實地測試 實驗結果顯示出削皮厚度 0 4mm時 削皮效果最好 重疊現象最少 若大 於 0 4mm削皮重疊率太高 小於 0 4mm 則削皮 完整率太低 切削角於 22 時 切削情況遠較切 削角 17 與 27 為理想 切削角大於 22 削皮完 整率減低 且柿表水分較高 小於 22 削皮完整 率仍有相同的現象發生 且柿子表面較粗糙 本試驗機削皮時利用刺針來固定柿子 工作 效率比目前農民自製的機械提高一倍 平均每分 鐘可處理 10 12 顆粒柿子 由於本研究之削皮機 處理速度快 效率高 且價格較現階段使用的削 皮機便宜 操作更為簡便 有利於果農之柿子加 工作業 且經試驗結果顯示出無論柿子大小皆能 正確完成削皮作業 且刺針插入柿子去皮並不影 響柿餅加工製作的效果 七 誌謝 本研究承蒙農委會 88 科技 1 1 糧 01 22 計畫 支持 農友張宗盛 林添登的供果及本校同仁艾 教授群 林教授正亮 林文進老師及中興大學農 機系欒教授家敏等協助 得以完成柿子削皮機之 雛形機 特此致謝 八 參考文獻 1 史宏財 1995 以除濕乾燥法製造柿餅之研 究 P23 27 桃園 台灣省桃園改良場八十一 年工作報告 2 宋志育 周月嬡 1978 金屬切削理論之用法 及切削刀具之設計 P113 122 台南 正言出 版社 3 林建夫 1993 愛玉果粒削皮機之研製 嘉義 農專學報 34 31 52 4 梁連勝 蔡致榮 顏秀榮 1991 全自動水果 削皮機之研究 中華農業研究40 3 P291 296 5 康有德 1990 柿 台灣農家要覽 P843 847 台北 豐年社 6 陳平 1980 機動學 P201 216 台南 金川 出版社 7 陳秀文 謝俊夫 王明茂 林隆新 1994 青 芒果去核切片機之研製 農林廳八十三年農 61柿子削皮機之研製 機研究發展執行成果報告 P444 445 8 陳秀文 1995 連續式青芒果削皮機之研究改 良 台灣省高雄區 農業改良場研究彙報 5 2 35 43 9 傅光華 1986 切削工具學 P3 16 台北 新科技出版社 10 台灣農業年報 1997 P124 125 南投 台灣 省政府農林廳 11 Singh K K B D Shukla 1995 Abrasive peeling of potatoes Jounal of Food Engineering 26 4 431 442 12 Mohsenin N N 1986 Physical Properties of Plant and Animal Materials P4 7 New York Gordon and Breach Science Publish Inc 3rd ed 13 Persson S 1987 Mechanics of Cutting Plant Material P85 100 USA ASAE 14 Wan Y N F H Buelow and S Gunasekaran 1992 Engineeringfirmnessstudyoffruit maturity ASAE meeting Paper No 92 6513 St Joseph USA 收稿日期 1999 年 9 月 3 日 修改日期 1999 年10 月22 日 接受日期 1999 年12 月 3 日 62農業機械學刊第8卷第2期1999年6月

内容简介：

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