文献综述-花生破壳装置的研究现状和发展趋势

花生破壳装置的研究现状和发展趋势摘要:花生破壳是所有花生制品加工工艺过程的重要环节，针对目前花生破壳人工作业劳动强度大、效率低等现状，提出花生机械式破壳的重要性和意义。叙述了花生破壳装置研究现状，介绍了现有的花生破壳装置的原理与结构，分析已有机型存在的问题。提出我国花生破壳装置研发要以高效、现代、多功能为首位，并对其未来的发展趋势做出展望。关键词:花生破壳；现状；原理ResearchstatusanddevelopmenttrendofpeanutshellbreakingdeviceAbstract:Peanutshellingisanimportantlinkintheprocessingprocessofallpeanutproducts.Inviewofthecurrentsituationofhighlaborintensityandlowefficiencyofmanualpeanutshelling,theimportanceandsignificanceofmechanicalpeanutshellingisproposed.Thispaperdescribestheresearchstatusofpeanutshellbreakingdevice,introducestheprincipleandstructureofexistingpeanutshellbreakingdevice,andanalyzestheproblemsofexistingmodels.ItispointedoutthattheresearchanddevelopmentofpeanutshellbreakingdeviceinChinashouldfocusonhighefficiency,modernityandmultifunction,andthefuturedevelopmenttrendisprospected.Keywords:peanutshelling;presentsituation;principle花生又名落花生，属蝶形花科，属一年生草本植物。花生是世界范围内广泛栽培和利用的油料和经济作物，油量高达50%；花生也是一味中药，适用营养不良、脾胃失调等症。其起源于南美洲，而后在各大洲广泛传播。近年来，全球花生种植面积近年来呈现上升态势，亚洲是花生种植规模最大的地区，占全球花生种植面积的70%左右。据统计，近年来中国花生产量为1700万吨，占全球花生产量的40.51%[1]，是最大的花生生产国。由此可见，不论在国内外市场，花生制品的发展前景都相当广阔。脱壳是花生种用和精深加工中的重要环节，传统的花生脱壳方法采用手工脱壳、效率低、用工量多，严重影响了花生生产的经济效益和社会效益，制约了花生产业的发展。因而促使花生脱壳设备的应用也随之逐渐增多，目前我国花生脱壳已基本实现了机械化。但国内现有的花生脱壳设备产品还不成熟，引进或经消化吸收后仿制的花生脱壳设备存在一定缺陷[2]，不适应国内花生品种类型和花生脱壳实际情况。因此，对花生破壳配套机构进行研究和改造以解决花生破壳乃至一系列深加工等问题的需求迫在眉睫。1.花生破壳装置研究现状1.1国外研究现状美国从20世纪60年代开始研究花生脱壳设备，其技术水平比较先进，在降低脱壳破碎损伤的关键性问题上取得了较好的成果，并得到广泛应用。20世纪80年代初，美国的LUANG研制出一种新型的花生脱壳机[3]，该机不仅能够在对物料尺寸分级的同时对其进行破壳，而且可以通过精确的变形控制来引导物料向某特定的方向运动；Patel[4]曾经尝试用激光来逐个切割果实，试验结果显示，用这种方法几乎能够达到零损伤的效果；Prussia和Verma[5]试图通过碰撞的机理来研制一种新型的花生脱壳机械。MAHAJANPRAKASH[6]研制了一种脱壳机，其能够定位和定向待脱壳的坚果，解决了由于刀片的过度穿透而导致的未切割壳或损坏壳的现象，并且不需要对物料尺寸分级就可实现连续脱壳。目前，美国花生设备生产商LMC(LewisM.Carter)公司的花生脱壳设备承担美国商用花生脱壳90%的市场份额，其研制的花生脱壳机效率高,可实现快速更换各种尺寸凹板筛，且脱壳滚筒—凹板筛组配间距随时可调[7]，以适应不同品种花生的脱壳作业。为了达到节省人工成本、控制花生储藏质量、保证商品花生中的破损花生达到标准要求和满足生物损伤检测要求，美国农业工程师们在研究新型花生脱壳机械的同时，加大了对花生脱壳加工在线检测、预测等方面的研究[8]。美国在花生脱壳机的研究方面起步较早，花生机械脱壳技术比较先进，脱壳作业已实现机械化、标准化，且配套体系健全。1.2国内研究现状我国自1965年以来，已有几十种花生脱壳机问世。国内现有的花生脱壳机种类很多如6BH-60型花生剥壳机、6BH-20B型花生剥壳机、6BH-20型花生脱壳机等，其作业效率为人工作业效率的20~60倍以上。锦州俏牌集团生产的TFHS1500型花生除杂脱壳分选机组一次能实现花生原料的脱壳、除皮、分选，是一种比较先进的花生后期生产机械。伟民牌6BH-720型花生脱壳机带有复脱、分级装置，采用搓板式脱壳、风力初选、比重分离清选等装置，其结构紧凑、操作灵活方便、脱净率高消耗动力小。6BK-22型花生脱壳机一次喂料就可完成对花生脱壳工作的机械[9]，其经风力初选、风扇振动、分层分离、复脱清选分级后的花生仁可直接装袋入库。6BH-1800型花生脱壳机械采用了三轧辊混合脱壳结构，能够进行二次脱壳。目前我国在花生脱壳机械的技术研究上一直没有加大资金投入力度，花生脱壳部件的研制仍停留在20世纪90年代初的技术水平上[10]，因此花生脱壳性能一直没有得到很大提高。总体来看，我国花生脱壳机械在作业环节和技术性能上存在以下问题:1)脱净率低，破碎率高。破碎严重的花生米被分离到花生碎壳中，会造成一定损失。同时，商品花生米特别是用于出口的花生米在机械分级分选后仍需人工分选，以分离出破碎的花生米，增加了成本。2)适应性和通用性差，利用率低。花生品种各异，一种花生脱壳机械很难满足不同花生品种的需求。3)制造成本较高。多是单机制造，而且制造工艺水平较低，同时耗能较高，导致制造成本较高。4)有些产品仅进行了样机试制或少量试生产，未进行大量生产性考核和示范应用，作业性能及商品性等方面还存在不少问题。针对我国花生生产的实际情况研制出适合我国国情的新型花生脱壳机械，以满足国内现阶段花生种植户及市场的迫切需求。实现农民增收、农业增效，仍然是实现花生脱壳机械化过程中待解决的课题。2.花生脱壳机械原理分析目前国内花生脱壳机从其脱壳原理、结构和材料上基本可分为以打击、揉搓为主的钢纹杆—钢栅条凹板；以挤压、揉搓为主的橡胶滚筒—橡胶浮动凹板两大类[11]。但脱壳质量均不高，破损率都大于8%，剥出的花生米只能用于榨油和食用，满足不了外贸出口和作种子的要求。探索先进的脱壳原理是解决脱壳机现存问题的重要途径。2.1目前花生脱壳机采用的脱壳原理2.1.1撞击法撞击法脱壳是物料高速运动时突然受阻而受到冲击力，使外壳破碎而实现脱壳的目的。王涛、聂俊峰等发明的一种敲击式橡胶果脱壳机[12](图1)，通过破壳单元、分离单元和分选单元分别完成对橡胶果的敲击破壳流程、对橡胶果破壳后果壳和果仁的分离流程以及对果仁的去屑和收集的分选流程。采用仿手工式敲击破碎橡胶果的撞击原理法，通过敲击锤与输送装置的配合，敲击锤敲击橡胶果破壳，再由分离单元的分离滚对破壳的橡胶果进行果壳和果仁分离，提高了对橡胶果的脱壳率；采用了风力分选单元，并分别设置分选后的果壳和果仁出料口，提升了果仁的纯净度。优点是坚果脱壳率高，生产效率高可满足生产线的使用要求；一机多用，可对多种物料进行脱壳处理如花生、榛子等。但是由于撞击的力度无法控制，因此对破壳效果也会产生影响。图1敲击式橡胶果脱壳机Fig.1Knockingrubbernutsheller1.进料斗2.破壳单元3.分离单元4.分选单元5.电机I6.电机Ⅱ7.风机8.机架2.1.2挤压、揉搓法花生荚果在固定磨片和运动着的磨片间受到强烈的碾搓作用，使荚果的外壳被撕裂而实现脱壳。宋伟、姜树海[13]发明的一种家用花生破壳机（图2）,主要包括外壳、凸轮、固定搓板、花生箱、滚动柔性搓板、带轮、减速电机、电动推杆、花生限位架以及推板等主要结构。其减速电机通过联轴器与凸轮连接，凸轮结构带动推板进行直线移动，通过推板推动滚动柔性搓板向固定搓板移动，对花生进行挤压破壳；小链轮固定在凸轮上，通过链传动带动带轮进行滚动，进而带动滚动柔性搓板进行转动，实现揉搓破壳。这种花生破壳机优点:结构简单紧凑，体积小，并且将挤压式破壳与揉搓式破壳相结合，提高了破壳的效率与破壳率。缺点:需要保证花生壳处于干燥的状态，否则无法顺利的将花生壳去除，但是花生壳处于干燥状态的花生在进行脱壳的时候，容易产生大量的粉末，这些粉末会飞扬到周围的空气当中，对周围的空气造成污染并且容易影响设备操作人员的身体健康。图2一种家用花生破壳机Fig.2Ahouseholdpeanutsheller4.电机联轴器5.小链轮6.电机轴承座7.轮9.立板10.带轮轴承座11.花生12.固定搓板13.花生箱14.风扇15.风扇电机16.支撑架联轴器17.滚动柔性搓板18.带轮19.大链轮20.链条21减速电机22.电机架2.1.3剪切法花生荚果在固定刀架和转鼓间受到相对运动的刀板的剪切力的作用，壳被切裂并打开，实现外壳与果仁的分离。其典型设备为由李政设计的刀板剥壳机[14](图3)。在刀板转鼓和刀板座上均装有刀板，刀板座呈凹形，带有调节机构可根据花生荚果的大小调节刀板座与刀板转鼓之间的间隙。当刀板转鼓旋转时，与刀板之间产生剪切作用，使物料外壳破裂和脱落。主要适用于棉籽，特别是带绒棉籽的剥壳，剥壳效果较好。由于其工作面较小，故易发生漏籽现象，重剥率较高。该种方法影响因素有原料水分含量、转鼓转速的高低、刀板之间的间隙大小等。图3刀板剥壳机Fig.3Cutterplatesheller1.进料斗2.调节器3.喂料辊4.磁铁5.转鼓6.刀板7.刀板座8.刀板9.刀板架10.机架2.2新型脱壳技术原理2.2.1真空法耿敬章发明的一种坚果微波爆壳机[15](图4)，其抽气机可以将加热腔内的空气抽掉，使加热腔内形成超低压真空环境。通过控制定时控制器可以驱动高能微波发生器在加热腔内形成高能微波将置于加热腔内的坚果从内部加热。由于坚果周围是超低压真空环境，坚果内水份经过高能微波加热后会形成高气压，使坚果瞬间爆壳，破壳效率高。真空法主要影响因素有:充气压力、稳定压力维持时间、籽粒的含水率等。图4坚果微波爆壳机Fig.4Nutmicrowaveshellcrackingmachine1.外箱体2.加热腔3.密封箱门4.高能微波发生器5.定时控制器6.抽气开关7.气机8.稳压电源9.抽气管2.2.2激光法用激光逐个切割坚果外壳。由郑霞、张恩铭等人发明的激光破壳机[16](图5)，采取激光切割预处理技术，以局部打破坚果壳表面的结构应力为切入点，利用激光切割预处理，使得坚果壳体表面处于应力“释放”状态，为机械定向破壳创造条件。在此基础上与改良后的对辊破壳机械结合，研制出高效率破壳和高整仁率的破壳机械。但因其费用昂贵、效率低下等原因，很难得到推广。图5激光破壳机Fig.5Lasershellbreaker1.喂料装置4.滚杠排序装置5.激光划口装置6.破壳辊7.出料口3.花生脱壳机械应用前景展望花生生产机械化是农业现代化的重要组成部分，是农业和农村经济持续快速发展的重要保证，近年来，花生机械装备总量不断稳步增长，作业水平进一步提高，社会化服务规模不断扩大，虽然目前花生脱壳机械化水平较高，但是多应用于经济发达地区与示范推广区，并且小型机械多、大型机械少，低档机械多、高性能机械少[17]。在一些地区，用作种子和特殊用途的花生仁仍采用传统的手工剥壳，劳动生产率低，区域性发展不平衡。进入21世纪，我国花生生产机械化开始了新的发展阶段，农业结构调整发生了新的变化，也对花生机械的发展产生了积极而深远的影响，不仅拉动了新的有效需求，而且构筑了适合花生生产机械化发展的新舞台，为花生生产机械化真正成为农村经济发展的推动器提供了广阔的市场发展条件。在一些地区推进花生生产机械化的过程中，相继出台了鼓励和扶持农民购买花生机械、开展花生机械作业服务的优惠政策和措施[18]，调动了农民购买花生机械的积极性，形成了新的市场需求。随着花生种植业的不断发展，国内外对花生深加工产品的需求不断增大，提高花生脱壳机械化作业水平成为必然。花生脱壳机在提高劳动生产率，减轻劳动强度方面起到了积极的作用，促进了花生加工业的科技进步，为花生脱壳机械的发展提供了空间。4.结论总体来看，国内有关花生破壳装置的研究主要集中在传统式破壳机械，多数研究依旧不能解决总体花生机械化脱壳对花生仁损伤率偏高的问题，用于种子和长期贮存的花生仁至今还多采用手工剥壳。有关新型破壳机械的研究文献及专利较少，特别是自动化方面的研究缺乏，而争对自动化破壳的研究在智能机械化脱壳技术水平上有重要的意义，需要深入探究。参考文献：[1]周朋朋,陈晓明.中国花生出口现状、问题及对策研究[J].农村经济与科技,2017,28(13):150-152.[2]WangJiannan,XieHuanxiong,HuZhichao,LiuMinji,PengJinyi,DingQishuo,PengBaoliang,MaChenbin.OptimizationofMaterialforKeyComponentsandParametersofPeanutShellerBasedonHertzTheoryandBox–BehnkenDesign[J].Agriculture,2022,12(2).[3]陈中玉,高连兴,CHENCharles,BUTTSCL.中美花生收获机械化技术现状与发展分析[J].农业机械学报,2017,48(04):1-21.[4]PATELCHANDRAKN.Methodforshellingofnutswithalaserbeam[P].:US4358467,1982-11-9.[5]BRAHMP.VERMA,STANLEYE.PRUSSIA.SHELLINGEDIBLENUTS[P].：AU9136582,1983-06-23.[6]MAHAJANPRAKASH.ANAUTOMATICCASHEW-NUTDESHELLINGMACHINE[P].：WO2015059720,2015-07-30.[7]QunSun,ChongWang,ZhenyouWang,YingZhao,ChunjiangBao.DesignandExperimentofaPeanutShellingMachine[J].AgriculturalResearch,2017,6(3).[8]KayLedbetter.Peanutsheller