文獻綜述-花生破殼裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

花生破殼裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢摘要:花生破殼是所有花生制品加工工藝過程的重要環(huán)節(jié)，針對目前花生破殼人工作業(yè)勞動強度大、效率低等現(xiàn)狀，提出花生機械式破殼的重要性和意義。敘述了花生破殼裝置研究現(xiàn)狀，介紹了現(xiàn)有的花生破殼裝置的原理與結構，分析已有機型存在的問題。提出我國花生破殼裝置研發(fā)要以高效、現(xiàn)代、多功能為首位，并對其未來的發(fā)展趨勢做出展望。關鍵詞:花生破殼；現(xiàn)狀；原理ResearchstatusanddevelopmenttrendofpeanutshellbreakingdeviceAbstract:Peanutshellingisanimportantlinkintheprocessingprocessofallpeanutproducts.Inviewofthecurrentsituationofhighlaborintensityandlowefficiencyofmanualpeanutshelling,theimportanceandsignificanceofmechanicalpeanutshellingisproposed.Thispaperdescribestheresearchstatusofpeanutshellbreakingdevice,introducestheprincipleandstructureofexistingpeanutshellbreakingdevice,andanalyzestheproblemsofexistingmodels.ItispointedoutthattheresearchanddevelopmentofpeanutshellbreakingdeviceinChinashouldfocusonhighefficiency,modernityandmultifunction,andthefuturedevelopmenttrendisprospected.Keywords:peanutshelling;presentsituation;principle花生又名落花生，屬蝶形花科，屬一年生草本植物?；ㄉ鞘澜绶秶鷥葟V泛栽培和利用的油料和經濟作物，油量高達50%；花生也是一味中藥，適用營養(yǎng)不良、脾胃失調等癥。其起源于南美洲，而后在各大洲廣泛傳播。近年來，全球花生種植面積近年來呈現(xiàn)上升態(tài)勢，亞洲是花生種植規(guī)模最大的地區(qū)，占全球花生種植面積的70%左右。據(jù)統(tǒng)計，近年來中國花生產量為1700萬噸，占全球花生產量的40.51%[1]，是最大的花生生產國。由此可見，不論在國內外市場，花生制品的發(fā)展前景都相當廣闊。脫殼是花生種用和精深加工中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的花生脫殼方法采用手工脫殼、效率低、用工量多，嚴重影響了花生生產的經濟效益和社會效益，制約了花生產業(yè)的發(fā)展。因而促使花生脫殼設備的應用也隨之逐漸增多，目前我國花生脫殼已基本實現(xiàn)了機械化。但國內現(xiàn)有的花生脫殼設備產品還不成熟，引進或經消化吸收后仿制的花生脫殼設備存在一定缺陷[2]，不適應國內花生品種類型和花生脫殼實際情況。因此，對花生破殼配套機構進行研究和改造以解決花生破殼乃至一系列深加工等問題的需求迫在眉睫。1.花生破殼裝置研究現(xiàn)狀1.1國外研究現(xiàn)狀美國從20世紀60年代開始研究花生脫殼設備，其技術水平比較先進，在降低脫殼破碎損傷的關鍵性問題上取得了較好的成果，并得到廣泛應用。20世紀80年代初，美國的LUANG研制出一種新型的花生脫殼機[3]，該機不僅能夠在對物料尺寸分級的同時對其進行破殼，而且可以通過精確的變形控制來引導物料向某特定的方向運動；Patel[4]曾經嘗試用激光來逐個切割果實，試驗結果顯示，用這種方法幾乎能夠達到零損傷的效果；Prussia和Verma[5]試圖通過碰撞的機理來研制一種新型的花生脫殼機械。MAHAJANPRAKASH[6]研制了一種脫殼機，其能夠定位和定向待脫殼的堅果，解決了由于刀片的過度穿透而導致的未切割殼或損壞殼的現(xiàn)象，并且不需要對物料尺寸分級就可實現(xiàn)連續(xù)脫殼。目前，美國花生設備生產商LMC(LewisM.Carter)公司的花生脫殼設備承擔美國商用花生脫殼90%的市場份額，其研制的花生脫殼機效率高,可實現(xiàn)快速更換各種尺寸凹板篩，且脫殼滾筒—凹板篩組配間距隨時可調[7]，以適應不同品種花生的脫殼作業(yè)。為了達到節(jié)省人工成本、控制花生儲藏質量、保證商品花生中的破損花生達到標準要求和滿足生物損傷檢測要求，美國農業(yè)工程師們在研究新型花生脫殼機械的同時，加大了對花生脫殼加工在線檢測、預測等方面的研究[8]。美國在花生脫殼機的研究方面起步較早，花生機械脫殼技術比較先進，脫殼作業(yè)已實現(xiàn)機械化、標準化，且配套體系健全。1.2國內研究現(xiàn)狀我國自1965年以來，已有幾十種花生脫殼機問世。國內現(xiàn)有的花生脫殼機種類很多如6BH-60型花生剝殼機、6BH-20B型花生剝殼機、6BH-20型花生脫殼機等，其作業(yè)效率為人工作業(yè)效率的20~60倍以上。錦州俏牌集團生產的TFHS1500型花生除雜脫殼分選機組一次能實現(xiàn)花生原料的脫殼、除皮、分選，是一種比較先進的花生后期生產機械。偉民牌6BH-720型花生脫殼機帶有復脫、分級裝置，采用搓板式脫殼、風力初選、比重分離清選等裝置，其結構緊湊、操作靈活方便、脫凈率高消耗動力小。6BK-22型花生脫殼機一次喂料就可完成對花生脫殼工作的機械[9]，其經風力初選、風扇振動、分層分離、復脫清選分級后的花生仁可直接裝袋入庫。6BH-1800型花生脫殼機械采用了三軋輥混合脫殼結構，能夠進行二次脫殼。目前我國在花生脫殼機械的技術研究上一直沒有加大資金投入力度，花生脫殼部件的研制仍停留在20世紀90年代初的技術水平上[10]，因此花生脫殼性能一直沒有得到很大提高?？傮w來看，我國花生脫殼機械在作業(yè)環(huán)節(jié)和技術性能上存在以下問題:1)脫凈率低，破碎率高。破碎嚴重的花生米被分離到花生碎殼中，會造成一定損失。同時，商品花生米特別是用于出口的花生米在機械分級分選后仍需人工分選，以分離出破碎的花生米，增加了成本。2)適應性和通用性差，利用率低。花生品種各異，一種花生脫殼機械很難滿足不同花生品種的需求。3)制造成本較高。多是單機制造，而且制造工藝水平較低，同時耗能較高，導致制造成本較高。4)有些產品僅進行了樣機試制或少量試生產，未進行大量生產性考核和示范應用，作業(yè)性能及商品性等方面還存在不少問題。針對我國花生生產的實際情況研制出適合我國國情的新型花生脫殼機械，以滿足國內現(xiàn)階段花生種植戶及市場的迫切需求。實現(xiàn)農民增收、農業(yè)增效，仍然是實現(xiàn)花生脫殼機械化過程中待解決的課題。2.花生脫殼機械原理分析目前國內花生脫殼機從其脫殼原理、結構和材料上基本可分為以打擊、揉搓為主的鋼紋桿—鋼柵條凹板；以擠壓、揉搓為主的橡膠滾筒—橡膠浮動凹板兩大類[11]。但脫殼質量均不高，破損率都大于8%，剝出的花生米只能用于榨油和食用，滿足不了外貿出口和作種子的要求。探索先進的脫殼原理是解決脫殼機現(xiàn)存問題的重要途徑。2.1目前花生脫殼機采用的脫殼原理2.1.1撞擊法撞擊法脫殼是物料高速運動時突然受阻而受到沖擊力，使外殼破碎而實現(xiàn)脫殼的目的。王濤、聶俊峰等發(fā)明的一種敲擊式橡膠果脫殼機[12](圖1)，通過破殼單元、分離單元和分選單元分別完成對橡膠果的敲擊破殼流程、對橡膠果破殼后果殼和果仁的分離流程以及對果仁的去屑和收集的分選流程。采用仿手工式敲擊破碎橡膠果的撞擊原理法，通過敲擊錘與輸送裝置的配合，敲擊錘敲擊橡膠果破殼，再由分離單元的分離滾對破殼的橡膠果進行果殼和果仁分離，提高了對橡膠果的脫殼率；采用了風力分選單元，并分別設置分選后的果殼和果仁出料口，提升了果仁的純凈度。優(yōu)點是堅果脫殼率高，生產效率高可滿足生產線的使用要求；一機多用，可對多種物料進行脫殼處理如花生、榛子等。但是由于撞擊的力度無法控制，因此對破殼效果也會產生影響。圖1敲擊式橡膠果脫殼機Fig.1Knockingrubbernutsheller1.進料斗2.破殼單元3.分離單元4.分選單元5.電機I6.電機Ⅱ7.風機8.機架2.1.2擠壓、揉搓法花生莢果在固定磨片和運動著的磨片間受到強烈的碾搓作用，使莢果的外殼被撕裂而實現(xiàn)脫殼。宋偉、姜樹海[13]發(fā)明的一種家用花生破殼機（圖2）,主要包括外殼、凸輪、固定搓板、花生箱、滾動柔性搓板、帶輪、減速電機、電動推桿、花生限位架以及推板等主要結構。其減速電機通過聯(lián)軸器與凸輪連接，凸輪結構帶動推板進行直線移動，通過推板推動滾動柔性搓板向固定搓板移動，對花生進行擠壓破殼；小鏈輪固定在凸輪上，通過鏈傳動帶動帶輪進行滾動，進而帶動滾動柔性搓板進行轉動，實現(xiàn)揉搓破殼。這種花生破殼機優(yōu)點:結構簡單緊湊，體積小，并且將擠壓式破殼與揉搓式破殼相結合，提高了破殼的效率與破殼率。缺點:需要保證花生殼處于干燥的狀態(tài)，否則無法順利的將花生殼去除，但是花生殼處于干燥狀態(tài)的花生在進行脫殼的時候，容易產生大量的粉末，這些粉末會飛揚到周圍的空氣當中，對周圍的空氣造成污染并且容易影響設備操作人員的身體健康。圖2一種家用花生破殼機Fig.2Ahouseholdpeanutsheller4.電機聯(lián)軸器5.小鏈輪6.電機軸承座7.輪9.立板10.帶輪軸承座11.花生12.固定搓板13.花生箱14.風扇15.風扇電機16.支撐架聯(lián)軸器17.滾動柔性搓板18.帶輪19.大鏈輪20.鏈條21減速電機22.電機架2.1.3剪切法花生莢果在固定刀架和轉鼓間受到相對運動的刀板的剪切力的作用，殼被切裂并打開，實現(xiàn)外殼與果仁的分離。其典型設備為由李政設計的刀板剝殼機[14](圖3)。在刀板轉鼓和刀板座上均裝有刀板，刀板座呈凹形，帶有調節(jié)機構可根據(jù)花生莢果的大小調節(jié)刀板座與刀板轉鼓之間的間隙。當?shù)栋遛D鼓旋轉時，與刀板之間產生剪切作用，使物料外殼破裂和脫落。主要適用于棉籽，特別是帶絨棉籽的剝殼，剝殼效果較好。由于其工作面較小，故易發(fā)生漏籽現(xiàn)象，重剝率較高。該種方法影響因素有原料水分含量、轉鼓轉速的高低、刀板之間的間隙大小等。圖3刀板剝殼機Fig.3Cutterplatesheller1.進料斗2.調節(jié)器3.喂料輥4.磁鐵5.轉鼓6.刀板7.刀板座8.刀板9.刀板架10.機架2.2新型脫殼技術原理2.2.1真空法耿敬章發(fā)明的一種堅果微波爆殼機[15](圖4)，其抽氣機可以將加熱腔內的空氣抽掉，使加熱腔內形成超低壓真空環(huán)境。通過控制定時控制器可以驅動高能微波發(fā)生器在加熱腔內形成高能微波將置于加熱腔內的堅果從內部加熱。由于堅果周圍是超低壓真空環(huán)境，堅果內水份經過高能微波加熱后會形成高氣壓，使堅果瞬間爆殼，破殼效率高。真空法主要影響因素有:充氣壓力、穩(wěn)定壓力維持時間、籽粒的含水率等。圖4堅果微波爆殼機Fig.4Nutmicrowaveshellcrackingmachine1.外箱體2.加熱腔3.密封箱門4.高能微波發(fā)生器5.定時控制器6.抽氣開關7.氣機8.穩(wěn)壓電源9.抽氣管2.2.2激光法用激光逐個切割堅果外殼。由鄭霞、張恩銘等人發(fā)明的激光破殼機[16](圖5)，采取激光切割預處理技術，以局部打破堅果殼表面的結構應力為切入點，利用激光切割預處理，使得堅果殼體表面處于應力“釋放”狀態(tài)，為機械定向破殼創(chuàng)造條件。在此基礎上與改良后的對輥破殼機械結合，研制出高效率破殼和高整仁率的破殼機械。但因其費用昂貴、效率低下等原因，很難得到推廣。圖5激光破殼機Fig.5Lasershellbreaker1.喂料裝置4.滾杠排序裝置5.激光劃口裝置6.破殼輥7.出料口3.花生脫殼機械應用前景展望花生生產機械化是農業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，是農業(yè)和農村經濟持續(xù)快速發(fā)展的重要保證，近年來，花生機械裝備總量不斷穩(wěn)步增長，作業(yè)水平進一步提高，社會化服務規(guī)模不斷擴大，雖然目前花生脫殼機械化水平較高，但是多應用于經濟發(fā)達地區(qū)與示范推廣區(qū)，并且小型機械多、大型機械少，低檔機械多、高性能機械少[17]。在一些地區(qū)，用作種子和特殊用途的花生仁仍采用傳統(tǒng)的手工剝殼，勞動生產率低，區(qū)域性發(fā)展不平衡。進入21世紀，我國花生生產機械化開始了新的發(fā)展階段，農業(yè)結構調整發(fā)生了新的變化，也對花生機械的發(fā)展產生了積極而深遠的影響，不僅拉動了新的有效需求，而且構筑了適合花生生產機械化發(fā)展的新舞臺，為花生生產機械化真正成為農村經濟發(fā)展的推動器提供了廣闊的市場發(fā)展條件。在一些地區(qū)推進花生生產機械化的過程中，相繼出臺了鼓勵和扶持農民購買花生機械、開展花生機械作業(yè)服務的優(yōu)惠政策和措施[18]，調動了農民購買花生機械的積極性，形成了新的市場需求。隨著花生種植業(yè)的不斷發(fā)展，國內外對花生深加工產品的需求不斷增大，提高花生脫殼機械化作業(yè)水平成為必然?；ㄉ摎C在提高勞動生產率，減輕勞動強度方面起到了積極的作用，促進了花生加工業(yè)的科技進步，為花生脫殼機械的發(fā)展提供了空間。4.結論總體來看，國內有關花生破殼裝置的研究主要集中在傳統(tǒng)式破殼機械，多數(shù)研究依舊不能解決總體花生機械化脫殼對花生仁損傷率偏高的問題，用于種子和長期貯存的花生仁至今還多采用手工剝殼。有關新型破殼機械的研究文獻及專利較少，特別是自動化方面的研究缺乏，而爭對自動化破殼的研究在智能機械化脫殼技術水平上有重要的意義，需要深入探究。參考文獻：[1]周朋朋,陳曉明.中國花生出口現(xiàn)狀、問題及對策研究[J].農村經濟與科技,2017,28(13):150-152.[2]WangJiannan,XieHuanxiong,HuZhichao,LiuMinji,PengJinyi,DingQishuo,PengBaoliang,MaChenbin.OptimizationofMaterialforKeyComponentsandParametersofPeanutShellerBasedonHertzTheoryandBox–BehnkenDesign[J].Agriculture,2022,12(2).[3]陳中玉,高連興,CHENCharles,BUTTSCL.中美花生收獲機械化技術現(xiàn)狀與發(fā)展分析[J].農業(yè)機械學報,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