板栗脱壳机械的初步设计

浙江农林大学农业与食品科学学院食品科学与工程PAGEPAGE2食品科学与工程专业设计农业与食品科学学院题目：板栗脱壳机械的初步设计学生姓名：学号：专业名称：班级：指导教师姓名：年月日PAGE16板栗脱壳机械的初步设计摘要：板栗由于其营养丰富，味美可口，而且具有食疗价值，深得人们喜爱。但是板栗的脱壳一直是困扰人们的难题，特别是在我国这个产栗大国，更是影响着板栗的生产加工和销售。本文对现今各种板栗脱壳工艺流程和设备结构进行了比较分析，在此基础上提出对核心工作部分的结构以及刀具、滚打器的优化设计，为进一步完成新的脱壳机械设备提供了基础。关键词：板栗脱壳去衣优化设计目录1.1板栗的营养与药用价值 11.2现今板栗主要产品工艺 11.2.1风味板栗 11.2.2酥脆营养板栗脆片 11.2.3速溶营养板栗粉 21.2.4板栗果酱 21.2.5糖水板栗罐头 21.3传统板栗脱壳技术 31.4板栗的加工现状 42.机械式板栗脱壳技术 52.1欧洲技术 52.2日本技术 62.3国内技术 72.3.1广东板栗剥壳技术 72.3.2云南省化工设计院新型板栗脱壳机 82.3.3辽宁板栗脱皮机 93优化设计 103.1机械形式优化设计 103.2工作部分结构优化设计 114结论 131前言1.1营养、药用价值板栗富含维生素、胡萝卜素、氨基酸及铁、钙等微量元素，长期食用可达到养胃、健脾、补肾、养颜等保健功效。栗仁的蛋白质含量是香蕉的3倍，荔枝的4倍，为苹果的近40倍;含磷量是香蕉、荔枝的3倍，苹果的8倍、铁、核黄素和维生素的含量也高过一般硬果和水果类，足见栗子的营养十分丰富。板栗可以益气血、养胃、补肾、健肝脾；生食还有治疗腰腿酸疼、舒筋活络的功效。它所含高淀粉质可提供高热量，而钾有助维持正常心跳规律，纤维素则能强化肠道，保持排泄系统正常运作。由于板栗富含柔软的膳食纤维，糖尿病患者也可适量品尝。但板栗生吃难消化，熟食又易滞气，所以，一次不宜多食。最好在两餐之间把板栗当成零食，或做在饭菜里吃，而不是饭后大量吃，以免摄入过多的热量，不利于保持体重。中医学认为，栗性甘温，无毒，有健脾补肝，身壮骨的医疗作用。经常生食可治腰腿无力，果壳和树皮有收敛作用；鲜叶外用可治皮肤炎症；花能治疗瘰疡和腹泻，根治疝气。民间验方多用板栗，每日早晚各生食一至二枚，可治老年肾亏，小便弱频；生栗捣烂如泥，敷于患处，可治跌打损伤，筋骨肿痛，而且有止痛止血，吸收脓毒的作用。板栗含有大量淀粉、蛋白质、脂肪、B族维生素等多种营养素，素有“干果之王”的美称。能防治高血压病、冠心病、动脉硬化、骨质疏松等疾病。同时常吃对日久难愈的小儿口舌生疮和成人口腔溃疡有益。中医认为板栗能补脾健胃、补肾强筋、活血止血。对肾虚有良好的疗效，故又称为“肾之果”，特别是老年肾虚、大便溏泄更为适宜，经常食用有强身愈病。1.2板栗主要产品工艺风味板栗研究了各种辅助配料对炒制板栗风味的影响,确定了炒制工艺参数。关键技术是炒制过程的温度程序控制。板栗预处理:选料→分级→去杂→清洗砂子预处理:砂子→洗净→过80目筛→炒热变黑备用风味配料:桂花、丁香、八角、甘草、食盐,按比例混合,待细沙预热后,放入炒锅或滚筒,炒2～3分钟,加上色配料:饴糖、菜油或棕榈油,投入板栗(温度设置高—中—低)、过筛、检验、包装。1.2.2技术关键是护色和油炸温度、时间设置。护色液:0.25%Na2HS2O5、0.1%柠檬酸、1%VC。配料:栗粉(大于50%)、玉米淀粉、Ca2Cl2、食用油、麦芽糊精、香料。加工流程如下：选料→去壳漂烫→脱皮→切碎→护色液浸煮→加调料→拌匀→压片→成型→油炸→成品检验→包装(与适量苹果、香蕉脆片搭配)→成品1.2.3关键技术是膨化工艺参数(压力、温度)的确定。工艺流程如下：大豆粉、玉米淀粉、麦芽糊精、食盐、味精、蔗糖酯、香料↓荞麦粉→栗粉→微波干燥→粉碎→加工调匀(含水量<30%)→挤压膨化→干燥→磨粉→检验→包装→成品对此成品进行冷水、温水、沸水溶解试验,均取得满意效果。1.2.4板栗果酱工艺流程原料→清洗，去皮精选→预蒸软化→磨浆→配料浓缩→装罐密封→杀菌→成品操作要求①栗子原料的清洗、去皮精选均同栗子全粉的操作。②精选后的栗果仁放入笼屉内用蒸汽加热5分钟左右，使其达到软化且果心呈粉质状为准。③软化后的栗仁转入不锈钢磨或石磨内，加约2倍的水进行磨浆。④浆体转入夹层锅内熬煮，不时加以搅拌，以确保受热均匀，浓缩接近折光计66%时，加入0.2%-0.3%的羧甲基纤维素钠、0.03环的山梨酸等充分搅匀。⑤酱体转入装填机内趁热装罐(80℃以上)，并立即密封。⑥采用常压灭菌对密封后的栗果酱进行灭菌，条件为100℃下30分钟，凉至38℃保温检验，无败坏变质者即可装箱入库。1.2.5糖水板栗罐头工艺流程原料挑选→剥壳除内衣→护色修整→真空预煮→装罐→密封→杀菌→成品操作要求①选用新鲜良好，无病虫害、干枯、霉烂及风味异常的栗果。②装罐用的栗果，最好采用手工去皮，以避免机械去皮造成对栗果仁的损伤。剥壳的方法，一是爆裂法，将原料送入温度为150℃的链条式烘箱内，栗果因受热，皮壳自行爆裂;二是漂烫法，将原料在沸水中烫3分钟，趁热剥皮;三是手工生剥法，用不锈钢小刀细心将栗壳削除，避免伤及栗内。脱去外壳的栗果采用化学去内衣法，即将500~1000氢氧化钠溶液加热到近沸，倒入栗果，略做搅拌，几分钟后试剂腐蚀内衣，内衣与栗仁分离。③除净内衣的栗仁要立即转入一定浓度的酸溶液中，避免栗肉与空气接触发生氧化而变色，随即人工用不锈钢刀对残皮、栗肉斑点等进行修整，然后倒入流水中冲洗彻底。④漂洗干净的栗仁于680-720mmHg柱下预煮30-40分钟，以煮熟为宜，其目的在于保证颜色和栗仁完整不破碎。⑤预煮后的栗仁按颗粒大小均匀、色泽较一致的进行装罐，装量应为内容物的55%，注入事先配制好的含有柠檬酸和护色剂的糖液。⑥采用真空封口或排气封口，前者是将真空封罐机抽到350-500mm汞柱时封口，后者则是加热排气，待罐中心温度达90℃时封口。⑦密封合格后立即杀菌，分段冷却后即得成品。1.3传统板栗脱壳去衣技术板栗外有坚硬致密的果壳,内有薄薄的红衣紧贴果肉,因此,剥壳去衣就成了板栗加工的首道工序。目前还没有成熟的板栗专用的剥壳机或去衣机。传统剥壳方式较多，在此介绍手工法、火烧法以及生剥和热剥。手工法是最早被使用的板栗脱壳方法，它借助于双手将坚硬的外壳剥离，再经过烫煮和手工搓揉将其内皮去掉。作为对手工法的改进，也有人先将板栗蒸煮、锅炒或烘烤，再手工脱壳，此法可称为热力手工法。这两种方法不但工序复杂，生产效率非常低，不卫生，无法进行规模化的工业生产，而且在烫、蒸煮过程中将造成栗仁营养成分损失，易氧化褐变，产品质最低劣。另外，手工脱壳成本较高，一个人l天最多只能处理10kg板栗。火烧法是先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、衣分开，再将挤压刮皮后的壳、衣、仁混合物一起通过分离器，把栗仁分离出来；最后，将分离出的栗仁进行碾磨、清洗，得到清洁的栗仁。这种方法脱壳率很高，仇燃烧温度难以控制，很容易使板栗熟化，甚至焦化，故必须将处理后的栗仁的表面磨去，以获得干净整沽的外表，因此有一定程度的栗仁损耗。生剥法是在栗子的端部用特制的钢刀切除一小块果壳,切口不伤及果肉,然后用钢钳将其余的果壳剥除。热剥法是当板栗果壳在高温下自然开裂后,借助于钢钳进行人工去壳。热剥法的具体方法有：①太阳下暴晒6-10h；②60-70℃下烘烤1-2h；③70-90℃下烘烤1-2h；④沸水（100℃）热烫3-5h；⑤60℃温水下料,在4-5h内升温至90℃；⑥150-180℃下烘烤20-25s。热处理的具体时间以果壳开裂为准。试验表明,用上述第三种方法剥壳的板栗果肉色泽好,生产效率高。第四种剥壳方法可降低果肉的破碎率,剥壳、去衣一次完成,效果较好。传统的去衣方法是用热碱法,先将去壳的板栗投入浓度6%-10%、温度90-95℃的烧碱溶液中（栗果与碱液比为1︰2）,浸泡2-3min后捞出,用清水冲洗后转入旋转式磨光机内磨去内衣,之后再用自来水充分冲洗后,再用2%-4%盐酸中和4-6min。这种方法的明显弊端是果肉明显褐变,也污染环境,所以目前已很少使用。将已去壳的栗果在95-100℃热水中烫漂数分钟,捞出趁热除衣是比较理想的去衣方法。烫漂液中可加人0.02%EDTA（乙二胺四乙酸二钠）、0.01%异抗坏血酸钠、1%食盐和0.1%柠檬酸,以达到护色的效果。1.4板栗的加工现状世界板栗加工历史悠久，其加工业尤以欧洲最为发达。意大利、法国、西班牙等国每年生产大量品种繁多的栗加工品，供应国内外市场。在国外，板栗的消费方式呈多样化，如欧洲的栗子多加工成栗泥、栗乳、罐头、蜜饯、果汁等，亚洲许多国家也多将其加工成栗汁、栗粉、栗冰淇淋、盐水栗肉等。我国板栗利用的历史十分悠久。早在6000年前，我们的祖先就以采集野生板栗作为食物的补给。约2300年前，板栗已被列为名果。但是，我国板栗的加工业如今尚属起步阶段，加工品种少，产品质量不高，不能满足人们日益增长的消费需求。我国市场出售的板栗主要是以鲜食为主。最常见的消费方式是糖炒板栗、肉烧板栗，传统名菜为子鸡烧板栗。我国消费方式与板栗加工同世界发达国家相比尚有一定的差距。板栗在开花结果和采收去苞过程中，不可避免的会感染微生物，从而导致板栗极易腐烂变质，不耐贮藏。我国板栗每年因霉烂、虫害、失水和发芽而造成的损失达总产量的20%-30%，原料资源浪费极大。另外，我国每年板栗加工制品还不到总产量的30%，加工方式单一，并且有些加工产品多是低水平的重复，不能适应现代市场的需要，因此影响了板栗市场的发展，进而影响了板栗产业的发展。所以，板栗行业急需进一步研究开发新产品，向着多样化、方便快捷、美味优质方向发展，并努力开拓国内、国际市场，以谋求规模化发展。在板栗加工行业中，深加工产品均要对板栗进行脱壳去衣。板栗的脱壳去衣是其加工过程中的技术瓶颈，已成为发展板栗深加工的制约因素。因此，研究与发展板栗脱壳去衣方法，对提高板栗加工的生产效率，推动板栗加工业的技术进步具有重要意义。2机械式脱壳去衣法2.1欧洲技术欧洲板栗脱壳去衣技术主要以法国为代表，图2.1所示是法国具有代表性的机械式板栗脱壳去衣技术的工艺流程图，其采用的是先火烧后机械挤压脱去板栗外壳和红衣的方法，板栗由提升机9加入特制燃烧室8，在其中高温液化气火焰对板栗外壳进行短时间烧灼，然后板栗进入板栗挤压机对未烧尽外壳的板栗进行挤压刮壳，使板栗的仁、衣分开，接着板栗壳、仁、衣的混合物一起进入到分离器2，栗仁在此被分离出，最后分离出的栗仁由栗仁研磨机4进行碾磨、清洗，从而得到光洁的栗仁。这种板栗脱壳技术是机械式脱壳去衣技术中比较独特的技术，具有脱壳效率高，自动化程度高的优点。但是，整套设备的板栗损耗率较高，而且由于采用高温燃烧将板栗外壳、红衣先行去除的预加工法，而燃烧的温度较难控制，栗仁很容易熟化，甚至焦化，因此整套设备配备了栗仁研磨机4，将栗仁表面磨去以获得干净整洁的外表，有一定损耗。另外，挤压机在去除残余壳、衣时也很容易将部分熟化的栗仁挤碎，造成很大损耗。由于这套设备的技术相当复杂，价格十分昂贵，只适合大型的板栗精加工厂使用，因此不是机械式板栗脱壳去衣技术的发展方向。2.2日本技术日本技术主要是JP59-156275公开的技术，采用不加热干燥的常温机械剥壳原理，其结构如图2.2所示，先将鲜板栗用提升机7输送到脱壳机上方进入刮料机9，板栗在刮料机中被从一端推到另一端，这样在其下方的脱壳机的高速旋转辊刀6把板栗外壳切破，而高速击打钢片8则高速击打己被切破外壳的板栗，将板栗外壳打掉或打松。然后板栗进入旋转壳仁分离机10(结构见图2.3，在这里板栗被分配到一定大小的许多管子1内，压缩空气气流由管底高速冲入，让板栗在管子内高速旋转，壳随气流从管子的上端流出，进入垃圾回收器，板栗则在回转机构的推动下进入下部的板栗收集装置3，此时板栗只剩下红衣未脱去。最后带有红衣的板栗将进入到专门的板栗红衣脱皮装置(见图2.4)，这是一种采用高压蒸汽快速旋转脱去板栗红衣的旋转脱皮机，其工艺流程是板栗进入专门的种衣脱皮筒3，脱皮筒的内衬塑制层(上有脱皮用小突起)在高温高压蒸汽的推动下旋转，将板栗表面的红衣磨去。此装置为非连续工作机构，每批板栗在脱皮筒中停留60-90s，筒上盖和下盖在2的作用下打开，压缩空气冲入，脱去红衣的板栗靠自重落到传送带1上，而红衣则被压缩空气吹走。这套日本脱壳设备的设计将脱板栗的外壳与去红衣分开，由两组设备组成联合作业机组，提高了板栗的剥壳率，其栗仁破碎率较低。但是，此设备的板栗红衣去净率仍较低，一般需要增设专门的红衣二次去除设备。另外，这种机组结构复杂，对部件的制造精度要求高。因此，整套设备的价格昂贵，其出口型价格高达十几万美元，不适合在我国推广使用。2.3国内技术我国板栗机械式脱壳去衣技术研究起步较晚，但发展较快，而且吸收了欧洲日本先进技术的优点，发展出了适合我国国情的脱壳机，其中已获得发明专利就有十几项，以下举出几种最有代表性的机械。2.3.1广东板栗剥壳设备广东省农机研究所研制开发的这种设备主要面向栗子粉、栗子酱和栗子露等对栗仁完整性要求较低，而且不需要将板栗红衣完全脱掉的加工场合。其结构原理(见图2.5)是采用直接机械钩削(切削)撕脱板栗外壳的剥壳原理，将带齿钩的组合刀具4镶入剥壳刀盘6中，工作时通过剥壳刀盘的高速转动，使板栗在剥壳刀盘内自由翻滚钩削撕扯，将板栗壳钩碎撕脱达到剥壳的目的。撕脱式板栗剥壳机的工作部件是由剥壳刀盘6和组合刀具4组成的，并且采用双刀盘、双工位剥壳形式，剥壳刀盘用铸铝合金材料制成，其上均布8组组合刀具和2块抛料板。抛料板是为使盘内的板栗剥壳均匀而设置的，为使不同品种、大小的板栗均能剥壳，并降低破碎率，还可通过调整刀具到盘面的高度、剥壳刀盘的转速(变频调速)及剥壳时间来实现。这种设备的缺点是适用范围窄，加工能力低，因此仅仅应用于小工厂的板栗加工生产上，没有广泛推广价值。2.3.2云南林业科学院新型板栗脱皮机这是云南省林业科学院开发的一种独具一格的新型板栗脱皮机(见图2.6)该机有一可转动的水平刀盘11，其上是一带有螺旋导向槽19的导向盘7和进料斗8，刀盘上有放射布置的刀片10和排渣槽，其外缘还设有带柔性摩擦物的内、外摩擦筒。该机的工作原理十分简单，与工业用刨床的原理基本相同，工作时由电机巧带动刀盘11高速旋转，同时板栗自进料斗8落到刀盘中部，因离心力的作用，板栗在水平导向盘7上螺旋导向槽的引导下由刀盘中部向外缘滚动推进，板栗在不断滚动向前的过程中，高速旋转的刀片10与滚动的板栗存在同向速度差，从刀片刨削板栗(刨削量在0.2-O.Smm之间)，因板栗沿螺旋导向槽19不断翻滚滚动，板栗周身都受到刨削，经刨削后的板栗自刀盘边缘抛出后落入内摩擦筒5和外摩擦筒之间，在重力和高速转动的柔性摩擦物4的作用下，自上而下作螺旋运动，摩擦物将栗仁上的残余红衣进一步清除。此脱壳机与传统的脱壳机原理有所不同，采用刨切原理，使得加工效率提高，可连续作业，板栗外壳红衣脱尽率)80，栗仁破损率<20。但是，由于机械结构决定该机不能大型化，而且加工后的碎屑不易排出，影响加工能力。因此，仍存在加工能力差，仅适用于中小板栗加工企业使用的缺点。2.3.3辽宁板栗脱皮机如图2.7所示，这是一种比较有特点的脱除板栗外壳及红衣的脱皮装置，其结构组成包括进料斗1、滚筒机构2、出料流道3、壳仁分离机构4、支撑架体5、滚筒6和风机7,其中脱皮工作部分为表面制有统一引向出料流道的斜向滚牙的滚筒(结构见图2.7)。由于采用滚动挤压原理进行脱壳去种衣，因此板栗须先进行干燥处理，使板栗的含水量降到5%-10%，然后再进入脱壳机进行处理，这样处理的原因是板栗干燥后，外皮脆硬，栗仁缩水变坚硬与红衣相脱离，为脱皮机进行脱皮处理创造了条件。脱皮时滚筒上的滚牙，对脱水干燥后的板栗进行滚动挤压，使其外壳和红衣破碎，然后在风机的吹动下将壳仁分离开来。该机的特点是脱皮效率高，而且可一次性脱除板栗外壳和红衣，但是由于脱壳采用滚动挤压式，且工作空间较小，很容易引起阻塞，影响机器的正常运转，不适合连续加工。

3.优化设计脱壳去衣机是板栗脱壳设备的核心部分，在机械式板栗脱壳设备中，有些采用的是同时脱去板栗外壳与红衣的技术，如欧洲的挤压刮壳去衣技术以及中国农机院的板栗加工成套设备中的剥壳去衣技术;有些则是将脱外壳与去红衣分开进行，如日本的技术中由高速辊刀和高速击打钢片脱去板栗外壳，而由专门的红衣脱皮装置脱去红衣;还有一些只是将板栗外壳脱去，并没有脱去栗仁上的红衣，如广东的板栗剥壳设备。无论是从设备的实用性，还是从设备的成本考虑，采用同时脱壳去衣技术的设备都优于另外两种技术形式，因为其具有可以单机操作，无须其他中间环节，一次性脱去板栗外壳与红衣的优点。因此，在考虑板栗脱壳去衣设备的技术时首选这种加工形式。3.1机械形式的优化设计机械式板栗脱壳去衣设备的机械形式可分为三种形式，第一种就是采用刀具将板栗外壳、红衣切掉，也是目前国内外普遍采用的技术形式。比较有代表性的是日本设备采用了高速辊刀和击打钢片，国内的如广东和云南的设备则是采用了旋转刀盘，以及福建设备采用的是纵向切刀。这种形式的主要特点是技术要求较低，脱壳去衣率高，但缺点是栗仁上容易产生刀伤，影响栗仁成品品质。第二种机械形式是采用板栗的高速滚擦碰撞将板栗外壳、红衣去除，主要以国内北京林业大学研制的设备为代表。由于这种形式技术要求较高，脱壳去衣率较低，因此国内外较少采用。另外一种形式是采用揉搓或挤压将板栗外壳、红衣去掉，法国设备采用的就是挤压刮壳的形式，而国内具有代表性的中国农机院研制的设备也是采用揉搓形式。但是相对前两种形式，这种脱壳去衣形式的栗仁破碎率、损耗率较高，脱壳去衣率也较低，只是其完整脱出的栗仁损伤较少，外观较好。从以上三种脱壳去衣形式的比较可以看出，第一种由于实用性好，较为适合我国国情，只要采用相应措施减少栗仁上的刀伤，其应用前景较为广阔。因此，本次脱壳去衣机的脱壳去衣机械形式选用刀具切削、机械滚打形式。具体结构形式参考日本技术的结构形式，工作部分采用下位式高速旋转切削刀辊以及高速旋转滚打器，板栗的推料装置则采用的是螺旋推料装置，其结构示意见图3.1。3.2工作部分结构优化设计机械式板栗脱壳去衣机的工作部分，即下位式高速旋转切削刀辊、高速旋转滚打器的结构形式以及与螺旋推料器的配合形式的设计将直接影响板栗的脱壳去衣效果。因此，工作部分的结构优化设计在整个设计开发中就十分重要。方案Ⅰ:参考日本板栗脱壳技术以及中国农机院板栗划口机的结构形式，采用刮料输送器配合单轴下位式高速旋转切削刀辊、高速旋转滚打器的结构形式，具体结构见图3.2。方案分析:方案Ⅰ的刮料输送器结构笨重，能耗较大，而且其矩形刮板结构直接导致了与单轴下位式高速旋转切削刀辊和高速旋转滚打器的配合不合理，使刀辊和滚打器得不到充分的利用(图3.2所示)，因此生产效率较低。方案Ⅱ:将方案Ⅰ中的刮料器换为螺旋推料器