竹笋去壳机械的初步设计

浙江林学院天目学院本科生毕业设计（论文）PAGE13竹笋去壳机械的初步设计摘要：本课题涉及一种竹笋脱壳机，由支架、传送带、前滚轮、后滚轮、主滚轮架和主滚轮组成，支架为钢结构，上面为一平面钢板，前后滚轮固定在支架的两端，后滚轮通过传动机构由一电动机带动，传送带由橡胶材料制成，为封闭的环状带，紧套在前后滚轮和支架表面上，主滚轮架固定在支架表面上，其轴向与支架的轴向形成一个角度，主滚轮固定在主滚轮架上，主滚轮由橡胶材料制成，通过传动机构由一电机带动。该设备结构简单、操作方便、投资成本低，可以连续生产，降低了劳动强度，提高了劳动生产力，利于推广。关键词：竹笋;理条性能;脱壳机DesignofabambooshootdecorticatorAbstract:Thismodelutilityinvolvesonekindofbambooshootsdecorticator.Itaftersupport,conveyerbelt,hoop,thehoop,thehostrollerseatandthemainhoopcompose.Thesupportisasteelstructure,andaplaneplateabove.Thefrontandlatterhoopsfixinbothsidesofsupportrespectively.Thelatterhoopleadsthroughthetransmissionsystembyanelectricmotor,whichissealendlessandmadebytherubbermaterial,tightwrapinthearoundhoopandonsupportsurface.Themainrollerseatfixesonthesupportsurface,whoseaxialaxialformsananglewiththesupport.Themainhoopismadebytherubbermaterialfixesonthemainrollerseat,andleadsthroughthetransmissionsystembyanelectricalmachinery.Thisequipmentstructureissimple,theeaseofoperation,thecostofinvestmentarelow,mightthecontinuousproduction,reducethelaborintensity,enhancedthelaborproductivity,favoredthepromotion.KeyWords:bambooshoot;stripperformanceinsufficiency;decorticator浙江林学院农业与食品科学学院食品科学与工程专业设计目录１前言 11.1竹笋的营养价值 11.2竹笋即食产品的发展现状 11.2.1竹笋加工技术现状 21.2.2脱壳设备的现状 21.3研究目的及意义 21.4设计内容 32竹笋脱壳机械的设计方案 32.1竹笋去壳机械的设计依据 32.2竹笋去壳机械的工作原理 42.3竹笋去壳机械部件的设计 52.3.1滚轮的设计 52.3.2组件的设计 62.3.3调节器的设计 62.3.4传动方式的设计 82.3.5机架的设计 82.3.6总组装图 93竹笋去壳机械的强度校核 93.1强度校核 93.2刚度校核 94竹笋去壳机械的展望 105结论 11参考文献 13致谢 14浙江林学院天目学院本科生毕业设计（论文）1前言1.1竹笋的营养价值竹笋，别名笋，为多年生常绿木本植物，食用部分为初生、嫩肥、短壮的芽或鞭。竹原产中国，类型众多，适应性强，分布极广[1]。在我国，食用竹笋历史悠久，曾有“素食第一品”、“无笋不成席”之说。远在二、三千年前，竹笋已成为席上珍馔。古往今来，竹笋以特有的清香和鲜美，博得人们交口称赞。早在《诗经》中就有“其蔬伊何？唯笋即蒲”的诗句，可见在周代时，竹笋已和杜甫曾有诗赞笋：“青青竹笋迎船出，白白江鱼入馔来”。竹笋既可作为时鲜蔬菜，又可以加工成玉兰片、笋干、腌笋和笋罐头，特别是玉兰片，堪称笋中珍品。竹笋味美质嫩，营养丰富，是人们餐桌上的美味佳肴。据分析测定，鲜笋中含有糖类、蛋白质、脂肪及磷、镁、铁、钙等矿物元素和多种维生素。鲜笋蛋白质含量在1.59%～4.04%之间，是蛋白质含量最高的蔬菜之一。至少含有18种氨基酸，其中三分之一以上的种类是人类不能合成的“必须氨基酸”。由于竹笋中含的谷氨酸较多，而谷氨酸是味精的主要成分，从而形成了竹笋的鲜美。竹笋含脂肪量偏低，常食竹笋不易引起肥胖，总糖含量为2.57%，而可溶性糖占60%以上，易被人体吸收。纤维素含量为0.9%，略高于一般蔬菜。矿物元素中磷的含量最丰富，平均达610ppmo。竹笋作为一种天然食品，具有“天然去雕饰，清水出芙蓉”般的洁净，亦无化学,农药,灰尘的污染，满足了现代人回归自然的心理，故人们称之为“素食第一名”，备受消费者青睐。竹笋还有一定的药疗价值，唐代医典《千金要方》中记载：“竹笋，味甘、微寒、无毒、主消渴，利水道，益气力，可久食。”《本草纲目》中指出：“气味甘、微寒、无毒……利隔下气，清热消痰爽肾。”据国外报道，竹笋纤维中的酪氨酸对癌细胞有抑制作用。竹笋还有消渴、利尿、清肺、化痰的作用，对浮肿、腹水、急性肾炎、咳喘、糖尿病、高血压、痔疮、便秘等都有一定的疗效。竹笋作为一种天然的保健食品，在日本及欧美等一些发达国家的需求量也与日俱增，出口创汇，走俏市场，成了山区人民脱贫致富的拳头产品[2]。1.2竹笋即食产品的开发现状目前，一个全球性的“食笋热”方兴未艾，盐渍笋、清水笋、笋干、笋罐头、笋净菜等系列产品，成了世界食品市场的抢手货。据资料介绍，近年全球食用笋消费每年以15%的速度递增，国际市场价格年平均上涨4.1%，专家预测，食用笋在今后相当长的时期内都是国内外市场的紧俏食品[3]。竹笋加工主要产品有水煮笋、调味笋、羊尾笋、盐渍笋等各种保鲜笋；绿笋干、天目笋干、发酵笋干、玉兰片、盐笋干等特殊笋干。竹笋加工产品中，目前生产量最大的水煮笋，其加工工艺技术成熟。其次是绿笋干和发酵笋干。天目笋干、羊尾笋等传统特殊笋干加工限于一定范围。调味笋这些年发展很快，无论是生产厂家还是产量，在竹笋加工中所占比例都越来越大。全国竹笋生产厂家很多，难以精确统计，仅“中国竹子之乡”的浙江省临安市就有各类竹笋加工企业46家，年加工鲜笋6万吨，销售收入打1.95亿元[4]。全国每年生产的鲜笋40%左右用于鲜食、鲜销，60%左右用于加工后销售。每年制成笋干约12万吨，竹笋罐头约24万吨。生产的笋罐头中70%左右出口日本。1999年生产的24万吨水煮笋中，约16万吨出口日本，6万吨内销，2万吨积压滞销。生产的12万吨笋干中，绝大部分在国内销售，仅有1%多一点的笋干丝销往国外。其中1999年加工销售天目笋干2200多吨，销售额4000多万元。竹笋年出口创汇在8000万美元左右[4]。1.2.1竹笋加工技术现状笋加工过程中存在诸多问题，机械化程度低较为突出。竹笋加工中的剥壳、切丝、装罐(袋)等都用手工操作，成为郎东密集型企业，劳动生产率低，成本高，而其易造成污染，影响产品质量。所以研究高效率的竹笋加工机械，提高加工的机械化程度，是生产中急需解决的问题[4]。目前竹笋加工过程中的剥壳环节手工方法是：先用利刀切去笋尖壳，随后用刀尖从上到下切一条直线，深达笋肉，再把刀刃插入笋壳和笋肉相连处，用左手将笋体往左转动，右手持刀向右侧下切，笋壳即脱，最后切去蔸并削芽蔸部根芽点。此法不但费时费力，且劳动强度和危险性大[5]。1.2.1脱壳设备的现状农作物和许多果蔬的果实或块茎的剥皮或去壳历史悠久。只是在古代，上述剥皮去壳方法主要采用手工，随后逐渐出现了蓄力、风力和水力带动的简单去壳剥皮机械，发展到近代，才出现各种电动机械来进行剥皮、去壳[6]。现在的剥皮、去壳设备种类很多，应用范围包括农作物如稻米、玉米、麦粒、大豆等和许多果蔬。如马铃薯、西红柿、胡萝卜、桃子等。这些设备大多采用道具旋切、摩擦、挤、碾、压、揉搓、液体软化、减压爆破[7]等方式来达到剥皮、去壳的目的。然而，目前还未出现针对竹笋去壳的机械设备相关的设计与研发。1.3研究目的及意义虽然我们竹笋产量丰富，加工工艺历史悠久，风味纯正，但是加工设备落后，加工进度无法跟上竹笋的出产速度。然而，鲜竹笋采收后在常温下很容易木质化，常温下贮藏24h即有60%的部位发生木质化，48h后几乎失去食用价值[8-10]。本课题针对笋壳的结构特性及成分，设计一种具备结构简单、成本低、操作简便、连续生产、节约劳动力等诸多优点的去除笋壳的机械设备，使大批量鲜笋能够及时得到加工，不至于因为放置时间过长而发生木质化、褐变、霉变、虫蛀等一系列问题，大大提高竹笋的产量和加工效率，减少竹笋加工业的经济损失，并且降低竹笋加工企业的生产成本。另一方面，经过该设备从竹笋上剥离的笋壳已经达到初步的粉碎，更好地为笋壳加工业提供良好的笋壳来源，达到充分利用。1.4设计内容（1）滚轮机构的设计（2）竹笋脱壳机械组件的设计（3）传动机构(含档位变换)的设计（4）橡胶螺纹设计（5）主滚轮高度调节器的设计（6）机架的设计（7）机械强度校核计算2竹笋去壳机械的设计方案2.1竹笋脱壳机械的设计依据现今的诸多脱壳机械基本采用剪切摩擦原理，本课题以玉米脱壳机为主要参考进行设计。玉米剥皮机的剥皮机构主要部件为剥皮辊，其作用是清楚茎叶混合物和剥掉果穗苞皮。其原理是相对旋转的一对辊子抓取并剥掉在其上运动的果穗的苞皮，同时把苞皮和茎叶混合物拉拽到辊下，剥掉苞皮，如图（1）所示。1.橡皮辊2.金属剥皮辊3.果穗图1果穗剥皮装置的作用原理压送器对改善果穗剥皮质量、提高剥皮装置生产率是极其重要的。它把果穗压向剥皮辊表面，从而增大剥皮辊对果穗的摩擦力，并促使苞皮蓬松和使剥皮辊更好的抓取苞皮；而后周期性地放松压向剥皮辊上的果穗，以使其能绕自轴转动，从而使果穗四周的苞皮与剥皮辊接触，促使果穗以最佳的速度沿剥皮沟槽移动；并阻止果穗在剥皮时翘起来。这样有利于避免果穗端部掉粒，如图（2）所示。1.剥皮辊2.强化齿图2果穗翘起图分布装置的作用是把果穗沿剥皮机构均匀分布，并使果穗轴线顺着沟槽。现在玉米收获机上的定向装穗器和各种形式的滑板均具有分布装置的功能[11]。本课题参考玉米剥皮机的原理，根据竹笋生理特点进行竹笋去壳机械的设计。2.2竹笋脱壳机械的工作原理图3竹笋脱壳截面示意图本设计利用剪切摩擦的原理来除去竹笋的壳。竹笋通过传送带送至主滚轮下，通过主滚轮与传送带之间的剪切力和主滚轮上斜向的螺纹吧笋壳搓去，主滚轮与传送带之间形成一个夹角是为了适应竹笋一头大一头小的形状特点，同时，因为有了这个斜向的推力，竹笋在剥壳的过程中自动向一边移动，退出传送带，针对不同之类的竹笋,由于其大小相差很大，可以通过调节主滚轮与传送带之间的距离和角度来适应。如图（3）和（4）所示，竹笋在脱壳过程中受到滚轮的剪切力F和压力T，传送带的剪切力F′和支持力T′，在这四个力的相互作用下将竹笋壳磨去。a.笋壳滚轮受力点；b.笋壳传送带受力点图4竹笋受力分析图2.3竹笋去壳机械部件的设计图（6）所示为竹笋脱壳机械的初步设计草图。1支架；2前滚轮；3传送带；4主滚轮架；5主滚轮；6主滚轮调节机构；7后滚轮；8挡板；9前滚轮调节机构图5竹笋去壳机械整体图如图（5）所示，前后滚轮固定在支架的两端，传送带为封闭式的环状，紧套在前后滚轮和支架平板上，后滚轮通过传动机构由一电机带动，主滚轮架固定在支架上，通过传动机构有一电机带动。前滚轮与支架的连接处设置有一左右调节机构，主滚轮与主滚轮架连接处设置有一上下调剂机构，主滚轮由橡胶材料制成，表面刻有斜向的螺纹。2.3.1滚轮的设计图6主滚轮结构图主滚轮是整台机械里最重要也是最关键的组成部分，竹笋的去壳过程在主滚轮的作用下完成。本课题设计主滚轮橡胶齿轮为直角梯形齿形，如图（6）所示。图7前后滚轮示意图前滚轮和后滚轮是竹笋去壳机械的重要组成部分，如图（7）所示。前滚轮和后滚轮结构基本相同，为钢结构，在滚轮表面布有间距相等的突起横条，以增加和传送带的摩擦。其中前滚轮右端安装传动轮，以便安置皮带，使得电机与前滚轮达到联动的效果。除了主滚轮之外，前滚轮是主动构件，传送带和后滚轮均受前滚轮的带动。2.3.2组件的设计图8竹笋脱壳机俯视图在机械台面上设置不锈钢挡板，斜向挡板对竹笋施加轴向推力，确保竹笋通过滚轮；两侧挡板保证竹笋不从台面掉落。滚轮架的设计，一方面防止竹笋叠加进入主滚轮以保证竹笋的去壳效率，另一方面也确保操作人员的安全，如图（8）所示。2.3.3调节器的设计2.3.3.1传送带带速调节器的设计在前滚轮侧面安装一转速调节器，达到控制传送带速度的要求。本课题设计一简单的调节装置，该装置具有三个不同的档位，如图（9）所示。图9前滚轮转速调节器该调节器采用齿轮传动机构，利用手柄推动达到变速的效果，整个变速器焊接在前滚轮旁。右侧的皮带轮通过皮带与电动机连接。左侧齿轮组为低速、中间为高速、右侧为中速。2.3.3.2主滚轮高度调节器图10竹笋去壳机械正视图经过分级的竹笋的大小仍然有区别，需要对滚轮进行小范围的调节来适应竹笋的大小变化。本课题在主滚轮活动端设计一高度调节器，固定安装在主滚轮架的侧面，以便根据竹笋的大小进行适当调节滚轮与传送带之间的夹角，固定端也有高度档位可以调节整个滚轮的固定高度。双重调节，使得主滚轮能根据竹笋的大小灵活调动，有助于提高竹笋去壳效率。如图（10）所示，左侧即是高度调节设备。在主滚轮轴上安装一深沟轴承，轴承座下方固定在一弹簧上，弹簧另一端固定在旋转螺杆台面上，通过手动旋转螺杆调节台面高度，从而达到调节主滚轮轴的高度的目的，并且在主滚轮架焊接一导轨槽，确保高度在纵向直线方向调节。由于竹笋的形状不规则，所以特地在中间安装一弹簧，在固定高度的同时能达到一个高度率为摆动的缓冲效果。高度调节器各零件组成如图（11）所示。a深沟轴承b轴承座c螺旋高度调节器图11高度调节器零件图图（11）中螺旋高度调节器根据千斤顶原理设计，以往复扳动手柄，使举重螺杆旋转，从而使顶盖获得起升或下降，上面添加了弹簧，为方便手动操作旋转杆设计成手柄状。主滚轮的传动采用带传动，如图（10）所示，在主滚轮右侧安装一传动滚轮，可以承载V型带，通过电机与V型皮带带动主滚轮高速转动。2.3.4传动方式的设计本课题传动较简单，且调动幅度不大，除传送带带速调节器中采用齿轮传动，其他均采用带传动方式。2.3.5机架的设计图12支架整体结构图机架由上部分不锈钢焊接而成，支撑架均用较坚固的碳钢，另外靠近传送带处用不锈钢加以包裹，方式食品污染。底部焊有移动轮，方便机械整体移动。在传送带上下层之间，焊接若干个间隔一定距离的不锈钢管，对上层传送带起到支撑作用。在支架下半部焊接有电动机和传动轮，整体结构如图（12）所示。2.3.6总组装图1主滚轮；2主滚轮架；3传送带支撑架；4挡板；5前滚轮；6后滚轮；7传送带；8传动轮；9支架轮；10传动皮带；11调速电动机；12带速调节器图13机械整体结构图2.3.7材料的选取出于卫生角度考虑，设备与产品接触点采用不锈钢材质，滚轮轴及机架下半部分以铸钢或碳钢为主。3竹笋去壳机械的强度校核3.1强度校核主滚轮高速转动，两端受到支撑，且在去壳过程中受到竹笋纵向的力，根据主滚轮轴的受力情况分析，主滚轮轴既受弯矩又受扭矩，但以扭矩为主，且圆截面轴，其强度条件为：QUOTE（1）式中：QUOTE为轴的扭切应力，MPa；T为转矩，N·mm；WT为抗扭截面系数，mm3，对圆截面轴QUOTE；P为传递的功率，kW；n为轴的转速，r/min；d为轴的直径，mm；QUOTE为许用扭切应力，MPa。对于主滚轮的直径，在许用扭切应力QUOTE适当降低的前提下，也可以通过公式（2）进行初步估算：QUOTE（2）式中：C是由轴的材料和承载情况确定的常数，见表（1）；d为传递转矩轴段的最小直径。表1常用材料的QUOTE值和C值轴的材料Q235，20354540Cr，35SiMnQUOTE/MPa12~2020~3030~4040~35C160~135135~118118~107107~983.2刚度校核主滚轮轴为等直径轴，因此按挠度曲线的近似微分方程来计算。等直径的轴受转矩T作用时，其扭角φ可按材料力学中的扭转变形公式求出，即：QUOTE（3）式中：T为转矩，N·mm；l为轴受转矩作用的长度，mm；G为材料的切变模量，MPa；d为轴径，mm；IP为轴截面的极惯性矩。本课题设计主滚轮时，根据对主滚轮的强度和刚度计算公式，确定主滚轮直径，再通过公式计算对主滚轮的强度和刚度进行校核，确定精确的尺寸。4竹笋去壳机械的展望我国食用竹笋已有2500多年的历史，竹笋深受人们的喜爱，素有味冠素之美称[13]。我国是世界上竹类资源最丰富的国家，从1979年到1991年，浙江省笋干产量从2549t增加到26866t，年平均增长率为22%，1992年至今,浙江省的笋干产量处于腾飞期，产量从1992年的36709t增加到2002年的141533t，年平均增长率18%[13]。随着科学技术的不断发展，人民对竹笋的药用与食用价值有了更多的了解，同时，由于人民生活水平不断提高，对食物结构也有了改变，笋的销量日益增加。据介绍，近年全球食用笋消费每年以15%的速度递增，国际市场价格年平均上涨4.1%[14]。现代食品工业的产品开发与生产过程运行需要合理的加工工艺和完善适用的机械设备两个方面的配合，它们是一有机的整体。工艺是装备的前提，而机械设备是工艺的保证，相辅相成，互相促进，不可偏颇。新型机械设备的出现为合理工艺的制定提供了更多的选择。在工业化生产中，工艺的最终实现是通过机械设备完成的[15]。目前的剥皮、去壳机械已经应用到各行各业，包括农作物和许多果蔬、木材等的剥皮、去壳。而对于一些外型不规则和内外质地不同的原料，还未有相关的剥皮、去壳机械的开发，因此，对于这些原料的产业机械化程度一直处于落后状态[6]。竹笋去壳机械的研制不仅可以有效地提高竹笋产品的加工效率，可进一步扩大竹笋加工产业，同时也能提高竹笋制品的质量。5结论本课题主要以玉米剥皮机[16-18]作为参照对象，在形式上采用剪切摩擦原理[19]，选取滚轮结构[20]以达到对竹笋去皮、剥壳的目的。利用摩擦因数大、接触面积大的工作构件而产生的摩擦作用使表皮发生撕裂破坏而被去除。所得产品表面质量好，破皮尺寸大，去皮死角少。由于笋壳的质地，去壳前先对竹笋必要的预处理来弱化皮下组织，本课题采用水煮处理，使竹笋壳一定程度地得到软化。目前，虽然有各种各样的漆皮、剥壳设备，但针对去竹笋去皮、剥壳的相关内容还非常少，尤其在国内，限制了竹笋加工业的发展，因此，本课题内容对于竹笋工业的进步具有十分深远的意义。

参考文献刘明池.竹笋的营养价值与食用方法[J].蔬菜,2002,2:40.曹涤环,吴德文.天然保健食品——竹笋[J].中国地名,2004,117:47.伍海燕.食用笋将成为国内外市场的紧俏食品[J].农家三友,2005,3:23.李琴,汪奎宏,张都海.中国竹笋加工与贸易现状[J].浙江林业科技,2001,3:38-41.轶文.笋干加工技术[J].湖南林业.2004,4:19.张亚伟,钱俊.剥皮/去