揉搓式豌豆脱皮机的结构设计与计算
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摘要：针对现有豌豆脱皮机械存在的生产效率低、脱皮效果差等问题，介绍了新型揉搓式豌豆脱皮机结构原理，并对其驱动功率及生产效率进行总体设计计算，同时对其行星轴及主轴等主要零部件的结构参数进行了设计计算，设计的豌豆脱皮机生产效率可达3 000 kg/h以上，完全能够满足规模淀粉企业的生产需求。
中图分类号：S226.4；TS214.9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）18-4507-03
豌豆淀粉是制作粉丝、粉皮的主要原料，目前在提取豌豆淀粉过程中，通常采用传统的酸浆沉淀法[1]，这种方法是将原料浸泡一定时间后便直接带皮粉碎，后续的脱渣工序麻烦，并且粉碎后的豆皮影响了淀粉质量，进而降低粉丝质量。因此，生产优质粉丝的技术关键之一是将豌豆预先脱皮。传统的豆类脱皮方法主要有碾压法、剪切法，撞击法等。李宏伟等[2]发明的豆类湿法去皮机，其原理是经2个脱皮辊脱皮后在浮选槽和分离器中以旋流方式实现分离；黄和祥[3]设计的豌豆剥壳机用快慢胶辊实现豌豆剥壳；周玉林等[4]基于对大豆物理特性的分析，制定了去杂质均匀加热短时通风干燥的大豆脱皮工艺，通过设计的脱皮装置完成脱皮。
目前，国内市场上的一些豌豆脱皮机生产效率较低、脱皮效果不如人意，无法满足规模食品加工业生产要求。对此，设计了一款采用揉搓、挤压等技术方案对经过浸泡的豌豆进行脱皮的揉搓式豌豆脱皮机，现介绍其结构原理，并对主要参数进行设计计算。
1 揉搓式豌豆脱皮机结构原理
1.1 主要结构
揉搓式豌豆脱皮机主要由行星传动装置、驱动装置、内壁设有螺旋状棱骨的滚筒、承托装置、进料斗及出料口等组成（图1）。其中行星传动装置包括1个太阳轮、3个行星轮、3条行星轴以及2副行星架，行星架均固定在主轴上，3条行星轴分别嵌套于2副行星架之间，同时行星轴左端穿过行星架后，端部安装行星轮。3个行星轮分别与固定的太阳轮啮合，并绕其回转。驱动装置包括功率不同的2台减速电机，大功率减速电机与行星传动装置的主轴联接，该主轴空套支承在固定的太阳轮中心孔及右端轴承孔内。
承托装置包括2对托辊、链轮和链条等。链轮与其中一个托辊安装在与小功率减速电机联接的传动轴上，通过链条与另一托辊同轴固定的链轮共同联接实现传动。滚筒两端敞开、内表面设有棱骨、圆筒状，外圈装有2副滚轮，与承托装置的托辊相啮合。
行星轴上等间距装有揉搓辊，揉搓辊与行星轴之间通过花键联接。各揉搓辊沿圆周装有弹性揉搓爪（图2），其揉搓力可以通过选用合适的揉搓爪材料及形状确定。
1.2 脱皮原理
豌豆浸泡后由进料口进入滚筒内，进入脱皮区域（弹性揉搓爪与滚筒之间）后，豌豆受到来自弹性揉搓爪与滚筒之间的正压力和摩擦力的共同作用。此作用主要由滚筒与湿豌豆之间摩擦力F和弹性揉搓爪与湿豌豆之间摩擦力f组成一对摩擦剪切力（图3）完成。力的产生及其大小取决于揉搓爪与滚筒之间的相对运动状态及压缩量等因素。设任一位置A点揉搓爪的曲率半径为r，滚筒的半径为R，R>r且滚筒中心O与揉搓爪的曲率中心Q不重合，其偏心距为D。由此形成的楔形空间，加强了对豌豆的揉搓效果。楔形空间内A点的径向间隙（h）为h=R-Dcosα-rsinβ，则豌豆压缩量（x）为x=d-（R-Dcosα-rsinβ）=d-R+Dcosα+rsinβ，式中d为豌豆直径，α、β为位置角。豌豆在工作区域随着滚筒、行星架、弹性揉搓辊转动并同时做轴向移动，经多次挤压揉搓，最终实现脱皮。
1.3 工作原理
浸泡好的豌豆由进料斗进入滚筒后，在大功率减速电机的作用下，主轴驱动着2行星架及行星轴回转，由于行星轮与太阳轮的啮合作用，使得行星轴驱动着揉搓辊随着行星架公转的同时，还进行与公转方向相同的自转。滚筒通过承托装置在小功率减速电机的驱动下，朝着与行星架转向相反的方向旋转。在静摩擦力和离心力的作用下，豌豆会随着滚筒内壁向上回转，由于行星架、揉搓辊的旋转方向与滚筒的旋转方向相反，揉搓辊在对豌豆进行反复揉搓的同时，会将豌豆向反方向抬起。物料经揉搓辊的揉搓作用后，分成左右两部分，由于揉搓辊沿螺旋线分布，物料在经过揉搓辊循环揉搓的同时，实现了向出料口方向的轴向输送。
2 总体设计计算
2.1 功率计算
2.1.1 驱动滚筒回转所需理论功率 当揉搓辊工作时，湿豌豆会夹在弹性揉搓爪与滚筒之间，弹性揉搓爪此时处于弹性压缩状态，由于行星轴的公转及自转，揉搓辊与滚筒存在相对转动，即产生所需要揉搓力（Frd）。Frd=μ·Ny，式中，Frd为单个揉搓辊产生的揉搓力；μ为滚筒与揉搓辊弹性揉搓爪之间摩擦系数，μ=0.5；Ny为单个揉搓辊与滚筒之间的正压力。
脱皮过程中，驱动滚筒的功率是在不断变化的，当有两排揉搓辊处于工作状态时其驱动功率最大。则此时揉搓辊与滚筒之间总的摩擦力（Fr）为Fr=2KFrd/3，式中，K为揉搓辊数量。驱动滚筒所需的转矩（Mt）为Mt=FrDt/2/1 000，式中，Dt为滚筒内径。经试验测得Ny=40.00 N，确定各结构参数后计算得驱动滚筒回转所需的功率（Pt）为Pt=Mt·nt/9 549=0.28 kW，式中，nt为滚筒转速，单位r/min。
2.1.2 驱动主轴所需功率 由结构分析可知，驱动主轴所需的总功率Pz应包括驱动行星架回转所需功率Pj、驱动揉搓辊回转所需功率Pr和揉搓辊抬高物料所需功率Pl。由于揉搓辊在行星轴上不仅绕太阳轮进行公转，同时随着行星轴进行自身回转，则驱动一排揉搓辊回转所需要的转矩（Mr）为Mr=
Fr（Dr+h）/2/1 000，式中，Dr为揉搓辊基体直径；h为弹性揉搓爪最远处到揉搓辊基体的最短距离，单位mm。则驱动揉搓辊回转所需功率（Pr）为 Pr=
Mrnl/9 549=0.46 kW，式中，nl为行星轮转速，单位
r/min。行星轴在行星架的作用下绕太阳轮进行回转，则行星轴对行星架的切向分力（Fj）为Fj=Fr+2×
1 000Mr/Dx，式中，Dx为行星轮分度圆直径，单位mm。驱动行星架回转所需功率（Pj）为Pj =Mjnj/9 549=FjDj/2/1 000nj/9 549=0.80 kW，式中，nj为行星架转速，单位r/min；Dj为行星架回转直径，单位mm。
揉搓辊在随着行星轴回转的同时会将物料沿着滚筒内壁抬高，抬高湿豌豆的质量（ml）大约为ml=vl·ms=0.83 kg，式中：vl为单个揉搓辊抬高物料的体积，vl=0.001 2 m3；ms为湿豌豆的密度，ms=700.6 kg/m3。一排揉搓辊抬高物料所需要转矩（Ml）为Ml=ml·g·sinαl·k·Dt×2/3/2/1 000=25.74 N·m，式中：αl为物料沿着滚筒内壁被抬高的角度，取αl=45°。揉搓辊抬高物料所需要的功率Pl为Pl=MlDj/9 549=0.81 kW，由此得驱动主轴所需的总功率（Pz）为Pz=Pj+Pr+Pl=2.07 kW。
2.2 生产率计算
2.2.1 干/湿豌豆密度的测量 要计算脱皮豌豆的生产率，必须要测定豌豆的密度。试验中，用天平称取质量为m（g）干豌豆颗粒，将其浸入盛有纯净水的量杯内，测得液体前后体积变化量为v1（mL），即为所取干豌豆的体积，则干豌豆的密度（q）为q干=m干/v1。另取适量豌豆将其在一定水温下浸泡48 h后，用同样方式测得相应的湿豌豆质量为m湿，测得其体积为v2，则湿豌豆密度（q湿）为q湿=m湿/v2。重复3次求其平均值。试验中豌豆体积设为0.001 2 m3，测定得到干、湿豌豆密度分别为Q干=835.0 kg/m3、Q湿=700.6 kg/m3。
2.2.2 理论生产率计算 揉搓式豌豆脱皮机工作过程中，被推移物料在滚筒横截面底部近似形成一扇形环。设扇形环占整个圆周的1/3，行星架每旋转1周时，设物料被轴向推移揉搓辊轴向宽度的一半，则单个揉搓辊轴向推移物料质量（M湿）为：
3.2 主轴
设计的揉搓式豌豆脱皮机的主轴由于同时受到行星架径向载荷的作用，故其受力状况为弯扭组合。
。
4 小结
新型揉搓式豌豆脱皮机基本原理是通过多次揉搓、挤压而达到使豌豆脱皮之目的。在介绍该豌豆脱皮机主要结构的基础上，对生产率、驱动功率等主要性能参数进行了总体设计计算，还对行星轴和主轴进行了结构设计计算。设计后的脱皮机具有以下特点：
1）揉搓式豌豆脱皮机预期生产率高且脱皮效果好，生产效率可达3 000 kg/h以上，完全可以满足规模淀粉企业的生产需求。
2）揉搓辊在随着行星架公转的同时，还绕着行星轴做旋转方向与公转方向相同的自转，由于该转向与滚筒的旋转方向相反，加大了揉搓辊与滚筒之间的相对转速，从而可以改善豌豆的脱皮效果。
3）主轴贯穿滚筒两端，同步驱动2个行星架，避免了由于揉搓阻力造成的行星轴的扭曲。
4）可根据豌豆的不同特性设定揉搓辊数量，以提高设备的适用能力，保证良好脱皮效果。
参考文献：
[1] 王德培.绿豆和豌豆淀粉的分离方法及其品质特性[J].仲恺农业技术学院学报，1996，9（2）：93-97.
[2] 李宏伟，郑裕国，胡学和.豆类湿法去皮机[P].中国：91101995.2， 1992-10-21.
[3] 黄和祥.豌豆剥壳机械的设计[J].农机化研究，2005（2）：109-110.
[4] 周玉林，夏韧毅.大豆脱皮机原理[J].齐齐哈尔大学学报，2003， 19（3）：72-74.