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中文摘要
马铃薯去皮机的设计
摘 要
自农业部提出马铃薯主粮化战略后，马铃薯产业化发展得到了各个食品加工产商的重视，许多加工产商依赖现有的技术，能够以各种方式加工各类马铃薯制品。马铃薯现面临生产面积和产量不断增加，供过于求的现状，造成这种状况主要原因之一是：大部分马铃薯还是以鲜食为主，加工产品单一，加工技术有待进一步的提高[1]。实现马铃薯的理想去皮是推动马铃薯深加工发展的重要一步，马铃薯理想的去皮是指只去除掉马铃薯最外层薄薄的一层皮，但目前现有的去皮方式很难达到这一步。不同的马铃薯制成品对马铃薯去皮程度的要求也不一，导致我们所使用的去皮方式也不一样，有的情况是要求马铃薯去皮后不能够看到任何芽眼，表皮应该要整洁；有的对去皮后产品外表无要求。现有的去皮方式主要包括蒸汽去皮、碱性溶液去皮、摩擦去皮、人工去皮。
本论文主要详细介绍和探讨了马铃薯的各种去皮方式，通过对几种去皮方式进行优缺点的对比（如对其去皮效率、去皮机的适用性、机器成本和对制成品的影响），选择一种合适的去皮方式，设计一种适合小型食堂适用的马铃薯去皮机。
关键词：马铃薯去皮机；马铃薯；摩擦
外文摘要
Design Peeling Machine
Abstract
Since the Ministry of Agriculture put forward the potato main grainization strategy, the industrialization development of potatoes has been paid attention to by various food processors. Many processors rely on existing technology to process various potato products in various ways. Potatoes are now facing a situation of increasing production area and production, and the supply exceeds demand. One of the main reasons for this situation is that most potatoes are still mainly fresh food, the processing product is single, and processing technology needs to be further improved. Realizing the ideal peeling of potatoes is an important step to promote the deep processing and development of potatoes. The ideal peeling of potatoes refers to the removal of only one thin layer of skin from the outermost layer of potatoes, but the current peeling method is difficult to achieve this point. Different potato products have different requirements for potato peeling, resulting in different peeling methods. Some require that potatoes should not see any buds after peeling, and the epidermis should be neat; some have no requirements for the appearance of the products after peeling. The existing peeling methods mainly include steam peeling, alkaline solution peeling, friction peeling, and artificial peeling.
This paper mainly introduces and discusses various peeling methods of potatoes in detail. By comparing the advantages and disadvantages of several peeling methods (such as its peeling efficiency, the applicability of the peeling machine, the cost of the machine and the impact on the finished product), choose a suitable peeling method and design a potato peeling machine suitable for small canteens.
keywords : Potato peeler ; potato ; friction
目录
1 引言 1
1.1选题目的与意义 1
1.2国内外发展现况 2
1.2.1蒸汽去皮 3
1.2.2碱性溶液去皮 4
1.2.3摩擦去皮 5
1.2.4人工去皮 6
2马铃薯去皮机的整体设计 7
2.1计划任务书 7
2.2马铃薯去皮机工作概述及总体设计 7
2.1.1工作圆筒 8
2.1.2工作转盘 9
2.1.3传动系统 9
2.2其他部件 9
2.2.1废渣处理 9
2.2.2机架结构 10
3.马铃薯去皮机参数的确定 11
3.1对物料进行力学分析 11
3.2转盘转速的计算 12
3.3马铃薯去皮机功率的确定 12
4.传动部件的设计 15
4.1 带轮的设计 15
4.1.1V带传动的设计计算 15
4.2传动主轴的设计 18
4.2.1材料的选择 18
4.2.2轴的强度校核计算 18
4.2.3 轴的结构设计 19
4.3轴上零件的连接设计 20
4.4滚动轴承的选择与安装 20
5.主要零件的校核 22
5.1轴的校核 22
5.2轴承的寿命计算 23
6 使用说明 25
参 考 文 献 26
致 谢 27
I
1 引言
1.1选题目的与意义
马铃薯原产地可追溯到南美洲，由于其丰富的营养价值，而且对栽植环境要求不高，在世界各地被广泛的栽植，在市场食品类占有了重要地位，可加工种类庞杂，堪称“才华横溢”。马铃薯中富含大量的维生素C、各种维生素B、蛋白质和氮元素，丰富的营养储藏资源可以很好地满足当代人们的基本营养需求[2]。马铃薯中还含有许多膳食纤维，块茎内钾含量远远高于钠，对于需要减肥的年轻人来说，这是一个不错的选择，它能够有效的帮助他们在运动中进行肠胃蠕动，同时也可以携带一些身体内的油脂。
由于马铃薯可制成的产品种类庞杂，如粉条、薯片、法式炸条、啤酒、淀粉及淀粉的衍生产品；其客观的收益，使得许多小型加工厂都青睐于马铃薯制品。马铃薯在纺织、化工等行业也有应用，它可以加工为变性淀粉用作染料。对马铃薯价值有深入了解后，就能够明白这种简单的食物在国家发展中的重要位置。
马铃薯可以在相对贫瘠的土地培植，而且单棵产值量大，不需要制冷就可以容易地储存。马铃薯的生产和储存技术对薯片产业的研究有着重要意义。据记录马铃薯虽产量高、价值大，但在上个世纪初很多国家并未发掘其潜力，在欧洲很多国家大约1/5的马铃薯用来饲养动物；一些国家如爱尔兰甚至高达3/5。马铃薯产业化升级与国家的工业化程度的发展有很重要的关系，这可以体现在，农业化大国虽然马铃薯产量水平很高，但用作饲料的比例也很高；而工业化程度较高的国家，马铃薯在食品加工上占比高，马铃薯能够得到充分的利用。随着科技的发展，加工产品种类的增多，马铃薯在未来的发展一定会再次上升。
虽然在马铃薯食品加工方面美国进入这个领域晚于欧洲，但由于90年代工业革命的变革使得其急速发展。马铃薯不仅是美国家庭餐桌上的主食，而且美国还通过麦当劳，薯片等方式使得马铃薯热销于全世界。受全球化的影响，中西方的饮食文化开始相互贯通，像麦当劳和德克士这样的快餐在中国年轻人中非常受欢迎，例如炸薯条，薯泥和其他马铃薯食品，我国火锅粉也深受国外的喜爱。随着其他油炸薯片，膨化食品等马铃薯制品的不断增多，深加工技术的不断完善，马铃薯食品将在我国人民日常饮食的主要食品中占据一席之位，其前景十分广阔。
马铃薯最初传入中国，主要种植地位于长江以南。由于其易栽培，对生长环境要求不高，在北方也能实现一年两作，所以成为北方经济落后地区主要经济作物之一。马铃薯在饥荒年代是主粮的“替代品”。现全国有很多地方都在培植，如新疆、陕西、内蒙古、山西、东北地区和云贵地区等，既玉米、小麦、大米后，马铃薯成为第四主粮[2]。近年来在食品消费需求和工业发展的刺激下，政府对农村经济产业链发展大力支持，马铃薯产业的发展也有目共睹，我国马铃薯在总产量和种植面积已经成为全球第一。随经济结构的改变，马铃薯一家一户的经营方式已慢慢蜕变为规模种植大户，但受各地地势差异的影响其机械化程度依然有很大的发展空间，美国、加拿大、荷兰等国在马铃薯生产已采用大规模的机械化，而我国在种植、收获等环节还需要依赖人力来完成。
马铃薯产业发展有很多制约条件。①鲜薯块的体积大、含水量高、不易运输和经久贮藏，若长期储存不当不仅会损害马铃薯中的营养成分还可能会使它产生带有毒素的物质—Solanine ，尤其是薯块的发芽和变绿处，食用后会给人的身体造成一定的威胁；②马铃薯产品相对简单，主要是用来食用和用于饲料；③马铃薯在中国普遍的加工产品主要是粉条，由于大部分老人和小孩无法食用，所以被广大消费者所喜欢的薯类食品也很少；④我国对马铃薯研究的认识、加工技术、生产几乎处于空白。
为了改善这一现状，致力于发展马铃薯的深加工尤为重要。任何加工过程，都需要对马铃薯进行去皮处理。本论文主要针对国内外现有的去皮方式研究。根据现有的去皮机设计一款小型的、成本低、适用于小型食堂的去皮机器，设计过程中结合大学所学知识，理论联系实际，同时对现有的去皮机进行市面上的调查，提出自己的改进意见。
1.2国内外发展现况
马铃薯加工业在欧洲兴起时间较早，但发展规模一直很小，直到二战以后，大量工厂开始从事马铃薯的加工。不同产品对马铃薯去皮程度要求不同，对于生产脱水马铃薯粉类产品，去皮要求程度较低，而法式炸条要求马铃薯去皮后不留下任何皮、外表不工整或芽眼等瑕疵。国外的马铃薯去皮机主要是机械式去皮和高压蒸汽去皮，技术比较成熟[1]。美国使用较为普遍的去皮机是水洗磨蚀去皮机、干磨蚀去皮机和高压蒸汽快速去皮机。如水洗磨蚀去皮机它通过利用螺旋杆状结构，使马铃薯在向前推动的同时实现与机构摩擦去皮，这样大大提高了马铃薯的去皮效率[3]。
2016年6月孟庆书、黄键裕等人，对马铃薯去皮机技术的研究进展进行了汇报，通过对现有的去皮装置进行国内外的对比，总结了现国内装置存在功率消耗大、去皮可靠性低、生产率不高、连续设备作用率低等问题[4]。今后的发展将基于目前的问题进行改进。苗红涛等人针对马铃薯摩擦去皮机现存在的问题，对其进行了一些产品上的优化，设计了一款新型立式马铃薯连续去皮机。目前国内也涌现了许多优秀的产商，如山东省曲阜市建达机械厂业务客户遍及全国各地大中小城市，是集研发、制造、生产、销售为一体集团化企业。
目前国内外主要的去皮方法包括蒸汽去皮、碱性溶液去皮、摩擦去皮和人工去皮。不同去皮方式去皮的去皮损失率对比，如图 1[5]。从图 1可以观察去皮的损失率最低的方式是蒸汽去皮，去皮率最低可达到4%，机械切削去皮的损失率最大，可达到50%。
图 1 不同去皮方式的去皮损失率对比
1.2.1蒸汽去皮
蒸汽去皮是利用薯皮在高压蒸汽的作用下，其外层的薯皮迅速软化，蒸汽压的突然释放，使薯皮软化的同时瞬间表皮爆破（Slater，1951），薯皮用流水冲洗。
蒸汽去皮机分为间歇式和连续式，第一台去皮机式间歇式，它的工作原理是对马铃薯进行简单分类后将其置于一个圆筒内封闭起来，当工作人员转动滚筒时，蒸汽通过一个空心导管进入筒内，经过一定时间后，停止操作取出马铃薯。连续去皮机是对现有的机器添加电子液压循环控制装置，更好控制每次加工量和蒸汽温度，使得去皮损失变小（高压闪爆蒸汽去皮机图 2）[6]。大型加工厂如陶郎食品在蒸汽去皮方面，具备了高端的去皮技术，去皮损失率可控制在10%以内，令很多行业在这方面望尘莫及。
1.进料提升机 2.进料称量箱 3.去皮仓 4.干式擦洗或清洗机 5.出料螺旋装置
图 2 高压闪爆蒸汽去皮机操作示意图（乌登贝利公司）
此类去皮机的缺点：需要另外功能设备，但是很难掌握温度，对设备要求也高；优点：去皮损失率极低；薯皮可直接用作饲料。
1.2.2碱性溶液去皮
碱性溶液去皮法是将马铃薯浸泡于碱性溶液中，碱性溶液与马铃薯表皮进行化学反应，使得薯皮软化，然后再用高压水枪将其表皮冲洗[16]。在去皮工程中需要对碱性溶液的浓度、温度以及浸泡时间有严格的控制。
由罗宾斯公司制造的旋转螺旋式去皮机如图 3，它将螺旋杆浸泡于碱性溶液，同时利用螺旋杆来运输物料[1]。通过改良后又出现了红外干式苛性钠去皮，主要针对的是原有机器对废弃物的处理和环境污染，该机器的原理是马铃薯在具有一定温度的碱液溶液中浸泡后，然后进行红外热处理。这种设备的优点：去皮过程中不需要大量水冲洗；薯皮易收集，可用作饲料；去皮损失小。缺点：不适用于小型加工厂；设备造价过高；对操作人员素质要求高。
图 3 旋转螺旋杆碱液去皮机
1.2.3摩擦去皮
摩擦去皮以摩擦原理为基础来达到去皮效果，去皮过程不需要加温，碱性溶液的辅助，所以不需要考虑高温圈的问题；去皮效率高；操作简单。种形式的去皮方法受到很多加工厂的青睐[1]。
摩擦去皮机主要分为间歇式和连续式，他们都是让待去皮的薯类均匀的同摩擦部件接触，实现去皮[1]。区别是前者将马铃薯置于转盘上，转盘旋转时带动马铃薯做离心运动同周围的摩擦面摩擦，然后用水冲洗掉皮渣；后者是将马铃薯放在涂有磨料的辊上，马铃薯在辊上翻转。连续马铃薯去皮机如图 4。
1.变速电机 2.放料口档盖 3.支撑架 4.电控柜 5.压力泵 6.水箱7.地脚螺栓
8.冲洗水进口处 9.球阀 10.循环水管道 11.出料口挡盖
12.滚筒 13.传动端盖 14.过滤网 15.球阀 16.排污水管道
图 4 连续马铃薯去皮机[7]
1.2.4人工去皮
人工去皮主要依靠人力，去皮原理简单，去皮效果好，但只适合家庭日常作业，费时费力不易实现市场的规模化。
27
2马铃薯去皮机的整体设计
2.1计划任务书
本课题的目的是设计马铃薯去皮机。马铃薯去皮机圆筒直径为800mm，其需要在120秒内至少实现40kg的去皮任务。
2.2马铃薯去皮机工作概述及总体设计
马铃薯去皮机的总体结构如图 5所示。
1.机架 2.排污口 3.圆筒外壁 4.圆筒内壁 5.置料口 6.转盘 7.电动机
图 5 马铃薯去皮机的装配图
该机器总体结构由传动装置，工作圆筒，工作转盘，机架以及驱动装置等组成。
将清洗好的马铃薯从投料口放入机筒内，盖上盖子，调整电动机转速，通过带轮传递动力，带动波浪型转盘作水平高速旋转运动，马铃薯受到离心力的作用后，有斜上抛的运动，与圆筒内壁上磨砂进行摩擦，同时也和转盘上设有凹凸不平的小圆点进行均匀的摩擦实现去皮，经过一定时间去皮完成后，用清水冲洗皮渣，皮渣随水流从排污装置排出。每次去皮时去皮机中不应该放入过多的马铃薯，这样不仅不能够提高去皮速率，还会影响到去皮效果，一般马铃薯的填加指数为 0.51～0.66 [8] 。
2.1.1工作圆筒
工作圆筒结构示意图如图 6所示。圆筒材料选定为铸铁，工作圆筒不设置筒底，圆筒内层焊接间距均匀直径为10mm的20跟钢棒，在其表面涂有金刚砂，金刚砂作为常用的磨料，可以提高机器耐磨性，而且成本较低[8]。在工作时与马铃薯接触中不断摩擦，使薯皮从表皮分离出来。在圆筒的上侧设有200mmx200mm进料口，并配有挡盖，不使用时防止灰尘进入桶内，使用时避免工作过程溅水。圆筒底部侧面设有带活门100mmX100mm的出料口，去皮过程中关闭活门，待皮渣处理干净后打开活门，取出去皮后的马铃薯。
1.卸料口 2.不锈钢棒
图 6 工作圆筒
2.1.2工作转盘
在圆筒内侧下方设置波浪型圆盘，圆盘主要由传动轴固定。工作转盘作为去皮机的主要部件之一，对圆盘选择适合工作的材质后，确定相应的转盘壁厚和 与工作圆筒相对应的结构尺寸，根据其适合工作的环境，提出制造、装定和工艺的技术要求[9]。波浪形圆盘为凹凸不平的曲面可以使薯块均匀的做上下翻滚运动，同时在波浪形圆盘曲面上也设有金刚砂凸点，这样可以使马铃薯去皮更加充分，去皮速率更快[10]。此外设计时，工作转盘的直径略小于圆筒内壁，他们之间的差距使得大于20mm的马铃薯不会掉入清洗槽中，同时有利于皮渣冲洗干净，不留在桶内。波浪形圆盘如图 7所示。
1.波浪形圆盘 2. 分布均匀的凸点 3.连接孔
图 7 工作转盘
2.1.3传动系统
传动装置选用带传动，电机通过轴带动小带轮，小带轮将力与力矩传递给大带轮，大带轮通过传动轴驱动转盘做匀速的圆周运动，来实现整个机构的运动。电动机安装于机架右侧，安装形式选用V36。
2.2其他部件
2.2.1废渣处理
废渣的处理是薯类去皮机的一个关键性的问题，如何使废渣处理干净，并且使其得到有效的利用。常见的去皮机其处理装置与圆筒底部保持在同一水平面，在冲洗过程中薯皮渣由于转盘的遮挡使其堆积于转盘下，会造成传动轴失灵，长时间工作，如果处理不当，可能使机器直接报废。
在圆筒底部安装废渣处理装置，清洗槽，该装置直径口与圆筒直径相同，底侧内部与圆筒的底部呈3°的斜角，便于废渣从废料口排除，排出口的直径设为80mm，并设有孔，孔径与传动轴直径相对应。此装置也选用不锈钢薄板，用普通螺栓连接将此装置与圆筒连接。孔和螺栓采用基孔（H7/m6）。
2.2.2机架结构
设计机架时，首先要考虑机架整体的刚度、强度及稳定性。设计过程中根据零件的装配、维修等的方便，在合适的位置开设大小合适的孔。该设计中机架主要承担圆筒、转盘、等载荷和固定传动轴，其支架右侧还要固定电动机，所以在设计时要采用合理的工字形截面形状来提高机架的强度与刚度。
3.马铃薯去皮机参数的确定
3.1对物料进行力学分析
图 8 波浪形圆盘结构示意图
图 9 马铃薯的受力分析图
波浪形圆盘结构示意图，如图 8所示。根据波浪形圆盘图形，对物料在去皮过程的受力情况进行分析，如图 9所示。电机通电后，转盘以一定的速度转动着，马铃薯及物料A运动，物料A的受力分析如图 9，设物料A的速度为v，速度方向与转盘上的波纹垂直，波纹角度为15°，转盘的角速度为ω。
物料再垂直方向上的速度：
v垂直=vcosα=ωrsinα
(1)
及原料在垂直方向的动能：
E垂直=12mv垂直2
(2)
根据能量守恒定律确定物料在垂直方向的动能与势能相等，即：
E垂直=12mv垂直2=mgℎ
(3)
要实现马铃薯的正常去皮，物料抛出的高度h>物料堆积的厚度，才能使圆筒底部的马铃薯也能实现上抛与筒壁进行摩擦，抛高用δ替代[12]，同时ω=nπ30，综上所诉：
n=602δgπrsin2α r/min
(4)
要实现去皮效果，在抛起马铃薯的同时还要实现马铃薯与筒壁的摩擦，设该惯性力为T，波纹对马铃薯的摩擦力C应不大于马铃薯受到的离心力。
得到：
Grn2900 ≥ Gf
(5)
n ≥ 30fr (r/min)=53 r/min
(6)
知马铃薯的转盘摩擦系数为1.1~1.3，这里取f为1.2；在设计计算时，选择（4）、（6 ）中转速的最大值。
3.2转盘转速的计算
设马铃薯去皮机在工作时，投料每次在40kg左右，去皮机容量一般在800kg/m3。
转盘直径r=380mm，设马铃薯的堆高δ，由πR2δρ=m，估算得到δ=100mm，代入公式（4），得到n=143r/min。两者之间取最大值作为设计的转速值，考虑到实际情况，为确保马铃薯去皮机在工作时达到理想状态，所以取n为150r/min。
3.3马铃薯去皮机功率的确定
根据《丘陵山区马铃薯全程机械化》，马铃薯去皮机生产能力按下式计算：
G= 3600τ1 +τ2+τ3×πD2H4 ρφ
(7)
式中τ1 --------装料时间s（马铃薯去皮机取30s）；
τ2 --------擦皮时间s（马铃薯去皮机取30s）；
τ3 --------废料排出时间s（马铃薯去皮机取20s）；
D--------圆筒直径0.8（米）；
H-------圆筒有效高度1.2（米）；
ρ -------马铃薯去皮机的容积密度（千克/米3）800kg/m3；
φ -------圆筒内物料填充系数（0.50~0.65），取0.6；
代入已知数据，得：
G= 3600τ1 +τ2+τ3×πD2H4 ρφ =4355
(8)
则功率损耗：
N=Gn(4frπ +8sk+1gfπ v2)384
(9)
Gn --------马铃薯的重力（Gn=40×10=400N);
f ---------摩擦系数（1.1~1.4）取f为1.2；
R ---------摩擦壁距R=0.4D(D为圆盘直径)
V ---------马铃薯圆周速度（m/s），v= ωr=r nπ30≈6 m/s;
S ---------圆盘表面波纹高度8mm;
K ---------波纹数量
根据以上公式可以得出N=2.04kW，取N为3kW。
由：
N=Mωη
(10)
而带轮的传动效率为0.95，故经计算得M=180N·mm。
根据该机在工作时需要的总功率至少为N=3kW，转速n=150r/min，考虑到实际生产的需求情况，选择型号为Y132M-8型电动机。
表3 该机主要参数对照表
电动机
转速
圆筒直径
工作时间
投料量
Y132M-83kW(同步转速710r/min)
150r/min
800mm
约为85s
40kg
4.传动部件的设计
4.1 带轮的设计
该设计在传动装置选择带传动，其设计装置简单，材料以制造价格低廉，传动平稳。在设计V带传动时其大带轮与小带轮之间的传动关系、所需的最小额定功率、工作环境等都需要考虑。
4.1.1V带传动的设计计算
本设计选用普通V带，根据电动机选择。确定去皮机与电动机的传动比i=710/150=4.7。设马铃薯每日的工作环境为2小时。
1.计算额定功率
由于去皮机在工作时受到载荷不大，工作时长一般为2小时，选择工作情况系数KA=1.1，即：
Pca =KAP=3.3kW
(11)
2.选择V带带型
根据上式功率Pca 、小带轮的转速n1，选择V带为A型。
3.确定带轮基准直径
选用A型带型后，在“普通V带轮的基准直径系列”中初步选用小带轮直径dd1=118mm。
V带轮的带速：
v=πdd1 n160×1000=π×118×71060×1000=4.38 m/s
(12)
带速合适，则大带轮的基准直径
dd2=i×dd1=4.7x118=554.6mm
(13)
根据表《机械设计》8-9，取标准直径dd1=560mm。
4.V带中心距a的确定与基准长度 Ld
0.7(dd1+dd2)
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