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中文摘要
馬鈴薯去皮機的設計
摘 要
自農業部提出馬鈴薯主糧化戰略后，馬鈴薯產業化發展得到了各個食品加工產商的重視，許多加工產商依賴現有的技術，能夠以各種方式加工各類馬鈴薯制品。馬鈴薯現面臨生產面積和產量不斷增加，供過于求的現狀，造成這種狀況主要原因之一是：大部分馬鈴薯還是以鮮食為主，加工產品單一，加工技術有待進一步的提高[1]。實現馬鈴薯的理想去皮是推動馬鈴薯深加工發展的重要一步，馬鈴薯理想的去皮是指只去除掉馬鈴薯最外層薄薄的一層皮，但目前現有的去皮方式很難達到這一步。不同的馬鈴薯制成品對馬鈴薯去皮程度的要求也不一，導致我們所使用的去皮方式也不一樣，有的情況是要求馬鈴薯去皮后不能夠看到任何芽眼，表皮應該要整潔；有的對去皮后產品外表無要求。現有的去皮方式主要包括蒸汽去皮、堿性溶液去皮、摩擦去皮、人工去皮。
本論文主要詳細介紹和探討了馬鈴薯的各種去皮方式，通過對幾種去皮方式進行優缺點的對比（如對其去皮效率、去皮機的適用性、機器成本和對制成品的影響），選擇一種合適的去皮方式，設計一種適合小型食堂適用的馬鈴薯去皮機。
關鍵詞：馬鈴薯去皮機；馬鈴薯；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
目錄
1 引言 1
1.1選題目的與意義 1
1.2國內外發展現況 2
1.2.1蒸汽去皮 3
1.2.2堿性溶液去皮 4
1.2.3摩擦去皮 5
1.2.4人工去皮 6
2馬鈴薯去皮機的整體設計 7
2.1計劃任務書 7
2.2馬鈴薯去皮機工作概述及總體設計 7
2.1.1工作圓筒 8
2.1.2工作轉盤 9
2.1.3傳動系統 9
2.2其他部件 9
2.2.1廢渣處理 9
2.2.2機架結構 10
3.馬鈴薯去皮機參數的確定 11
3.1對物料進行力學分析 11
3.2轉盤轉速的計算 12
3.3馬鈴薯去皮機功率的確定 12
4.傳動部件的設計 15
4.1 帶輪的設計 15
4.1.1V帶傳動的設計計算 15
4.2傳動主軸的設計 18
4.2.1材料的選擇 18
4.2.2軸的強度校核計算 18
4.2.3 軸的結構設計 19
4.3軸上零件的連接設計 20
4.4滾動軸承的選擇與安裝 20
5.主要零件的校核 22
5.1軸的校核 22
5.2軸承的壽命計算 23
6 使用說明 25
參 考 文 獻 26
致 謝 27
I
1 引言
1.1選題目的與意義
馬鈴薯原產地可追溯到南美洲，由于其豐富的營養價值，而且對栽植環境要求不高，在世界各地被廣泛的栽植，在市場食品類占有了重要地位，可加工種類龐雜，堪稱“才華橫溢”。馬鈴薯中富含大量的維生素C、各種維生素B、蛋白質和氮元素，豐富的營養儲藏資源可以很好地滿足當代人們的基本營養需求[2]。馬鈴薯中還含有許多膳食纖維，塊莖內鉀含量遠遠高于鈉，對于需要減肥的年輕人來說，這是一個不錯的選擇，它能夠有效的幫助他們在運動中進行腸胃蠕動，同時也可以攜帶一些身體內的油脂。
由于馬鈴薯可制成的產品種類龐雜，如粉條、薯片、法式炸條、啤酒、淀粉及淀粉的衍生產品；其客觀的收益，使得許多小型加工廠都青睞于馬鈴薯制品。馬鈴薯在紡織、化工等行業也有應用，它可以加工為變性淀粉用作染料。對馬鈴薯價值有深入了解后，就能夠明白這種簡單的食物在國家發展中的重要位置。
馬鈴薯可以在相對貧瘠的土地培植，而且單棵產值量大，不需要制冷就可以容易地儲存。馬鈴薯的生產和儲存技術對薯片產業的研究有著重要意義。據記錄馬鈴薯雖產量高、價值大，但在上個世紀初很多國家并未發掘其潛力，在歐洲很多國家大約1/5的馬鈴薯用來飼養動物；一些國家如愛爾蘭甚至高達3/5。馬鈴薯產業化升級與國家的工業化程度的發展有很重要的關系，這可以體現在，農業化大國雖然馬鈴薯產量水平很高，但用作飼料的比例也很高；而工業化程度較高的國家，馬鈴薯在食品加工上占比高，馬鈴薯能夠得到充分的利用。隨著科技的發展，加工產品種類的增多，馬鈴薯在未來的發展一定會再次上升。
雖然在馬鈴薯食品加工方面美國進入這個領域晚于歐洲，但由于90年代工業革命的變革使得其急速發展。馬鈴薯不僅是美國家庭餐桌上的主食，而且美國還通過麥當勞，薯片等方式使得馬鈴薯熱銷于全世界。受全球化的影響，中西方的飲食文化開始相互貫通，像麥當勞和德克士這樣的快餐在中國年輕人中非常受歡迎，例如炸薯條，薯泥和其他馬鈴薯食品，我國火鍋粉也深受國外的喜愛。隨著其他油炸薯片，膨化食品等馬鈴薯制品的不斷增多，深加工技術的不斷完善，馬鈴薯食品將在我國人民日常飲食的主要食品中占據一席之位，其前景十分廣闊。
馬鈴薯最初傳入中國，主要種植地位于長江以南。由于其易栽培，對生長環境要求不高，在北方也能實現一年兩作，所以成為北方經濟落后地區主要經濟作物之一。馬鈴薯在饑荒年代是主糧的“替代品”?，F全國有很多地方都在培植，如新疆、陜西、內蒙古、山西、東北地區和云貴地區等，既玉米、小麥、大米后，馬鈴薯成為第四主糧[2]。近年來在食品消費需求和工業發展的刺激下，政府對農村經濟產業鏈發展大力支持，馬鈴薯產業的發展也有目共睹，我國馬鈴薯在總產量和種植面積已經成為全球第一。隨經濟結構的改變，馬鈴薯一家一戶的經營方式已慢慢蛻變為規模種植大戶，但受各地地勢差異的影響其機械化程度依然有很大的發展空間，美國、加拿大、荷蘭等國在馬鈴薯生產已采用大規模的機械化，而我國在種植、收獲等環節還需要依賴人力來完成。
馬鈴薯產業發展有很多制約條件。①鮮薯塊的體積大、含水量高、不易運輸和經久貯藏，若長期儲存不當不僅會損害馬鈴薯中的營養成分還可能會使它產生帶有毒素的物質—Solanine ，尤其是薯塊的發芽和變綠處，食用后會給人的身體造成一定的威脅；②馬鈴薯產品相對簡單，主要是用來食用和用于飼料；③馬鈴薯在中國普遍的加工產品主要是粉條，由于大部分老人和小孩無法食用，所以被廣大消費者所喜歡的薯類食品也很少；④我國對馬鈴薯研究的認識、加工技術、生產幾乎處于空白。
為了改善這一現狀，致力于發展馬鈴薯的深加工尤為重要。任何加工過程，都需要對馬鈴薯進行去皮處理。本論文主要針對國內外現有的去皮方式研究。根據現有的去皮機設計一款小型的、成本低、適用于小型食堂的去皮機器，設計過程中結合大學所學知識，理論聯系實際，同時對現有的去皮機進行市面上的調查，提出自己的改進意見。
1.2國內外發展現況
馬鈴薯加工業在歐洲興起時間較早，但發展規模一直很小，直到二戰以后，大量工廠開始從事馬鈴薯的加工。不同產品對馬鈴薯去皮程度要求不同，對于生產脫水馬鈴薯粉類產品，去皮要求程度較低，而法式炸條要求馬鈴薯去皮后不留下任何皮、外表不工整或芽眼等瑕疵。國外的馬鈴薯去皮機主要是機械式去皮和高壓蒸汽去皮，技術比較成熟[1]。美國使用較為普遍的去皮機是水洗磨蝕去皮機、干磨蝕去皮機和高壓蒸汽快速去皮機。如水洗磨蝕去皮機它通過利用螺旋桿狀結構，使馬鈴薯在向前推動的同時實現與機構摩擦去皮，這樣大大提高了馬鈴薯的去皮效率[3]。
2016年6月孟慶書、黃鍵裕等人，對馬鈴薯去皮機技術的研究進展進行了匯報，通過對現有的去皮裝置進行國內外的對比，總結了現國內裝置存在功率消耗大、去皮可靠性低、生產率不高、連續設備作用率低等問題[4]。今后的發展將基于目前的問題進行改進。苗紅濤等人針對馬鈴薯摩擦去皮機現存在的問題，對其進行了一些產品上的優化，設計了一款新型立式馬鈴薯連續去皮機。目前國內也涌現了許多優秀的產商，如山東省曲阜市建達機械廠業務客戶遍及全國各地大中小城市，是集研發、制造、生產、銷售為一體集團化企業。
目前國內外主要的去皮方法包括蒸汽去皮、堿性溶液去皮、摩擦去皮和人工去皮。不同去皮方式去皮的去皮損失率對比，如圖 1[5]。從圖 1可以觀察去皮的損失率最低的方式是蒸汽去皮，去皮率最低可達到4%，機械切削去皮的損失率最大，可達到50%。
圖 1 不同去皮方式的去皮損失率對比
1.2.1蒸汽去皮
蒸汽去皮是利用薯皮在高壓蒸汽的作用下，其外層的薯皮迅速軟化，蒸汽壓的突然釋放，使薯皮軟化的同時瞬間表皮爆破（Slater，1951），薯皮用流水沖洗。
蒸汽去皮機分為間歇式和連續式，第一臺去皮機式間歇式，它的工作原理是對馬鈴薯進行簡單分類后將其置于一個圓筒內封閉起來，當工作人員轉動滾筒時，蒸汽通過一個空心導管進入筒內，經過一定時間后，停止操作取出馬鈴薯。連續去皮機是對現有的機器添加電子液壓循環控制裝置，更好控制每次加工量和蒸汽溫度，使得去皮損失變小（高壓閃爆蒸汽去皮機圖 2）[6]。大型加工廠如陶郎食品在蒸汽去皮方面，具備了高端的去皮技術，去皮損失率可控制在10%以內，令很多行業在這方面望塵莫及。
1.進料提升機 2.進料稱量箱 3.去皮倉 4.干式擦洗或清洗機 5.出料螺旋裝置
圖 2 高壓閃爆蒸汽去皮機操作示意圖（烏登貝利公司）
此類去皮機的缺點：需要另外功能設備，但是很難掌握溫度，對設備要求也高；優點：去皮損失率極低；薯皮可直接用作飼料。
1.2.2堿性溶液去皮
堿性溶液去皮法是將馬鈴薯浸泡于堿性溶液中，堿性溶液與馬鈴薯表皮進行化學反應，使得薯皮軟化，然后再用高壓水槍將其表皮沖洗[16]。在去皮工程中需要對堿性溶液的濃度、溫度以及浸泡時間有嚴格的控制。
由羅賓斯公司制造的旋轉螺旋式去皮機如圖 3，它將螺旋桿浸泡于堿性溶液，同時利用螺旋桿來運輸物料[1]。通過改良后又出現了紅外干式苛性鈉去皮，主要針對的是原有機器對廢棄物的處理和環境污染，該機器的原理是馬鈴薯在具有一定溫度的堿液溶液中浸泡后，然后進行紅外熱處理。這種設備的優點：去皮過程中不需要大量水沖洗；薯皮易收集，可用作飼料；去皮損失小。缺點：不適用于小型加工廠；設備造價過高；對操作人員素質要求高。
圖 3 旋轉螺旋桿堿液去皮機
1.2.3摩擦去皮
摩擦去皮以摩擦原理為基礎來達到去皮效果，去皮過程不需要加溫，堿性溶液的輔助，所以不需要考慮高溫圈的問題；去皮效率高；操作簡單。種形式的去皮方法受到很多加工廠的青睞[1]。
摩擦去皮機主要分為間歇式和連續式，他們都是讓待去皮的薯類均勻的同摩擦部件接觸，實現去皮[1]。區別是前者將馬鈴薯置于轉盤上，轉盤旋轉時帶動馬鈴薯做離心運動同周圍的摩擦面摩擦，然后用水沖洗掉皮渣；后者是將馬鈴薯放在涂有磨料的輥上，馬鈴薯在輥上翻轉。連續馬鈴薯去皮機如圖 4。
1.變速電機 2.放料口檔蓋 3.支撐架 4.電控柜 5.壓力泵 6.水箱7.地腳螺栓
8.沖洗水進口處 9.球閥 10.循環水管道 11.出料口擋蓋
12.滾筒 13.傳動端蓋 14.過濾網 15.球閥 16.排污水管道
圖 4 連續馬鈴薯去皮機[7]
1.2.4人工去皮
人工去皮主要依靠人力，去皮原理簡單，去皮效果好，但只適合家庭日常作業，費時費力不易實現市場的規模化。
27
2馬鈴薯去皮機的整體設計
2.1計劃任務書
本課題的目的是設計馬鈴薯去皮機。馬鈴薯去皮機圓筒直徑為800mm，其需要在120秒內至少實現40kg的去皮任務。
2.2馬鈴薯去皮機工作概述及總體設計
馬鈴薯去皮機的總體結構如圖 5所示。
1.機架 2.排污口 3.圓筒外壁 4.圓筒內壁 5.置料口 6.轉盤 7.電動機
圖 5 馬鈴薯去皮機的裝配圖
該機器總體結構由傳動裝置，工作圓筒，工作轉盤，機架以及驅動裝置等組成。
將清洗好的馬鈴薯從投料口放入機筒內，蓋上蓋子，調整電動機轉速，通過帶輪傳遞動力，帶動波浪型轉盤作水平高速旋轉運動，馬鈴薯受到離心力的作用后，有斜上拋的運動，與圓筒內壁上磨砂進行摩擦，同時也和轉盤上設有凹凸不平的小圓點進行均勻的摩擦實現去皮，經過一定時間去皮完成后，用清水沖洗皮渣，皮渣隨水流從排污裝置排出。每次去皮時去皮機中不應該放入過多的馬鈴薯，這樣不僅不能夠提高去皮速率，還會影響到去皮效果，一般馬鈴薯的填加指數為 0.51～0.66 [8] 。
2.1.1工作圓筒
工作圓筒結構示意圖如圖 6所示。圓筒材料選定為鑄鐵，工作圓筒不設置筒底，圓筒內層焊接間距均勻直徑為10mm的20跟鋼棒，在其表面涂有金剛砂，金剛砂作為常用的磨料，可以提高機器耐磨性，而且成本較低[8]。在工作時與馬鈴薯接觸中不斷摩擦，使薯皮從表皮分離出來。在圓筒的上側設有200mmx200mm進料口，并配有擋蓋，不使用時防止灰塵進入桶內，使用時避免工作過程濺水。圓筒底部側面設有帶活門100mmX100mm的出料口，去皮過程中關閉活門，待皮渣處理干凈后打開活門，取出去皮后的馬鈴薯。
1.卸料口 2.不銹鋼棒
圖 6 工作圓筒
2.1.2工作轉盤
在圓筒內側下方設置波浪型圓盤，圓盤主要由傳動軸固定。工作轉盤作為去皮機的主要部件之一，對圓盤選擇適合工作的材質后，確定相應的轉盤壁厚和 與工作圓筒相對應的結構尺寸，根據其適合工作的環境，提出制造、裝定和工藝的技術要求[9]。波浪形圓盤為凹凸不平的曲面可以使薯塊均勻的做上下翻滾運動，同時在波浪形圓盤曲面上也設有金剛砂凸點，這樣可以使馬鈴薯去皮更加充分，去皮速率更快[10]。此外設計時，工作轉盤的直徑略小于圓筒內壁，他們之間的差距使得大于20mm的馬鈴薯不會掉入清洗槽中，同時有利于皮渣沖洗干凈，不留在桶內。波浪形圓盤如圖 7所示。
1.波浪形圓盤 2. 分布均勻的凸點 3.連接孔
圖 7 工作轉盤
2.1.3傳動系統
傳動裝置選用帶傳動，電機通過軸帶動小帶輪，小帶輪將力與力矩傳遞給大帶輪，大帶輪通過傳動軸驅動轉盤做勻速的圓周運動，來實現整個機構的運動。電動機安裝于機架右側，安裝形式選用V36。
2.2其他部件
2.2.1廢渣處理
廢渣的處理是薯類去皮機的一個關鍵性的問題，如何使廢渣處理干凈，并且使其得到有效的利用。常見的去皮機其處理裝置與圓筒底部保持在同一水平面，在沖洗過程中薯皮渣由于轉盤的遮擋使其堆積于轉盤下，會造成傳動軸失靈，長時間工作，如果處理不當，可能使機器直接報廢。
在圓筒底部安裝廢渣處理裝置，清洗槽，該裝置直徑口與圓筒直徑相同，底側內部與圓筒的底部呈3°的斜角，便于廢渣從廢料口排除，排出口的直徑設為80mm，并設有孔，孔徑與傳動軸直徑相對應。此裝置也選用不銹鋼薄板，用普通螺栓連接將此裝置與圓筒連接?？缀吐菟ú捎没祝℉7/m6）。
2.2.2機架結構
設計機架時，首先要考慮機架整體的剛度、強度及穩定性。設計過程中根據零件的裝配、維修等的方便，在合適的位置開設大小合適的孔。該設計中機架主要承擔圓筒、轉盤、等載荷和固定傳動軸，其支架右側還要固定電動機，所以在設計時要采用合理的工字形截面形狀來提高機架的強度與剛度。
3.馬鈴薯去皮機參數的確定
3.1對物料進行力學分析
圖 8 波浪形圓盤結構示意圖
圖 9 馬鈴薯的受力分析圖
波浪形圓盤結構示意圖，如圖 8所示。根據波浪形圓盤圖形，對物料在去皮過程的受力情況進行分析，如圖 9所示。電機通電后，轉盤以一定的速度轉動著，馬鈴薯及物料A運動，物料A的受力分析如圖 9，設物料A的速度為v，速度方向與轉盤上的波紋垂直，波紋角度為15°，轉盤的角速度為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動能：
E垂直=12mv垂直2
(2)
根據能量守恒定律確定物料在垂直方向的動能與勢能相等，即：
E垂直=12mv垂直2=mg?
(3)
要實現馬鈴薯的正常去皮，物料拋出的高度h>物料堆積的厚度，才能使圓筒底部的馬鈴薯也能實現上拋與筒壁進行摩擦，拋高用δ替代[12]，同時ω=nπ30，綜上所訴：
n=602δgπrsin2α r/min
(4)
要實現去皮效果，在拋起馬鈴薯的同時還要實現馬鈴薯與筒壁的摩擦，設該慣性力為T，波紋對馬鈴薯的摩擦力C應不大于馬鈴薯受到的離心力。
得到：
Grn2900 ≥ Gf
(5)
n ≥ 30fr (r/min)=53 r/min
(6)
知馬鈴薯的轉盤摩擦系數為1.1~1.3，這里取f為1.2；在設計計算時，選擇（4）、（6 ）中轉速的最大值。
3.2轉盤轉速的計算
設馬鈴薯去皮機在工作時，投料每次在40kg左右，去皮機容量一般在800kg/m3。
轉盤直徑r=380mm，設馬鈴薯的堆高δ，由πR2δρ=m，估算得到δ=100mm，代入公式（4），得到n=143r/min。兩者之間取最大值作為設計的轉速值，考慮到實際情況，為確保馬鈴薯去皮機在工作時達到理想狀態，所以取n為150r/min。
3.3馬鈴薯去皮機功率的確定
根據《丘陵山區馬鈴薯全程機械化》，馬鈴薯去皮機生產能力按下式計算：
G= 3600τ1 +τ2+τ3×πD2H4 ρφ
(7)
式中τ1 --------裝料時間s（馬鈴薯去皮機取30s）；
τ2 --------擦皮時間s（馬鈴薯去皮機取30s）；
τ3 --------廢料排出時間s（馬鈴薯去皮機取20s）；
D--------圓筒直徑0.8（米）；
H-------圓筒有效高度1.2（米）；
ρ -------馬鈴薯去皮機的容積密度（千克/米3）800kg/m3；
φ -------圓筒內物料填充系數（0.50~0.65），取0.6；
代入已知數據，得：
G= 3600τ1 +τ2+τ3×πD2H4 ρφ =4355
(8)
則功率損耗：
N=Gn(4frπ +8sk+1gfπ v2)384
(9)
Gn --------馬鈴薯的重力（Gn=40×10=400N);
f ---------摩擦系數（1.1~1.4）取f為1.2；
R ---------摩擦壁距R=0.4D(D為圓盤直徑)
V ---------馬鈴薯圓周速度（m/s），v= ωr=r nπ30≈6 m/s;
S ---------圓盤表面波紋高度8mm;
K ---------波紋數量
根據以上公式可以得出N=2.04kW，取N為3kW。
由：
N=Mωη
(10)
而帶輪的傳動效率為0.95，故經計算得M=180N·mm。
根據該機在工作時需要的總功率至少為N=3kW，轉速n=150r/min，考慮到實際生產的需求情況，選擇型號為Y132M-8型電動機。
表3 該機主要參數對照表
電動機
轉速
圓筒直徑
工作時間
投料量
Y132M-83kW(同步轉速710r/min)
150r/min
800mm
約為85s
40kg
4.傳動部件的設計
4.1 帶輪的設計
該設計在傳動裝置選擇帶傳動，其設計裝置簡單，材料以制造價格低廉，傳動平穩。在設計V帶傳動時其大帶輪與小帶輪之間的傳動關系、所需的最小額定功率、工作環境等都需要考慮。
4.1.1V帶傳動的設計計算
本設計選用普通V帶，根據電動機選擇。確定去皮機與電動機的傳動比i=710/150=4.7。設馬鈴薯每日的工作環境為2小時。
1.計算額定功率
由于去皮機在工作時受到載荷不大，工作時長一般為2小時，選擇工作情況系數KA=1.1，即：
Pca =KAP=3.3kW
(11)
2.選擇V帶帶型
根據上式功率Pca 、小帶輪的轉速n1，選擇V帶為A型。
3.確定帶輪基準直徑
選用A型帶型后，在“普通V帶輪的基準直徑系列”中初步選用小帶輪直徑dd1=118mm。
V帶輪的帶速：
v=πdd1 n160×1000=π×118×71060×1000=4.38 m/s
(12)
帶速合適，則大帶輪的基準直徑
dd2=i×dd1=4.7x118=554.6mm
(13)
根據表《機械設計》8-9，取標準直徑dd1=560mm。
4.V帶中心距a的確定與基準長度 Ld
0.7(dd1+dd2)
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