小型手动式红枣去核机的设计与试验

于福锋，李 平，张凤奎

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

0 引言

根据年鉴统计，2017年全世界红枣产量为876.75万t，我国红枣产量852.20万t，产量约占全世界的97%。目前南疆红枣产量和需求量逐年增长，红枣深加工企业越来越多，红枣精深加工产业发展迅速。红枣深加工能够使红枣产品多元化销售，拓宽红枣多种销售方式，丰富红枣产业链，给枣农带来巨大经济收入[1-2]。红枣去核是红枣深加工前的重要步骤，使红枣有更好销售渠道和优质产品效应，同时高效、清洁、安全地对红枣去核也是红枣深加工企业面临的重要问题，对深加工产业发展具有深远影响。因此，研究红枣机械化去核装备即是当前面临的主要问题也是今后研究的方向[3-4]。

近几年来国内学者对去核机械装备进行了大量的研究，其中以红枣、辣椒、荔枝等食用型农作物研究较为广泛，如康宁波等[5]设计的链式气动自动化干红枣去核机可实现单个红枣自动化定向排列上料，采用图像检测和机械装置结合技术，实现了精确定位。郜海超等[6]设计的小型全自动大枣去核机重点分析自动上料定位机构和去核机构。曹劲草[7]设计的红枣去核机主要针对去核机确定了传动系统，对间歇运动槽轮机构进行参数设计与运动学仿真。郑兴帅等[8]设计辣椒去核机定向输送机构，采用一对有角度的辊杠相向对滚进行去核的方式。李长友等[9]对荔枝定向去核剥壳机进行设计研究。刘开勇等[10]设计一种全自动山楂去核机。张玉峰等[11]设计了用气缸作为动力，推动去核杆进行去核的装置，具有去核破碎少，冲核效率高等优点。时明明等[12]对红枣上料装置进行结构优化，采取直线往复式机械振动装置，提高了红枣上料速度。相对而言，国外对去核机械研究较为成熟，主要对苹果、桃子等林果进行理论研究，如美国公司采用高速旋转的圆形杯对桃核进行定位和去核，定位准确，去核效率高。Brown等[13]对水果进行定向去核，主要采用链轮与摩擦带之间相互配合带动转动的水果定位从而进行去核。Hendrik等[14]运用机器视觉技术对水果进行识别和定位，并且控制其机械装置进行调节移动并准确去核。

目前国内外研究机械去核设备主要存在结构复杂、浪费原材料严重，同时某些设备还存在使用范围窄，仅适用于大型食品加工厂加工干枣或半干枣，对于小型化生产需求并不适用[15-16]。因而通过研究国内外去核机械设备的结构和原理，本文提出设计一种小型手动式红枣去核装置，其具有结构简单、安全可靠、生产效率较人工高、定位准确等特点；该装置可以代替人工去核，干净卫生，操作简便，有较强的推广优势。

1 总体设计方案

1.1 物料测定

去核红枣的物料是从新疆阿拉尔市周边团场购买的鲜食圆脆红枣和干制后的骏枣，对两种红枣物理特性进行测定，测得圆脆长度在30～45 mm之间，宽度在20～35 mm之间，枣核宽度3～5 mm之间；骏枣长度在35～50 mm之间，宽度在25～40 mm之间，枣核宽度在4～5 mm之间。

1.2 装置结构

装置结构如图1，该装置主要由左右支撑板、矩形刀架组件、弧形凸轮轴组件、去核组件、承枣板、接核筛及压杆组成。其中矩形刀架组件与弧形凸轮轴组件始终保持接触，给去核组件提供导向路径；左右支撑板与上方的矩形刀架组件和弧形凸轮轴组件相互连接，固定弧形凸轮轴组件不发生轴向偏移，仅使矩形刀架组件能够在其导轨内上下往复运动；左右支撑板与下方的承枣板和接核筛之间连接，仅提供水平方向往复运动；压杆与弧形凸轮轴组件轴向连接，往复圆周运动给其提供压力。

1.3 设计原理

该装置其工作步骤分为装料、冲核、退回、去枣、取枣五个步骤。

工作过程：主要为去核构件往复式直线运动及承枣板水平移动连续作业来对红枣进行手动去核，采用弧形凸轮轴系作为去核构件的导向机构，通过弧形凸轮轴系驱动去核构件作上下往复直线运动，同时凸轮轴系带动矩形刀架在滑轨上作往复运动，并利用压缩弹簧带动去核构件内的顶核杆，减轻去核构件在进入导向机构时对红枣的冲击力，有效降低红枣破损率，装料承枣板采用钢珠弹簧，在其水平移动时可以有效的起到准确定位和送料的作用，去核构件中顶核杆将枣核去除并由顶核杆将其顶入接核筛，实现红枣去核以及枣核分离。

图1 手动式红枣去核装置示意

去核工作路线图如图2，（1）人手动施加压力时，使压杆向下作用。（2）其连接轴同时带动弧形凸轮轴系中的弧形凸轮作用于轴承上，带动整个去核机构在支撑板内部滑轨中向下运行。（3）当顶核杆接触到红枣后，压缩弹簧使顶核杆缩到空心刀具内，空心刀具继续向下运动，在钢珠弹簧定位机构的作用下红枣便被精准地送到空心刀具正下方，同时将枣核去掉，此时在弹簧的作用下顶核杆透过承枣板内部的枣核眼将枣核顶入接核筛。（4）在弹簧的作用下，去核机构恢复初始状态，进行下一次去核。

2 主要组件设计

2.1 去核组件设计

通过前期试验整理数据可知，红枣一般长度30～50 mm，枣核的宽度为4～6 mm。需要顶核杆长度大于红枣的长度，在去核时将红枣完全贯穿，才能够将枣核完全从红枣中分离开，顶核杆的直径要大于枣核宽度，避免过小对红枣内部产生破损，弹簧要有一定的预紧力，要有一定弹性强度来提供压力。设计其顶核杆长度为65 mm，直径为6.5 mm，空心刀具的长度为180 mm，弹簧长度为55 mm。

图2 去核工作路线

去核组件是直接与红枣表面接触的关键组件，为了能够获得干净的红枣果肉，去核刀头需要适应不同大小枣核的要求，其刀头必须锋利。去核组件如图3，主要由螺栓、压力弹簧套、压力弹簧、空心刀杆、顶核杆、刀头组成。空心刀杆与顶核杆相配合，在压缩弹簧施加力时，刀头切开枣皮，随之顶核杆冲入枣内将枣核顶出枣外，最终压力弹簧复位。由于圆形不锈钢有较好的滑切性能和防生锈特性，其中空心刀杆、刀头与顶核杆均采用圆形不锈钢材质，压力弹簧、螺栓采用标准件，提高装置通用性。

图3 去核组件

2.2 矩形刀架组件设计

矩形刀架组件如图4，主要由预留口、刀架、轴承套、轴承支座、滚动轴承、钢珠组成。滚动轴承和轴承支座与刀架相互连接，起到支撑与稳定去核组件的作用，预留口用来放置去核组件；轴承套和轴承支座将滚动轴承放置牢靠，配合弧形凸轮往复运动，减轻红枣去核阻力，带动其去核组件上下往复运动；钢珠起到定位作用，有效地降低红枣由于去核组件定位不准造成的破损。

刀架采用工程塑料3D打印而成，其余零件均使用通用性好的标准件，保证装置零件方便易购买。

2.3 弧形凸轮轴组件设计

弧形凸轮轴组件如图5，主要由弧形凸轮、紧固件、轴承、轴、六角螺栓组成。弧形凸轮轴组件主要为了减轻施加时的冲压力和施力者劳动强度，提高红枣去核率。两端轴承配合弧形凸轮向下一组件传递，弧形凸轮和轴承构件有较好的传递性，减轻了劳动强度，轴承可以缓解顶核杆和冲压强度，减少红枣的损伤。

图4 矩形刀架组件

弧形凸轮与轴是由热处理的金属材质加工而成，有较强的硬度和光滑度，轴承与六角螺栓均采用标准件。

图5 弧形凸轮轴组件

2.4 承枣板组件设计

通过试验数据得出红枣长度35～55 mm，宽度20～40 mm，枣核的宽度为4～6 mm。设计承枣板时其放置红枣的凹槽横径、纵径长度应大于红枣的长度和宽度，设计承枣板凹槽的横经长度为35 mm，纵径长度60 mm，枣核眼直径大于枣核宽度，设计枣核眼直径为7 mm。

承枣板组件是定位和扶正红枣的主要组件，为了能够将红枣的重心位于承枣板凹槽的中心，凹槽应该满足不同尺寸的红枣要求，压杆每次向下运动，如果只去1颗红枣核，会降低生产率，为提高生产率需要增加3个横向凹槽和5个纵向凹槽，同时在凹槽边缘粘贴柔软材料，能够完全将红枣包裹其中防止红枣挤压变形，便于枣核处于顶核杆刀头正下方。承枣板组件如图6，主要由凹槽、凹槽板、把手、凹槽眼组成。承枣板由15个凹槽组成，一次试验可将15个红枣去核。

图6 承枣板组件

3 试验及结果分析

3.1 试验方法

试验时，手工随机挑选鲜枣圆脆350颗，分成7组每组50颗；干枣为特级骏枣，同样根据以上将干枣分为7组，对其进行去核试验，装置实物如图7所示。试验过后统计红枣去核率、破损率、生产效率3项指标数据，对试制装置性能进行验证评价。

根据上述理论参数设计，本机为减轻重量，外壳、左支撑板、刀架、承枣板、接核筛、弹簧罩、把手均由工程塑料3D打印制成；轴、压杆、弧形凸轮、空心刀具、顶核杆、弹簧均由钢材制成。

图7 装置实物

3.2 试验结果分析

装置去核试验结果如表1、表2所示，7组试验数据得出圆脆的平均去核数为48.1颗，平均去核率为96.2%，最低去核率为94.0%，平均破损率为2.86%，平均生产率为 0.81粒/s（2 916粒/h），最低生产率为0.76粒/s（2 736粒/h）；7组试验数据得出干制特级骏枣的平均去核数为47.7颗，平均去核率为95.4%，最低去核率为94.0%，平均破损率为2.86%，平均生产率为 0.69粒/s（2 484粒/h），最低生产率为 0.65 粒/s（2 340 粒/h）。

试验结果分析，圆脆的含水量较大，其脆性相对干制骏枣较大，对去核组件阻力较小，便于其进入圆脆内部去核，同时圆脆外形类似球体，其重心相对承枣板重心一致，定位站立准确，总体去核效果较好于干制骏枣。在特级骏枣的去核试验过程中，红枣的定向效果对去核效果影响较大，试验中扁长状红枣，无法在承枣板中的凹槽内竖直和定位，重心不在顶核杆的竖直方向，顶核杆刀头冲切偏向，造成干制骏枣破损，去核效率较低于圆脆。在去核过程中如果红枣的形变量小，去核的红枣切口平整，枣肉撕裂的情况少，装置的去核效率会提高，红枣的破损率也会降低，其去核率可达到设计要求，去核后红枣如图8。

表1 圆脆组试验结果

表2 骏枣组试验结果

图8 去核后红枣

4 结论与讨论

（1）本文设计的小型手动式红枣去核机操作简单，试验得出该装置的最低生产率约为2 500粒/h，最低去核率达到95%以上，破损率低于3%。

（2）针对不同红枣的尺寸形状差异，在去核时，要解决枣核竖直准确定位的难题，需进一步研究。若要实现红枣在承枣板上水平移动，实现机构连续性去核的目的，提升去核生产效率，需要进一步改进该装置。凹槽作为红枣的定位装置，其自身对红枣的均匀性和红枣扶正效果影响很大，在凹槽的结构设计和材料选择方面应进一步优化，进一步提高对不同尺寸红枣去核的适应度。