袁小偉 蔣志琴 楊雙平 呂慧捷 道爾吉才仁

摘要：針對(duì)新疆地區(qū)辣椒烘干時(shí)間長、人工切片效率低、工作量大等問題，設(shè)計(jì)一種辣椒切片機(jī)。通過理論分析與參數(shù)計(jì)算確定辣椒切片機(jī)的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，運(yùn)用性能試驗(yàn)，選取影響辣椒切片機(jī)工作性能的切割圓盤轉(zhuǎn)速、輸送帶線速度和切割圓盤高度為試驗(yàn)因素，以切片完整度為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，建立試驗(yàn)指標(biāo)與影響因素回歸模型，確定辣椒切片機(jī)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為切割圓盤轉(zhuǎn)速118 r/min，輸送帶線速度0.5 m/s，切割圓盤高度10 mm。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在該最優(yōu)參數(shù)組合下，切片完整度為97.85%，與模型預(yù)測結(jié)果基本一致，相較人工切片效率提高344%，可滿足新疆地區(qū)辣椒切片作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：辣椒；切片；干燥；壓片設(shè)計(jì)；圓盤切割；響應(yīng)面分析

中圖分類號(hào)：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 03-0082-07

Abstract： Aiming at the problems of long drying time， low manual slicing efficiency， and heavy workload in Xinjiang area， a pepper slicer was designed. The key structure and working parameters of the pepper slicer was determined through theoretical analysis and parameter calculation. Through the performance test， the speed and the height of cutting disc and the linear speed of conveyor belt were selected as independent variables. The structural integrity of slices of chilli was used as the test index. The secondary rotation orthogonal combination test was carried out. A regression model of test index and influencing factors was established. The model showed that the optimal operating parameters of the pepper slicer were as follows： cutting disc speed 118 r/min， conveyor belt linear speed 0.5 m/s， cutting disc height 10 mm. Through experimental verification， under the optimal parameter combination， the slice integrity was 97.85%， which was basically consistent with the model prediction result. Compared with manual slicing， the efficiency is improved by 344%， which meets the requirements of pepper slicing operations in Xinjiang. This research can provide reference for the design of pepper slicer.

Keywords： pepper; slicing; drying; tablet pressing design; disc cutting; response surface analysis

0引言

辣椒是一種深受廣大消費(fèi)者喜愛的調(diào)味食品，可在美食中提供誘人的色澤和辛辣刺激的口感［12］。截止2021年，辣椒種植面積占蔬菜種植總面積的12%以上［3］，穩(wěn)居蔬菜行業(yè)前列。但由于新鮮辣椒含水量高，貨期短，不耐儲(chǔ)藏，收獲后若不及時(shí)處理，極易受到微生物的侵染而腐爛變質(zhì)。脫水干燥作為新采收辣椒的主要加工方式［46］，是延長辣椒貨架期的重要途徑。干燥辣椒不僅可以用作調(diào)味劑，還可用來提取辣椒色素用作工業(yè)原料，應(yīng)用廣泛［67］。

現(xiàn)有的辣椒干燥技術(shù)主要有自然干燥、熱風(fēng)干燥、真空干燥、氣體射流沖擊干燥、冷凍干燥以及多種方式聯(lián)合干燥等［810］。自然干燥方式采用自然陰干方式，耗時(shí)較長；其余均為人工輔助干燥方式，人工輔助進(jìn)行干燥在一定程度上提高了辣椒干燥的效率，但辣椒本身呈封閉立體，在干燥時(shí)，內(nèi)部水分散失較慢。因此在不影響產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，在烘干過程中增大辣椒熱量傳遞的接觸面積，即對(duì)辣椒進(jìn)行切片處理后再進(jìn)行烘干作業(yè)對(duì)提高烘干效率是十分必要的。

目前辣椒切片主要有旋切式和往復(fù)式兩種，旋切式［1113］主要是利用高速旋轉(zhuǎn)的刀片與連續(xù)進(jìn)給的辣椒配合完成切片，可將辣椒切割為大小均勻的小段，切片主要呈圓圈狀，用于制作辣醬等商品。往復(fù)式［1416］主要是利用往復(fù)機(jī)構(gòu)使得刀具模擬人工切片動(dòng)作切割辣椒，該方式作業(yè)效率受到機(jī)構(gòu)本身的影響，效率不高，切片主要呈圓圈狀，用于鮮辣椒腌制?，F(xiàn)有辣椒切片機(jī)均針對(duì)鮮辣椒腌制進(jìn)行切片，不適合用于辣椒烘干作業(yè)預(yù)處理。

本文設(shè)計(jì)辣椒切片機(jī)針對(duì)辣椒烘干作業(yè)進(jìn)行預(yù)處理，采用輸送帶與切割圓盤進(jìn)行配合作業(yè)，將待烘干辣椒切分為兩半，增大烘干過程中辣椒的接觸面，提高辣椒烘干效率。通過優(yōu)化試驗(yàn)確定裝置最優(yōu)工作參數(shù)，以期均勻切割辣椒，保證辣椒品質(zhì)，提高烘干效率。

1結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1辣椒切片機(jī)結(jié)構(gòu)

辣椒切片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

辣椒切片機(jī)主要包括機(jī)架、輸送帶、梳理棒、壓片、切割圓盤等組成，切割圓盤安裝在輸送帶后端，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。壓片安裝在切割圓盤上端，輔助辣椒切割，梳理棒安裝在輸送帶前端，對(duì)辣椒進(jìn)行預(yù)整理。

1.2工作原理

工作原理如圖2所示，工作時(shí)，辣椒從進(jìn)料區(qū)進(jìn)入，由輸送帶向后方切片區(qū)輸送；過程中，辣椒先碰到梳理棒，在梳理棒的作用下，辣椒分為左右兩列，且梳理棒與兩邊擋板間距剛好只允許辣椒縱向通過，使得辣椒縱向放置。整理后的辣椒在輸送帶作用下繼續(xù)向后方輸送，在切片區(qū)壓片的輔助下，由高速旋轉(zhuǎn)的切割圓盤完成辣椒切片，切片后的辣椒掉落到下方收集區(qū)域。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1輸送帶設(shè)計(jì)

輸送帶是保證辣椒切片裝置能夠高效運(yùn)行的前提，輸送帶的辣椒輸送能力決定了辣椒切片的質(zhì)量和效率。如圖3所示為輸送帶設(shè)計(jì)圖，如果輸送帶凸起擋塊過小或擋塊間隔過大，辣椒在輸送帶的摩擦力過小，輸送能力差且辣椒易堆積；如果輸送帶凸起擋塊過大，會(huì)導(dǎo)致在壓片作用下，辣椒損傷嚴(yán)重，同時(shí)凸起擋塊過大，切割圓盤安裝位置也會(huì)受限。

已知辣椒平均最大直徑為30 mm，因此設(shè)計(jì)切割圓盤時(shí)高度不應(yīng)高于15 mm，因此輸送帶上凸起擋塊的高度不應(yīng)高于15 mm。同時(shí)為降低擋塊對(duì)辣椒的損傷，選擇擋塊凸起高度a為10 mm，擋塊寬度b為40 mm，輸送帶寬度B取90 mm，擋塊間距L取60 mm。

2.2切割圓盤設(shè)計(jì)

切割圓盤是辣椒切片機(jī)的核心部件。工作時(shí)，依靠高速旋轉(zhuǎn)的薄片圓盤對(duì)接觸到的辣椒進(jìn)行切片，設(shè)計(jì)如圖4所示。為使得辣椒在接觸到圓盤時(shí)保持相對(duì)穩(wěn)定，避免辣椒橫向堆積，要求輸送帶上的辣椒最多兩個(gè)并排，因此設(shè)計(jì)切割圓盤安裝位置與輸送帶中線偏移距離e放置。

辣椒在被圓盤切割時(shí)，主要是受到橫向的剪切力，即由高速旋轉(zhuǎn)的圓盤與辣椒接觸后產(chǎn)生的圓盤切向力F對(duì)辣椒在橫向的分力。假定理想狀態(tài)下，辣椒與圓盤的接觸位點(diǎn)在輸送帶寬度的四分之一處，輸送帶寬度為B，切割圓盤直徑為D，偏心距為e，則有

2.3壓片設(shè)計(jì)

壓片是確保切割圓盤在工作過程中辣椒中線盡量在一個(gè)水平值上的關(guān)鍵。壓片高度H過高，不能對(duì)接觸到的辣椒起固定作用，導(dǎo)致切片時(shí)，辣椒中線發(fā)生變化，切割完整度下降。壓片高度H過低，辣椒不能順利通過，辣椒在輸送帶上產(chǎn)生滑移和堆積，影響切片質(zhì)量。根據(jù)辣椒平均直徑，本次設(shè)計(jì)取壓片高度為20 mm，則取切割圓盤高度的理論設(shè)計(jì)值為10 mm。

壓片設(shè)計(jì)如圖5所示。針對(duì)不同品種的辣椒，壓片高度可通過上方壓緊彈簧和調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大調(diào)節(jié)高度不低于切割圓盤高度。

3性能試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)設(shè)備及方法

為得到貼近實(shí)際生產(chǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，于2021年10月在新疆巴州焉耆縣五號(hào)渠鄉(xiāng)開展試驗(yàn)，切割后的辣椒直接進(jìn)入烘干設(shè)備進(jìn)行烘干，由經(jīng)驗(yàn)豐富的農(nóng)戶辨別切片質(zhì)量的優(yōu)劣。選取當(dāng)?shù)胤N植面積大且在適采期的豬大腸辣椒作為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)設(shè)備為自制辣椒切片機(jī)，如圖6所示。

每100 kg辣椒完成切片，作為一次獨(dú)立試驗(yàn)，每完成一次試驗(yàn)，對(duì)本次切片完成的辣椒分類處理，計(jì)量切片完整和不完整的辣椒質(zhì)量，并記錄。

3.2試驗(yàn)指標(biāo)

為確保辣椒烘干質(zhì)量，切片后的辣椒在烘干過程中須能均勻受熱、散發(fā)水汽，因此要求切片完整，即切片時(shí)須將辣椒均勻一分為二，避免出現(xiàn)如圖7所示的不完整切割現(xiàn)象，即辣椒未被均勻切分。

為評(píng)估辣椒切片機(jī)效果，引入辣椒切片完整度，即在同一批次辣椒切片作業(yè)中，切割完整的辣椒質(zhì)量與總辣椒質(zhì)量的比值。

3.3試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

3.3.1二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析確定影響作業(yè)質(zhì)量的因素為切割圓盤轉(zhuǎn)速、輸送帶線速度和切割圓盤高度。因此選取影響辣椒切割完整度的切割圓盤轉(zhuǎn)速x1，輸送帶線速度x2和切割圓盤高度x3作為試驗(yàn)因素，進(jìn)行三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)［1719］。根據(jù)所選電機(jī)的功率設(shè)置切割圓盤轉(zhuǎn)速的低水平為100 r/min，高水平為130 r/min。設(shè)置輸送帶線速度低水平為0.4 m/s，高水平為0.6 m/s。根據(jù)辣椒平均直徑大小設(shè)置切割圓盤高度低水平為8 mm，高水平為12 mm。通過性能試驗(yàn)對(duì)各指標(biāo)影響因素進(jìn)行顯著性分析，根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)水平編碼表如表1所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

3.3.2回歸分析與顯著性檢驗(yàn)

利用Design Expert 10軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到切割完整度y的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性。

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，剔除不顯著因素后的切割完整度y的方差分析如表3所示。由表3可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆O顯著（P＜0.01）。主因素切割圓盤轉(zhuǎn)速、輸送帶線速度和切割圓盤高度對(duì)切割完整度影響均極顯著（P＜0.01）。二次項(xiàng)中切割圓盤轉(zhuǎn)速、輸送帶線速度和切割圓盤高度對(duì)切割完整度影響均極顯著（P＜0.01）。交互項(xiàng)中切割圓盤轉(zhuǎn)速與輸送帶線速度對(duì)切割完整度的影響顯著（0.01＜P＜0.05），切割圓盤轉(zhuǎn)速與切割圓盤高度對(duì)切割完整度的影響較顯著（P＜0.01），輸送帶線速度與切割圓盤高度對(duì)切割完整度的影響較顯著（P＜0.01）。各因素對(duì)切割完整度的影響主次順序?yàn)閤12、x32、x1、x22、x2、x3、x1x3、x2x3、x1x2。將不顯著因素并入殘差項(xiàng)后再次進(jìn)行方差分析，得到各因素與指標(biāo)間回歸模型，如式（4）所示。

3.3.3響應(yīng)面分析

通過Design Expert 10軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理，得出因素間的顯著與極顯著交互作用對(duì)切割完整度影響的響應(yīng)曲面，如圖8所示。

由圖8（a）可知，對(duì)于切割圓盤轉(zhuǎn)速，在100～118 r/min 范圍內(nèi)，隨著切割圓盤轉(zhuǎn)速的增大，切割完整度提高，在118～130 r/min范圍內(nèi)，隨著切割圓盤轉(zhuǎn)速增大，切割完整度逐漸降低。原因在于，當(dāng)切割圓盤轉(zhuǎn)速小于118 r/min時(shí)，傳送帶速度較低，導(dǎo)致圓盤重復(fù)切割辣椒，完整度較低；傳送帶速度較大，導(dǎo)致辣椒移動(dòng)較快，圓盤切割不及時(shí)，造成辣椒橫向擠壓變形，完整度下降。當(dāng)切割圓盤轉(zhuǎn)速大于118 r/min時(shí)，傳送帶速度較低，導(dǎo)致重復(fù)切割，傳送帶速度較高，辣椒輸送滑移現(xiàn)象嚴(yán)重，造成辣椒堆積，完整度下降。

對(duì)于輸送帶線速度，在0.4 ～0.5 m/s范圍內(nèi)，隨著輸送帶線速度增大，切割完整度逐漸增大，在0.5 ～0.6 m/s范圍內(nèi)，隨著輸送帶線速度增大，切割完整度降低。原因在于，當(dāng)輸送帶線速度小于0.5 m/s時(shí)，辣椒在輸送帶上保持相對(duì)靜止，輸送效果較好，輸送帶速度增大時(shí)，與切割圓盤轉(zhuǎn)速相匹配，切割完整度增大。當(dāng)輸送帶線速度大于0.5 m/s時(shí)，隨著輸送帶速度增大，辣椒在輸送帶上產(chǎn)生滑移，輸送效果較差，辣椒堆積、變形，導(dǎo)致切割完整度下降。

由圖8（b）可知，對(duì)于切割圓盤高度，在8～10 mm范圍內(nèi)，隨著切割圓盤高度增大，切割完整度增大，在10～12 mm范圍內(nèi)，隨著切割圓盤高度逐漸增大，切割完整度降低。原因在于，當(dāng)切割圓盤高度小于10 mm時(shí)，辣椒切割位置較低，當(dāng)切割圓盤高度大于10 mm時(shí)，切割位置較高，均會(huì)導(dǎo)致辣椒切割完整度下降。對(duì)于切割圓盤轉(zhuǎn)速，在100～118 r/min范圍內(nèi)，隨著切割圓盤轉(zhuǎn)速的增大，切割完整度提高，在118～130 r/min 范圍內(nèi)，隨著切割圓盤轉(zhuǎn)速增大，切割完整度逐漸降低。原因在于，切割圓盤轉(zhuǎn)速過低，辣椒切割不充分，切割圓盤轉(zhuǎn)速過高，辣椒被重復(fù)切割，均會(huì)導(dǎo)致切割完整度下降。

由于8（c）可知，對(duì)于切割圓盤高度，在8～10 mm范圍內(nèi)，隨著切割圓盤高度增大，切割完整度增大，在10～12 mm范圍內(nèi)，隨著切割圓盤高度逐漸增大，切割完整度降低。原因在于，當(dāng)切割圓盤高度小于10 mm時(shí)，輸送帶線速度較低，辣椒在輸送帶排列空隙較大，辣椒碰到切割圓盤后產(chǎn)生移位，辣椒中線位置變化，切割高度較低，導(dǎo)致切割不完整；輸送帶線速度較高，辣椒在輸送帶上滑移，堆積到一側(cè)，中線位置較高，切割高度較低，不能均勻分割辣椒，切割完整度較低。當(dāng)切割圓盤高度大于10 mm時(shí)，輸送帶線速度較低，辣椒在輸送帶排列間隙較大，中線位置較低，切割位置較高，切割完整度較低；輸送帶線速度過大，辣椒滑移后堆積，中線位置較高，切割位置高，但由于滑移現(xiàn)象不穩(wěn)定，因此切割完整度呈緩慢下降趨勢。

對(duì)于輸送帶線速度，在0.4～0.5 m/s范圍內(nèi)，隨著輸送帶線速度增大，切割完整度逐漸增大，在0.5～0.6 m/s范圍內(nèi)，隨著輸送帶線速度增大，切割完整度降低。原因在于，當(dāng)輸送帶線速度小于0.5 m/s時(shí)，辣椒在輸送帶上排列間隙大，在碰到切割圓盤時(shí)，易產(chǎn)生移位現(xiàn)象，中線位置發(fā)生變化，因此當(dāng)切割高度較低或較高時(shí)，切割完整度均較低。當(dāng)輸送帶線速度大于0.5 m/s時(shí)，辣椒易產(chǎn)生滑移并堆積，但堆積現(xiàn)象并不穩(wěn)定，導(dǎo)致中線位置變化，因此在切割圓盤高度較低或較高時(shí)，切割完整度均較低。

4參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

4.1參數(shù)優(yōu)化

為獲得辣椒切片機(jī)最佳作業(yè)參數(shù)，利用Design Expert 10優(yōu)化模塊對(duì)回歸模型進(jìn)行約束目標(biāo)優(yōu)化求解，根據(jù)實(shí)際作業(yè)及相關(guān)理論選擇優(yōu)化約束條件、目標(biāo)及約束函數(shù)。

對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，遵循保證切割完整度，提高切割效率，即提高輸送帶速度的原則，得到的優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)切割圓盤轉(zhuǎn)速為118.3 r/min，輸送帶線速度為0.47 m/s時(shí)，切割圓盤高度為9.76 mm，切割完整度為97.87%。

4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

將模型預(yù)測的最優(yōu)參數(shù)組合取圓整，以切割圓盤轉(zhuǎn)速為118 r/min，輸送帶線速度為0.5 m/s，切割圓盤高度為10 mm，對(duì)待烘干的辣椒進(jìn)行切片試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行3組，每組測試1 h，人工和機(jī)具作業(yè)分別同時(shí)進(jìn)行，測試結(jié)果如表4所示。

綜上可知，辣椒切片機(jī)對(duì)辣椒烘干預(yù)處理效果較好，在最優(yōu)切割圓盤轉(zhuǎn)速為118 r/min，輸送帶線速度為0.5 m/s，切割圓盤高度為10 mm條件下，辣椒切片完整度為97.85%，基本達(dá)到了人工切片水平，可滿足烘干要求，相較人工切片，機(jī)具效率提高了344%。

5結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一種高效辣椒切片機(jī)，通過輸送帶對(duì)辣椒喂入，壓片對(duì)與輸送帶配合對(duì)辣椒進(jìn)行穩(wěn)固，輔助高速旋轉(zhuǎn)的切割圓盤完成辣椒切片作業(yè)，有效解決了辣椒切片人工耗時(shí)、耗力問題。

2） 確定影響辣椒切片機(jī)作業(yè)性能的主要因素為切割圓盤轉(zhuǎn)速、輸送帶線速度和切割圓盤高度，以切割完整度為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)各影響因素進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，得出辣椒切片機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)組合：切割圓盤轉(zhuǎn)速為118 r/min，輸送帶線速度為0.5 m/s，切割圓盤高度為10 mm。

3） 在最優(yōu)參數(shù)組合條件下，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到切片完整度為97.85%，與模型預(yù)測結(jié)果基本一致，相較人工切片效率提高了344%。

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