万州古红橘橘红制备装置的设计与制造

关键字：橘红、手持式设备、磨削一体化刀具、设备研发

1、引言

柑橘是全球重要的经济作物之一，我国柑橘年产量已突破5000 万吨。橘红，是一种我们日常食用的柑橘的果皮去除果皮海绵层后的物品。其药用价值显著，将其酿干制备成中药材陈皮，具有止咳化痰、疏肝解郁、理气健脾等功效。制备橘红时，主要的难点就是橘白的去除，橘白附着十分密切难以去除，传统加工方式普遍为人工手动用小刀去除，熟练工人每小时仅能处理80-100 个柑橘，且橘红提取完整率不足 70% ；橘红纤维层厚度仅 0.5-0.8mm ，手工剥离易导致断裂或残留橘白组织，影响药材有效成分含量，因此开发一种小型化、高精度的手持式橘红制备装置，对提升药材品质、降低加工成本具有显著意义[1]。

2、总体设计思路

美国Black & Decker 公司的专利提出了一种振动剥皮工具，该工具凭借压电陶瓷产生20 至 40kHz 的高频振荡，达成剥皮与果肉分离目的[2]，橙白色可实现高达 78% 的去除率，但存在两个显著问题：橙红色结构出现了破坏：振动能量的传送引发橙色纤维断裂，类黄酮流失所占比例超 20% ；噪声公害：开始运行后噪音达到85dB，超过了ISO 3744 给定的限值。RalphPolk JR[4]和 Carlo Ascari[5]也针对柑橘的果皮去除进行了研究，但重点主要放在了剥皮上。因此本装置设计需满足以下需求：高效性: 快速有效地处理橘红，显著提高工作效率，缩短加工时间。便捷性: 体积小巧，便于携带和操作，单人即可轻松使用。安全性: 设计安全可靠，避免对使用者造成伤害，如刀片割伤、来自内置电子元器件的触电等。可靠性: 运行稳定，故障率低，以确保长期稳定工作。

3、实验技术方案

3.1 切削装置设计

切削用的刀具选择使用小型美工刀的锌合金刀片，它既保证了质量上的轻便、外形上的小巧，还保证了足够的锋利度去切削橘白[3]。承载刀具采用圆柱形蜂窝结构——采用 3D 打印材料制作。为保证提高橘白的去除率，还需要添加一些银针作为副刀具使用。其作用是将橘白紧贴橘红的结构破坏，使美工刀刀具更容易清除橘白。

图1 切削刀具模型3.2 动力传动系统

图2 刀具总成模型

图 3 装置完整模型图

我们采用了直流电刷电机JGB37 - 520（额定电压为12V，无负载状态下转速为120 转/分钟，还与一个由合金构成的驱动轴（ Φ3×50mm ）相结合，组成了一个闭环齿轮系统，按照采用ANSYS Workbench 实施的振动模态分析，该系统的转速范围是6000 到 12000RPM ，振幅不足 0.02mm ，符合手持设备稳定性的既定要求，系统添配了一个锂电池性能模块，可实现连续运转5 小时。

控制方面：使用单片机作为内置控制元件，利用keil5 软件编写程序，将程序输入到单片机中，以控制电机的启动和停止以及旋转齿轮。

3.3 人机工程学设计

本设计按照人体工程学原则，利用 SolidWorks 软件达成设备的三维建模，而外部结构的静态分析以及设备的轻量化由 Ansys 软件实施，历经多次反复调试，立面最终的尺寸定为 120mm 、 65mm 、 40mm ，其质量分布系数经过优化后为0.83，以契合ISO 9241 - 400 标准，在建模设计的阶段，该设备的握持表面经优化处理，手柄的某部分采用三维曲面，坡度曲率与手掌自然抓握的角度相匹配[6]，外表面添加上非标准样式防滑线条，用以保障防滑性能与整个外部的美观感。

3.4 古红橘橘红加工提取设备样机的设计制作与实验

由于目前古红橘橘红橘白的分离依然由手工完成，效率低下，因此为满足高效率、低损耗且小型化、易操作等要求，设计了结合以上的夹持机构和磨削一体化刀具的古红橘橘红加工提取设备（图 4 所示），并利用数控加工等技术制作了古红橘橘红加工提取设备样机，开展整体样机实验，验证古红橘橘红加工提取设备的工作性能，并为古红橘橘红加工提取方法和设备的持续迭代提供可靠保障。

图3 装置完整模型

4、总结

该设计采用模块化的设计体系，外壳采用轻量化的塑料，内部集成了电机以及刀头组件，刀头部分利用蜂窝孔结构以及刀片排列的优化，能高效剥离橘白同时保护橘红，采用拓扑优化和模态分析途径，设计出了恰当的刀具结构以及外壳结构，使装置的重量进一步减轻，用起来更小巧便捷。外壳加装可调节的防护板和刀片伸出的长度，防止操作人员用力过猛弄伤果实，手柄的设计顺应人体工学原理，握住手柄给人舒适的体验。装置解决了传统去除橘白麻烦，保留橘红时效率低下、损耗大的问题，操作简便容易上手，适合大量进行橘红制备相关处理的场景，顺应实际生产的需求。

参考文献：

[1]陈瑾,何宁.高质量发展下中国制造业升级路径与对策——以装备制造业为例[J].企业经济,2024,37(10):44-52.

[2]赵子健,傅佳屏.中国装备制造业的区域差异、影响因素与高端化战略[J].系统管理学报,2023,29(01):21-30.

[3]明星,胡立君,王亦民.基于聚类分析的区域装备制造业竞争力评价研究[J].宏观经济研究,2020(06):114-121.

[4]Ralph Polk JR，Wilber C. Belk，Thomas G. Cox. Method of peelingcitrusfruit[P]. United States Patent Office，1960.

[5]Carlo Ascari，Luca Ascari. Machine for the industrial peeling of citrusfruits[P]. United States Patent，2004.

通讯作者：刘江，副教授；研究方向：农业机械设计基金项目：重庆市大学生创新创业计划项目（S202410643016）