分选机械设备：解决大规模生产中的分类难题

食品原料多为农副产品，除带有各种异杂物外，还存在多方面的差异。为了提高食品的商品价值、加工利用率、产品质量和生产效率，在加工或进入市场前，多数食品原料需要进行分级和选别。加工的半成品和成品会因多种原因而不合格，不合格品在进入下道工序或出厂以前，应尽量从合格品中加以选别剔除。

一、分选概念及其机械设备类型

（一）分选概念

分选是指以分级和选别为目的的分离操作。

分级一般指按照品质指标将食品物料分离成不同等级的操作。品质指标可包括个体尺寸、质量、形状、密度、外表颜色以及内在品质等。

选别是将不合格个体及异杂物从食品物料中剔除的操作。食品物料可以是原料，也可以是未包装或已经包装的半成品或成品。个体物料合格与否可用形状、重量、质地和颜色标准加以判断。食品物料的异杂物通常指枝叶、包装物碎片、金属碎片等。

分级与选别操作目的不同，但操作原理相同，均包括分离对象识别和分离动作执行两方面因素。生产规模小且可直接识别判断的分选操作，一般可由人工完成。但对于大规模生产，或无法直接判断的分选操作，往往需要采用各种机械设备来完成。

（二）分选机械设备类型

固体物料的分选机械种类繁多，分类依据多种多样。最常见的分类依据是识别原理、分选目的和分选对象。分选机械可如表4-1所示，将对象识别原理分为筛分、力学、光学、电磁学等大类，各类又可按照识别参数为分若干类，表中列出了一些识别参数和分选机械的例子。

表4-1 不同对象识别原理及对应的识别参数和分选机械举例

二、筛分式分选机械设备

筛分机械设备是根据物料几何形状及其粒度差异，用带有孔眼的筛面对物料进行分选的机器，应用极为广泛。机械筛分的对象物可小至面粉、乳粉，大到蘑菇、柑橘等。有关筛分设备的基本原理参考《食品工程原理》等相关教材内容。这里介绍基于筛分原理的典型机械设备。

（一）滚筒式分级机

滚筒式分级机是一类典型的基于筛分原理的分级机械，其关键部件是由不同孔径构成的多孔筛状圆筒。根据筛状圆筒的数量，滚筒式分级机可为单滚筒式和多滚筒式两类。

典型单滚筒分级机的外形如图4-1所示，主要由进料斗、滚筒、集料槽、驱动装置和机架等构成。

滚筒是这种分级机的主体，是一种轴向变孔径的筛状圆筒，从进口到最后出口的筛孔规格依次从小到大分为若干组，筛孔规格数为分级规格数减1，最后一级物料直接从滚筒的末端排出。集料槽设在滚筒下面，其数目与分级规格数相同。滚筒沿轴向从物料进口端到另一端呈一定角度安装，驱动方式可参见第三章介绍的滚动式清洗机。

单滚筒分级机的工作原理：物料通过料斗进入滚筒，在滚筒旋转和重力双重作用下，主体上发生由周向滚动和轴向移动构成的复合运动，此过程中，不同规格的物料通过孔径大于自身尺度的筛孔，从滚筒落入下方的集料槽，从而实现分级。

这种分级机效率较高，可用于球形体物料，如蘑菇、青豆等的分级。

图4-2所示为典型多滚筒式分级装备的外形，可用于柑橘、樱桃等物料的分级。这种分级机有若干个孔径不同的滚筒，滚筒的轴线与分级物料的行进方向垂直，各转筒的开孔沿物料行进方向自小到大。物料在转筒作用下沿其外表先后经过各转筒，当物料小于孔眼时，便落入相应转筒内的集料槽，从而实现不同大小物料的分级。转筒的数目规定了物料的分级数，分级数为转筒数加1。

图4-1 单滚筒式分级机

图4-2 多滚筒分级机

（二）三辊式果蔬分级机

三辊式果蔬分级机也是一种按筛分原理进行分级的设备，主要用于苹果、柑橘、桃子等球形果蔬分级。典型三辊式果蔬分级机的外形如图4-3（1）所示，整机主要由辊轴链带、若干出料输送带、升降滑道、驱动装置及机架等组成。分级部分为由辊轴与两侧链条构成的辊轴链带，辊轴分为水平位置固定式和可升降式两种，固定辊与链条铰接，水平位置在分级区保持固定，而升降辊安装于链条连接板的长孔内，式在分级区动可随链带两侧机架的升降滑道升降。

图4-3 三辊式分级机

三辊式果蔬分级机的分级原理可根据图4-3（1）和（2）加以说明。工作时，链带在链轮的驱动下连续运行，同时各辊轴因两侧的滚轮与滑道间的摩擦作用而连续自转。待分级果蔬通过适当输送器送入辊轴链带，经适当方式被整理成单层，并随辊轴链带向前移动进入分级区段，此区段内升降辊随升降滑道位置逐渐上升，其与前后相邻固定轴形成的夹缝逐渐变大。当夹缝大于果蔬尺寸时，果蔬便会穿过夹缝落到下方的横向输送带出料。大于夹缝的果蔬继续随链带前移，大于最大夹辊轴夹缝的果蔬从末端排出。

这种分级机的生产能力强，分级准确，无冲击现象，果蔬损伤小，但结构复杂、造价较高，适用于大型水果加工厂。

三、基于力学的分选机械

（一）气流分选机械

气流分选机械是一类根据空气动力学特性对颗粒物料进行分选的机械设备。物料在设备中受到的作用力（包括空气作用力、重力及浮力）因其尺寸、形态、密度等不同而异，表现出不同的运动状态，从而可利用这种运动状态差异达到分选目的。基于气流分选原理的分选设备，可有不同形式以适应不同的应用。

1.垂直气流清选机

该机原理如图4-4所示。当颗粒原料由喂料口喂入后，因轻杂物的悬浮速度小于气流速度而上升，正常颗粒则因悬浮速度大于气流速度而下降，两种物料将在上下两个不同的位置被收集起来，从而可以将正常颗粒物料中的轻杂物分离出来。通过调整不同的气流速度，可将不同类型颗粒物料中的轻杂物清理掉。

图4-4 垂直气流清选机原理

2.水平气流分选机

水平气流分选机原理如图4-5所示。这类机械的工作气流沿水平方向流动，颗粒在气流和自身重力的共同作用下因降落位置不同而完成分选。当物料在水平气流作用下降落时，大的颗粒获得气流方向加速度的能力小，落在近处，小的颗粒被吹到远处，而更为细小的颗粒则随气流进入后续分离器（如布袋除尘器、旋风分离器）被分离收集。

图4-5 水平气流分选原理

水平气流重力型分级机适合较粗（≥200μm）颗粒的分级，不适于具有凝聚性的微粉的分级。

（二）重量分级机

重量分级机有多种别名，例如，重量分选机、自动分选机、称重选别机等。这类分级机通过对产品单体称重，根据设定的重量，将其分成若干等级。

目前重量分级机主要有两大类：一类是机械杠杆式；另一类是自动皮带秤式。以下分别介绍这两类重量分级机。

1.杠杆式重量分级机

杠杆式重量分级机也有多种别称，例如，称重式果品分级（选）机、转盘式重量分级（选）机、料斗式重量分级（选）机等。典型的杠杆式重量分级机外形如图4-6所示，主要由喂料台、固定秤，带料盘的移动秤、循环输送移动秤的辊子链、机架和传动机构等组成。固定秤固定在机架上，其托盘装有分级砝码，固定秤的数量规定了分级数。如图4-6（1）和（2）所示，移动秤随辊子链在机架上循环的方式有水平循环型和上下循环型两种。分级机整体至少包括上料和分级两个区段，它们均位于辊子链水平移动段，此区段移动秤料盘均朝上。水平循环的上料区和分级区可设在对称于机架水平长轴的两侧，根据需要，可在一侧设为上料区，另一侧设为分级区，也可在两侧各设个上料区和分级区，即整机有两个上料区和分级区；上下循环机型一般只能以上料区在前、分级区在后的方式排列。

图4-6 杠杆式重量分级机

上料指的是采用适当方式将果实放入移动盘的操作，可用人工，也可用机械方式上料。机械上料通常利用辊链输送机和专门机构结合实现。值得一提的是，上下循环型分级机可两台机并联合用一套上料机械。

杠杆式分级机的分级原理如图4-6（3）所示。当装有果实的移动秤到达各固定秤处，与相应固定秤砝码重量比较确定盘中物料的走向。若物料重量大于砝码值，则移动秤通过杠杆作用侧向翻转，使盘中物料滚落入相应（覆盖有柔性材料的）集料槽；如果盘中物料重量小于砝码值，则移动秤继续前移到下一个固定秤处。如此，物料由重到轻按固定秤数量而分成若干等级。通过调整各固定秤的砝码重量，可调整分级规格。倾翻的移动秤在随循环链向前移动过程得到复位再次进入上料段，重新进行上料、分级、复位循环。

杠杆式分级机主要有以下特点：分级速度较快，例如某机型分级机的分选速度可达到320次/min；分选精度较高，一般可达±0.2g；调整方便灵活，可通过调换果盘和分级砝码等方式，用于不同大小类型的果实分选；由于集料槽面采用柔性材料辅助，并与移动秤料盘配合紧凑且角度平缓，因此分级过程对果实的损伤程度较低；适应性广，例如，苹果、梨、桃、番茄、芒果、木瓜、火龙果、猕猴桃等，均可以采用这种分级机进行分级。

2.皮带秤重量分级机

皮带秤重量分级机也有多种别称，例如，在线检重秤、自动检重秤、重量分选秤等。这是一类中低速度（80～120件/min）、高精度（相对误差范围0.1%～0.05%）的在线检重设备。称量范围可在几百克到几十克不等，一般称量值越大，相对误差越小。

典型皮带秤重量分级机如图4-7所示，主要由电子皮带秤（称重输送机）、控制器（系统）、分级输送带、执行器和集料器等构成。其分级原理是，来料经电子皮带秤完成重量信号采集工作，并将重量信号送至控制器进行处理。称重物随后进入分级输送带，当经过对应重量等级区时，相应位置分级执行器接到控制器发出的分级指令，并采取动作，使物品离开输送带，进入相应的集料容器。控制器可预设分级重量值、显示称重数据、贮存和输出分级信息。用于分级的执行器形式主要有吹气式、推杆式、摆臂式和下坠式等。

这种分级机较适用于海鲜（如海参、鲍鱼、虾）、水产（条鱼、鱼片、鱼块）、禽肉（鸡腿、鸡翅）等的重量分级。(www.xing528.com)

皮带秤重量分级机除了分级以外，还可用于：①产品重量的最终检验，以保证出厂的产品重量符合要求；②集装包装产品的缺失检验，确保这类包装产品里不会出现小包装产品缺少的现象。例如，每箱饮料24瓶，正常重量是一定的，检查每箱重量可以发现有无漏装的现象。

图4-7 皮带秤重量分级机

四、光学原理分选机械

应用光学原理对食品物料进行分选的机械，

还可分成两类识别原理机型：一类是基于光电测量原理的机械，另一类是基于比色原理的机械。基于光电测量原理的机械适用于（如水果、蔬菜等）个体较大，且大小差异明显的物料分级；基于比色原理的机械通常称为色选机，常用于（如花生、葡萄、豆类、谷物等）个体较小、粒度较均匀物料中剔除有颜色差异的同类物料或弃杂物。

虽然在识别原理上这两类分选系统有很大差异，但系统构成有类似性，一般由供料器、检测传感器、信号处理与控制电路，以及剔除动作执行器等部分构成。

（一）光电式果蔬分级机

光电式果蔬分级机利用光电测量原理对不同大小物料个体进行分级。光电测量是非接触式的，因而可以减少识别过程中的物料机械损伤。光电式果蔬分级机械有不同型式，但总体上均可分为输送带、光电测量系统、控制系统和分级执行系统四部分。基本工作原理：随输送带移动的单个物料经过由发光器（L）到接收器（R）之间的光路时，其几何特征（如直径、高度或面积）受到测量，测量值经与设定的分级值比较后，由控制系统发出指令，再由分级执行器采取动作，使相应被测物料分流离开输送带，进入同一级别的集料器，或横向输送带。

光电式测量原理本身有不同形式，常见形式如图4-8所示：①遮断式、②脉冲式、③水平屏障式和④垂直屏障式等。遮断式的光电测量原理是，沿传输方向设置若干对（数量按分级而定）双光束单元，每对平行光束距离d由大到小，高度由高到低，依次从前到后排列在分级区。经过光电单元的果实如能同时遮断双光束，则可判断为被测特征尺寸（如圆形水果的直径）大于相应双束平行距离，从而可通过分级执行机构将此个体物料从输送带上分流出来。其余三种方式，均只需在输送带前端设置一个测量点，系统根据经过物品的光学测量值（脉冲数，阻断的光线数）及输送的带速，经过系统计算得到的是通过所测物中心剖面的面积值，从而可通过控制系统发出指令，由设在测量点后面输送区沿途的相应执行机构，使被测物从输送带上分流出来。

图4-8 光电式测量原理

（二）色选机

色选机是一种利用食品物料颜色差别进行选别除杂的设备。理论上，只要被识别物料与主体物料存在颜色差异，都可利用比色原理识别剔除。类似于其他选别设备，色选机的选别操作也需要两方面的系统配合，即识别系统和根据识别信号对具体物料进行分流的操作机构。

食品物料的外表颜色是其对一定波长光线照射产生的物理响应信号。从颜色的光学原理来说，这种响应信号既与食品物料对光源光线的吸收、反射、透射特性有关，也与光源特性（波长、光强）、物料被检测时的背景颜色以及物料在检测区的运动状态（流量，运动方向相对于入射光线的角度）有关。因此，为了使色选机的颜色变化响应成为食品颜色品质的单值函数，必须固定其他影响因素，例如，固定背景、光源、被检测物的流量和运动角度条件。此外，还要求被检测正常物料单体之间的反光面积的大小均匀，即物料的粒度要有适当的均匀度。

典型色选机外形如图4-9（1）所示，它带有4个选别通道（一般色选机常为多通道式）。

每条通道包含供料滑道、检测控制机构和剔除机构，其工作原理如图4-9（2）所示。物料通过公用的振动喂料器落入滑道成单行排列，依次滑落经过光电检测室，经过由CCD视镜、比色板和光源构成的比色空间。被选别颗粒的反射光颜色信号，与比色板的反射光颜色信号由CCD视镜比较，产生的颜色差异信号，再通过与控制机构预置值比较，如果大于预置值，即由剔除执行器（高速气流喷嘴）将杂色物料吹送入旁路通道。而合格单体通过时，气流喷嘴不动作，物料进入正常物通道。

图4-9 光电色选机

值得一提的是，有些色选机每个通常带两个剔除执行器，分别用于对选别对象的同类杂色物和异杂物（如石砾、泥粒等）进行剔除操作，因此，出料有三股，即正常物、杂色同类物和异杂物。

色选机适用于具有固定形状的食品物料分选，如花生、豆类、大米、枣子、坚果等。

（三）其他光学识别分级原理

除了上述两种以光电学原理为基础的食品品质识别系统以外，尚有两类与光学有关的食品分级识别系统。一类是无损伤食品内在品质识别系统，另一类是食品外观识别系统。

无损伤食品内在品质识别系统的工作原理是：被测食品物料在特定波长（如红外或紫外区）处的吸光度（或透光率），与存储于系统的标准级别食品物料的吸光度（或透光率）进行比较，根据比较结果，做出分级处理的判断。果实的糖度、酸度、成熟度之类内在品质指标往往可以通过对特定波长射线的吸收或透射程度得到反映。利用这种原理，可以根据果实的糖度、酸度、成熟度等内在品质指标进行分级。

利用电子成像技术进行分选的原理如图4-10所示。摄像机摄取的被测果实图像的模拟信号，经过处理后成为数字图像信号。数字图像再经过处理可得到反映果实外观（如大小、形状、色泽、弯曲情况等）品质的若干参数。由计算机将这些参数与储存的标准参数进行比较，根据比较结果对分级执行机构发出相应的处置指令，得到分选级处理。

图4-10 数字图像处理分选原理

如前所述，这两种识别系统与相应的控制及执行机构进行结合，便可制成各种形式的食品识别分选系统设备。

五、金属及异杂物识别机械

食品加工过程中，不可避免地会受到金属或其他异物的污染。为此，在食品生产中（尤其是自动化和大规模生产过程中），由于产品安全、设备防护、法规或（客户）合同要求等原因，往往需要安装金属探测器或异物探测器。

（一）金属探测器

多数金属探测器利用三线圈平衡系统探测磁性或非磁性（包括不锈钢）小颗粒金属。三个绕在非金属框架上的线圈相互平行。中间的线圈是驱动线圈，与高频电磁发生器相接，起电磁发射作用，其两侧的两个线圈是接收器。由于这两个线圈是相同的并且距驱动线圈的距离相等，因此它们会收到相同的信号，并产生相同的输出信号。当这两个线圈如图4-11所示那样两端相接起来时，则输出信号为零。当有金属颗粒物通过探测器的线圈时，会使所处线圈的频率场产生扰动，从而产生若干微伏的电压。原来平衡的状态被打破，从线圈组合的输出电压不再为零。这就是金属探测器的工作原理。

图4-11 金属探测器原理

金属探测器的正常工作，通常要求有一个无金属区环境，即装置周围一定空间范围以内不能有任何金属结构物（如滚轮和支承性物）。因此，相对于探测器，一般要求紧固结构件的距离约为探测器高度的1.5倍，而对于运动金属件（如剔除装置或滚筒）需要2倍于此高度的距离。

如上所述，金属探测器既可探测磁性金属，也可探测非磁性金属。探测的难易程度取决于物体的磁性和电导率。典型的金属探测器可以检测到直径大于2mm的球形非磁性金属和所有直径大于1.5mm球形磁性金属颗粒。表4-2给出了一些金属类型的探测难易程度。金属颗粒的大小、形状和（相对于线圈的）取向非常重要，金属探测器的灵敏度设置应当考虑这些因素。

表4-2 金属类型与探测的难易程度

食品的条件对于金属的探测有很大的影响。有些食品（诸如干酪、鲜肉、热面团、果酱和腌菜），即使在无金属出现的情况下，所具有的电导率仍然使金属探测器产生信号。这一现象称为“产品效应”。因此，有必要了解这一现象，以便与探测器厂商联络，确定补偿产品效应的最佳方案。

探测金属的最终目的是为了将金属或受金属污染的产品从正常产品中除去，而这一操作在自动生产线上，通常是由剔除机械来完成的。剔除机械要能保证100%将污染物剔除。在此前提下，应当尽量减少因剔除金属或金属污染产品而引起的未受污染的产品损失。被剔除的受污染产品要收集在一个不再回到加工物流的位置。金属探测器有三种基本的安装构型：传送带式、自由落体式和管线式。

传送带式金属探测器应用最普遍，图4-12所示为几种传送带式金属探测器的例子。这种探测器可与各式手动、半自动和全自动的剔除装置和其他动作执行机械组合，例如，空气喷嘴[图4-12（1）]、推送臂、可重新定位传送带[图4-12（2）]、可逆传送带[图4-12（3）]、滑门、分支传送带和机械手等。

值得一提的是，目前国内厂家使用的多数只是一种安装在输送带上方的金属探测器，金属异物的剔除一般由人工完成。如图4-13所示为一台金属探测器的外形。

图4-12 传送带探测器—剔除装置组合

自由落体式金属探测器与快速执行机构的配合原理类似于前述的色选机（见图4-9）原理。这种形式的金属探测剔除系统常可与干物料充填机组合安装，但也适用于其他可从容器落下物料的探测。管线探测器用于探测管路中的金属污染物，通常通过一种类似于三通的执行机构将被探测到含有污染物的物流分流到一个容器中。

（二）X射线异物探测器

X射线探测器在食品加工业中应用始于20世纪在70年代后期。随着图像处理技术的发展以及先进快速微处理机的应用，利用X射线探测器全自动地检测食品已成为可能。

X射线异物探测基于X射线“成像”比较原理。X射线是一种短波长（λ≤10^-9m）的高能射线，它可以穿透（可见光穿不透的）生物组织和其他材料。在透过这些材料时，X射线的能量会因为物质的吸收而发生衰减。透过被测物体能量发生不同程度衰减的X射线由检测器检测。检测到的X射线经过图像分析技术等处理后可以得到二维图像。这种检测得到的图像与标准物体的X射线图像进行比较，便可判断被测物体是否含有异常物体。

X射线探测器可与简单传输装置结合成如图4-14所示、由人工剔除不合格产品的机器。这种形式的检测机适用性比较灵活，可用于自动化程度要求不高的一般包装产品的检测。

图4-13 金属探测器

图4-14 X光射线异物检测机

对于散装物料，则可将X射线探测单元与自动剔除等单元结合成在线X射线探测剔除设备。这种机器通常由以下部分构成：X射线发生器（X射线管）、输送带、X射线检测器、图像处理计算机、显示器以及异物剔除机械装置等。由输送带输送的食品通过X射线区域时，若有异物存在，则可由显示器图像观测到。在自动生产线上，除了显示以外，计算机对检测信号经过分析判断后，还发出指令，使执行机构产生相应的动作。

X射线检测系统的敏感度（可检测度），是指能够造成可检测X射线减弱程度的最小异物大小，即敏感度越大，能检测的异物越小。敏感度与检测速度有关，例如，在20m/min检测速度下，一些异物的检测敏感度水平如表4-3所示。由于X射线不易检测到密度较低的异物，因此，对纸、绳子和头发等检测尚有困难。

表4-3 X射线异物探测器对某些食品中异物的检测敏感度

与金属检测器相比，X射线检测系统可以检测更多种类的污染物。除了金属以外，X射线检测系统还可检测食品中存在的玻璃、石块和骨头等物质，同时还能够检测到铝箔包装食品内的不锈钢物质。值得一提的是，含有高水分或盐分的食品以及一些能降低金属检测器敏感度的产品也可以用X射线检测系统进行检测。除了杂质以外，X射线探测器还可检视包装遗留或不足、产品放置不当及损坏的产品。例如，对于多种巧克力混装的产品，由于包装的影响，少装了2～3支产品，称重器可能也难于检测出来，而X光计却能检测到即使是1支产品的漏放。