趙景濤 尚鵬旭 吳曉雪 方　燁

(晉中學(xué)院，山西 晉中　030600)

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新型青核桃單體脫皮分離機(jī)機(jī)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)

趙景濤 尚鵬旭 吳曉雪 方燁

(晉中學(xué)院，山西 晉中030600)

該脫皮機(jī)主要用于青核桃的綠皮與核桃的分離，采用單個(gè)核桃脫皮工藝，通過(guò)切割破皮、擠壓扭轉(zhuǎn)、拋皮分離工序完成青核桃的脫皮分離工作。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給與卸料，專門設(shè)計(jì)拋離裝置，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)—下移—扭轉(zhuǎn)—復(fù)位的一系列拋離分離動(dòng)作，完成青核桃皮與核桃的拋離工作。機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便；加工刀具系列化，可根據(jù)具體情況更換合適的刀具進(jìn)行加工，通用性好，具有良好的開(kāi)發(fā)和實(shí)用前景。

青核桃；切割破皮；擠壓扭轉(zhuǎn)；拋皮分離；拋離機(jī)構(gòu)

目前中國(guó)青核桃脫皮主要采用手工脫皮、堆漚脫皮、化學(xué)法脫皮。手工脫皮費(fèi)時(shí)費(fèi)工，批量生產(chǎn)受限；堆漚脫皮處理時(shí)間長(zhǎng)且嚴(yán)重影響核桃的品相；化學(xué)方法，常用乙烯利，再采用人工或機(jī)械脫皮，青皮腐爛果核污染面積大，且化學(xué)制劑的殘留也會(huì)對(duì)人體造成一定的傷害[1-3]。近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者提出了多種機(jī)械技術(shù)方案，典型的有采用鋼刀毛刷旋轉(zhuǎn)滾筒式[4-5]、旋切滾筒式[6]、鼠籠滾筒式[7]和壓板輥筒式[8-9]。旋轉(zhuǎn)和旋切滾筒式利用核桃與柵條的碰撞脫皮，易導(dǎo)致破裂；鼠籠滾筒式利用擠壓摩擦脫皮，通用性較差且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給與卸料；壓板輥筒式調(diào)節(jié)壓板與滾筒的間隙復(fù)雜，且核桃與青皮分離難度大[10-12]。由于核桃種植與收獲模式的差異，目前國(guó)外還未見(jiàn)專門針對(duì)青核桃的脫皮機(jī)械[13]。

針對(duì)現(xiàn)有青核桃脫皮機(jī)的不足，擬設(shè)計(jì)一種通過(guò)旋轉(zhuǎn)擠壓復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)青核桃脫皮的新型單體脫皮分離機(jī)，采用三維數(shù)字建模構(gòu)建虛擬原理樣機(jī)并進(jìn)行仿真分析，之后通過(guò)實(shí)物原理樣機(jī)予以驗(yàn)證，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1　青核桃脫皮機(jī)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1設(shè)計(jì)思路

青核桃脫皮機(jī)經(jīng)過(guò)切割破皮的前處理，然后通過(guò)扭轉(zhuǎn)擠壓的復(fù)合運(yùn)動(dòng)將核桃綠皮與核桃分離，最終經(jīng)過(guò)核桃拋離裝置，實(shí)現(xiàn)青核桃的脫皮。其采用逐個(gè)脫皮技術(shù)，可有效避免漏剝現(xiàn)象；且機(jī)構(gòu)中存在緩沖裝置，可有效降低破殼率；為提高脫皮效率采用六工位設(shè)計(jì)；該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給與卸料。青核桃脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖見(jiàn)圖1。

1.2受力分析

當(dāng)青核桃進(jìn)入下托盤刀頭10與壓桿刀頭12之間時(shí)，兩刀頭工作內(nèi)壁為波紋齒，摩擦系數(shù)為μ；沿z軸受擠壓力F1和重力mg作用；在x-y平面，受扭轉(zhuǎn)切向力F、F等作用，扭轉(zhuǎn)切向力主要為摩擦力，見(jiàn)圖2。

Fτ1=Fτ2=(mg+F1)μ，

(1)

(2)

式中：

F、F——扭轉(zhuǎn)切向力，N；

m——青核桃重量，g；

g——重力加速度，m/s2；

F1——擠壓力，N；

1. 主軸2. 撥盤3. 主動(dòng)齒輪A 4. 套筒A5. 從動(dòng)槽輪6. 凹槽凸輪7. 連桿8. 下托盤刀桿9. 扭轉(zhuǎn)彈簧10. 下托盤刀頭11. 定位盤12. 壓桿刀頭13. 壓縮彈簧14. 壓桿刀桿15. 曲柄16. 從動(dòng)錐齒輪17. 套筒B18. 從動(dòng)齒輪B19. 滾子20. 滾子銷21. 凸輪22. 摩擦輪23. 摩擦輪軸24. 鍵A25. 主動(dòng)齒輪B26. 主動(dòng)錐齒輪27. 鍵B28. 活塞29. 外套筒30. 刀具彈簧31. 內(nèi)套筒32. 擋板33. 鍵C34. 主動(dòng)撥盤35. 從動(dòng)軸36. 鍵D37. 從動(dòng)齒輪A38. 鍵E39. 圓螺母

圖1青核桃脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

Figure 1Schematic diagram of the structure of the green walnut peeling machine

圖2　青核桃受力示意圖

μ——摩擦系數(shù)；

T——扭轉(zhuǎn)力矩，N?mm；

D——青核桃直徑，mm。

由式(1)、(2)可知，扭轉(zhuǎn)力矩T的大小主要取決于摩擦系數(shù)μ和擠壓力F1，當(dāng)增大摩擦系數(shù)μ或擠壓力F1可顯著增大扭轉(zhuǎn)切向力F、F，從而增大扭轉(zhuǎn)力矩T，使青核桃綠皮破裂，達(dá)到分離效果。

1.3工作原理

青核桃脫皮機(jī)采用逐個(gè)脫皮處理，單個(gè)青核桃首先經(jīng)過(guò)刀具——切割破皮，作為扭轉(zhuǎn)擠壓的前期處理；在扭轉(zhuǎn)擠壓中脫皮動(dòng)力主要為摩擦力，在摩擦力作用下擠壓和扭轉(zhuǎn)核桃皮，從而達(dá)到脫皮效果；最后經(jīng)過(guò)拋離裝置，將核桃綠皮與核桃拋出，完成脫皮作業(yè)；如此往復(fù)循環(huán)進(jìn)給和卸料，達(dá)到連續(xù)生產(chǎn)的目的。

1.4設(shè)計(jì)參數(shù)

(1) 外型尺寸：1 000 mm×1 500 mm×1 600 mm。

(2) 配套動(dòng)力：1.5 kW。

(3) 生產(chǎn)率：120 kg/h。

(4) 結(jié)構(gòu)質(zhì)量：≤130 kg。

(5) 脫凈率：≥90%。

(6) 破殼率：≤3%。

2　脫皮機(jī)具體工作流程

脫皮機(jī)主要分為3個(gè)工序：切割破皮工序、擠壓扭轉(zhuǎn)工序、拋皮分離工序。

(1) 切割破皮工序：如圖3所示，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)主軸1轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸1通過(guò)鍵B 27，將轉(zhuǎn)矩傳遞給主動(dòng)錐齒輪26，齒輪通過(guò)嚙合運(yùn)動(dòng)將轉(zhuǎn)矩傳遞給從動(dòng)錐齒輪16，從動(dòng)錐齒輪再將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給曲柄15，曲柄將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)活塞28做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將綠皮核桃擠壓進(jìn)入內(nèi)套筒31，內(nèi)套筒31中的刀具彈簧30將綠皮切破，完成青核桃的前期處理。

(2) 擠壓扭轉(zhuǎn)工序：如圖4所示，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)主軸1轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸1通過(guò)鍵A 24，將轉(zhuǎn)矩傳遞給主動(dòng)齒輪B 25，主動(dòng)齒輪2通過(guò)嚙合運(yùn)動(dòng)將轉(zhuǎn)矩傳遞給從動(dòng)齒輪B 18，從動(dòng)齒輪B 18通過(guò)正六邊形的異形孔帶動(dòng)壓桿刀桿14做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；與此同時(shí)在主動(dòng)齒輪B 25的帶動(dòng)下摩擦輪22旋轉(zhuǎn)，摩擦輪22通過(guò)摩擦輪軸23帶動(dòng)凸輪21做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，凸輪21將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)，為降低凸輪21的磨損，采用滾子19將滑動(dòng)磨擦改變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。此時(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)擠壓運(yùn)動(dòng)，同時(shí)壓桿刀頭中波紋齒增大摩擦，從而達(dá)到脫皮效果。因核桃大小不一，防止擠壓力過(guò)大導(dǎo)致核桃被壓碎，故在壓桿刀頭12與壓桿刀桿14之間加入壓縮彈簧13達(dá)到緩沖作用，防止破殼現(xiàn)象發(fā)生。

1. 主軸15. 曲柄16. 從動(dòng)錐齒輪26. 主動(dòng)錐齒輪27. 鍵B28. 活塞29. 外套筒30. 刀具彈簧31. 內(nèi)套筒

圖3切割破皮原理示意圖

Figure 3Schematic diagram of cutting broken skin

1. 主軸12. 壓桿刀頭13. 壓縮彈簧14. 壓桿刀桿18. 從動(dòng)齒輪B19. 滾子20. 滾子銷21. 凸輪22. 摩擦輪23. 摩擦輪軸24. 鍵A25. 主動(dòng)齒輪B39. 圓螺母

圖4擠壓扭轉(zhuǎn)原理示意圖

Figure 4Schematic diagram of the squeezing and twisting principle

(3) 拋皮分離工序：如圖5所示，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)主軸1轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸1通過(guò)鍵E 38，傳遞給主動(dòng)齒輪A 3，主動(dòng)齒輪A 3通過(guò)嚙合傳動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)傳遞給從動(dòng)齒輪A 37，從動(dòng)齒輪A 37通過(guò)鍵D 36將運(yùn)動(dòng)傳遞給從動(dòng)軸35，從動(dòng)軸35通過(guò)鍵C 33將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給主動(dòng)撥盤34，主動(dòng)撥盤34將運(yùn)動(dòng)傳遞給從動(dòng)槽輪5，主動(dòng)撥盤34旋轉(zhuǎn)一圈，從動(dòng)槽輪5轉(zhuǎn)動(dòng)60°；其中從動(dòng)槽輪5與套筒A 4過(guò)盈連接傳遞運(yùn)動(dòng)，下托盤刀桿8與套筒A 4通過(guò)機(jī)械關(guān)節(jié)連接，故從動(dòng)槽輪5與下托盤刀桿8同步運(yùn)動(dòng)。凹槽凸輪6固定于機(jī)架上保持不動(dòng)。下托盤刀桿8隨從動(dòng)槽輪5間歇運(yùn)動(dòng)，當(dāng)完成擠壓扭轉(zhuǎn)工序后，下托盤刀桿繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，在凹槽凸輪6的作用下，通過(guò)連桿7引導(dǎo)下托盤刀桿8向下運(yùn)動(dòng)一定位移，從而撞上擋板32，使扭轉(zhuǎn)彈簧9因受力發(fā)生彈性形變，發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而將核桃與核桃皮拋離，經(jīng)過(guò)擋板32后，彈性形變消失，恢復(fù)原來(lái)位置，進(jìn)入切割破皮工序循環(huán)工作。拋離后的核桃與綠皮在

1. 主軸2. 撥盤3. 主動(dòng)齒輪A 4. 套筒A5. 從動(dòng)槽輪6. 凹槽凸輪7. 連桿8. 下托盤刀桿9. 扭轉(zhuǎn)彈簧10. 下托盤刀頭32. 擋板33. 鍵C34. 主動(dòng)撥盤35. 從動(dòng)軸36. 鍵D37. 從動(dòng)齒輪A38. 鍵E39. 圓螺母

圖5分離拋皮原理示意圖

Figure 5Schematic diagram of separation and cast-off principle

撥盤2的作用下滾離機(jī)箱，完成拋離。最后經(jīng)過(guò)外掛件——慣性篩分離裝置，分離核桃與核桃綠皮。

3　脫皮機(jī)關(guān)鍵零件作用與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

3.1下托盤

下托盤由下托盤刀桿8扭轉(zhuǎn)彈簧9和下托盤刀頭10組成，下托盤主要完成下移—扭轉(zhuǎn)—復(fù)位的一系列拋離分離動(dòng)作；下托盤刀頭10為半球形內(nèi)有波紋齒，增大摩擦力，與壓桿刀頭12配合使用，因?yàn)楹颂移贩N不同，核桃直徑也不相同。為了使脫皮機(jī)滿足各種核桃的脫皮需要，可將下托盤刀頭10與壓桿刀頭12做成系列產(chǎn)品，以滿足具體需要，提高了機(jī)器通用性，有效降低了成本；扭轉(zhuǎn)彈簧9在下托盤刀桿8與下托盤刀頭10之間，發(fā)生彈性形變實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)—復(fù)位運(yùn)動(dòng)；下托盤刀桿8起支撐作用。

3.2壓桿

壓桿由壓桿刀頭12壓縮彈簧13和壓桿刀桿14組成，壓桿主要完成扭轉(zhuǎn)和擠壓運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)青核桃的脫皮；通過(guò)調(diào)節(jié)壓桿上端的凸輪21，可改變壓桿軸向向下的位移大小，以適應(yīng)不同種類核桃的大小，滿足生產(chǎn)要求；壓縮彈簧13在壓桿刀頭12和壓桿刀桿14之間，主要起緩沖作用，防止因擠壓力過(guò)大導(dǎo)致破殼率增加；壓桿刀頭12為半球形內(nèi)有波紋齒增大摩擦力，與下托盤刀頭12配合，起脫皮作用，并根據(jù)實(shí)際要求系列化；壓桿刀桿14起支撐作用。

3.3拋離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)青核桃脫皮機(jī)的連續(xù)進(jìn)給與卸料，提高脫青核桃皮機(jī)的自動(dòng)化水平，現(xiàn)專門設(shè)計(jì)拋離機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)—下移—扭轉(zhuǎn)—復(fù)位的一系列拋離分離動(dòng)作，保證青核桃脫皮機(jī)的連續(xù)工作，拋離機(jī)構(gòu)主要由槽輪機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)，凹槽凸輪和下托盤等零件裝配而成。

3.3.1槽輪機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)由從動(dòng)槽輪5與主動(dòng)撥盤34組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，便于制造，轉(zhuǎn)角精準(zhǔn)，可靠性較高，機(jī)械效率高，且槽輪機(jī)構(gòu)適用于中低速場(chǎng)合。槽輪機(jī)構(gòu)為拋離機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件，將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際需要的間歇運(yùn)動(dòng)，根據(jù)實(shí)際需求，基本設(shè)計(jì)參數(shù)：徑向槽數(shù)目z=6，從動(dòng)盤轉(zhuǎn)角60°，撥盤圓銷個(gè)數(shù)K=1。

槽輪機(jī)構(gòu)動(dòng)停比：k=z-2/z+2=1/2，槽輪運(yùn)動(dòng)時(shí)間總小于靜止時(shí)間，停止2 s運(yùn)動(dòng)1 s。

槽輪機(jī)構(gòu)主要有兩個(gè)作用：① 從動(dòng)盤每次轉(zhuǎn)動(dòng)60°，為脫皮機(jī)6個(gè)工位提供動(dòng)力，其中兩個(gè)切割破皮工位，兩個(gè)擠壓扭轉(zhuǎn)工位，兩個(gè)拋皮分離工位；② 為脫核桃皮提供工作時(shí)間。

3.3.2凹槽凸輪凹槽凸輪6是具有曲線輪廓凹槽的凸輪，帶動(dòng)連桿7實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的高副機(jī)構(gòu)。依靠凹槽的限制作用，使連桿與凹槽凸輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持接觸。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便，可靠性較高，本次設(shè)計(jì)的凹槽凸輪，主要作用是在拋皮分離工位前通過(guò)目標(biāo)曲線輪廓引導(dǎo)拋離機(jī)構(gòu)中的連桿將下托盤桿豎直向下平移一段距離，為下托盤刀頭提供翻轉(zhuǎn)的空間和與擋板32發(fā)生碰撞提供條件，經(jīng)過(guò)拋皮分離工位后在目標(biāo)曲線輪廓的約束下恢復(fù)原來(lái)位置，使核桃脫皮機(jī)順利進(jìn)入下一道篩分工序。

3.4慣性篩分離機(jī)構(gòu)

經(jīng)過(guò)青核桃脫皮機(jī)處理后得到核桃綠皮與核桃的混合物，因此在出料口加裝慣性篩分離機(jī)構(gòu)，慣性篩分離機(jī)構(gòu)原理為雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，篩底為網(wǎng)狀，通過(guò)慣性篩的往復(fù)擺動(dòng)，使核桃綠皮掉落，從而達(dá)到最終分離效果。

4　試驗(yàn)情況

4.1試驗(yàn)材料

選用山西晉中地區(qū)晉龍1號(hào)核桃品種作為試驗(yàn)材料，本批核桃直徑范圍為37.1～39.8 mm，平均直徑為37.8 mm青皮厚度為4～5 mm，硬殼厚度為1.1 mm。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

使用本青核桃脫皮原理樣機(jī)進(jìn)行3次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)核桃個(gè)數(shù)為20個(gè)，果見(jiàn)表1。

由表1可知，青核桃脫皮機(jī)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，脫皮機(jī)產(chǎn)量約為120 kg/h。脫皮效果與現(xiàn)有設(shè)備基本相同，但破殼率和漏剝率明顯低于現(xiàn)有設(shè)備[5-8]。不過(guò)也存在不足：① 刀尖對(duì)核桃硬殼有輕微劃痕；② 核桃表面粘有少量綠皮易氧化變黑，需經(jīng)過(guò)清洗裝置處理；③ 青核桃綠皮中的液體對(duì)機(jī)身壽命會(huì)造成一定影響。

5　結(jié)論

該新型青核桃脫皮機(jī)設(shè)計(jì)原理，為青核桃的脫皮提供了一種新的方法，可一次性完成脫皮分離作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率和核桃品質(zhì)。本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的優(yōu)點(diǎn)為：① 機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，操作簡(jiǎn)單，能耗較低，配套容易，選用220 V單相電作為電源；② 采用擠壓扭轉(zhuǎn)脫皮，脫凈率較高；③ 機(jī)構(gòu)采用緩沖彈簧裝置，有效降低破殼率；④ 采用逐個(gè)處理加工，可避免漏剝現(xiàn)象的發(fā)生；⑤ 拋離機(jī)構(gòu)由槽輪、凹槽凸輪、下托盤和扭轉(zhuǎn)彈簧等組成，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)—下移—扭轉(zhuǎn)—復(fù)位的一系列拋離分離動(dòng)作；⑥ 加工刀具系列化，可根據(jù)不同種類的核桃選用合適的刀具，且更換調(diào)整方便，通用性強(qiáng)；⑦ 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給和卸料。若需進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，可在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加裝自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)裝置，以提高機(jī)器的自動(dòng)化水平。

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Design of the mechanism principle of the new green walnut peeling machine

ZHAO Jing-taoSHANGPeng-xuWUXiao-xueFANGYe

(JinzhongUniversity,Jinzhong,Shanxi030600,China)

The peeling machine is mainly used for separation of the green walnut green and walnut, using a single walnut peeling process, along with cutting through broken skin, torsion straining, and casting skin process. In order to realize the continuous feeding and discharging, a special kick-off device was designed, by utilizing a series of repeat actions, including rotation-depression-torsion-reduction, finally achieve the separation of the green walnut pericarp from walnut. It turned out that the mechanical structure was compact and easy to operate as well as the knifes were systematized. Therefore, the appropriate tool can be replaced according to the specific utilization. The machine designed in this study showed the good prospects for the development and practice.

Green walnut; cutting of the broken skin; torsion straining; cast-off and separation of skin; kick-off device

山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2016412)

趙景濤，男，晉中學(xué)院在讀本科生。

雷文平(1973—)，男，晉中學(xué)院研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士。E-mail：1554721483@qq.com

2016-05-26

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.020