何曉芬，楊 清，李永湘

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

引言

目前，在我國市場上已有多種能對甘蔗自動切削的機(jī)械，但大部分機(jī)型不能滿足多種直徑尺寸甘蔗的削皮[1]。多數(shù)機(jī)型使用鏈傳動，噪音比較大。而且這類機(jī)型多數(shù)采用的送料裝置是偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，利用滑塊往復(fù)運(yùn)動對甘蔗送料，這種機(jī)構(gòu)占用空間大，導(dǎo)致整個機(jī)器機(jī)型偏大[2]。

1 甘蔗削皮機(jī)現(xiàn)有機(jī)型分析

目前，在國內(nèi)使用最廣范的有兩種類型的甘蔗自動削皮機(jī)[3-5]：

第一類，徑向削皮類機(jī)型，這類機(jī)型的送料裝置，是采用橡膠滾輪組對甘蔗夾緊送料，在傳動機(jī)構(gòu)中使用了一條鏈條，通過鏈傳動帶動兩組齒輪旋轉(zhuǎn)，這兩組相對旋轉(zhuǎn)的齒輪帶動與其同軸相接的橡膠滾輪，兩組橡膠滾輪相對旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對甘蔗夾緊送料。在出料口也有一組橡膠滾輪，把它們作為皮帶輪與皮帶連接，其中一個是張緊輪，機(jī)器工作時，兩個滾輪可相對旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)出料工作。

第二類，軸向削皮類機(jī)型，這類機(jī)型的送料裝置主要也是用橡膠滾輪組對甘蔗夾緊送料，原理與第一類機(jī)型的送料裝置相類似，也有一部分機(jī)型采用的是偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)合平行四邊形機(jī)構(gòu)，利用平行四邊形機(jī)構(gòu)的自鎖特性和偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滑塊的往復(fù)運(yùn)動，對甘蔗夾緊送料，送料的同時靜止的刀具對甘蔗軸向削皮。

根據(jù)對第一機(jī)型和第二類機(jī)型的分析，兩種機(jī)型送料存在問題有，送料裝置與削皮裝置不能適應(yīng)不同甘蔗直徑尺寸，削皮效果差，機(jī)型一采用鏈傳動會產(chǎn)生較大噪音。

為解決甘蔗削皮機(jī)現(xiàn)有機(jī)型存在的不足，本研究將根據(jù)市場需求，設(shè)計(jì)出一種能適應(yīng)不同甘蔗直徑大小的送料裝置，并使其具有安全性能高、自動化程度高、噪音小、機(jī)器體型小、經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的特點(diǎn)。

2 甘蔗自動削皮機(jī)送料裝置的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的甘蔗自動削皮機(jī)的工作原理是：通過人工將甘蔗水平放入甘蔗自動削皮切斷機(jī)的入送料口，通過送料裝置完成對甘蔗的送料工序，并進(jìn)入削皮工序。甘蔗進(jìn)入削皮裝置時，削皮裝置上的刀片與甘蔗相對運(yùn)動，對甘蔗進(jìn)行軸向削皮。削好皮的甘蔗繼續(xù)向前運(yùn)動進(jìn)行送料，并進(jìn)入切斷工序。電機(jī)經(jīng)皮帶傳動系統(tǒng)減速后帶動曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄帶動連桿運(yùn)動，連桿帶動滑塊反復(fù)運(yùn)動，同時與滑塊相連接的刀片對甘蔗切斷。切斷的甘蔗自動落入到果肉箱里，削去的甘蔗皮自動掉入到甘蔗皮垃圾箱中。從而完成對甘蔗的削皮與切斷工序。

2.1 送料裝置方案的確定

方案一，基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的送料裝置，工作原理：電機(jī)通過減速裝置將動力傳輸?shù)角?，曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄通過連桿帶動搖桿往復(fù)擺動運(yùn)動，搖桿與其他桿件組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，這種平行四邊形機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，可實(shí)現(xiàn)對甘蔗的夾緊功能，同時利用刀架回程運(yùn)動帶動甘蔗進(jìn)給。優(yōu)點(diǎn)，夾緊工作面大，在比較小的夾緊力下就可以獲得較大摩擦力。缺點(diǎn)，搖桿機(jī)構(gòu)需往復(fù)運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)對甘蔗送料，這使得送料效率比較低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜?；谇鷵u桿機(jī)構(gòu)的送料裝置如圖1。

圖1 基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的送料裝置

1、5-連桿；2、13-槽鋁；3、10-鋁板；4-連桿軸承；7-驅(qū)動搖桿；8-步進(jìn)電機(jī)支架；9-步進(jìn)電機(jī)；11-角鋁；12-支撐座

方案二，基于橡膠滾輪組的送料裝置。將兩個橡膠滾輪用作皮帶輪，用皮帶將他們與主動輪連接起來。工作原理：當(dāng)甘蔗進(jìn)入兩橡膠滾輪之間時，兩個相對旋轉(zhuǎn)的橡膠滾輪對甘蔗的摩擦力，使甘蔗向前運(yùn)動至削皮工序，削好皮的甘蔗繼續(xù)向前運(yùn)動到下一個相對旋轉(zhuǎn)的橡膠滾輪組，在摩擦力作用下使甘蔗繼續(xù)向前運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，送料效率高。缺點(diǎn)，當(dāng)甘蔗直徑過小時，橡膠滾輪組對甘蔗的正壓力減小，甘蔗得不到所需要的摩擦力，就不能正常向前運(yùn)動，。當(dāng)甘蔗直徑過大時，橡膠滾輪組對甘蔗的正壓力變大，容易壓碎甘蔗，適用性低。橡膠滾輪組如圖2。

圖2 基于橡膠滾輪組的送料裝置

方案三，彈性送料裝置，基于第二種方案，對支撐橡膠送料滾輪的軸承座保留一個自由度，軸承座與導(dǎo)桿連接，導(dǎo)軌上套上彈簧，彈簧上端使用螺母調(diào)節(jié)彈簧對軸承座的力，這樣兩個滾輪的軸距可以適應(yīng)不同甘蔗直徑大小。當(dāng)甘蔗直徑過大或過小時，可以調(diào)松或調(diào)緊螺母來適應(yīng)直徑過大或過小的甘蔗，以免壓力過大壓壞甘蔗。這種設(shè)計(jì)基本滿足我國大多數(shù)甘蔗的直徑大小。在對滾輪外形設(shè)計(jì)上，作優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為凹形的等邊梯形滾輪，能增加與甘蔗接觸面積，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。彈性送料裝置設(shè)計(jì)簡圖如圖3所示。

圖3 彈性送料裝置簡圖

對以上三種送料裝置進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1所示。

表1 送料裝置方案優(yōu)缺點(diǎn)對比

從送料效率和適用性上考慮，本研究究選用的送料裝置為方案三。

2.2 送料裝置的詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）重要彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

送料裝置工作時，由兩個相對旋轉(zhuǎn)的橡膠滾輪對甘蔗的摩擦力，使甘蔗向前運(yùn)動，要想有足夠的摩擦力，就得選用合適的彈簧，下面將對重要彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，首先對甘蔗受力分析圖，如圖4。

圖4 甘蔗受力分析圖

由受力分析圖可知，摩擦送料滾輪對甘蔗的摩擦力，使甘蔗克服削皮刀對甘蔗的削皮阻力向前運(yùn)動。工作中支撐彈簧承受的力最大，所受載荷為下滾輪部件的重量，再加上與下滾輪同軸相接的軸承、軸承座和軸的重量。所以設(shè)計(jì)好這個彈簧，將對送料裝置的使用壽命起到至關(guān)重要的作用。下面將對這個重要的彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

查閱相關(guān)資料[6]，選用4把15度刀刃口的刀對甘蔗削皮時，4把刀所受最大總載荷為F1=190N。由此，計(jì)算出我們削皮裝置6把15度刀刃口的刀對甘蔗的總阻力F2=285N。

設(shè)定甘蔗到達(dá)切斷點(diǎn)時的速度v=0.4m/s，為了滿足削皮速度的需要，需要計(jì)算足夠的所需總摩擦力。根據(jù)調(diào)查，甘蔗的平均質(zhì)量為3kg≤m≤3.25kg，計(jì)算得到Ff=289N。計(jì)算下滾輪對甘蔗的摩擦力Ff1=Ff/2=144.5N。滾輪摩擦表面采用橡膠材料，查閱網(wǎng)上相關(guān)數(shù)據(jù)[7]得知，甘蔗與橡膠的摩擦系數(shù)為0.4～0.5，取f=0.4，得到FN=361.5N；在送料裝置的設(shè)計(jì)中，每個軸承座有2個支撐彈簧，而支撐下滾輪的軸承座有兩個，所以下滾輪一共有4個支撐彈簧支撐，計(jì)算單個彈簧對滾輪的支撐彈力Fn1=FN/4=90.4N。為對甘蔗送料時，彈簧承受著靜載荷，大小等于給予下滾輪支持的構(gòu)件的總重量，計(jì)算4個支撐彈簧未送料時所受總靜載荷。s為第一組滾輪的軸線與切斷點(diǎn)的距離，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出的機(jī)型盡量小型化，再加上各部件空間的限制，我們設(shè)定s為0.65m，給予下滾輪支持的構(gòu)件的總質(zhì)量在20kg以內(nèi)，取m=20kg，a取9.8，帶入數(shù)值計(jì)算滾輪單個支撐彈簧所受靜載荷Fa1=20×9.8÷4=49N。下滾輪對甘蔗送料時，單個彈簧所受動載荷，等于單彈簧對甘蔗所需支撐彈力，加上單個彈簧所受靜載荷，即：

考慮彈簧承載載荷不大，選取SL型碳素彈簧鋼。從使用壽命上考慮選用類彈簧，受變載荷作用次數(shù)可達(dá)106次。彈簧兩端需要磨平便于套上墊片，所以選取制造工藝為型冷卷。彈簧的螺旋升角一般取α=5o～9o，本設(shè)計(jì)取α=9o，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，作出彈簧參數(shù)表，如表2。

表2 彈簧參數(shù)表

（2）送料滾輪的設(shè)計(jì)

送料滾輪在送料裝置中起著重要的作用。目前，市場上的甘蔗自動削皮機(jī)的送料方式大多數(shù)采用的是橡膠滾輪送料，但存在一些缺陷，在工作時由于摩擦力不夠，滾輪容易打滑，下面將對傳統(tǒng)的送料滾輪做優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高滾輪對甘蔗的摩擦力。

根據(jù)調(diào)查，甘蔗的直徑范圍為33mm-55mm，為滿足送料要求，本設(shè)計(jì)中的滾輪表面，即工作摩擦面使用聚氨酯橡膠材料橡膠包覆的軸孔管件采用灰鑄鐵材料。將橡膠材料制造成凹陷的等邊梯形，并與空心軸使用聚力JL-518膠水粘結(jié)?？招妮S攻螺紋孔，用于把滾輪與轉(zhuǎn)軸螺栓連接。這樣設(shè)計(jì)可以起到對甘蔗的送料導(dǎo)向作用，并且增加了與甘蔗的接觸面積。橡膠滾輪三維圖，如圖5所示。

圖5 橡膠滾輪三維圖

（3）長軸的設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)架圓環(huán)固定件外圓直徑，以及滾輪的空心軸軸孔直徑和為滿足帶輪以及軸承的安裝，設(shè)計(jì)出長軸，長軸選用45號鋼制造，長軸三維圖，如圖6。

圖6 長軸三維圖

（4）送料裝置三維圖

選取6002CE軸承、M14螺母、M8螺栓與合適的墊片之后，設(shè)計(jì)的送料裝置三維圖如圖7所示。

圖7 送料裝置三維圖

3 結(jié)論

本文主要對甘蔗自動削皮機(jī)的送料裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決不同直徑的甘蔗送料和削皮問題。（1）通過對比分析確定送料方案用彈性送料裝置；（2）根據(jù)甘蔗受力情況，設(shè)計(jì)出所需彈簧為型冷卷SL型碳素彈簧鋼；（3）根據(jù)33mm-55mm甘蔗直徑尺寸范圍，結(jié)合SolidWorks軟件設(shè)計(jì)出橡膠滾輪；（4）根據(jù)滾輪軸孔大小設(shè)計(jì)出軸，并選用合適的軸承，根據(jù)上下兩橡膠滾輪軸心距、滑套外形和所選軸承尺寸，設(shè)計(jì)出軸承座。最終得到的改進(jìn)后的整個送料裝置結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)對甘蔗自動削皮機(jī)的整體優(yōu)化，達(dá)到對不同直徑的甘蔗進(jìn)行自動送料的設(shè)計(jì)目標(biāo)。