徐小偉， 范 豪

(桂林理工大學南寧分校，廣西 南寧 530001)

板栗，別名毛栗、栗子，富含豐富的維生素、胡蘿卜素及脂肪、蛋白質(zhì)等，口感香糯，素有“鐵桿莊家”“木本糧食”之美稱。板栗種植具有悠久的歷史，因其營養(yǎng)價值極高，在我國得到了廣泛的種植，發(fā)展板栗種植、板栗脫蓬加工相關(guān)產(chǎn)業(yè)，對于在鄉(xiāng)村振興背景下，調(diào)整農(nóng)村農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展農(nóng)村農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、提高農(nóng)民收入具有重要意義[1，2]。

近幾年，板栗產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，產(chǎn)量大，增速快，對板栗采摘后的脫蓬、生產(chǎn)加工需求也日益增多。有不少學者針對板栗脫蓬過程做了研究，安徽農(nóng)業(yè)大學曹成茂[3]等針對七八成熟的板栗在使用剝苞機時脫盡率低、損傷率高、只能用手工剝蓬的問題，設(shè)計了一款柔性揉搓式板栗剝苞機。該機的剝苞室主要由柔性揉搓板和柔性柵欄這兩部分組成，帶蓬板栗從入料口進入剝苞室內(nèi)，在柔性揉搓板和柔性柵欄之間被反復摩擦，使得板栗的果肉與蓬殼有效地分離，且果肉的損傷率大大降低。山東省泰安市農(nóng)業(yè)機械科學研究所吳修文[4]等為解決市場上板栗脫蓬機脫蓬率不高、分離不完全的問題，研究并設(shè)計一種板栗脫蓬機，該機的特點是在入料口和殼體之間加裝了噴淋裝置，使板栗在脫蓬前表面濕潤變軟，有利于脫蓬。北京市懷柔區(qū)農(nóng)機具研究所孫繼臣[5]等為解決手工板栗脫蓬的生產(chǎn)率低、作業(yè)勞動強度大的弊端，研究設(shè)計了一種板栗脫蓬機，該機通過一對相向運動的輥輪擠壓帶栗蓬的板栗，致使栗蓬脫離板栗表面，然后通過抖動使蓬皮和栗果分離。河南農(nóng)業(yè)大學趙漢雨等利用3層振動篩網(wǎng)設(shè)計出了可以實現(xiàn)栗果與果蓬分離、具有栗果分級功能的板栗脫蓬機，完善了國內(nèi)板栗脫蓬機的功能。安徽信息工程學院黃自成[6]在他所設(shè)計的板栗脫蓬機脫蓬箱內(nèi)水平放置兩個固定有破碎刀的轉(zhuǎn)動輥子，解決了需人工將板栗從栗蓬中分揀出來的問題，有效地降低了勞動者的工作強度，提升了板栗脫蓬的效率。

但由于以上研究的板栗脫蓬機不能完全滿足高產(chǎn)能的加工需求，主要是以家用為主的中小型板栗脫蓬機，同時現(xiàn)存板栗脫蓬機入料口距地面較高，人工上料費時費力，且上料時喂料量不均，過多時易發(fā)生堵塞，進而會產(chǎn)生板栗果或蓬飛濺出來的問題，對工人造成傷害。因此，研究新型板栗脫蓬機以滿足板栗脫篷的高產(chǎn)能需求，利用集約化生產(chǎn)的優(yōu)勢，降低勞動強度，使用安全可靠，節(jié)約農(nóng)民加工板栗的成本，進而推動鄉(xiāng)村振興。

針對以上問題的解決，需要進一步改進板栗脫蓬機脫蓬機構(gòu)的設(shè)計。脫蓬機構(gòu)是板栗脫蓬機的關(guān)鍵部件，不僅要保證結(jié)構(gòu)合理，還要具備較高的機械強度，以滿足長時間運行和脫凈率高的要求，實現(xiàn)勞動強度低的上料方式，需完成篩分機構(gòu)的設(shè)計，以達到較高的板栗果、蓬分離潔凈度。

1 整機設(shè)計及工作原理

1.1 整機設(shè)計

本板栗脫蓬機主要針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合作社集約化加工需求，要求板栗加工效率高(產(chǎn)量在1 000～1 600 kg/h)，結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)性高，且在保證毛殼去除干凈的前提下不破壞板栗的完整性。該機器由動力部分、傳動系統(tǒng)、上料機構(gòu)、脫蓬機構(gòu)、篩分機構(gòu)等組成，板栗脫蓬機整機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 板栗脫蓬機整機結(jié)構(gòu)示意圖1.風機；2.篩分機構(gòu)；3.脫蓬機構(gòu)；4.上料機構(gòu)；5.料斗；6.機架；7.傳動系統(tǒng)；8.動力部分

1.2 工作原理

該機器工作時，帶蓬板栗經(jīng)上料機構(gòu)輸送到脫蓬裝置的入料口，并進入到脫蓬機構(gòu)中，帶蓬板栗經(jīng)過輥筒與帶漏柵的箱座相互擠壓和柔性擊打的雙重作用，實現(xiàn)了板栗果、蓬的一次分離。分離后的板栗與蓬殼在重力作用下，經(jīng)過柵輥間隙落入篩分機構(gòu)中，在由往復運動的連桿機構(gòu)帶動篩分機構(gòu)的振動與風機的雙重作用下實現(xiàn)板栗果、蓬的二次分離，脫蓬板栗經(jīng)出料口掉入收集裝置中，蓬殼可掉落地面，最終實現(xiàn)板栗果、蓬的分離作業(yè)。

2 重要部件的選型與設(shè)計

2.1 電機選型

電機是板栗脫蓬機的動力來源，選擇合適的電機是保證脫蓬機正常工作的前提。該機為一般農(nóng)用機械，啟動轉(zhuǎn)矩不大，且無調(diào)速要求，因此選擇結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便的鼠籠型三相異步電機。

通過計算板栗脫蓬過程中所需轉(zhuǎn)矩，進而計算出脫蓬機構(gòu)所需功率為3.26 kW，綜合考慮篩分機構(gòu)、風機及各環(huán)節(jié)傳動效率等因素，最終選擇額定功率為4 kW的三相異步電機，電機型號是Y-112M-4。

2.2 脫蓬機構(gòu)設(shè)計

脫蓬機構(gòu)主要由輥筒、箱蓋、帶漏柵的箱座組成，其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，其中輥筒是板栗脫蓬機構(gòu)的核心部件，其結(jié)構(gòu)直接影響板栗脫蓬的質(zhì)量。

圖2 輥筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 箱體結(jié)構(gòu)示意圖

輥筒主要包括輥齒、輥體、內(nèi)部支撐板，通過對帶蓬板栗樣本的尺寸、板栗蓬厚度統(tǒng)計分析，以及板栗脫蓬受力計算分析，設(shè)計出輥體直徑438 mm、長度800 mm的內(nèi)部中空的圓柱體；考慮該板栗脫蓬機產(chǎn)量需求和輥體性能，在輥體內(nèi)部設(shè)置金屬支撐板，以提升輥體的強度；為獲得良好的脫蓬效率，輥體上的輥齒采用5列螺旋式布置，每列輥齒間距定為70 mm，為使得帶蓬板栗在脫蓬機構(gòu)內(nèi)獲得充分的剝蓬時間，相鄰兩列輥齒端部首齒之間以10 mm的距離錯開。為減小板栗脫蓬過程中對板栗的損傷，輥齒端部采用半圓形結(jié)構(gòu)且在每個輥齒表面套上一層厚度為3 mm的軟質(zhì)橡膠套[7]。

箱體與輥筒共同構(gòu)成脫蓬機構(gòu)，其中箱蓋上開設(shè)進料口，箱座底部安裝漏柵，漏柵由柵桿焊接而成，為更好地使板栗在脫蓬機構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)動，金屬桿采用螺紋鋼，柵桿間距在d/3～D[8]，其間距為45 mm，同時為了保證板栗脫蓬更加充分，滾筒上的輥齒頂部與漏柵柵桿之間的間距與板栗直徑比在0.55～0.77∶1之間，間距為50 mm，其中帶蓬板栗模型圖如圖4所示。

圖4 帶蓬板栗模型圖

2.3 篩分機構(gòu)設(shè)計

篩分機構(gòu)置于脫蓬機構(gòu)的正下方用于脫蓬后果、蓬的二次分離，其主要由連桿機構(gòu)、篩網(wǎng)、軸、帶座軸承和導向輪等零部件組成。其連桿運動示意圖如圖5所示。

圖5 曲柄連桿機構(gòu)運動示意圖1.曲柄；2.連桿；3.篩網(wǎng)；4.篩網(wǎng)左極限位置；5.篩網(wǎng)右極限位置

曲柄在軸的帶動下繞著軸心做勻速圓周運動，通過連桿連接篩網(wǎng)并帶動篩網(wǎng)做往復運動。

當曲柄和連桿共線時，篩網(wǎng)在極限位置，兩極限位置相距：

S1=L1+L2-(L2-L1)=80 mm

(1)

式中：L1為曲柄長度，40 mm；L2為連桿長度，80 mm。

篩網(wǎng)以4 Hz的頻率振動，則篩網(wǎng)在斜面上的平均運動速度為：

v1=S1f1=320 mm/s

(2)

篩網(wǎng)分為上下兩層，上層為矩形金屬網(wǎng)，下層為金屬板。脫蓬后為更好地將果、蓬分離，將網(wǎng)孔大小定為邊長為48 mm的矩形，且篩網(wǎng)與水平面之間有5°的傾角。在篩網(wǎng)的兩側(cè)設(shè)計了由4個帶螺栓軸承構(gòu)成的篩網(wǎng)支撐件，負責支撐篩網(wǎng)和為篩網(wǎng)導向。同時在篩網(wǎng)下部設(shè)置一臺風機，當脫蓬后的果、蓬運動到出料口時，部分還未被完全分離的細碎板栗蓬會被風機吹走，進而實現(xiàn)二次分離。篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡圖

2.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

傳動系統(tǒng)主要有由V帶輪、V帶和三相異步電機等零部件共同組成，其傳動系統(tǒng)的簡圖如圖7所示。

圖7 傳動系統(tǒng)1.風機帶輪；2.輥筒帶輪；3.振動篩帶輪；4.V帶；5.電機帶輪

通過對V帶傳動的設(shè)計計算，確定了各傳動對象間的V帶傳動參數(shù)，其參數(shù)表如表1所示。

表1 各V帶傳動參數(shù)表

2.5 上料機構(gòu)設(shè)計

要滿足長時間進行板栗脫蓬，改變解決人工上料勞動強度大的問題，避免傳統(tǒng)人工上料過程中由于板栗蓬破碎后飛濺出來造成的傷害，參考農(nóng)用機械帶式輸送機的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出能夠滿足自動上料、長時間加工的上料機構(gòu)，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 上料機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖1.傳動輥筒；2.料斗；3.輸送帶；4.從動滾筒；5.菱形帶座軸承；6.張緊機構(gòu)；7.托輥擋板；8.托輥；9.上料裝置機架；10.支撐座；11.壓帶輪；12.凸緣連軸器；13.減速電機

上料機構(gòu)由水平部分和傾斜部分組成，為使上料機構(gòu)能夠平穩(wěn)運送帶蓬板栗到達脫蓬裝置的入料口，傾角不宜過大，考慮到整機尺寸，將上料裝置傾斜部分與地面的傾角定為20°[9]。機架采用無縫方管，用24根托輥支撐輸送帶，料斗底部與輸送帶的距離設(shè)計為150 mm，使帶蓬板栗在輸送帶上堆砌的高度最高為兩層。為方便托輥的拆裝，在上料機的一側(cè)用螺栓固定與托輥等數(shù)量的托輥擋板。長時間使用的輸送帶因受拉而變長，因此在上料裝置上設(shè)計了一個張緊機構(gòu)。輸送帶選用PVC材質(zhì)，寬度為890 mm、總長為14 201.68 mm，表面等間距地分布有14塊方形擋板。通過對輸送帶進行受力分析，計算出輸送帶的截面應力為1.1 MPa，遠小于PVC材料的抗拉強度60 MPa。

3 基于Solidworks有限元分析的重要零部件校核和運動分析

3.1 輥筒強度校核

由于輥筒是脫蓬機構(gòu)的核心部件，也是整個機器受力較多、較復雜的部件，故對輥筒進行強度校核?；赟olidworks建模設(shè)計，利用該軟件中的“Solidworks Simulation”插件按順序?qū)佂踩S模型進行固定，施加外部載荷，網(wǎng)格化。

首先為模型指定材料，材料選用45鋼，有限元分析用的45鋼的屬性如表2所示。

表2 45鋼材料主要屬性表

點擊網(wǎng)格進行網(wǎng)格化，網(wǎng)格密度滑塊移動到最右邊(良好)，其他默認。劃分網(wǎng)格后的三維圖如圖9所示。

圖9 輥筒三維模型網(wǎng)格化示意圖

經(jīng)軟件運算后得到輥筒的應力云圖(圖10)，應變云圖(圖11)和位移云圖(圖12)。

圖10 輥筒應力云圖

圖11 輥筒的應變云圖

圖12 輥筒的位移云圖

通過圖10、圖11、圖12分析可知，輥筒的最大應力和最大應變集中在輥筒軸端部支撐處，最大應力值為24.55 MPa，小于材料的屈服力，最大應變值為7.018×10-5，輥筒最大位移發(fā)生輥筒中部的輥齒端部，位移量為1.079×10-2mm，表明脫蓬機在脫蓬過程中由于軸端處受到的應力和應變較大，導致輥筒發(fā)生徑向偏移。由于所受應力和應變值及輥筒位移量均在允許范圍內(nèi)，因此滿足設(shè)計要求。

3.2 基于Solidworks的振動篩網(wǎng)曲柄連桿機構(gòu)運動仿真分析

振動篩網(wǎng)曲柄連桿機構(gòu)的三維裝配體模型如圖13所示。

圖13 振動篩網(wǎng)曲柄連桿機構(gòu)的三維裝配體模型圖1.連桿機構(gòu)連接座；2.連桿座；3.連桿；4.曲柄；5.連桿軸；6.立式帶座軸承；7.篩網(wǎng)；8.篩網(wǎng)支撐滾動軸承

電機通過帶輪將動力傳遞給曲柄連桿機構(gòu)，在連桿軸上安裝馬達，電機的轉(zhuǎn)速設(shè)置為240 r/min。該機構(gòu)整體受到引力的作用，因此給算例添加一個垂直于機架上表面的引力，引力加速度默認為9.8 N/m2。通過估算可知篩網(wǎng)上栗蓬和栗果的總質(zhì)量約為15.4 kg，因此在篩網(wǎng)表面施加一個約154 N的力，方向與引力同向。通過施加條件且運算后得到的篩網(wǎng)水平線性速度、加速度、曲柄角加速度運動圖解如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 篩網(wǎng)水平線性速度圖解

圖15 篩網(wǎng)水平線性加速度圖解

圖16 曲柄角加速度圖解

通過分析圖14、圖15、圖16可知，篩網(wǎng)能夠在電機帶動下做周期性往復運動，且運動過程中不存在干涉現(xiàn)象，但從圖15、圖16加速度變化中可以看出，曲柄連桿機構(gòu)在運動過程中存在一定沖擊，故需要增強曲柄連桿機構(gòu)中曲柄和運動副強度。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的新型板栗脫蓬機與市面上在售的相比較，其整體尺寸更大，輥筒與箱體間的空間要更多，一次性可對更多的帶蓬板栗進行脫蓬，因此能適用于高產(chǎn)能加工，上料機構(gòu)料斗距地面較低，方便工人給料。輸送帶勻速運動，喂料均勻，不易發(fā)生堵塞，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，該機器對九成熟板栗脫蓬效率和脫凈率更高，可滿足生產(chǎn)合作社和大型加工廠板栗脫蓬的需求，并能夠利用集約化生產(chǎn)的優(yōu)勢，節(jié)約農(nóng)民加工板栗的成本，推動鄉(xiāng)村振興。