毛豆剝殼機的機構(gòu)設計

蔡耿健 管 珣 李佳玲 陳亦開

0 引言

隨著我國人口數(shù)量的不斷增多以及農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的不斷提高，人們對大豆的食用量越來越大。但獲取大豆之前卻存在一個棘手的問題，那就是大豆的剝出。傳統(tǒng)的手工剝豆雖然可以剝出質(zhì)量較好的豆粒，但是效率低，用時長。如果可以實現(xiàn)剝豆機械化、自動化，那么既可以提高生產(chǎn)效率，又可以節(jié)省大量勞動力。市場上現(xiàn)有的一些毛豆剝殼設備，功能不夠完善，技術(shù)不夠成熟，剝出來的豆粒多半已經(jīng)破損、壓癟或還未完全從豆莢殼中剝出。而且現(xiàn)存的剝豆機結(jié)構(gòu)單一，基本上為大型剝豆機，只適合批發(fā)市場使用，不適合在一些單次剝豆量較小的家庭、飯店中使用。

為提高剝豆效率，使豆完全從豆莢中剝出，且不被破壞，研發(fā)了一種便攜式小型剝豆機。該機具有體積小、重量輕、工作可靠、外形美觀、成本低等優(yōu)點。

1 便攜式小型剝豆機原理

便攜式小型剝豆機主要由振動電機、進料板、軋輥、大帶輪、分離板、小型電機、收集槽及支架組成。圖1、圖2為該機的結(jié)構(gòu)簡圖和總裝圖。

將毛豆放在進料板上，由于重力，毛豆將沿著進料板掉落；在進料板下部放著一個振動電機，帶動進料板上下抖動，毛豆嵌入進料板的凹槽中（一個槽的寬度正好是一個毛豆的寬度），進而卷入軋輥中。為防止毛豆在夾緊過程中被夾壞，在進料軸上需加上橡膠組織，由脫殼軸將毛豆擠壓出豆殼。

圖1 便攜式小型剝豆機結(jié)構(gòu)簡圖

便攜式毛豆剝殼機主要依靠兩軋輥擠壓剝豆和凸輪的旋轉(zhuǎn)使進料板上下抖動。毛豆豆莢為扁長條狀，中間厚，兩頭扁平，長度在40～50 mm，籽粒在殼內(nèi)縱向排列，籽粒之間存在一定的間隙。兩軋輥之間存在一定的間隙，只允許空的豆莢通過，而帶有豆粒的毛豆是無法通過的。兩軋輥反向旋轉(zhuǎn)，當毛豆的扁平端被軋輥夾持移動時，由于毛豆中間含豆粒部分無法通過軋輥，豆粒受到擠壓與豆莢產(chǎn)生相對運動，向后移動的籽粒將莢殼撐開，脫離豆殼。此時莢殼在軋輥的前側(cè)，籽粒在后側(cè)，達到了粒殼分離效果。

圖2 便攜式小型剝豆機總裝圖

2 脫殼機構(gòu)的參數(shù)計算

2.1 脫殼軸轉(zhuǎn)速

以一個長度為5～6 cm的青豆為研究對象。假設脫殼機構(gòu)中脫殼軸的直徑D=3 cm，脫殼兩軸的距離為青豆殼的厚度（大約為0.2 cm），脫一次豆的時長為4.5 s，則脫殼軸的轉(zhuǎn)速為：

驗算在4.5 s內(nèi)能否將5～6 cm的青豆脫殼：

脫殼軸的周長：

豆殼長度6 cm，所以取值合理。

2.2 給料軸轉(zhuǎn)速

因給料軸上附有橡膠組織，若給料軸的直徑D=2 cm，加上橡膠組織后直徑為3 cm，青豆的長度按6 cm計算，由 n1= 8.9 r/min，算出脫殼軸的轉(zhuǎn)速：

由脫殼設計原理可知，給料軸與脫殼軸的距離應小于青豆的長度，這里取4.5 cm，給料軸兩軸的距離應為青豆未脫殼前的厚度，大約為0.8 cm，脫殼軸脫一次需要4.5 s，那么給料軸應在4.5 s后將下一次料送上，故給料軸的轉(zhuǎn)速為：

驗算：

脫殼4.5 s后，豆移動距離是：

s1= v1×4.5= 6.3（cm）

而進料軸豆移動距離為：

s2= v2×4.5= 4.5（cm）

v2＜v1

當脫殼軸將豆脫完后，送料軸正好將下一次料送上。

2.3 青豆脫殼機所消耗的功率

脫殼機所消耗的功率可以用下式計算：

式中：T —脫殼軸的轉(zhuǎn)矩（N·m），T = 2GR，其中R為摩擦臂矩R=0.4D（D脫殼軸直徑）；

n —脫殼軸轉(zhuǎn)速為 8.9 r/min；

η—傳動效率，滾動軸承的效率值為0.86。

一次脫殼的個數(shù)為：

單個青豆的重量為8 g，則脫殼機所消耗的總功率為：

3 軸的結(jié)構(gòu)設計

3.1 軸的材料選用

軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋鋼圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。

由于碳鋼比合金鋼廉價，同時也可以用熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故被廣泛應用于制造軸，其中最為常用的是45號鋼。

3.2 軸的結(jié)構(gòu)設計

軸的結(jié)構(gòu)設計主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式，軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸連接的方法，載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況，軸的加工工藝等。軸的結(jié)構(gòu)應滿足以下要求：

（1）軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；

（2）軸上的零件應便于裝拆和調(diào)整；

（3）軸應該具有良好的制造工藝性。

因此，可以先根據(jù)軸的不同要求，將軸的各部分分開考慮，然后再根據(jù)相互關(guān)系和加工、安裝、拆卸、維修等的要求綜合考慮，并相應地調(diào)整各部分的結(jié)構(gòu)和尺寸。

4 關(guān)鍵部件設計

4.1 軋輥的布置角度

兩軋輥軸心連線與水平面夾角γ稱為軋輥布置角度。當γ＝45°時，毛豆能順利進入兩軋輥之間。軋輥的表面采用麻花設計，這樣有利于增加軋輥與豆莢之間的摩擦力，防止豆莢還未被軋輥夾住就掉落下去。

4.2 軋輥之間的間隙

當豆莢卷入兩軋輥之間時，豆殼沿軋輥移出，豆粒則反方向被擠出。經(jīng)對市場上豆殼實物的多次測量，豆殼的厚度在1.5 mm左右。當軋輥之間的間隙為2.2 mm時，豆殼能很好地沿著軋輥移出，且豆莢出豆效果好。

4.3 振動進料板的設計（見圖3）

進料板內(nèi)邊為鋸齒形的管材，里面有一個個的小凹槽，板下部安裝一臺振動電機。當進料板上下振動時，毛豆被一個個地嵌入小凹槽之中。進料管的前邊被削去上半部分，方便人們將毛豆放在進料板；而進料板的后半部分是全封閉的，防止毛豆震動時跳出進料板。

5 結(jié)論

經(jīng)改進設計后的小型高效剝豆機可以滿足家庭用戶的需求，還可以經(jīng)過拼裝變成大型剝豆機。如：取消常規(guī)的剝豆機內(nèi)的輸送機，將軋輥的間隙改為可調(diào)節(jié)的，使剝豆機本身變成一個部件，就可將多臺剝豆機組合成一個更高效的大型剝豆機。

圖3 振動進料板結(jié)構(gòu)簡圖

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社,2002.

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