椰子剝衣機的設計

張志強 樊軍慶 王 濤

（海南大學機電工程學院，海南 海口 570228）

椰子是中國熱帶地區(qū)一種重要的經濟作物，其中海南是中國椰子主產區(qū)，每年總產量近24億個，而全省每年椰子需求量卻高達26億個［1，2］，但中國大部分企業(yè)僅僅是在椰子加工的后續(xù)工序采用了機械化加工，而前期工序如椰衣的剝離、椰殼的開口等均為人工操作。手工剝除椰衣效率低，危險性大，工人傷手事件不斷發(fā)生，嚴重影響到工人的人身安全［3，4］。

目前國內外的椰子剝衣機有多種類型，例如，曾憲君［5］設計的BYY型液壓式椰子剝衣機，這是一種利用液壓傳動和電氣自動控制系統協調工作的椰子剝衣機，適用于各種形狀、尺寸和濕度的椰子的加工，對椰子形狀和大小沒有要求，能夠隨著椰子的體積的變化而進行調節(jié)支座加緊椰子，從而完成剝衣；肖仁鵬等［6］設計的椰子剝衣機，提出刀具刺入式剝衣方案。其工作原理是：椰子放置在托盤上，電機驅動絲杠轉動，經過升降螺母，使椰子和六角刀具相向運動，當刀具切入椰子后，切割刀具向外展開，完成對椰子的剝衣；Bundit Janrimopas等［7］研發(fā)的主要用于椰子幼果外層椰衣剝除的機器，其主要結構包括一個剝椰衣刀、一個切割刀和一些夾緊機構，原理類似于車床的車削加工：通過旋轉椰子并使剝衣刀具與椰衣接觸起到剝除椰衣的作用。上述椰子剝衣機，盡管可以脫除椰子的青衣，但普遍存在自動化程度不高、操作復雜、剝衣效果不理想等問題，故推廣十分困難。

本設計采用輥齒對椰子進行剝殼。該椰子剝衣機的優(yōu)點是椰子可以隨意地放進機械入口，在機械中可以無序化的對其剝殼，從而克服了椰子纖維方向問題；該機械輥齒采用斜軸分布，對椰子體積變化無要求，讓椰子殼剝落更有效率，椰衣能剝落干凈；同時保持了椰子外殼纖維的完整性，可以用于后續(xù)的利用與加工。增加了椰子價值的利用率，提高了其經濟效益。

1 椰子剝衣機的整體設計

椰子外層是由纖維殼組成，纖維縱向分布，能承受較大的撕扯力而不斷裂，能夠用于工業(yè)生產加工利用。設計中兩輥齒軸采用斜軸的布置，采用齒釘扎入椰子外殼，然后齒釘固定在軸上，隨軸轉動，椰子的運動從大間隔運動到小的間隔，完成椰衣脫落而引起的體積變化，將椰衣從椰子上撕扯下來。輥齒的布置沿軸的方向有一定的偏角，在轉動時對椰子產生軸向力，讓椰子在剝衣的過程中順著方向向出口運動。經過試驗，高速輥齒軸順時針旋轉，轉速180r/min；低速輥齒軸逆時針旋轉，轉速120r/min。其原理圖見圖1。

圖1 椰子剝衣機原理圖Figure 1 Diagram of coconut shell press

椰子剝衣機總體結構采用輥筒軸斜軸布置，其兩軸之間夾角采用7°，兩軸大間隔段距離為320mm，考慮到未剝衣的椰子平均大小直徑而設計；小間距距離為220mm，考慮到剝衣完成后的椰子大小而設計；輥筒總長800mm。機器大端總寬度為980mm，總高980mm，總長為1 100mm。椰子剝衣機總體結構圖見圖2。

2 帶輪的設計

圖2 椰子剝衣機總體結構圖Figure 2 Architecture diagram of coconut shell washing machine

帶輪質量分布均勻，轉速高時要經過動平衡；輪槽工作面要精細加工（表面粗糙度一般應為3.2），以減小帶的磨損；各槽的尺寸和角度應保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻。帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號為HT150或HT200。因帶輪基準軸徑小于300mm，故采用孔板式結構，為安裝方便，低速輥齒帶輪也采用同樣結構。為使帶傳動外廓尺寸不至過大，初步取高速帶傳動比2.5，低速帶傳動比3。查詢參考文獻［8］選擇帶型號為A型，兩根，大帶輪中心距234.1mm，小帶輪中心距216.8mm。

3 輥齒軸的設計

如圖3所示，輥齒軸采用拼裝式，由輥齒筒、軸頭和定位銷組成。軸頭與輥齒筒采用錐形定位銷定位，起限制上下兩個自由度的定心作用和便于找正，再用電弧焊焊接在一起，保證聯接強度。輥齒筒用Q235-A加工而成，齒釘采用45鋼，采用焊接的形式焊接到輥筒上。為了節(jié)省材料和減少加工難度，所以采用軸頭連接輥齒筒。軸頭分兩部分，一部分是安裝齒輪和軸承的軸頭，另一部分是為安裝軸承的軸頭，兩軸頭采用45鋼加工而成。

圖3 輥軸結構圖Figure 3 Structure diagram of roll shaft

輥筒為椰子剝衣的核心部件，由于其強度不是太高，和經濟性考慮輥齒筒用Q235-A加工而成，齒釘采用45鋼。兩輥筒的布置采用傾斜布置，中心線最大距離為320mm，最小距離為220mm。中心線角度為7°。輥筒布置分析：①輥筒類零件有需做受力分析，分析滾筒間的椰子不至于受輥筒的旋轉而被絞破和椰子不被輥筒而帶入輥筒中心線一下而卡死；② 椰子體積變化，通過調差知大部分椰子的外徑不低于200mm，最大的椰子也在300mm左右，所以輥筒中心線分布距離相距320mm，齒釘間距離為160mm左右（見圖4），椰子在完成椰子剝衣后平均大小在200mm左右，所以輥筒最小距離為220mm，齒釘之間距離為70mm。滿足椰子不至于從輥筒間掉落。

圖4 齒釘分布圖Figure 4 Distribution map of tooth nail

齒釘采用焊接的形式焊接到輥筒上，安裝時應先把齒釘頂尖磨頓。軸向兩齒釘的沿中心線方向旋轉8°，軸向相距40mm。輥筒總長為800mm，外徑為D＝130mm，內徑為d＝90mm。齒釘長28mm，嵌入輥齒筒，然后用電焊點焊連接。

4 椰衣脫落擋板設計

椰子外衣是纖維結構，不易撕扯斷裂，利用齒釘剝開椰子外衣時，椰衣很容易穿插在齒釘上，這對后續(xù)的剝衣工作和機器都是不利的，同時還會存在機器卡住而不能轉動，損壞機器部件。為了讓剝衣工作順利流暢的進行，機器安全工作，所以設計擋板（圖5），其目的就是讓剝落的椰子外衣從齒釘上脫落。

圖5 椰衣擋板Figure 5 Coconut baffle

椰衣脫落擋板的安裝（圖6）方法采用沉頭螺栓將其與機殼連接，在連接時同時固定椰衣出口斜擋板。螺栓尺寸為M 8×30，螺栓受力不大和受力不均勻，故不要將其校核。

圖6 椰衣脫落擋板安裝Figure 6 Installation of coconut off baffle

5 本設計解決的問題

5.1 椰子剝衣和體積的變化

設計采用輥齒的方式剝落椰衣，輥齒的齒扎入椰子外衣，隨著輥齒的轉動將椰衣剝落。本設計采用雙輥齒結構，兩輥齒的轉速存在轉速差，其目的是讓椰子旋轉，讓椰衣更好地脫落，同時對纖維的方向沒有要求。對于體積的變化，設計中兩輥齒軸采用斜軸的布置，椰子的運動從大間隔運動到小的間隔，完成椰子脫落而引起的體積變化。輥齒的布置沿軸的方向有一定的偏角，在轉動時對椰子產生軸向力，讓椰子在剝衣的過程中順著方向向出口運動。在剝衣結束后，椰子順利的從機器中掉出。

5.2 驅動及傳動方式

由于輥齒在斜軸布置，不能直接采用齒輪、皮帶或者鏈條完成兩輥齒軸的傳動，所用使用雙電機驅動。單個輥齒軸傳動方式采用典型的齒輪傳動和帶傳動。帶傳動有過載保護功能，讓機械工作更加安全可靠，使用皮帶傳動，在滿足要求的前提下其成本較低；齒輪傳動有精確的傳動比和大的傳動功率，讓機械能穩(wěn)定的實現椰子剝衣。

5.3 椰子出入及椰衣的脫落

設計中使用斜軸的分布，輥齒的齒采用螺旋線分布，所以對于椰子的入口沒有特定的要求，輥齒能讓椰子自動順著齒釘方向旋轉。椰子完成剝衣后從輥齒小口端落出。椰衣由長纖維組成，易黏在齒釘上。需設計擋板和突齒讓椰衣從齒釘上脫落。

6 結論

本設計現階段處于試驗完善階段。該椰子剝衣機設計獨特，結構簡單，制造成本低廉，大大有利于推廣試用。還有，本設計目前是為小型加工而設計，電機額定功率1.5kW，椰子需用人一個一個的投入，其生產效率大概為500個/h，一次剝殼率≥90%；內殼破損率≤5%。這足以滿足小型生產加工和家庭使用。

1 夏秋瑜，李瑞，趙松林，等.椰子的利用價值及綜合加工技術［J］.中國熱帶農業(yè)，2007（3）：37～38.

2 肖紅，易美華.椰子的開發(fā)利用［J］.海南大學學報（自然科學版），2003，6（2）：183～189.

3 毛舟，樊軍慶，張信禹.椰子自動切口的設計［J］.食品與機械，2013，29（1）：164～166.

4 王銳，樊軍慶.椰子剝衣機自動上料機構的設計［J］.食品與機械，2012，28（5）：144～146.

5 曾憲君.BYY型液壓式椰子剝衣機［J］.油脂科技，1984（S1）：102.

6 肖仁鵬，馬鑫，劉四新，等.椰子自動剝衣機的設計［J］.食品與機械，2012，28（1）：142～143.

7 Bundit Janrimopas，Pramote Kuson.A young-coconut-fruit-opening machine［J］.Biosystems Engineering，2007（98）：185～191.

8 孫恒.機械原理［M］.第7版.北京：高等教育出版社，2006.