基于欠成熟的板栗脫蒲機設(shè)計與試驗

畢海軍，曹成茂，周 敏，范雅魁

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,合肥 230036)

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基于欠成熟的板栗脫蒲機設(shè)計與試驗

畢海軍，曹成茂，周 敏，范雅魁

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,合肥 230036)

采摘的新鮮板栗需要及時脫蒲，然后將栗果送人冷藏室保鮮儲藏，否則容易發(fā)生霉?fàn)€、生蟲、發(fā)芽，從而失去其應(yīng)有的經(jīng)濟價值。為此，針對目前市場上板栗脫蒲機存在損傷率、未脫率高等問題，設(shè)計了一款基于欠成熟的板栗脫蒲和往復(fù)運動篩分的板栗脫蒲機。文中介紹了基于Pro/E方法的柔性擠壓脫蒲裝置、往復(fù)篩分部件及傳動機構(gòu)的三維建模和三維設(shè)計，詳細(xì)給出了該板栗脫蒲機的具體生產(chǎn)工藝過程。該板栗脫蒲機結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高，通過柵欄與可調(diào)式螺栓，對不同大小的的板栗刺球脫蒲適應(yīng)性好。通過對不同成熟度、含水率的板栗刺球進(jìn)行試驗驗證和用戶使用，證明該機對板栗脫蒲的損傷率、未脫率低，分離清潔度、作業(yè)效率高。

板栗；三維設(shè)計；柔性擠壓脫蒲；往復(fù)篩分

0 引言

近年來，隨著市場對欠成熟板栗的需求，其價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于成熟度較高的板栗，但國內(nèi)基于欠成熟板栗脫蒲機械的研究還很少，技術(shù)還不完善[1-2]。歐洲地區(qū)多采用高溫灼燒法脫蒲，日本多采用高速輥刀法脫蒲。針對欠成熟板栗脫蒲的機械，國外尚無類似機械可供借鑒[3]。國內(nèi)現(xiàn)有的撞擊法脫蒲、揉搓法脫蒲、剪切法脫蒲、搓撕法脫蒲，及混合法脫蒲對成熟度高的板栗脫蒲效果明顯；但對于欠成熟的板栗脫蒲時存在分離率低、板栗果肉破損率高、機器適應(yīng)性差等問題[4-8]。為了滿足安徽省大別山地區(qū)對欠成熟板栗收獲要求，設(shè)計了可實現(xiàn)分離、清選與收集為一體的板栗脫蒲機。

1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

根據(jù)板栗的物理特性，欠成熟的板栗果仁與板栗蒲粘結(jié)緊密度較高，脫蒲時容易損傷栗果，降低栗果的品質(zhì)，影響栗果的價格。針對現(xiàn)有機械不能滿足欠成熟板栗的生產(chǎn)需求，設(shè)計一款基于欠成熟板栗脫蒲機，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機主要由進(jìn)料斗、柔性擠壓脫蒲部件、可調(diào)式螺栓、機架、雙層分離篩、導(dǎo)軌、電動機、可拆卸式電動機機架、曲柄連桿機構(gòu)和柵欄等組成。工作原理：脫蒲作業(yè)時，啟動三相電動機，電機帶動各作業(yè)部件，將欠成熟板栗刺球從進(jìn)料斗口喂入脫蒲室。在脫蒲室內(nèi)，欠成熟的板栗刺球受到柔性鋸齒形葉片輥子的鋸齒和橡膠板的撕扯與擠壓的作用，在鋸齒和橡膠板的重復(fù)撕扯和擠壓作用下，板栗蒲開裂，板栗果與板栗蒲分離。板栗蒲與板栗果仁在自身重力和柔性鋸齒形輥子擠壓作用下，穿過可調(diào)式柵欄的間隙落入雙向篩分裝置。其中，較大的板栗蒲在雙向篩分裝置上層被篩分去除，較小板栗果從上層篩底的圓孔中落到下層篩進(jìn)行收集。

1.進(jìn)料斗 2.柔性擠壓脫蒲部件 3.可調(diào)式螺栓 4.機架 5.雙層分離篩 6.導(dǎo)軌 7.電動機 8.可拆卸式電動機機架

該機結(jié)構(gòu)特點：雙層篩對板栗果與板栗蒲進(jìn)行雙向分離，采用柔性擠壓方式降低板栗果仁的損傷率，提高板栗脫凈率。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 柔性擠壓脫蒲裝置

柔性脫蒲裝置是板栗脫蒲機的重要部件之一。脫蒲過程的柔性揉搓既要保證板栗苞的開裂，又要最大程度地降低板栗果實的損傷。柔性擠壓脫蒲部件主要由鋸齒形葉片和柔性柵欄組成。板栗蒲進(jìn)入脫蒲室內(nèi)，與鋸齒形葉片上的橡膠板相遇，在脫蒲室內(nèi)板栗球受到安裝在鋸齒形葉片上的橡膠皮與柔性柵欄的共同作用(單個板栗球在工作區(qū)受力情況如圖2所示)，沿柔性柵欄徑向受擠壓力F1、F1′作用；沿柔性柵欄切線方向受剪切力F2、F2′的作用[7-8]。

圖2 揉性擠壓脫蒲原理1

擠壓力F1、F1′數(shù)值應(yīng)當(dāng)在合適的范圍內(nèi)，在保證板栗子不受破壞的前提下，使板栗苞開裂，同時剪切力F2、F2′也應(yīng)在合適的范圍內(nèi)，能使板栗苞開裂加劇，但又不會導(dǎo)致擠壓力過大。因此，脫蒲應(yīng)滿足的條件為

其中，F(xiàn)m、Fn分別為板栗蒲和板栗子的抗壓強度；Fr為板栗蒲的剪切強度。

各個力之間的函數(shù)關(guān)系為

其中，f、f′分別為板栗蒲與擠壓板表面、柔性柵欄表面的摩擦因數(shù)；R為柔性柵欄的半徑；r為單個板栗蒲的最大半徑。

因為r≤R，mgsinθ≤F，所以忽略mgsinθ、r得

F2=f·F1

由此可知：影響板栗脫蒲效果取決于鋸齒形葉片與柔性柵欄之間的相對轉(zhuǎn)動速度ω，鋸齒形葉片施加的壓力F1，板栗蒲與鋸齒形葉片和柵欄之間的摩擦因數(shù)f、f′。為了增大F2、F2′，在鋸齒形葉片表面加上橡膠皮，柵欄表面套上硅膠以增加摩擦因數(shù)f、f′。

實際工作時，可能出現(xiàn)由于板栗球體受力，板栗球的大小發(fā)生變化而導(dǎo)致板栗球脫蒲不徹底或者不能剝苞。為了避免這種情況的發(fā)生，在設(shè)計時，將葉片設(shè)計成鋸齒狀并在圓弧板外表面加上厚橡膠皮，從而使鋸齒形葉片與柔性柵欄之間形成一個有利于板栗脫蒲的漸變空間。

如圖3所示。板栗球所處的A點距離主軸為a，柔性柵欄的半徑為R，R>a,且鋸齒形葉片為曲率半徑為r的圓弧[9-10]，A點空間的徑向間隙d為

e=L/cosβ

板栗球壓縮量S為

式中 D—板栗球直徑；

R—柔性柵欄直徑；

L—調(diào)節(jié)臂長度；

α、β—位置角。

圖3 揉性擠壓脫蒲原理2

在剝苞室內(nèi)，隨著鋸齒形輥子的轉(zhuǎn)動，板栗球所承受的壓縮量相對鋸齒形葉片的位置改變而不斷變化，以適應(yīng)板栗球在剝苞時尺寸的變化。

柔性柵欄間隙的確定，板栗球的剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 板栗球形狀圖

圖4中，d為板栗子直徑；D為板栗球直徑；a為板栗蒲厚度。

當(dāng)板栗球到達(dá)柔性柵欄時，分離的板栗子和板栗蒲將從柵欄間隙之間落出，而未破裂的板栗球則繼續(xù)留在剝苞室內(nèi)，故柵欄間隙e因滿足d/3﹤e﹤D。

綜合效率與結(jié)構(gòu)等因素，設(shè)計了柔性剝苞部件。板栗柔性擠壓脫蒲部件結(jié)構(gòu)如圖5所示。鋸齒形葉片輥子與主軸連接，主軸通過軸承座固定在機架上?？紤]到板栗蒲大小及品種的不同，對鋸齒形葉片輥子與柵欄間的間隙設(shè)計有可調(diào)式螺栓，根據(jù)嫩板栗大小及品種的不同通過調(diào)整可調(diào)式螺栓的高度，改變鋸齒形葉片輥子與柵欄之間的距離。

1.鋸齒形葉片 2.橡膠皮 3.可調(diào)式螺栓 4.柵欄

在實際工作時，可能出現(xiàn)板栗球體受力后大小發(fā)生變化而導(dǎo)致板栗球脫蒲不徹底或者不能脫蒲。為了避免這種情況的發(fā)生，將輥子葉片的前端設(shè)計成鋸齒形。由于欠成熟的板栗栗仁比較鮮嫩，很容易受到損傷，所以在鋸齒形葉片的一側(cè)安裝有緩沖的橡膠板，橡膠板與鋸齒形葉片的安裝位置如圖2所示。分離后的嫩板栗果與板栗蒲從柵欄間隙之間落下，而未破裂的板栗球則繼續(xù)留在脫蒲室內(nèi)進(jìn)行脫蒲，故柵欄間隙不宜過大或過小，綜合考慮欠成熟板栗球的物理性狀和脫蒲效率，弧形可調(diào)式柵欄直徑為320mm，長度為520mm，柵欄的間隙為40mm。

在板栗脫蒲機試驗臺上進(jìn)行試驗，通過調(diào)節(jié)SIMENSmm440變頻器來控制三相電動機根據(jù)脫蒲效果獲得最佳轉(zhuǎn)速，從而確定柔性擠壓鋸齒形輥子的轉(zhuǎn)速。試驗可知：調(diào)節(jié)SIMENSmm440變頻器頻率10～20Hz范圍內(nèi)時，脫蒲效果最佳，柔性鋸齒形輥子的轉(zhuǎn)速為280～560r/min。在保證最佳脫蒲效果和效率的前提下，設(shè)計取額定轉(zhuǎn)速為560r/min[11]。

2.2 雙向篩分部件

雙向篩分部件是板栗脫蒲機的清選重要部件。分離篩上層分布著很多篩孔，板栗物料由于篩面的振動激勵作用使其在篩面上產(chǎn)生運動，通過篩孔進(jìn)行分離。雙向篩分部件結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由雙層篩、可調(diào)式導(dǎo)軌及曲柄連桿機構(gòu)組成。可調(diào)式導(dǎo)軌可以通過調(diào)節(jié)連接機架的螺栓來調(diào)整相對于機架一側(cè)兩根角鋼的高度，使其達(dá)到合適的傾斜角度，保證了分層篩最佳的篩分效果。雙層篩位于導(dǎo)軌的4個滑輪上，底端與曲柄連桿機構(gòu)連接，曲柄連桿機構(gòu)通過軸承座固定在機架上。

1.機架 2.軸承座 3.曲柄連桿 4.可調(diào)式導(dǎo)軌 5.雙層篩

工作時，啟動電動機，動力通過V型傳動帶帶動鋸齒形輥子主軸和曲柄連桿轉(zhuǎn)動；雙層篩在曲柄連桿的帶動下，在可調(diào)式軌道上作往復(fù)運動，板栗果和板栗蒲在雙層篩內(nèi)進(jìn)行篩分，板栗果通過上層篩子“口”字格落入下層篩，而板栗蒲繼續(xù)留在上層篩上；板栗蒲從上層篩一端送出，板栗果和碎蒲從下層另一端送出，最終實現(xiàn)板栗果和板栗蒲的分離、收集。

2.3 可拆卸式電動機機架

板栗放置不同的時間時，板栗蒲的物理特性會發(fā)生變化，所以欠成熟板栗在采摘過后要及時地進(jìn)行脫蒲。為了適應(yīng)欠成熟板栗在安徽省大別山地區(qū)的采摘特性，設(shè)計放置電動機的機架為可拆卸式，便于栗農(nóng)將板栗脫蒲機運輸?shù)缴缴?，讓栗農(nóng)在山上就可以及時地采摘及脫蒲?？刹鹦妒诫妱訖C機架如圖7所示。

1.電機調(diào)節(jié)底座 2.可拆卸式電動機機架

2.4 傳動系統(tǒng)

板栗脫蒲機的傳動系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三相電動機安裝有單槽皮帶輪，當(dāng)三相電動機啟動后，傳動帶將動力傳送到連接著鋸齒形輥子主軸的雙槽皮帶輪；曲柄連桿機構(gòu)的帶輪通過皮帶與轉(zhuǎn)動主軸的雙槽皮帶輪相連，將動力傳給分離篩。

傳動系統(tǒng)的參數(shù)和各機構(gòu)轉(zhuǎn)速如表1所示。

表1 傳動系統(tǒng)參數(shù)

3 基于欠成熟板栗脫蒲機的性能實驗

研制的板栗脫蒲機的主要參數(shù)如表2所示。

表2 基于欠成熟板栗脫蒲機配置的參數(shù)

板栗脫蒲機的性能試驗于2015年8月15-31日在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程園進(jìn)行。

試驗主要檢驗板栗脫蒲機各個主要部件的工藝及整機工作性能，包括：板栗果損傷率、板栗球脫凈率、分離清潔度、作業(yè)效率和動力配備等。試驗板種為安徽省金寨縣地區(qū)出產(chǎn)的欠成熟的板栗。一般情況下，板栗成熟度越低板栗蒲與板栗果的黏力就越大，在脫蒲過程中欠成熟板栗球不易開裂且板栗果容易受到損傷，板栗損傷率高。進(jìn)行4次試驗，欠成熟板栗分為剛采摘的、采摘過后放置1天的、采摘過后放置兩天的及采摘過后放置1周的。試驗時，板栗球的喂入速度3～4kg/min。試驗前后的欠成熟板栗樣品如圖9所示。

(a) 脫蒲前剛采摘的 (b) 脫蒲前放置 (c) 脫蒲前放置

欠成熟板栗 一天后的欠成熟板栗 兩天后的欠成熟板栗

(d) 脫蒲前放置 (e) 剛采摘的欠成熟 (f) 放置一天后的

一周后的欠成熟板栗 板栗脫蒲后 欠成熟板栗脫蒲后

(g) 放置兩天后的 (h) 放置一周后的欠成熟

板栗脫蒲機性能試驗以欠成熟板栗脫凈率和板栗果損傷率為試驗指標(biāo)，試驗過程中實測并記錄脫蒲部件實際轉(zhuǎn)速及其試驗指標(biāo)，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 性能考核技術(shù)參數(shù)

試驗結(jié)果表明：剛采摘過后的欠成熟板栗的脫凈率隨著放置天數(shù)的增加而增加；剛采摘過后的欠成熟的板栗脫凈率達(dá)到了97.88%，分別放置1天、2天后的脫凈率更高，且放置1周后的欠成熟板栗脫凈率達(dá)到了99.98%，板栗果仁的損傷率也在0.49%以下。作業(yè)

效果達(dá)到預(yù)期的程度，完全滿足生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)論

1)基于欠成熟的板栗脫蒲機，脫蒲是通過鋸齒形輥子上的鋸齒和柔性橡膠板的重復(fù)撕扯與擠壓使板栗蒲開裂，板栗果與板栗蒲分離，采用柔性擠壓方式可有效降低板栗的損傷率。

2)基于欠成熟板栗的柔性擠壓脫蒲和往復(fù)篩分的板栗脫蒲機通過試驗驗證和用戶使用，證明該機對板栗脫蒲的損傷率、未脫率低，分離清潔度、作業(yè)效率高，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高的特點。

3)欠成熟板栗球采用機械化脫蒲，不僅能顯著提高工作效率，而且還能大大降低生產(chǎn)成本，效益十分可觀。

[1] 鄭傳祥.新型組合式板栗脫殼技術(shù)研究及經(jīng)濟分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000(6):144-145.

[2] 俞飛飛，孫其寶，周軍永，等.安徽省板栗產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展對策[J].中國林副特產(chǎn)，2014,6(3):87-89.

[3] 張榮榮,李小昱，王為.基于揉搓方法的板栗破殼性能的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(5):177-179.

[4] 楊志斌,楊柳,徐向陽.板栗加工現(xiàn)狀及剩余物利用前景[J].湖北林業(yè)科技,2007(1):57-59.

[5] 黨新安,張昌松,葛正浩.板栗真空爆殼技術(shù)與設(shè)備的研究[J].糧油加工與食品機械,2001(3):28-29.

[6] 魏秀青,高振江,吳薇.氣體射流沖擊板栗破殼技術(shù)與開口即食板栗加工試驗研究[J].糧油加工與食品機械,2003(5):55-56.

[7] 楊芙蓮,梁萍,朱妞.利用微波能使板栗脫殼去衣的新工藝新方法研究[J].食品科技,2006(9):80-83.

[8] 李忠新，劉奎，楊莉玲，等.錐籃式核桃破殼裝置設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012,43(Z1):146-152.

[9] 王軍鋒，孫康，陳峰.刮板式花生脫殼機 設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2012，34(12):96-99.

[10] 史建新,趙海軍,辛動軍.基于有限元分析的核桃脫殼技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005,21(3):185-188.

[11] 袁越錦,袁月定,黨新安,等.板栗真空破殼力學(xué)特性有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011,42(5):136-141.Abstract ID:1003-188X(2017)07-0107-EA

Design and Test of Chestnut Husker Based on the Seven or Eight Maturity

Bi Haijun, Cao Chengmao, Zhou Min, Fan Yakui

(Anhui Agricultural University school of technology, Hefei 230036，China)

Picked fresh chestnut need to be timely removed Po and sent to refrigerator to preserve, otherwise they easily get mildew, vermin, germination, and thus lose their economic value. In this paper, to solve the high damage rate and fail to remove Po in current chestnt po off market,we designed a chestnut po machine based on less mature chestnut po off and reciprocation sieved off po chestnut machine.The paper introduced flexible squeezing po off based on Proe, reciprocating screening unit and three-dimensional modeling and three-dimensional design of the transmission gear,we detailly gave the process of production. The structure of the chestnut po is simple, transmission efficiency is high. The machine is adaptive for different size of chestnut by using fences and adjustable bolt.By comparing the experimental results and verification of users for different mature and rate of containing water, we proved the chestnut po off has low damage rate,fail to po off rate, and high seperation cleanliness, high operating efficiency.

chestnut; three-dimensional design; flexible squeezing po off; reciprocating screening unit

2016-05-23

國家自然科學(xué)資金面上項目(51475002)

畢海軍(1989-)，男，合肥人，碩士研究生，(E-mail)839985020@qq.com。

曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)caochengmao@sina.com。

S225.93

A

1003-188X(2017)07-0107-05