插入式椰子剝衣機(jī)的設(shè)計(jì)

萬有為，樊軍慶，向歡浩

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

椰子是我國主要的熱帶經(jīng)濟(jì)作物之一，主要產(chǎn)于海南地區(qū)[1]。椰子的用途廣，其含有豐富的蛋白質(zhì)和多種維生素，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值和利用價(jià)值[2]。目前，國內(nèi)外椰子剝衣加工方法較落后，主要以手工輔以簡(jiǎn)單機(jī)械操作完成，機(jī)械化程度低[3-4]。當(dāng)前椰子剝衣常用的方法大致分為齒牙撕裂式、旋轉(zhuǎn)盤刀式、刀具刺入剝離式等。但是這些加工設(shè)備目前還未真正形成批量生產(chǎn)投入市場(chǎng)。因此，椰子加工的前期工序椰衣的剝離均為人工操作。人工剝離椰衣不僅生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重影響后續(xù)工序的加工，更為重要的是人工操作還極為危險(xiǎn)，操作人員傷手情況時(shí)有發(fā)生[5-7]。為了解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種椰子剝衣機(jī)，減少人工操作，提高工人的工作安全程度。

1 椰子剝衣機(jī)的工作原理

1.1 工作對(duì)象分析

椰子是棕櫚科椰子屬的多年生熱帶木本油料作物，椰子樹的主要產(chǎn)物為椰果，其形狀近球形，由外果皮、中果皮、內(nèi)果皮、種皮、椰肉、椰子水等部分構(gòu)成[8-9]。椰子的外果皮和中果皮俗稱椰衣，一般占全果質(zhì)量的33%～35%；內(nèi)果皮俗稱椰殼，占全果質(zhì)量的12%～15%，呈黑褐色，質(zhì)地十分堅(jiān)實(shí)，可制椰殼炭和椰殼粉；椰肉供食用，占全果質(zhì)量的28%～30%，為椰殼所包覆，富含油脂、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分；種仁與殼之間有一層緊附在椰肉上的褐色種皮，富含油脂，種皮占去衣椰子質(zhì)量的3.6%～6.0%；椰子水占全果質(zhì)量的22%～25%。椰子可供食用的部分為椰肉和椰子水，為全果質(zhì)量的50%～55%[10]。設(shè)計(jì)的椰子剝衣機(jī)主要針對(duì)的是椰子的外果皮和中果皮。利用插刀將椰衣即圖1中椰殼纖維從椰殼上分離開來。

圖1 椰子結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

圖2為椰子剝衣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

注：1.剝衣氣缸；2.托板；3.連桿；4.椰子旋轉(zhuǎn)氣缸；5.機(jī)架；6.導(dǎo)桿；7.導(dǎo)套；8.刀架；9.刀具；10.升降氣缸；11.壓殼；12.椰子；13.升殼；14.轉(zhuǎn)盤；15.曲柄連桿機(jī)構(gòu)。

圖2 椰子剝衣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

椰子剝衣機(jī)工作時(shí)，將椰子放入升殼的凹槽中，啟動(dòng)升降氣缸，活塞桿伸出，升殼和壓殼開始下降，進(jìn)入機(jī)架的凹槽中，當(dāng)升殼觸碰機(jī)架，升殼停止下降，壓殼壓著椰子繼續(xù)下降，使轉(zhuǎn)盤上的刺刃刺入椰子中。此時(shí)停止升降氣缸。然后啟動(dòng)剝衣氣缸，活塞桿伸出，使托板上升，通過連桿使得導(dǎo)套向椰子方向滑動(dòng)，直至刀具刺入椰子體內(nèi)。此時(shí)停止剝衣氣缸。啟動(dòng)椰子旋轉(zhuǎn)氣缸，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將氣缸的活塞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤上的刺刃卡住了椰子，所以帶著椰子一起旋轉(zhuǎn)。直至切割刀具將椰子外衣剝落，然后停止椰子旋轉(zhuǎn)氣缸。啟動(dòng)剝衣氣缸，活塞桿收縮，拉著托板下降，通過連桿使得導(dǎo)套向外滑動(dòng)，刀具退出，完成退刀工作，停止剝衣氣缸。啟動(dòng)升降氣缸，活塞桿收縮，壓殼帶著升殼上升，升殼將椰子從轉(zhuǎn)盤的刺刃中抬起，取出加工過的椰子，手工去除少數(shù)殘余部分椰衣。至此完成一輪作業(yè)。

1.3 工作流程

椰子剝衣機(jī)主要包括升降裝置、剝衣裝置和椰子旋轉(zhuǎn)裝置。通過轉(zhuǎn)動(dòng)椰子，使椰子上的椰衣纖維被插刀撕扯下來，從而達(dá)到目的。椰子剝衣機(jī)工作流程如圖3所示。

圖3 椰子剝衣機(jī)工作流程

2 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 剝衣裝置

椰衣是由纖維殼組成，纖維的分布都是縱向的，能夠承載較大的橫向力而不斷裂，剝衣是將椰衣從椰殼上撕扯下來。根據(jù)這一特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)去除椰衣的方法是將刀插入椰子體內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)椰子，刀具前端不斷切入分離椰衣與椰殼，刀具后端給予椰衣一個(gè)橫向力，將椰衣整個(gè)從椰殼上撕扯下來。因此，所采用的插刀是在一個(gè)刀架上安裝兩把刀具，兩把刀具垂直排列。一共四把插刀相隔90°中心對(duì)稱排列，且相對(duì)的兩把插刀完全相同，但相鄰的兩把插刀的刀具垂直方向高度不同，但是又互有部分重合。這樣既能提高去椰衣的效率，又能保證椰衣的去除率，減少遺漏。

2.2 升降裝置

本設(shè)計(jì)的作用是為了方便將椰子送往作業(yè)區(qū)域固定，及從作業(yè)區(qū)域?qū)⑼瓿勺鳂I(yè)的椰子取出。由于轉(zhuǎn)盤上的刺刃需要刺入椰子體內(nèi)才能起到固定椰子的作用，所以升降裝置在升、壓椰子時(shí)需要給椰子一定的壓力和拉力。橡膠材料強(qiáng)度較低，所以壓殼和升殼選用金屬材料制作。因裝置受力不大，工作強(qiáng)度較低，考慮到成本問題，選用普通鋼材即可。

升、壓殼的結(jié)構(gòu)如圖4所示，升殼與壓殼組成只有四面封閉的六面體，還有兩面空著便于椰子的取放。椰子與金屬質(zhì)地較硬，為了防止椰子隨意滾動(dòng)，在升殼的底面挖有一個(gè)半徑50 mm的孔洞，既能固定椰子，又能便于轉(zhuǎn)盤上的刺刃刺入椰子內(nèi)。

壓殼與升降氣缸的連接方式是法蘭型，通過氣缸帶動(dòng)升、壓殼完成椰子取放和固定。

圖4 升降裝置

2.3 椰子旋轉(zhuǎn)裝置

旋轉(zhuǎn)椰子的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)盤上部分面板的直徑大小與升殼的孔徑大小一樣，便于轉(zhuǎn)盤上的刺刃能更好地刺入椰子體內(nèi)。一般椰衣的厚度在3 cm左右，所以轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈的刺刃為2.5 cm，外圍的刺刃為3.5 cm。每90°設(shè)置一根刺刃。這樣當(dāng)椰子被壓殼壓下之后，椰子便被牢牢固定在轉(zhuǎn)盤上，隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)盤下部分的底座設(shè)有一個(gè)帶鍵槽的通孔，便于其他機(jī)構(gòu)傳遞扭矩來帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。面板與底座通過四個(gè)螺栓進(jìn)行固定連接。

2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

椰子旋轉(zhuǎn)裝置所用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是曲柄連桿機(jī)構(gòu)。通過旋轉(zhuǎn)氣缸的活塞推動(dòng)連桿，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。由于設(shè)置了四把插刀，所以不需要做圓周運(yùn)動(dòng)，只需要將氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成不整周的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即可達(dá)到目的。

插刀進(jìn)退刀的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也是利用了連桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)活塞桿拉動(dòng)托板下降時(shí)，導(dǎo)套向椰子方向移動(dòng)，插刀插入椰子體內(nèi)，完成進(jìn)刀工序。當(dāng)需要退刀時(shí)，只需利用氣缸將托板推動(dòng)上升，導(dǎo)套向椰子相反方向滑動(dòng)，插刀從椰子體內(nèi)退出，即完成退刀工序。

2.5 執(zhí)行元件

本設(shè)計(jì)采用的執(zhí)行元件是氣缸。之所以采用氣缸是因?yàn)闅飧椎氖褂貌僮鞣浅：?jiǎn)單，安裝起來并不復(fù)雜，上手容易，所以對(duì)操作人員的要求不高，便于使用人員自行維修。而且氣缸正常工作的環(huán)境溫度范圍寬，還具有一定防塵防水能力，所以該機(jī)器對(duì)使用的環(huán)境要求不高。這樣可以降低使用該機(jī)器的成本，從而獲得更多的效益。

3 氣壓傳動(dòng)控制回路

本設(shè)計(jì)中的氣缸都選用雙作用氣缸，三個(gè)雙作用氣缸的方向控制回路如圖6所示。

圖6 氣缸方向控制回路

此圖采用了三位五通電磁閥的方向控制回路，該回路可以控制雙作用氣缸的伸出、縮回和停止。當(dāng)電磁換向閥左邊電磁鐵得電時(shí)，活塞桿伸出；右邊電磁鐵得電時(shí)，活塞桿縮回；兩邊電池鐵均失電時(shí)，具有自動(dòng)對(duì)中功能，可使氣缸停在任意位置，方便操作人員在因?yàn)橐哟笮〔痪霈F(xiàn)些許偏差時(shí)，根據(jù)實(shí)際操作可以自行調(diào)整。

4 椰子剝衣機(jī)的不足和改進(jìn)方向

由于椰子的大小不一，而且形狀不規(guī)則，椰殼表面覆蓋的椰衣厚度不均，經(jīng)過數(shù)次用不同大小的椰子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)目前該機(jī)器并不能達(dá)到完全除去椰衣的任務(wù)，還會(huì)有少量椰衣附著在椰殼上。不過

經(jīng)過簡(jiǎn)單的人工操作，能夠很方便容易地去除殘余部分。為了進(jìn)一步提高工作效率，接下來我們將進(jìn)一步研究如何讓刀具能根據(jù)椰子大小自動(dòng)調(diào)整位置，從而達(dá)到完全去除整個(gè)椰衣的目標(biāo)，進(jìn)一步減少人工操作工序，提高椰子加工效率。

5 結(jié) 論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，椰子剝衣機(jī)能有效按預(yù)期的期望完成工作任務(wù)。該設(shè)備的發(fā)明，可以使椰子加工的前期工序椰子剝衣工序由人工操作變?yōu)闄C(jī)器操作，不僅可以提高生產(chǎn)效率，為后期工序提供充足的原材料，更重要的是能夠保證操作人員的人身安全，減少傷殘事故的發(fā)生。同時(shí)由于前期工序采用了自動(dòng)化，不僅可以節(jié)省勞動(dòng)力，而且解決了椰子生產(chǎn)企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的瓶頸問題，為企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，提高經(jīng)濟(jì)效益開辟新的途徑。