鮮蓮子去皮機(jī)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

徐諧慶 丁為民 張萬里 劉木華

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南昌 330045)

0 引言

蓮子為睡蓮科植物的果實(shí)，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值，既可食用也可藥用，廣泛種植于我國南方地區(qū)[1]。蓮子呈橢球形結(jié)構(gòu)，主要由蓮殼、蓮仁、蓮皮、蓮芯等構(gòu)成，蓮殼包裹在蓮仁外面，蓮皮緊緊附著在蓮仁表面，蓮芯則長在蓮仁內(nèi)部。通芯白蓮主要加工工序包括蓮子脫篷、剝殼、去皮、通芯、干燥等[2]，其中去皮工序尤為費(fèi)時(shí)，手工去皮費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以滿足生產(chǎn)需求。蓮子當(dāng)天采收、當(dāng)天烘干品質(zhì)最好。市場上因缺乏鮮蓮子去皮設(shè)備而減少了種蓮收入。因此，研制一款結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的鮮蓮子去皮機(jī)對提高農(nóng)民種蓮收入有著重要意義。

有研究者對蓮子的外形尺寸及力學(xué)特性進(jìn)行了研究[3-5]，為設(shè)計(jì)蓮子加工機(jī)械設(shè)備提供了參數(shù)依據(jù)。蓮子主要種植于中國，國外對蓮子加工機(jī)械的研究較少。目前，對果蔬去皮的主流方法有摩擦去皮法[6-9]、化學(xué)去皮法[10-14]、高壓蒸汽去皮法[15-18]、水射流去皮法。摩擦去皮法利用摩擦的原理將果蔬表皮去掉，該方法容易使蓮子表面受到微觀損傷，烘干后影響色澤，因此并未大量推廣?；瘜W(xué)去皮法是將果蔬置于較高溫度的堿液中浸泡，利用化學(xué)反應(yīng)達(dá)到表皮分離的目的。相關(guān)研究表明，采用化學(xué)法去皮容易改變果蔬的表皮顏色，從而影響蓮子烘干后的口感及色澤。高壓蒸汽去皮法應(yīng)用于果蔬去皮具有較好的效果，但高溫蒸汽容易將果肉表面層熟化，而且熟化層通常超過3 mm，而蓮子顆粒較小，可能導(dǎo)致蓮子熟化從而影響品質(zhì)。針對水射流去皮技術(shù)，黃文祿等[19]研究了水射流壓力及滾筒轉(zhuǎn)速對蓮子去皮效果的影響，研究表明，蓮子去皮的水射流壓力通常為0.5～0.65 MPa。曹志強(qiáng)[20]發(fā)明了一種基于水射流去皮的蓮子剝殼脫皮一體機(jī)，該機(jī)采用一種往復(fù)滑動式刀片進(jìn)行切殼，再利用擺動的水射流對準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)的蓮子去皮，機(jī)器的脫殼率為95%左右，去皮率為92%左右，損傷率低于3%，加工后的蓮子品質(zhì)與手工相差無異，但是該機(jī)對脫殼后未去皮的蓮子不能重復(fù)加工，一臺機(jī)器通常還需要配套2～6人進(jìn)行手工去皮。隨著蓮子剝殼技術(shù)的不斷成熟[21-25]，多數(shù)中小型農(nóng)戶采用蓮子剝殼機(jī)剝殼后再用手工去皮。而市場上尚未有專門針對鮮蓮子去皮、且技術(shù)成熟的機(jī)械設(shè)備。綜合比較果蔬去皮的各類方法，采用水射流去皮可以得到與手工加工相差無異的果蔬品質(zhì)。因此本文設(shè)計(jì)一款基于水射流去皮方法、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的鮮蓮子去皮機(jī)，該機(jī)對脫殼后的蓮子可進(jìn)行二次或者多次重復(fù)去皮，從而減少手工作業(yè)，提高去皮效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)指標(biāo)

鮮蓮子去皮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)體、傳動機(jī)構(gòu)、進(jìn)料裝置、夾持裝置、去皮裝置、擋水裝置和出料裝置等。作業(yè)時(shí)，啟動機(jī)器開始按鈕，蓮子倒入主料斗，然后滑入進(jìn)料裝置，進(jìn)料裝置上的進(jìn)料滾輪使得蓮子逐個分離并通過進(jìn)料溜槽落入夾持裝置，去皮裝置上噴嘴噴出的水射流直擊在蓮子表面，蓮子被約束在夾持裝置內(nèi)，夾持裝置驅(qū)動蓮子繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，蓮子在旋轉(zhuǎn)的過程中結(jié)合水射流沖擊從而完成整個去皮過程，完成去皮后，擋水裝置將噴嘴噴出的水射流擋住，去皮滾輪旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置時(shí)蓮子自動落入去皮滾輪的卸料孔中從而完成卸料，與此同時(shí)，下一個蓮子立即進(jìn)入夾持裝置中，蓮子調(diào)整好姿態(tài)后擋水裝置落下，噴嘴噴出的水射流再次擊打在待去皮蓮子表面，從而保證機(jī)器循環(huán)連續(xù)作業(yè)，加工過程中廢水、掉落的蓮子及蓮子皮通過回收槽統(tǒng)一收集。由于缺乏相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為滿足農(nóng)戶使用要求，擬定的鮮蓮子去皮機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 鮮蓮子去皮機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Design index of fresh lotus seed peeling machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動路線

設(shè)計(jì)的鮮蓮子去皮機(jī)傳動路線如圖2所示，電機(jī)通過三角帶帶動水泵運(yùn)行，水泵上的附加帶輪再通過三角帶帶動中轉(zhuǎn)軸運(yùn)行，中轉(zhuǎn)軸通過鏈條同時(shí)帶動軟膠軸和擺輪擺桿軸運(yùn)行，并且中轉(zhuǎn)軸通過另外一根鏈條帶動進(jìn)料軸運(yùn)行，進(jìn)料軸再通過鏈條帶動滾輪軸運(yùn)行，滾輪軸通過兩個凸輪分別驅(qū)動擋水板組件以及擺輪擺桿組件運(yùn)行，從而完成了整個傳動過程。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，通過理論計(jì)算得到滾輪軸的理論轉(zhuǎn)速為62.3 r/min，而通過轉(zhuǎn)速儀器測量實(shí)際轉(zhuǎn)速為60.5 r/min，與理論值有微小的差異，這可能是帶輪直徑偏差造成的，滾輪軸每旋轉(zhuǎn)一圈加工一個蓮子，因此滾輪軸的轉(zhuǎn)速決定了加工效率。

2.2 進(jìn)料裝置設(shè)計(jì)

進(jìn)料裝置主要由主料斗、副料斗、振動裝置、進(jìn)料滾輪和進(jìn)料溜槽等組成，主料斗通過螺栓安裝在機(jī)體上(如圖1所示)，主料斗的安裝高度可以上下調(diào)整，從而可以調(diào)整主料斗和副料斗之間的間距。除去主料斗的進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，副料斗通過3個支撐腳安裝在副料斗支撐架上，振動電機(jī)的偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，在離心力的作用下，支撐腳產(chǎn)生形變從而使得整個副料斗及其組件產(chǎn)生細(xì)微振動，振動頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率一致，振動電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)速器調(diào)整，正常狀態(tài)下轉(zhuǎn)速在1 500 r/min左右時(shí)即可穩(wěn)定進(jìn)料，也就是振動頻率為25 Hz為較佳的狀態(tài)，副料斗呈圓柱形，安裝時(shí)與水平面呈微小的夾角并且保證副料斗下料口為低點(diǎn)，有利于增加蓮子進(jìn)入下料口的概率，副料斗下料口采用不銹鋼材質(zhì)并彎曲成弧形結(jié)構(gòu)便于蓮子順利下料，副料斗下料口的上端采用柔軟的毛氈塊作為夾層并通過副料斗下料口蓋板以及螺栓螺母壓緊，毛氈塊的作用是保護(hù)蓮子不受到損傷。蓮子在副料斗振動的狀態(tài)下均勻地進(jìn)入副料斗下料口，進(jìn)料滾輪的凹孔形狀設(shè)計(jì)為由淺至深且中間呈弧形結(jié)構(gòu)，凹孔的深度能容納一個較大的蓮子(設(shè)計(jì)參數(shù)為17 mm)，隨著進(jìn)料滾輪旋轉(zhuǎn)蓮子與進(jìn)料滾輪的弧面接觸，在摩擦力的作用下蓮子調(diào)整到臥式姿態(tài)即蓮子長軸線方向與進(jìn)料滾輪軸線方向平行，當(dāng)進(jìn)料滾輪的凹孔剛好轉(zhuǎn)到副料斗下料口的出口位置時(shí)，蓮子逐漸進(jìn)入凹孔的內(nèi)部，隨著進(jìn)料滾輪的旋轉(zhuǎn)最終在重力的作用下直接落入進(jìn)料溜槽，最終進(jìn)入到夾持裝置中。

振動電機(jī)產(chǎn)生的離心力計(jì)算公式為

Fc=mω2r

(1)

其中

ω=2πn/60

式中Fc——單個偏心塊產(chǎn)生的離心力，N

m——偏心塊質(zhì)量，kg

ω——偏心塊角速度，rad/s

r——偏心塊質(zhì)心到中心的距離，m

n——偏心塊轉(zhuǎn)速，r/min

偏心塊的模型如圖4所示，利用Creo中的質(zhì)量屬性功能測得偏心塊質(zhì)量m=49.8 g，r=0.008 7 m。取n=1 500 r/min，并將偏心塊的參數(shù)代入式(1)可得Fc=1.068 N，本文采用的是雙頭振動電機(jī)，其產(chǎn)生的總離心力為2.176 N。在偏心塊的激振作用下，偏心塊產(chǎn)生的離心力與運(yùn)動方向相切，偏心塊旋轉(zhuǎn)過程中離心力的方向也隨之發(fā)生周期性變化，因此作用在副料斗上的作用力也會發(fā)生周期性變化，副料斗通過螺栓緊固安裝在支撐腳上，支撐腳產(chǎn)生變形從而驅(qū)動副料斗組件來回?cái)[動，擺動的幅度通常不超過3 mm，通過改變后面的兩根支撐腳的角度則可以調(diào)節(jié)整個支撐腳在Y軸(以圖4坐標(biāo)為參考)方向上的剛度，從而可以調(diào)節(jié)副料斗組件的擺動幅度，而振動頻率與振動電機(jī)的轉(zhuǎn)速相關(guān)，經(jīng)過多次試驗(yàn)可知穩(wěn)定進(jìn)料的頻率通常需要大于25 Hz，通過轉(zhuǎn)速儀測得振動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2 332 r/min，因此將調(diào)速器調(diào)到最大振動頻率(38.9 Hz)，相應(yīng)地轉(zhuǎn)速增加振動電機(jī)產(chǎn)生的離心力也會增加，振動力加大容易造成噪聲增加以及振動電機(jī)使用壽命減小，因此通常狀態(tài)下振動電機(jī)的頻率調(diào)整為25～30 Hz，轉(zhuǎn)速為1 500～1 800 r/min。

2.3 夾持裝置設(shè)計(jì)

夾持裝置如圖5所示。夾持裝置的夾持區(qū)間主要由去皮滾輪、軟膠軸套、擺輪擺桿軸套合圍而成，軟膠軸套套裝在軟膠軸上并隨著軟膠軸旋轉(zhuǎn)，去皮滾輪套裝在滾輪軸上并隨著滾輪軸旋轉(zhuǎn)，擺輪擺桿軸套套裝在擺輪擺桿軸上并隨著擺輪擺桿軸旋轉(zhuǎn)，擺輪擺桿軸由萬向聯(lián)軸器帶動旋轉(zhuǎn)，擺輪擺桿軸安裝在擺輪擺桿上并且可以繞著支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，彈簧一端掛接在擺輪擺桿的一端，通過調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力從而達(dá)到壓緊蓮子的目的。擺輪擺桿驅(qū)動裝置通過凸輪帶動，擺輪擺桿驅(qū)動裝置向上運(yùn)動時(shí)頂起擺輪擺桿組件，進(jìn)料溜槽內(nèi)的蓮子則可以順利進(jìn)入到夾持裝置中，擺輪擺桿驅(qū)動裝置向下回位時(shí)，擺輪擺桿在彈簧彈力的作用下自動回位并將蓮子壓緊，壓緊蓮子時(shí)擺輪擺桿驅(qū)動裝置的軸承與擺輪擺桿保持適當(dāng)?shù)拈g隙，從而保證最小的蓮子也能被壓緊，倘若蓮子未被壓緊，水射流會造成蓮子在去皮空間內(nèi)竄動，從而易造成蓮子去皮不完全和局部損傷。

去皮滾輪組件通過螺栓緊固安裝在滾輪軸上，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括去皮滾輪、卸料孔蓋板、毛氈帶，毛氈帶膠裝在去皮滾輪上。去皮滾輪采用尼龍材料并利用加工中心加工而成，去皮滾輪主要由落料區(qū)間、進(jìn)料區(qū)間、爬升區(qū)間、姿態(tài)調(diào)整區(qū)間以及去皮區(qū)間組成，落料區(qū)間主要為卸料孔，卸料孔兩側(cè)通過卸料孔蓋板封閉，防止完成加工的蓮子從兩側(cè)掉落，卸料孔要足夠容納2個最大的蓮子，防止進(jìn)料滾輪同時(shí)進(jìn)2個蓮子或者進(jìn)料溜槽內(nèi)滯留一個蓮子時(shí)將卸料孔堵??；進(jìn)料區(qū)間主要由更深且更寬大的弧形曲面構(gòu)成，加大進(jìn)料空間可使蓮子順利進(jìn)入夾持裝置，防止無序狀態(tài)下滑的蓮子堆積在進(jìn)料溜槽導(dǎo)致堵料；去皮滾輪朝著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一個角度后，蓮子則進(jìn)入爬升區(qū)間并進(jìn)入到姿態(tài)調(diào)整區(qū)間，隨后擺輪擺桿組件逐漸下壓，蓮子逐漸被壓緊，壓緊后的蓮子在軟膠軸套、擺輪擺桿軸套以及去皮滾輪三者同向旋轉(zhuǎn)的作用下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，從而使得蓮子調(diào)整到臥式姿態(tài)(即蓮子長軸線方向與去皮滾輪軸線方向平行)，隨后蓮子進(jìn)入到去皮區(qū)間，此時(shí)擋水板組件打開，水射流擊打在蓮子表面，隨著蓮子繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)從而完成全方位去皮，完成去皮后蓮子則進(jìn)入到落料區(qū)間，進(jìn)入落料區(qū)間之前，擋水板預(yù)先將水擋住，蓮子在擋住水的狀態(tài)下自動掉入落料區(qū)間的卸料孔內(nèi)，蓮子隨著去皮滾輪的旋轉(zhuǎn)完成卸料過程，下一個蓮子則自動進(jìn)入到進(jìn)料區(qū)間，從而完成蓮子去皮的連續(xù)作業(yè)。

彈力調(diào)節(jié)裝置如圖7所示，擺輪擺桿通過螺母緊固在支撐座上，擺輪擺桿緊固的孔采用腰形孔結(jié)構(gòu)，因此可以調(diào)整支點(diǎn)O的位置，支撐座的轉(zhuǎn)軸可以繞支點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)，彈簧的一端掛接在擺輪擺桿上，另一端掛接在螺栓上，螺栓通過兩個螺母緊固在彈簧調(diào)節(jié)架上，通過調(diào)節(jié)螺栓的上下從而達(dá)到調(diào)整彈簧預(yù)緊力的目的。擺輪擺桿軸套壓在蓮子表面，假設(shè)蓮子為標(biāo)準(zhǔn)橢球形，因此作業(yè)時(shí)擺輪擺桿保持靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)這兩個力的力矩之和為零。根據(jù)合力矩定理：平面匯交力系的合力對于平面內(nèi)任意一點(diǎn)之矩等于所有各分力對于該點(diǎn)之矩的代數(shù)和，可得

F1L1sinβ-FsL2sinα=0

(2)

式中Fs——彈簧的預(yù)緊力，N

F1——擺輪擺桿軸套施加在蓮子表面的作用力，N

L1——擺輪擺桿軸套中心到支點(diǎn)O距離，mm

L2——彈簧與擺輪擺桿接觸點(diǎn)到支點(diǎn)O的距離，mm

α——預(yù)緊力Fs與L2的夾角，(°)

β——作用力F1與L1的夾角，(°)

施加在蓮子表面的作用力F1加大會造成蓮子與去皮滾輪上毛氈帶的摩擦力加大，從而導(dǎo)致蓮子表面產(chǎn)生損傷，F(xiàn)1過小則難以壓住蓮子，蓮子容易被水射流的沖擊力擊飛而脫離夾持裝置，計(jì)算時(shí)以12 N為例，擺輪擺桿的支點(diǎn)以擺輪擺桿的腰孔中心點(diǎn)O為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，測量可得L1=0.116 4 m，L2=0.041 6 m，α=73.2°，β=82.2°，代入式(2)得Fs=34.75 N，根據(jù)得出的預(yù)緊力對彈簧進(jìn)行選型，所選彈簧參數(shù)為：線徑2.0 mm，中徑為16 mm，初始有效長度為61 mm，彈性系數(shù)K為1.7 N/mm。根據(jù)胡克定律，彈簧的彈力與彈簧的伸長量成正比關(guān)系，計(jì)算公式為

ΔFs=Fs-Fs0=KΔS

(3)

根據(jù)式(2)、(3)解得ΔS=ΔFs/K=20.4 mm。彈簧在初始狀態(tài)時(shí)的預(yù)緊力Fs0=0 N，因此設(shè)計(jì)時(shí)螺桿可調(diào)節(jié)的余量保留0～25 mm即可滿足彈簧彈力調(diào)節(jié)要求。

彈力調(diào)節(jié)方法如圖8所示，用彈簧秤勾住擺輪擺桿軸垂直向上拉起，當(dāng)擺輪擺桿軸剛好離開蓮子表面時(shí)讀取彈簧秤上的數(shù)據(jù)，若讀數(shù)超過15 N則將螺栓向下調(diào)整減小彈力，若讀數(shù)小于10 N則螺栓向上調(diào)整增加彈力，調(diào)整完后再次以同樣的方法進(jìn)行檢測，直到將彈力調(diào)整到(12±1)N為止。

蓮子在夾持裝置中的受力分析如圖9所示，以蓮子的幾何中心O為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，蓮子受到的力主要為水射流產(chǎn)生的沖擊力、3個滾輪的摩擦力以及3個滾輪的法向支撐力，3個滾輪的摩擦力沿著接觸點(diǎn)的切線方向，而3個滾輪的法向支撐力沿著接觸點(diǎn)并朝向原點(diǎn)方向。根據(jù)力學(xué)原理，假定蓮子是標(biāo)準(zhǔn)橢球形，根據(jù)力平衡原理，蓮子在夾持裝置中的位移為零，因此其法向合力為零，由于蓮子會在摩擦力作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，因此切線方向的合力不為零，由于切線方向受到的力是摩擦力造成的，摩擦力的大小與法向力成正比關(guān)系，摩擦力的方向與接觸點(diǎn)相切，其合力矩大于零。根據(jù)上述條件得到

(4)

式中FR——合力

F1n——擺輪擺桿軸套對蓮子的法向力

F2n——軟膠軸套對蓮子的法向力

F3n——去皮滾輪對蓮子的法向力

Fw——水射流對蓮子法向力

G——蓮子受到的重力

Fit——某個接觸點(diǎn)受到的摩擦力

Fin——某個接觸點(diǎn)受到的正壓力

μi——某個接觸點(diǎn)的摩擦因數(shù)

Mo——合力矩

F1t——擺輪擺桿軸套對蓮子的切向力

F2t——軟膠軸套對蓮子的切向力

F3t——去皮滾輪對蓮子的切向力

r——蓮子半徑

從式(4)可以看出，在同等條件下力F1n增大時(shí)，F(xiàn)2n以及F3n也會增大，法向力增大時(shí)相應(yīng)的摩擦力也會增加，而彈簧的預(yù)緊力Fs與F1n成正比關(guān)系，因此彈簧的彈力增加容易導(dǎo)致接觸點(diǎn)對蓮子的摩擦力增大，導(dǎo)致蓮子表面受到損傷，但與此同時(shí)摩擦力產(chǎn)生的合力矩也增大，更容易使得蓮子旋轉(zhuǎn)。

圖9中的b表示去皮滾輪的最低點(diǎn)到軟膠軸套的距離，b過大則較小的蓮子容易直接隨著去皮滾輪向下擠壓落料無法完成去皮過程，而a為水射流進(jìn)水間隙，隨著蓮子的大小變動而變動，若b值過大，蓮子會整個下沉，a值則會減小，部分水射流則不能進(jìn)入夾持裝置從而導(dǎo)致去皮不完全，設(shè)計(jì)時(shí)b越小越好，受去皮滾輪凹槽所限取值為8.5 mm，而最小蓮子的直徑為11.5 mm，因此即便最小的蓮子也不會從夾縫中落下，綜合測量各地的蓮子其直徑平均值通常為15 mm左右，為滿足大多數(shù)蓮子的加工，設(shè)計(jì)時(shí)以此值作為設(shè)計(jì)依據(jù)，a取值范圍為4～8 mm，若蓮子個頭整體偏小則需要調(diào)整擺輪擺桿的位置，使得擺輪擺桿軸套的位置右移，騰出空間使得水射流能進(jìn)入去皮空間從而增大a值。

2.4 去皮裝置設(shè)計(jì)

去皮裝置如圖10所示，主要由水槍架、噴管、噴嘴等組成。水槍架通過螺栓緊固安裝在機(jī)體上，水槍夾通過兩個螺栓緊固安裝在水槍架上，通過松緊螺栓可以實(shí)現(xiàn)水槍夾上下位置的微調(diào)，水槍夾上焊接有水槍夾調(diào)節(jié)架，水槍夾調(diào)節(jié)架上裝有限位螺栓和限位螺母，通過微調(diào)限位螺栓的長短可以實(shí)現(xiàn)噴管夾角的微調(diào)，調(diào)整到合適的角度后把水槍夾緊固螺母鎖緊即可，噴管安裝在水槍夾上，噴嘴緊固安裝在噴管上，松開水槍夾緊固螺栓則可以實(shí)現(xiàn)噴嘴噴管的前后調(diào)整以及噴管角度的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)水射流打擊在蓮子上傾角的調(diào)整，本文設(shè)計(jì)的去皮裝置的兩個噴嘴對稱布置，水射流從噴嘴噴出后分別從蓮子的兩端擊打在蓮子表面，在蓮子自轉(zhuǎn)的作用下，能全覆蓋蓮子整個表面，從而完成去皮操作。

噴嘴噴出的水射流作用在蓮子表面的示意圖如圖11所示，假設(shè)水射流的寬度為W，水射流厚度為δ，水射流與蓮子長軸線的夾角為θ，兩個水射流之間的間隙為L，蓮子的長徑為H，中徑為V，為了達(dá)到完全去皮的目的，必須滿足公式

2Wcosθ+L>H

(5)

調(diào)節(jié)噴嘴位置時(shí)以中等大小的蓮子為基準(zhǔn)，保證水射流最邊緣的位置超過蓮子長軸方向的最邊緣，而兩股水射流的間隙L范圍為2～4 mm即可，蓮子中間的皮最容易去除，依靠與滾輪的摩擦以及水射流打擊在蓮子表面形成反流時(shí)的水壓力即可去除，但是L過大則會造成蓮子中部去皮不完全。若加工的蓮子普遍偏大則需要將噴嘴向后退，同時(shí)增加水射流的水壓來彌補(bǔ)作用在蓮子表面的壓強(qiáng)，由于水射流離開噴嘴后呈扇形擴(kuò)散，因此噴嘴后退導(dǎo)致W增加，從而增加去皮的覆蓋區(qū)域，通常情況下噴嘴離蓮子表面的距離為25～40 mm，當(dāng)水射流距離蓮子超過40 mm后容易使得蓮子表面產(chǎn)生白斑(水射流力離靶向物越遠(yuǎn)越容易混入空氣，容易造成蓮子表面受力不均勻從而造成蓮子表面微觀損傷，烘干后蓮子表面會產(chǎn)生白斑)。假設(shè)L=3 mm，H為最大的蓮子長徑，測得紅花蓮長徑最大值可達(dá)22 mm，假設(shè)θ取15°，代入式(5)得W>9.8 mm。

根據(jù)上述水形的寬度設(shè)計(jì)噴嘴，水射流的速度和流量與噴嘴的入口壓力相關(guān)，由于水射流速度很快而且出口處的水形很窄，出水口的當(dāng)量直徑為1.3 mm，因此只有將水射流水形放大才能更好地觀察噴嘴的水形以及流量，噴嘴水形檢驗(yàn)方法如圖12所示，噴嘴卡在卡槽處，噴嘴離壁面460 mm，從圖12中可以看出水射流噴出噴嘴后幾乎呈扇形結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)水形末端水形寬度為120 mm時(shí)，根據(jù)相似三角形的原理求解得距離噴嘴35 mm位置的水形寬度為10.05 mm，滿足要求。由于機(jī)器是兩側(cè)同時(shí)加工的，因此每個噴嘴都需要檢驗(yàn)，若兩邊噴嘴的水形和流量不一致則會導(dǎo)致機(jī)器兩側(cè)的去皮效果不一致，噴嘴檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：水泵壓力為1 MPa，檢測距離為460 mm處的水形寬度為(120±5)mm；流量為(5.00±0.30) L/min。

2.5 出料裝置設(shè)計(jì)

出料裝置如圖13所示，主要由安裝支桿、緊固螺母以及出料槽組成，出料槽采用鈑金整體加工而成，出料槽的前端折彎有兩個法蘭，并且利用兩根安裝支桿和螺母緊固安裝在機(jī)體上，出料槽的一端與去皮滾輪貼合并且寬度與去皮滾輪一致，從而盡可能減少上方已經(jīng)去除的蓮皮掉落到出料槽中，另外一端向下傾斜并逐漸呈喇叭口增大從而增加蓮皮濾除的概率，在出料槽的末端位置設(shè)置了一個凸起，利用蓮子和蓮皮物理特性的不同實(shí)現(xiàn)蓮子和殘余的蓮皮徹底分離，蓮子呈橢球顆粒狀，下滑過程中遇到凸起則會跳起越過障礙，蓮皮呈細(xì)小塊狀且柔軟，隨著部分水流越過凸起從縫隙中掉落，從而達(dá)到蓮皮與蓮仁徹底分離的目的，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，凸起高度通常在5～7 mm，間隙為5～8 mm最佳，間隙過大，容易造成小蓮子或碎蓮子將間隙堵塞從而影響分離效果。出料槽與水平面的夾角通常為15°～20°，夾角越大，出料槽越陡，水流速度也越快，容易使得蓮皮越過凸起落入收集框，夾角過小，蓮子的運(yùn)動速度變慢，小粒蓮子或者碎蓮子難以越過凸起從而容易導(dǎo)致蓮子堆積在凸起處。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)設(shè)備為設(shè)計(jì)的鮮蓮子去皮機(jī)以及電子秤，于江西省廣昌縣興蓮機(jī)械制造有限公司進(jìn)行機(jī)具試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為當(dāng)天采摘并經(jīng)過人工挑選的成熟新鮮蓮子，剝殼采用江西省廣昌縣興蓮機(jī)械制造有限公司制造的蓮子剝殼機(jī)。試驗(yàn)于2019年9月1—3日完成，機(jī)器放置于調(diào)試區(qū)，并將水泵的進(jìn)水管、出水管與儲水缸連接。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖14所示。

3.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)影響去皮作業(yè)效果的主要因素有水射流壓力、水射流傾角和加工速度。其中水射流壓力通過水泵的調(diào)壓閥調(diào)整，可調(diào)范圍為0～2.5 MPa，根據(jù)蓮子的成熟度去皮所需水射流壓力通常分布在0.4～1.2 MPa，而成熟蓮子的去皮壓力通常在0.6～0.8 MPa；水射流傾角可通過旋轉(zhuǎn)去皮裝置上噴管進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整范圍通常為0°～30°。加工速度通過更換水泵上的附加帶輪調(diào)整，此帶輪是整機(jī)的主動力，改變帶輪直徑可改變加工速度，試驗(yàn)采用的帶輪直徑分別為60、68、76 mm，其對應(yīng)的滾輪軸轉(zhuǎn)速理論值分別為56.6、62.3、67.9 r/min。由于機(jī)器兩側(cè)的噴嘴精度和機(jī)械加工精度會導(dǎo)致機(jī)器兩側(cè)的去皮效果差異，因此試驗(yàn)安排時(shí)均以機(jī)器同一側(cè)的數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)依據(jù)。試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of factors and levels

為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次試驗(yàn)用電子秤稱取4 kg的去殼蓮子作為單次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，測得此次試驗(yàn)的去殼蓮子的千粒質(zhì)量為2 975 g，統(tǒng)計(jì)4 kg去殼蓮子的總個數(shù)為(1 345±20)個，由于樣本總數(shù)保持在一個穩(wěn)定的范圍，試驗(yàn)結(jié)果采用百分比進(jìn)行衡量，因此樣本總數(shù)有細(xì)微的偏差對試驗(yàn)結(jié)果沒有影響，采用稱量的方式進(jìn)行定量試驗(yàn)可以減少試驗(yàn)時(shí)間，統(tǒng)計(jì)每次試驗(yàn)完整去皮蓮子數(shù)量n1、破損蓮子數(shù)量n2、帶帽頭蓮子數(shù)量n3、開邊蓮子數(shù)量n4、掉落蓮子數(shù)量n5、未完全去皮蓮子數(shù)量n6。破損的蓮子與開邊的蓮子存在較大的區(qū)別，開邊的蓮子主要是由于水射流透過蓮子張開的縫隙進(jìn)入蓮子內(nèi)部產(chǎn)生水楔效應(yīng)從而導(dǎo)致蓮子沿著生長紋理裂開成兩瓣，開邊的蓮子與水射流傾角存在較大的關(guān)系，因此作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)將這個指標(biāo)與破損蓮子區(qū)別對待。評價(jià)指標(biāo)主要有去皮率R1、損傷率R2、帶帽頭率R3、開邊率R4、掉蓮率R5、未去皮率R6，由于未去皮率R6受到前面5個指標(biāo)的影響比較大，因此分析時(shí)不考慮R6。

3.3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

采用Design-Expert三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面法進(jìn)行試驗(yàn)安排，試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment scheme and results

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 顯著性分析

應(yīng)用Design-Expert軟件對表3中的數(shù)據(jù)擬合并進(jìn)行方差分析，得到的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。經(jīng)過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)掉蓮率R5的模型不顯著，說明該指標(biāo)是其它因素造成的，與這3個主要影響因素?zé)o關(guān)，該指標(biāo)可能是進(jìn)料不穩(wěn)定導(dǎo)致，進(jìn)料滾輪同時(shí)進(jìn)兩個蓮子必然會有一顆掉落，因此該指標(biāo)在此模型中不做進(jìn)一步分析。R1的模型顯著性檢驗(yàn)F=47.21，P<0.001，R2的模型顯著性檢驗(yàn)F=112.9，P<0.001，說明這兩個指標(biāo)的二次回歸方程檢驗(yàn)達(dá)到高度顯著，且R1的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=2.44，P>0.1，R2的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=2.83，P>0.1，這兩個檢驗(yàn)指標(biāo)的失擬項(xiàng)均不顯著，說明在試驗(yàn)范圍內(nèi)這兩個模型的擬合度非常好，因此可以用此模型對水射流壓力x1、水射流傾角x2以及帶輪直徑x3這3個因素的影響效果進(jìn)行分析和預(yù)測。R3的模型顯著性檢驗(yàn)F=62.77，P<0.001，R4的模型顯著性檢驗(yàn)F=22.3，P<0.001，說明這兩個指標(biāo)的二次回歸方程檢驗(yàn)達(dá)到高度顯著，但是R3的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=12.96，P<0.05，R4的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=35.26，P<0.05，這兩個檢驗(yàn)指標(biāo)的失擬項(xiàng)均顯著，說明在試驗(yàn)范圍內(nèi)這兩個模型的擬合度不是很好，因此用此模型來對水射流壓力x1、水射流傾角x2以及帶輪直徑x3這3個因素的影響效果進(jìn)行分析和預(yù)測具有一定的參考意義。應(yīng)用Design-Expert軟件得到的回歸系數(shù)，去除其中的不顯著項(xiàng)后得到的二次多項(xiàng)式回歸模型為

(6)

(7)

(8)

(9)

式中X1——水射流壓力編碼值

X2——水射流傾角編碼值

X3——帶輪直徑編碼值

表4 顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Significance test result

4.2 響應(yīng)曲面分析

圖15所示為去皮率R1、損傷率R2、帶帽頭率R3、開邊率R4的響應(yīng)曲面?？梢灾庇^地看出x1、x2對去皮率R1的影響極其顯著，而帶輪直徑x3(相當(dāng)于加工速度)對R1影響小，從圖15a中可以看出，去皮率R1隨著水射流壓力增大而增大，但是當(dāng)壓力超過0.75 MPa后則開始逐漸減小，這是因?yàn)閴毫υ黾訐p傷率和開邊率也提高，而去皮率R1是不包含去掉皮的損傷的蓮子以及開邊的蓮子，從而導(dǎo)致到了一定壓力后，去皮率反而有所下降，同樣通過圖15a可明顯地看出去皮率R1隨著水射流傾角先增大后減小，當(dāng)水射流傾角為0°時(shí)最低，總體的水形最寬，水射流分散，作用在蓮子表面的水射流有效面積減小，多余的水射流從蓮子兩端的切線方向穿過，隨著角度的增加，水形收窄并且集中打在蓮子表面，從而使得水射流不能打到蓮子的兩端，導(dǎo)致完整去皮的蓮子數(shù)量減少，而水形收窄后，水形變得更厚，而水射流進(jìn)入夾持裝置的間隙a值是隨著蓮子大小變化而變化，當(dāng)蓮子偏小時(shí)a值減小，則水射流無法全部直接擊打在蓮子表面，部分水射流會擊打在軟膠軸套或者擺輪軸套上形成反流，從而使得去皮率下降。通過圖15d、15e、15f可以直觀地看出x1、x2、x3對損傷率R2影響均顯著，從圖15d中可以看出，損傷率R2隨著水射流壓力增大而增大，隨著水射流傾角增大先減小后增大，這是由于當(dāng)水射流傾角為0°時(shí)，水射流的水形所形成的平面剛好與蓮子的兩片子葉的縫隙平行，當(dāng)蓮子轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置時(shí)水射流則通過兩片子葉的縫隙進(jìn)入到蓮子內(nèi)部形成了水楔效應(yīng)，從而容易使得蓮子破損或者開邊，隨著水射流傾角的增加，水射流的打擊范圍收窄，水射流集中作用在蓮子表面，蓮子表面局部受到的水射流沖擊力過大，從而使得蓮子受到的損傷增加，通過圖15f可以看出損傷率R2隨著帶輪直徑x3增加(相當(dāng)于加工速度加快)而有微小減小，這是由于加工速度加快，水射流作用在蓮子表面的時(shí)間減少，損傷率則會有所下降。通過圖15g、15h、15i可以直觀地看出x1、x2、x3對帶帽頭率R3影響均顯著，通過圖15g可以明顯的看出帶帽頭率隨著水射流壓力的增加而降低，而隨著水射流傾角的增加先降低后升高，這是因?yàn)楫?dāng)水射流傾角為0°時(shí)，水射流水形更分散，作用在蓮子兩端的水射流沖擊力減弱，隨著角度的增加作用在蓮子兩端的水射流更加集中導(dǎo)致沖擊力加大，去除蓮子帽頭的能力也就越強(qiáng)，當(dāng)水射流傾角增加到一定程度時(shí)，水射流水形收窄，水射流的水形將難以打到蓮子的兩側(cè)，因此帶帽頭率又會有所升高；通過圖15h可以看出帶帽頭率R3隨著帶輪直徑增加(相當(dāng)于加工速度加快)有略微的增加，這是加工速度越快，水射流作用在蓮子上的時(shí)間減少導(dǎo)致的。通過圖15j、15k、15l可以直觀地看出x1、x2對開邊率R4影響均顯著，而帶輪直徑x3對開邊率的影響不顯著，通過圖15j可以看出隨著水射壓力的增加開邊率逐漸增加，通過圖15j、15l明顯可以看出隨著水射流傾角的增加開邊率逐漸降低，這是由于當(dāng)水射流傾角為0°時(shí)，水射流的水形所形成的平面剛好與蓮子的兩片子葉的縫隙平行，當(dāng)蓮子轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置時(shí)水射流則通過兩片子葉的縫隙進(jìn)入到蓮子內(nèi)部形成水楔效應(yīng)，從而容易使得蓮子更容易開邊，隨著水射流傾角的增加，水射流的打擊范圍收窄，水射流是逐漸進(jìn)入縫隙中的，因此更加不容易開邊。

4.3 參數(shù)優(yōu)化

去皮率R1是評價(jià)整機(jī)性能的最重要指標(biāo)，去皮率越高越好，而其余的指標(biāo)均是越低越好。利用Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能，設(shè)置約束條件為

{max(R1),min(R2),min(R3),min(R4)}

綜合考慮以上指標(biāo)得到的最優(yōu)解以及預(yù)測值為：x1=0.71 MPa，x2=18.58°，x3=67.18 mm，R1=91.80%，R2=1.13%，R3=2.06%，R4=0.04%。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

考慮到機(jī)器的實(shí)際情況，對影響因素進(jìn)行微調(diào)，取水射流壓力x1=0.70 MPa、水射流傾角x2=18.00°、帶輪直徑x3=68 mm進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。每次試驗(yàn)同前面的試驗(yàn)一樣稱取4 kg去殼蓮子作為試驗(yàn)樣本，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析后，由于掉蓮率與這3個影響因素?zé)o關(guān)，因此試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)將此指標(biāo)排除在外，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experiment result of verification %

由試驗(yàn)可知去皮率為92.63%，其與理論優(yōu)化結(jié)果的相對誤差小于2%，說明所建的模型與優(yōu)化參數(shù)的可行性和準(zhǔn)確性較高，而損傷率為1.24%，帶帽頭率為2.72%，開邊率為0.21%，雖然這3個指標(biāo)的相對誤差均超過了10%，但是這3個指標(biāo)的值都非常低而且其絕對誤差總體來說并不太高，同樣可以說明所建立的模型與優(yōu)化的參數(shù)具有一定的參考價(jià)值，優(yōu)化后的鮮蓮子去皮機(jī)總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，基本滿足作業(yè)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一款基于水射流去皮原理的鮮蓮子去皮機(jī)，該機(jī)利用夾持裝置約束蓮子并驅(qū)動蓮子繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，再利用兩股對稱的水射流打擊在旋轉(zhuǎn)的蓮子表面，從而完成去皮過程，加工過程中的廢水、碎蓮子及蓮子皮可通過回收槽統(tǒng)一收集。

(2)試驗(yàn)表明，影響鮮蓮子去皮效果的主要影響因素有水射流壓力、水射流傾角和加工速度(帶輪直徑)，其主要評價(jià)指標(biāo)有去皮率、損傷率、帶帽頭率、開邊率、掉蓮率。采用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)三因素三水平Box-Behnken響應(yīng)面法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：對去皮率、損傷率以及帶帽頭率的影響程度從大到小均依次是水射流壓力、水射流傾角、帶輪直徑；對開邊率的影響程度從大到小是水射流傾角、水射流壓力，而帶輪直徑對開邊率的影響非常??；掉蓮率幾乎都在1%左右，與3個影響因素?zé)o關(guān)，可做進(jìn)一步研究。

(3)利用Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能對作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后最佳作業(yè)參數(shù)分別為：水射流壓力為0.7 MPa、水射流傾角為18°、帶輪直徑為68 mm，其指標(biāo)預(yù)測值分別為：去皮率為91.16%、損傷率為0.96%、帶帽頭率為2.40%、開邊率為0.04%。采用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得出去皮率為92.63%、損傷率為1.24%、帶帽頭率為2.72%、開邊率為0.21%，各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測結(jié)果的絕對誤差均小于1.5%，驗(yàn)證了模型與所優(yōu)化參數(shù)的合理性，優(yōu)化后的鮮蓮子去皮機(jī)性能滿足作業(yè)要求。