一種紅棗去核機上料機構(gòu)的設(shè)計與分析

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，西安 710300）

0 引言

紅棗去核機是加工新鮮紅棗的設(shè)備，我國早在20世紀80年代后期開始研究紅棗去核機，到現(xiàn)在紅棗去核機已經(jīng)廣泛應用在食品行業(yè)，但是到目前為止紅棗去核機仍存在上料問題，這嚴重地降低了紅棗去核機的加工效率。寧天德、彭三河、劉振省等學者設(shè)計的紅棗去核設(shè)備都存在上料問題，導致去核機的自動化程度不高，加工效率也不高［1-2］。由此可見，紅棗去核機的上料問題是影響紅棗加工效率的關(guān)鍵因素，上料率的過低，直接限制了紅棗去核的加工效率。

筆者根據(jù)以上標準設(shè)計了一種間歇式紅棗去核機［3］，并設(shè)計了與其相匹配的上料機構(gòu)，采用振動料斗對紅棗進行有序排列，配合撥棗轉(zhuǎn)盤、送料管道、曲柄滑塊機構(gòu)可對紅棗進行自動且高效地上料［4］。

1 紅棗去核機的整體結(jié)構(gòu)和上料機構(gòu)

根據(jù)對紅棗去核機性能的要求設(shè)計出紅棗去核機的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 紅棗去核機的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of red jujube pitting machine

圖1是紅棗去核機的整體結(jié)構(gòu)，槽輪機構(gòu)提供用于輸送紅棗的間歇式動力，設(shè)計特定參數(shù)的曲柄滑塊機構(gòu)，作為去核和上料機構(gòu)，曲柄滑塊的參數(shù)與槽輪機構(gòu)的參數(shù)相匹配［5］。上料過程中，為了保證在鏈條上的固定的每一個棗杯里都有且只有一顆紅棗，需要上料機構(gòu)各部分之間協(xié)調(diào)且統(tǒng)一，上料機構(gòu)包括曲柄滑塊機構(gòu)、撥棗轉(zhuǎn)盤和振動料斗，在料斗中的紅棗通過特定頻率的振動而有序排列在管道中，撥棗轉(zhuǎn)盤將管道中的紅棗撥入上料筒中，固定在鏈條上的棗杯每次停歇時，曲柄滑塊機構(gòu)將停留在管道口的紅棗推入棗杯內(nèi)并進行固定，這種上料方式可與槽輪機構(gòu)較好地匹配，保證較高的上料率，提高去核機的加工效率。上料機構(gòu)的原理如圖2所示。

圖2 紅棗去核機的上料機構(gòu)Fig.2 The feeding mechanism of red jujube pitting machine

紅棗在彎管拐角時，被設(shè)置在拐角的彈簧絲卡住，隨著撥棗轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，由彈簧固定在撥棗轉(zhuǎn)盤上的撥棗齒，將卡在彈簧絲處的一顆紅棗撥入上料筒內(nèi)，撥棗齒每圈只撥一顆紅棗，因此上料筒里時刻只會存在一顆紅棗［6］。推棗桿被曲柄滑塊機構(gòu)帶動，進行豎直方向的直線往復運動，每個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)，上料筒內(nèi)的紅棗都會被推棗桿推入棗杯中，完成自動上料的功能。

2 槽輪機構(gòu)的運動特性

紅棗去核機中的槽輪機構(gòu)是將主動軸的勻速連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成從動軸的單向間歇轉(zhuǎn)動的機構(gòu)，傳動系統(tǒng)中槽輪機構(gòu)是間歇運動的產(chǎn)生源，是去核機的關(guān)鍵機構(gòu)［7］。

紅棗去核機的槽輪機構(gòu)如圖3所示。撥盤主動桿O1A做勻速圓周運動，當O1A逆時針轉(zhuǎn)過的角度為2φ10時，槽輪順時針轉(zhuǎn)過2φ20角度。撥盤桿O1A繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，撥盤上的凸鎖止圓弧與槽輪的凹鎖止圓弧自鎖，避免槽輪因慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這就是槽輪機構(gòu)的運動原理。

圖3 槽輪機構(gòu)Fig.3 External gear Geneva mechanism

槽輪機構(gòu)的運動特性由運動系數(shù)τ表示，根據(jù)幾何關(guān)系，可計算出運動系數(shù)τ與槽數(shù)z之間的關(guān)系：

運動系數(shù)τ越大，槽輪的運動特性越好，但是對實際情況，槽數(shù)z不可能無限大，紅棗去核機的槽輪機構(gòu)，z=6，則τ=（6-2）/（2×6）=1/3，運動特性較好。

紅棗去核機的去核速度為600個/min，根據(jù)傳動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計算得到撥盤的轉(zhuǎn)速為72 r/min，槽輪和撥盤的中心距a=300 mm，槽數(shù)z=6，可求得撥盤半徑和槽輪半徑：

根據(jù)以上槽輪參數(shù)在UG中建立槽輪機構(gòu)的三維模型，并裝配，然后對設(shè)置機架為固定連桿，槽輪為連桿，撥盤為連桿，并建立兩個旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)中心分別為槽輪中心和撥盤中心，最后，在槽輪和撥盤之間建立3D接觸，并設(shè)置撥盤的轉(zhuǎn)速為432（72 r/min），得到槽輪的角速度變化曲線如圖4所示。

圖4 槽輪角速度變化曲線Fig.4 Change curve of angular velocity of Geneva mechanism

槽輪的角加速度變化曲線如圖5所示。

圖5 槽輪角加速度變化曲線Fig.5 Change curve of angular acceleration of Geneva mechanism

由槽輪的角速度和角加速度變化曲線可得到其運動特性：撥盤的每個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，槽輪主軸的角速度呈正弦函數(shù)波形，圓銷接近槽輪中心的過程中，角速度迅速到達最大值；圓銷離開槽輪中心的過程中，角速度迅速降為零［8］。而在這個過程中槽輪的角加速度則有兩次變達到峰值，當槽輪角速度達到峰值之前，角加速度會迅速到達峰值然后降為零，當圓銷離開槽輪中心的過程中，角加速度又一次迅速反向達到峰值后降為零。

3 上料機構(gòu)的運動特性

上料機構(gòu)主要由撥盤和曲柄滑塊機構(gòu)組成，撥盤作勻速轉(zhuǎn)動，對于上料機構(gòu)的運動特性其實就是曲柄滑塊機構(gòu)的運動特性［9］，筆者設(shè)計的紅棗去核機，主要通過鏈條和同步帶進行傳動，主要運動形式為鏈條的間歇運動和上料去核機構(gòu)的往復直線運動，根據(jù)設(shè)計好的紅棗去核機傳動系統(tǒng)方案，在裝配圖中對主要運動機構(gòu)添加相應的運動約束，并進行運動仿真分析，具體約束如下：

軸與軸承之間定義為銷釘連接；槽輪和帶輪都與軸通過鍵連接，定義為凸輪連接；帶傳動采用同步帶約束；鏈傳動每兩個相鄰鏈節(jié)之間采用銷釘連接；曲柄滑塊機構(gòu)，連桿和曲柄圓盤之間都采用銷釘連接，安裝板與導向柱之間采用滑動桿連接。

本文中只需要分析上料機構(gòu)和去核機構(gòu)的運動特性，以此判斷上料機構(gòu)的設(shè)計是否合理，所以在運動分析時，省略了無關(guān)機構(gòu)的分析，因此料斗、刀槽式轉(zhuǎn)盤、切片機構(gòu)等在運動機構(gòu)約束圖中沒有顯示。槽輪機構(gòu)的運動曲線已經(jīng)得到，槽輪產(chǎn)生的間歇運動驅(qū)動鏈輪運動，進行紅棗的輸送，要判斷上料機構(gòu)的可行性，需要將鏈輪和曲柄滑塊機構(gòu)的的運動曲線進行擬合，分析兩者之間的同步性和統(tǒng)一性。如圖6所示的約束，在電機處添加驅(qū)動，給去核機一個動力源，通過求解得到鏈輪和曲柄滑塊機構(gòu)的運動曲線如圖6和圖7所示。

圖6 鏈輪和曲柄滑塊機構(gòu)的速度曲線Fig.6 Speed curve of chain wheel and crank-slider mechanism

圖7中，正弦曲線為鏈輪的速度曲線，另一條曲線為曲柄滑塊機構(gòu)的速度曲線，鏈輪由槽輪機構(gòu)產(chǎn)生的間歇運動驅(qū)動，所以綠色曲線在每個周期內(nèi)只有一段波峰，與槽輪機構(gòu)的速度曲線相似，上料機構(gòu)的沖桿由曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動，速度曲線呈正弦分布，兩條曲線的運動周期相同，可以保證上料運動與間歇運動的一致性［10］。

圖7 鏈輪和曲柄滑塊機構(gòu)的加速度曲線Fig.7 Acceleration curve of chain wheel and crank-slider mechanism

圖7中，鏈輪和曲柄滑塊的加速度曲線也呈周期性變化，其中，鏈輪的加速度曲線為M型，與槽輪機構(gòu)有所區(qū)別，這是由于槽輪機構(gòu)的加速度產(chǎn)生了換向，而鏈輪始終是一個方向，不存在負向加速度，而且從加速度曲線可以看出，去核機在運動過程中存在柔性沖擊，柔性沖擊主要來自于槽輪，因此在實際加工過程中有必要驗證振動對紅棗去核的影響。

4 結(jié)語

設(shè)計紅棗去核機的上料結(jié)構(gòu)，分析了關(guān)鍵機構(gòu)槽輪機構(gòu)的運動特性，在整體裝配的條件下分析了上料機構(gòu)的運動特性，驗證了上料機構(gòu)和紅棗輸送機構(gòu)運動的一致性，文中設(shè)計的紅棗去核機加工對象是直徑20～25 mm，長度30～35 mm的新鮮紅棗，本試驗擬采用同樣規(guī)格的紅棗，100顆一組，總計10組進行上料試驗，記錄下試驗過程中的上料率和去核率，計算得紅棗去核機得平均上料率為99.2%，平均去核率為99.5%，與市面上的紅棗去核機（上料率50%左右）相比，上料機構(gòu)明顯提高了上料成功率，上料率的提高保證了較高的去核率，試驗證明本文所設(shè)計的上料機構(gòu)適用于紅棗去核機，并且極大地提升了紅棗的上料率，從而保證了紅棗去核的成功率，具有較強的實用性［11］。