芒果削皮榨汁一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

王志龍，鄭偉，劉世豪*

1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司（北京 100120）；2.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（?？?570228）

芒果是一種著名的熱帶水果，海南地區(qū)的居民幾乎每天都會(huì)食用芒果，全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)芒果的需求量也在逐年上升。這些年，全球芒果種植面積在不斷擴(kuò)大，其產(chǎn)量也在快速增長(zhǎng)。目前，世界種植芒果的國(guó)家和地區(qū)超過80個(gè)，主要分布在熱帶和亞熱帶。

芒果可以直接削皮食用或者榨汁飲用，由于其皮厚而且堅(jiān)硬，給食用者帶來諸多不便。針對(duì)市場(chǎng)的需求，很多企業(yè)開始對(duì)芒果進(jìn)行加工，很多大學(xué)、企業(yè)也研究芒果的生產(chǎn)、加工。隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對(duì)芒果的需求也不僅僅限于其基本的營(yíng)養(yǎng)需求，并且要求綠色環(huán)保。當(dāng)前，大部分家庭仍使用最原始的芒果食用方式，即徒手削皮。然而，也有一部分家庭利用高速旋轉(zhuǎn)的刀片來榨汁，這樣在超高的離心作用力下會(huì)破壞瓜果的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，也不是很合理。

目前市場(chǎng)上芒果榨汁的機(jī)器單一，專門的芒果削皮機(jī)械也比較少見，主要包括企業(yè)使用的大型榨汁機(jī)械和家庭使用的小型高速旋轉(zhuǎn)榨汁機(jī)。企業(yè)使用的大型機(jī)械由于區(qū)域和需求的限制，不便銷售。家庭小型的高速旋轉(zhuǎn)榨汁機(jī)操作復(fù)雜，營(yíng)養(yǎng)被破壞嚴(yán)重，效率低。榨汁的前一道工序是削皮，然而芒果削皮機(jī)械少見且還不成熟，這嚴(yán)重阻礙了芒果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

綜上所述，為了加快芒果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及排除上述的尷尬局面，提出設(shè)計(jì)一種新型芒果削皮榨汁一體機(jī)，并且能實(shí)現(xiàn)榨現(xiàn)賣的銷售模式，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。所設(shè)計(jì)的新型芒果削皮榨汁一體機(jī)主要包括削皮機(jī)構(gòu)和榨汁機(jī)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)包括果皮果肉分離設(shè)計(jì)和運(yùn)輸設(shè)計(jì)[1]。

1 削皮機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)與分析

1.1 芒果的物理性質(zhì)

芒果的品類繁多，形狀主要是橢圓形，瓜皮包括青芒的綠硬皮和成熟黃芒的軟皮。芒果的尺寸長(zhǎng)度一般在10～15 mm之間，直徑一般在8～10 mm之間，質(zhì)量一般在200～500 g之間，果皮厚4 mm以上。

1.2 削皮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

削皮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為單刀式臥式削皮機(jī)構(gòu)，如圖1所示。芒果削皮機(jī)構(gòu)由絲桿齒輪、絲桿、外殼、升降臺(tái)、仿行彈簧、下爪齒輪、導(dǎo)向桿、氣壓缸、上刀爪、下刀爪等組成。削刀裝在刀桿上，而刀桿裝在升降臺(tái)上，升降臺(tái)隨著絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下移動(dòng)。絲桿與絲桿齒輪剛接，下爪盤與下爪盤齒輪剛結(jié)，兩個(gè)齒輪嚙合，產(chǎn)生一定的傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)削皮刀合理的削皮。上爪盤由氣缸控制，起到夾緊芒果的作用。絲桿軸外接減速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸入[2]。

圖1 芒果削皮機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.1 芒果的受力分析

芒果在工作狀態(tài)下受到刀具的切削力和上下卡爪的擠壓力。為了確定刀具、刀型以及仿形力F0大?。‵0決定彈簧的選擇），必須對(duì)工作狀態(tài)下的削皮機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析。

仿形機(jī)構(gòu)是根據(jù)杠桿原理設(shè)計(jì)的[2-3]。由圖2可得，工作狀態(tài)下的芒果與刀具受力平衡，滿足式（1）。

圖2 芒果切削受力圖

式中：F0為彈簧力，N；L1為刀桿動(dòng)力臂長(zhǎng)度，mm；FA為切削力（阻力），N；L2為刀桿阻力臂長(zhǎng)度，mm；h0為待削果皮厚度，mm；FB是B點(diǎn)處的仿形力，N。

芒果皮在切削力FA的作用下與果肉分開，刀具的設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)果皮厚度均勻的目的，仿形塊2在仿形力的作用下可以保持與果肉的始終接觸，因此凸臺(tái)AB的距離則是果皮的厚度。由于果皮厚度很小，根據(jù)實(shí)際情況，這個(gè)厚度相對(duì)于刀桿的長(zhǎng)度可以不計(jì)，則式（1）變成：

1.2.2 削皮刀的設(shè)計(jì)與入切角的選擇

圖2中的α角為入切角，最佳的范圍在20°～40°[4]，這樣可以保證削刀不至于切到過多果肉，也可以保證削刀緊貼芒果果皮。

刀型的選擇是為了保證每一處瓜皮的厚度相同，故選擇弧形削皮刀。其大小為r=15 mm的圓弧形。對(duì)于刀具的選擇還需考慮以下因素：

1) 材料：芒果為高維生素、高糖、多汁水的水果，在削皮的過程中會(huì)流出大量的汁水，則削皮刀應(yīng)該選擇不容易生銹的材料，由于削皮有時(shí)沖擊比較大，還要滿足剛度要求和強(qiáng)度要求，要求耐用，故選擇1Cr13材質(zhì)的不銹鋼。

2) 可靠性：削皮過程要保證削皮刀的穩(wěn)定，不能受到機(jī)械振動(dòng)、芒果表面不均勻等因素的影響，還要保持果皮的厚度均勻。

3) 調(diào)節(jié)方便：要滿足不同厚度的削皮要求。

1.2.3 刀桿及彈簧的設(shè)計(jì)

選擇仿形彈簧為拉伸彈簧，其工作載荷在80～100 N之間，實(shí)際情況中彈簧的工作原理圖如圖3所示[5]。

圖3 彈簧工作原理圖

由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，芒果最大橫截面的長(zhǎng)軸徑為100 mm，由于不同的芒果大小不一致，故取最大芒果的最大橫截面的長(zhǎng)軸半徑為Rmax=50 mm，下卡爪的半徑Rmin=10 mm。圖3中的θ是指仿形刀具可以自動(dòng)仿形而調(diào)節(jié)的角度，削刀可以一直緊貼芒果果皮并且沿著AB運(yùn)動(dòng)。A0是刀桿的起始位置，此時(shí)擺動(dòng)角為0，當(dāng)θ最大時(shí)，即削刀位于B點(diǎn)，A、B兩點(diǎn)是削刀的兩個(gè)極限位置，為了保證削刀道口恰好從下卡盤開始工作（即恰好接觸到下卡盤），工作時(shí)要求θ＞0°[6-8]，以保證削刀不會(huì)與其他機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉從而破壞削刀。而彈簧的最大壓拉長(zhǎng)度h應(yīng)該滿足等式：

所以：

設(shè)計(jì)還要在滿足使用要求的前提下盡可能地縮小整機(jī)大小，因此還需要滿足：

綜合上述關(guān)系可知，所需切削力的大小由芒果自身的物理性質(zhì)確定，不同的芒果其需要的切削力差異不大，而彈簧的壓拉長(zhǎng)度則由刀桿的動(dòng)力臂和阻力臂決定，所以設(shè)計(jì)刀桿的動(dòng)力臂為20 mm，阻力臂端為40 mm，所以彈簧的壓拉長(zhǎng)度為20 mm。

2 榨汁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

2.1 芒果榨汁的受力分析

所設(shè)計(jì)的榨汁方法主要是將去皮的芒果擠壓，將芒果果汁與果肉分開。為方便分析，將擠壓芒果幾乎呈橢圓形，芒果擠出工藝簡(jiǎn)單。假設(shè)構(gòu)建擠壓力模型（圖4），根據(jù)分析，芒果受力相對(duì)簡(jiǎn)單，向壓力凸輪施加正向壓力F0，于是芒果受到壓力也為F0，擠壓凹輪的反作用力也是F0。

而將芒果可以擠壓成渣，盡可能地榨汁出更多芒果汁的擠壓力F0，由芒果的物理性質(zhì)確定[9-10]。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)記錄可知，F(xiàn)0可以取1 000 N，選取安全系數(shù)1.5，即以1 500 N為設(shè)計(jì)這部分機(jī)構(gòu)提供設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖4 芒果擠壓的受力分析示意圖

2.2 榨汁機(jī)構(gòu)的進(jìn)料設(shè)計(jì)

榨汁機(jī)構(gòu)位于削皮機(jī)構(gòu)的下方，則進(jìn)料方式可以通過一個(gè)曲形管道連接到擠壓凹輪處。曲形彎管形狀如圖5所示，其尺寸大小要通過其他機(jī)構(gòu)的位置確定。

圖5 進(jìn)料管外形

2.3 榨汁機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)

芒果的榨汁工作過程如圖6所示，具體的工作原理如下：

1) 輸送裝置工作原理：芒果從削皮機(jī)構(gòu)部分完成削皮后落入導(dǎo)管中，在重力的作用下沿著管壁向下滑動(dòng)，直到遇到凹輪的壁被擋住。當(dāng)榨汁結(jié)構(gòu)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，凹輪也開始轉(zhuǎn)動(dòng)，而凹輪的壁上面開有足夠容納芒果的凹槽，則芒果會(huì)滑入凹輪的凹槽中。凹輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則相繼的芒果也會(huì)落入位于凹輪上面相鄰的槽中，填補(bǔ)上一個(gè)空缺位，由此重復(fù)還可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)料。補(bǔ)充：由于芒果的最大短軸直徑為100 mm，最小短軸直徑為60 mm，則取凹輪的直徑為180 mm。

2) 榨汁裝置的工作原理：裝置運(yùn)轉(zhuǎn)起來，位于凹輪2中的芒果跟隨凸輪2一起轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后跟凸輪1配合，凸輪1中的半球擠壓芒果，將芒果果汁逐漸從果肉中榨出，芒果汁在重力的作用下向下流出，此時(shí)在榨汁裝置的下面有個(gè)集汁料漏斗，中間是個(gè)網(wǎng)狀擋板，通過漏斗實(shí)現(xiàn)果汁的收集。

3) 排渣裝置的工作原理：榨汁后的芒果渣的表面摩擦因數(shù)很小，并且凹輪和凸輪都在旋轉(zhuǎn)。故果渣不會(huì)粘連在凹輪或者凸輪上面。位于果汁收集漏斗上面有個(gè)傾斜的網(wǎng)狀擋板，果渣會(huì)在重力的作用下滑至底邊，方便排渣。

圖6 榨汁工作原理圖

3 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 總機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)通過齒輪的傳動(dòng)，絲桿、下爪盤、凹輪和凸輪有個(gè)合理且固定的傳動(dòng)比，使削刀可以合理地切削果皮；通過凹輪和凸輪的準(zhǔn)確配合，對(duì)芒果進(jìn)行榨汁，由于齒輪的傳動(dòng)需要準(zhǔn)確的中心距，因此會(huì)有固定的軸承位置，使得每次機(jī)器清洗之后更加容易安裝，更加準(zhǔn)確地定位。

外殼采取不銹鋼材料，這可以對(duì)機(jī)構(gòu)的其他部分起到保護(hù)作用，防止飛濺的果汁濺入傳動(dòng)系統(tǒng)中形成腐蝕而減少機(jī)構(gòu)的壽命，也可以防止裸露的機(jī)構(gòu)對(duì)操作人形成危險(xiǎn)。

輸送裝置包括削皮后進(jìn)入榨汁部分的彎管，凹輪和凸輪不僅僅是榨汁機(jī)構(gòu)，也是運(yùn)輸果渣的裝置，運(yùn)輸裝置可以使得削皮后的芒果準(zhǔn)確進(jìn)入到凹輪中。

榨汁裝置包括凹輪、凸輪、集汁料斗、傳動(dòng)軸等部件，使得削皮后的芒果可以順利榨汁，合理地收集果汁。

各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中最常見的就是齒輪傳動(dòng)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精確、傳動(dòng)穩(wěn)定、傳動(dòng)效率高、組合可以實(shí)現(xiàn)很大的傳動(dòng)比、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)要求傳動(dòng)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊，則選擇齒輪傳動(dòng)。

根據(jù)前文第1和第2節(jié)的內(nèi)容以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，整機(jī)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)圓柱錐齒輪主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，圓柱錐齒輪主動(dòng)輪帶動(dòng)圓柱錐齒輪從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，圓柱錐齒輪從動(dòng)輪與絲桿主動(dòng)輪齒輪以及凸輪固定于同一軸上，傳動(dòng)主動(dòng)輪帶動(dòng)直齒傳動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，直齒傳動(dòng)從動(dòng)輪和凹輪位于軸上，形成一級(jí)傳動(dòng)，下爪盤從動(dòng)輪齒輪、下爪盤固定于軸上，減速電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸4，絲桿主動(dòng)輪齒輪帶動(dòng)下爪盤從動(dòng)輪齒輪旋轉(zhuǎn)。

圖7 整體機(jī)器傳動(dòng)示意圖

3.2 整機(jī)工作過程分析

結(jié)合設(shè)計(jì)結(jié)果和方法，最終設(shè)計(jì)得到的芒果削皮榨汁一體機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8所示。在整機(jī)的工作過程中，將芒果放入進(jìn)料管（9）中，上爪盤在氣缸控制器（6）的控制下將芒果加緊，交流電動(dòng)機(jī)1帶動(dòng)絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，位于升降臺(tái)上的刀具（5）可以左右移動(dòng)，同時(shí)位于絲桿傳動(dòng)軸（4）上的絲桿齒輪帶動(dòng)下爪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，下爪盤旋轉(zhuǎn)從而芒果旋轉(zhuǎn)，在刀具的作用下完成削皮，被削皮后的芒果進(jìn)入輸料管中。

圖8 整機(jī)三維結(jié)構(gòu)

芒果在進(jìn)行第一步的切削工作之后開始通過輸料管進(jìn)入到下一道工序。在榨汁系統(tǒng)中，減速電動(dòng)機(jī)（15）帶動(dòng)主動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)錐齒輪（14）與主動(dòng)錐齒輪因?yàn)橄嗷Ш隙D(zhuǎn)動(dòng)，則凸輪傳動(dòng)軸會(huì)帶著凸輪（11）轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)與凸輪齒輪嚙合的凹輪齒輪（13）轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)凹輪（12）轉(zhuǎn)動(dòng)。芒果通過輸料管時(shí)在重力的作用下會(huì)進(jìn)入凹輪槽，芒果在凹輪和凸輪的作用下完成榨汁工作。果汁會(huì)在重力的作用下流入到果汁的收集桶中。經(jīng)過以上工序完成芒果的削皮、榨汁、收集等加工。

4 結(jié)論

市場(chǎng)缺乏對(duì)于芒果的集削皮榨汁于一體的機(jī)器，目前市場(chǎng)上芒果還多為人工削皮，少有機(jī)器操作。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了一種小型的、高效的、合理的、可以完成自動(dòng)削皮榨汁的新型芒果削皮榨汁機(jī)，具體分析與設(shè)計(jì)總結(jié)如下：

1) 通過芒果削皮的受力分析，得出了合理的削皮仿形刀具，得出了所設(shè)計(jì)彈簧的壓拉長(zhǎng)度。

2) 通過芒果榨汁受力分析，計(jì)算出了榨汁芒果的擠壓力，從而可以設(shè)計(jì)其它部件的尺寸。

3) 參考市場(chǎng)上瓜果的削皮方式，合理地得出了設(shè)計(jì)的削皮方式以及部分的大致位置，參考市場(chǎng)的榨汁方式，合理地得出了該設(shè)計(jì)特色擠壓榨汁方式。