臥式青核桃脫皮機(jī)鏈板輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計與有限元分析

楊忠強(qiáng)，郭 輝，馬月虹，阿布里孜

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

新疆堅果種植面積達(dá)5.043×105hm2，其中核桃種植面積達(dá)3.909×105hm2，占總種植面積的77.58%；而堅果總產(chǎn)量達(dá)1.036×106t，其中核桃產(chǎn)量達(dá)8.368×105t，占總產(chǎn)量的80.79%[1]。新疆是我國最適宜種植核桃的主要產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)的核桃品質(zhì)較高，外形較大，硬殼較薄，在市場上占有較高的地位，全疆有20多個縣市集中種植核桃，主要分布在和田地區(qū)、喀什地區(qū)和阿克蘇地區(qū)，占全區(qū)超過90%[2]。因此，發(fā)展核桃加工產(chǎn)業(yè)對增加果農(nóng)收入，加快致富步伐，維護(hù)生態(tài)和諧，都具有重要的經(jīng)濟(jì)社會意義。

核桃具有成熟期集中、難以脫皮等特點，目前青核桃脫皮仍采用傳統(tǒng)噴藥堆漚法或手工直接切削等落后的生產(chǎn)方式[3-4]。研究人員為了減輕脫皮勞動強(qiáng)度，陸續(xù)設(shè)計了一些脫皮設(shè)備，但大多數(shù)脫皮設(shè)備采用小型單機(jī)生產(chǎn)[5-7]和間歇式加工[8-10]，其生產(chǎn)效率較低，無法實現(xiàn)批量連續(xù)化加工，這成為制約核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民增收的主要技術(shù)障礙。

針對上述問題，設(shè)計了一種通用性強(qiáng)的臥式青核桃脫皮機(jī)，該設(shè)備可以配套在批量連續(xù)化加工的生產(chǎn)線上。本文主要從臥式青核桃脫皮機(jī)的關(guān)鍵部件——鏈板輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)分析為切入點，研究刀片及刀片安裝板的應(yīng)力、應(yīng)變與模態(tài)等機(jī)構(gòu)動態(tài)特性，設(shè)計并確定出刀片及刀片安裝板的最佳工作狀態(tài)，為臥式青核桃脫皮機(jī)具的設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 臥式青核桃脫皮機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

臥式青核桃脫皮機(jī)由前噴水裝置、出料口、板刷機(jī)構(gòu)、板刷機(jī)構(gòu)升降裝置、鏈板輸送機(jī)構(gòu)、檢修口、脫皮通道、支撐板、布料裝置、進(jìn)料口、后噴水裝置、外罩升降裝置、外罩等部件構(gòu)成，具體如圖1所示。

圖1 臥式青核桃脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagramof horizontal green walnut peeling machine

青核桃經(jīng)進(jìn)料口掉落到鏈板輸送機(jī)構(gòu)表面，然后水平向前運動，在布料裝置作用下平鋪一層前進(jìn)，進(jìn)入由鏈板輸送機(jī)構(gòu)和板刷機(jī)構(gòu)形成的脫皮通道，進(jìn)料口設(shè)置有后噴水裝置，青核桃在前進(jìn)過程中受到壓力水的噴洗潤滑。安裝在鏈板輸送機(jī)構(gòu)上的刀片將青皮劃出若干個裂口，然后在脫皮通道的擠壓、摩擦作用下將青皮徹底去除，混合物料一起輸送至出料口，在前噴水裝置等作用下進(jìn)入下一個工序。

1.2 鏈板輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

臥式青核桃脫皮機(jī)鏈板輸送機(jī)構(gòu)主要由出料口、機(jī)架、刀片、刀片安裝板、鏈輪、軸承、電機(jī)安裝架、傳動主軸、鏈條、側(cè)機(jī)體、進(jìn)料斗、從動軸、張緊裝置等組成（圖2）。

圖2 鏈板輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagramof chain plateconveying mechanism

電機(jī)減速器將動力通過傳動主軸傳遞給鏈輪，鏈輪帶動鏈條轉(zhuǎn)動，鏈條上安裝有刀片安裝鋼板，刀片安裝鋼板上面安裝有刀片，刀片之間呈米字形排列，整體形成一個安裝有若干刀片的鋼板輸送帶。鋼板輸送帶載著物料從進(jìn)料斗進(jìn)入，輸送帶上方設(shè)置有板刷機(jī)構(gòu)，二者形成脫皮通道，青核桃進(jìn)入由大變小的脫皮通道，滾動的青核桃在擠壓力的作用下被刀片切割出不同的裂口，再在鋼絲板刷的摩擦作用下去除核桃表面的青皮，完成脫皮過程。

2 鏈板輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.1 傳動主軸的設(shè)計

傳動主軸是鏈板輸送機(jī)構(gòu)的部件之一，主要是將電機(jī)減速器的動力通過主軸傳遞到鏈板上，并通過托板和鏈條支撐刀片安裝板，形成一個平穩(wěn)的鏈板輸送帶，保證鏈板輸送帶的剛度和強(qiáng)度。鏈板輸送帶工作時，刀片或刀片安裝板會對青核桃擠壓產(chǎn)生擠壓力；相反，青核桃同時對刀片產(chǎn)生一個反作用力，刀片安裝板底部設(shè)置有托板，防止青核桃過多時，擠壓刀片安裝板承受較大的彎矩。傳動主軸在實際工作中，主要是將電機(jī)的扭矩傳遞給輸送鏈條，因此主軸的強(qiáng)度是通過扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件來計算。扭矩可以通過調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力來解決。軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力計算公式[11]為：

式中：τT為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為軸所承受的扭矩，N·mm；WT為軸的抗扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，mm3；P為主軸傳遞的功率，kW；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；d為計算截面處的軸直徑，mm；[τT]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。

由公式（1）可以計算軸的直徑：

表1為軸常用的幾種材料的[τT]及A0值。

表1 軸常用的幾種材料的[τT]及A0值Table 1 Valuesof[τT]and A0 for several materialscommonly used in the shafts

2.2 刀片的結(jié)構(gòu)設(shè)計

刀片的主要功能是在脫皮加工中，在鋼絲板刷的擠壓下，刀片可將青核桃青皮劃出若干裂口，促使核桃青皮產(chǎn)生裂紋，增加青皮損傷，降低青皮破裂力。由于青皮汁液具有一定的腐蝕性，因此選擇時需要采用耐腐蝕性的刀片材料，如不銹鋼等。如圖3所示：刀片一般采用U型不銹鋼材質(zhì)，兩邊切刃高度一致，切刃與刀片安裝板垂直，均為7.21 mm；切刃高度盡可能與青皮的厚度相匹配，過高易造成核桃硬殼損傷，過低則切割不能破壞青皮纖維組織。

圖3 刀片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagramof blade structure

2.3 刀片排列方式的設(shè)計

如果沒有刀片，鏈板輸送機(jī)構(gòu)就是一個光面的鋼板輸送帶，青核桃在上面進(jìn)入脫皮通道時就會向后滑動，無法正常進(jìn)入脫皮通道，所以需要提高刀片安裝板的動摩擦系數(shù)。因此設(shè)計了如圖4所示的刀片排列方式，這樣的排列方式，可以增加青核桃不同方向的裂紋或裂口，有利于刀刃與青皮的滑動切割，易將青皮切開剝離。

圖4 刀片的排列方式Fig.4 Arrangement of blades

2.4 鏈板輸送機(jī)構(gòu)輸送量的計算

青核桃進(jìn)入臥式青核桃脫皮機(jī)后，平鋪一層進(jìn)入脫皮通道，脫皮通道的間隙應(yīng)小于青核桃外形尺寸，而大于核桃硬殼外形尺寸才可以進(jìn)行脫皮作業(yè)。因此，進(jìn)入脫皮通道的青核桃會形成單層排列前進(jìn)。參照皮帶輸送帶的生產(chǎn)率計算方法[12]，臥式青核桃脫皮機(jī)的生產(chǎn)率為：

式中：Q為輸送量，t/h；υ為鏈板輸送帶的前進(jìn)速度，m/s；ρ為青核桃堆積密度，kg/m3；S為在運行的鏈板輸送帶上物料的最大堆積面積，m2。

3 刀片及刀片安裝板的有限元分析

刀片及刀片安裝板是青核桃脫皮機(jī)鏈板輸送機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，與青核桃直接接觸，受到力的作用。因此，本文是基于ANSYSWorkbench有限元分析軟件，運用UG10.0三維建模手段對刀片及刀片安裝板進(jìn)行了有限元分析，研究刀片及刀片安裝板的應(yīng)力及變形與模態(tài)等機(jī)構(gòu)動態(tài)特性，對臥式青核桃脫皮機(jī)的工作性能進(jìn)行分析。

3.1 刀片及刀片安裝板的有限元模型創(chuàng)建

3.1.1 模型建立

通過UG10.0三維建模軟件對鏈板輸送機(jī)構(gòu)中的刀片及刀片安裝板零件進(jìn)行建模并裝配，將裝配件導(dǎo)出存為Parasolid（*.x_t）格式，導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，刀片及刀片安裝板有限元模型[13]如圖5所示。

圖5 刀片及刀片安裝板有限元模型Fig.5 Finite element model of blade and blade mounting plate

3.1.2 材料屬性

在ANSYSWorkbench軟件中對刀片及刀片安裝板添加材料屬性，根據(jù)實際工作過程中刀片及刀片安裝板要承受較大的載荷，連續(xù)工作時間長，青皮汁液對刀片及刀片安裝板有一定腐蝕性等情況，綜合考慮，選擇304不銹鋼（SUS304）作為刀片及附著板的材料（圖6），其密度為7.93×103kg/m3，彈性模量為1.94×105MPa，泊松比為0.3[14]。

圖6 材料屬性參數(shù)設(shè)定Fig.6 Material property parameter setting

3.1.3 接觸類型的設(shè)定

由圖7所示，在Connections中設(shè)置刀片與刀片安裝板各零件的接觸類型。由于連接刀片的孔眼較多，模型中并未裝配螺栓，因此采用軟件中beam選項中的body-body創(chuàng)建等效的螺栓連接方式。創(chuàng)建兩組螺栓連接，其中一組是刀片與刀片安裝板的連接，另一組是刀片安裝板與鏈條的連接，其目的是連接刀片與刀片安裝板，刀片安裝板兩端通過4個螺栓與鏈條固定（E）；附著板底面有支撐板，相當(dāng)于地面無摩擦接觸，固定刀片安裝板（A），因此將整個裝配體視為一個整體。

圖7 接觸類型及等效螺栓連接Fig.7 Contact typeand equivalent bolt connection

3.1.4 網(wǎng)格劃分

在ANSYSWorkbench軟件中，對裝配體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)模型的形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分，刀片采用U型薄板結(jié)構(gòu)，一側(cè)略高于另一側(cè)，多個刀片呈米字形排布，與刀片安裝板通過螺栓連接，采用紫外網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在實際脫皮過程中，U型刀片及刀片安裝板主要參與受力，這些部件要著重分析。經(jīng)過多次分析，將刀片單元大小設(shè)置為2 mm，刀片安裝板單元大小設(shè)置為4 mm效果最佳，得到230 062個節(jié)點和91 072個單元（圖8）。

圖8 刀片安裝板的網(wǎng)格劃分Fig.8 Grid division of blademountingplate

3.1.5 邊界條件設(shè)置及約束添加

通過試驗得到，青皮破裂時擠壓力范圍為20～565 N，當(dāng)擠壓力達(dá)到最大值565 N時，分析刀片及刀片安裝板的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。單個刀片50 mm，理論上一個刀片最多可以和2個青核桃接觸，因此，給每組刀片施加2個擠壓力，在靜力學(xué)分析時，設(shè)置刀片安裝板兩端固定，且底面有支撐?？紤]到刀片呈米字形排布，與核桃接觸的角度不同受力不同，刀片排布角度可分為0°、45°和135°三類，分別在三類刀片較長凸起邊線上施加565 N的最大載荷（圖9），分析刀片在受到核桃青皮反作用力時的變形情況。

圖9 施加載荷與邊界條件設(shè)置Fig.9 Applied loads and boundary condition settings

3.2 刀片及刀片安裝板靜力學(xué)分析

刀片及刀片安裝板在實際工作過程中，會受到青核桃反方向的作用力，此時的刀片及刀片安裝板會產(chǎn)生一定的形變，只要形變在允許范圍內(nèi)就不會對實際生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響。靜力學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型公式如下所示：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[K]為剛度系數(shù)矩陣；[C]為阻尼矩陣；{χ}為位移矢量；{F}為力矢量。

在分析靜力學(xué)過程中，根據(jù)材料力學(xué)理論，如果材料為彈性變形，且變形量很小，剛度系數(shù)連續(xù)，則材料所受的力是靜態(tài)不變的。在實際作業(yè)過程中線性力與時間無關(guān)，因此，靜力學(xué)分析模型可以相應(yīng)地簡化為：

圖10為刀片及刀片安裝板總變形、應(yīng)力及應(yīng)變云圖。根據(jù)圖11～13可以分析得出：由于刀片的外邊緣為主要受力部位，刀片的最大變形位置發(fā)生在刀刃的外邊緣處，刀片與刀片安裝板通過螺栓固定，刀片距離固定刀片安裝板位置遠(yuǎn)的部位變形量大，刀片距離固定位置近的部位變形量較小。

圖10 刀片及刀片安裝板總變形、應(yīng)力及應(yīng)變云圖Fig.10 Total deformation,stressand strain nephogramof blade and blade mounting plate

刀片折彎部位的應(yīng)力和應(yīng)變最大，與刀刃邊緣的總變形最大恰好相反，刀片折彎部位所受彎矩最大。如表2所示，不同角度的刀片的總變形量相差不大，最大值為5.09×10-4m，即0.000 5 m，變形量非常小，可以忽略不計。因此不會對刀片的工作產(chǎn)生影響，3種不同角度刀片所受的最大應(yīng)力中，0°刀片最大，最大應(yīng)力值為114.7 MPa，45°和135°的應(yīng)力分布基本一致，而SUS304不銹鋼的屈服強(qiáng)度為205 MPa，說明刀片的角度符合受力要求。綜合以上兩種分析結(jié)果說明刀片的設(shè)計符合工作要求。

表2 不同角度刀片的變形及應(yīng)力值Table 2 Deformation and stressvaluesof bladeswith different angles

圖12 45°刀片總變形、應(yīng)力及應(yīng)變云圖Fig.12 Total deformation,stress and strain nephogramof the bladeat 45°

圖13 135°刀片總變形、應(yīng)力及應(yīng)變云圖Fig.13 Total deformation,stressand strain nephogramof the blade at 135°

3.3 刀片及刀片安裝板的模態(tài)分析

通過模態(tài)分析可以了解刀片及刀片安裝板與板刷的振動情況，在進(jìn)行相關(guān)零部件設(shè)計時可以有效避免產(chǎn)生共振或使結(jié)構(gòu)在制定的頻率下振動。

模態(tài)分析其控制方程可以為：

在進(jìn)行模態(tài)分析計算時，f（t）=0，且按照無阻尼線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械零件的分析，即結(jié)構(gòu)阻尼矩陣[C]=0，因此控制方程可以簡化為：

方程（8）成為無阻尼線性結(jié)構(gòu)自由振動的控制方程，假設(shè)結(jié)構(gòu)的運動為簡諧運動，則有：

將（9）中的位移和速度代入控制方程中，可得

式中：[M]為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；ωi為振動頻率；Φi為模態(tài)。

前六階模態(tài)結(jié)果如圖14所示，分析結(jié)果見表3。由表3可知，刀片及刀片安裝板的主要振型出現(xiàn)在刀片安裝板上，刀片及刀片安裝板的轉(zhuǎn)速為40 r/min時，轉(zhuǎn)動的頻率為0.106 Hz，因此刀片及刀片安裝板工作頻率遠(yuǎn)小于所分析刀片及刀片安裝板的前六階固有頻率，刀片及刀片安裝板在正常工作條件下不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

表3 刀片及刀片安裝板前六階固有頻率、最大變形量及振型Table 3 Natural frequency,maximumdeformation and vibration mode of blade and blade mounting plate

圖14 刀片及刀片安裝板的模態(tài)振型Fig.14 Modal vibration mode of blade and blade mounting plate

4 結(jié)論

本文設(shè)計了臥式青核桃脫皮機(jī)的鏈板輸送機(jī)構(gòu)，通過傳動主軸、刀片結(jié)構(gòu)、刀片排列方式、輸送量的設(shè)計計算確定了結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)了刀片及刀片安裝板既可以輸送青核桃，又可以在青核桃受到擠壓時，刀片對其青皮進(jìn)行切割。

通過刀片及刀片安裝板的靜力學(xué)分析可知：刀片折彎部位的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)樽畲?；刀刃邊緣的總變形最大，?.09×10-4m，即0.000 5 m，變形量非常小，可以忽略不計；3種不同角度刀片所受的最大應(yīng)力中，0°刀片最大，最大應(yīng)力值為114.7 MPa，45°和135°的應(yīng)力分布基本一致，而SUS304不銹鋼的屈服強(qiáng)度為205 MPa,說明不同角度刀片的設(shè)計滿足強(qiáng)度和剛度要求。

通過刀片及刀片安裝板的模態(tài)分析得出：刀片及刀片安裝板的主要振型出現(xiàn)在刀片安裝板上，刀片及刀片安裝板的轉(zhuǎn)速為40 r/min時，轉(zhuǎn)動的頻率相應(yīng)為0.106 Hz，而刀片及刀片安裝板的前三階固有頻率分別為466.99、1 206.8、2 199.7 Hz，而機(jī)構(gòu)的工作頻率遠(yuǎn)小于所分析零部件的固有頻率，因此刀片及刀片安裝板在正常工作條件下不會發(fā)生共振現(xiàn)象。