鮮食蓮籽剝殼機多通道集成式剝殼機構(gòu)設(shè)計與試驗

曾 榮 侯群喜 陳亞欣 王 洋 董 昭 張國忠

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070)

0 引言

蓮籽為睡蓮科植物的種子，含有多種有益于人體健康的成分，具有較高食用價值[1-3]。乳熟期、蠟熟期蓮籽常用于鮮食，蓮仁口感脆甜爽口、回味清香，深受人們喜愛[4-6]。近年來，隨著蓮藕產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鮮食蓮仁的市場需求增長迅速，對外殼進(jìn)行脫殼處理和內(nèi)部蓮芯去除的機械化技術(shù)需求強烈。

現(xiàn)有蓮籽剝殼、去芯機械等裝備主要針對完熟蓮籽設(shè)計，多以在蓮籽短軸最大直徑處環(huán)切至少一周，再通過搓擦等方式迫使殼仁分離完成剝殼[7-8]。因完熟期蓮籽外殼為黑色、質(zhì)地堅硬，內(nèi)部蓮仁含水率較低，強度較高，而乳熟期、蠟熟期蓮籽外殼呈綠色或淺褐色，殼、仁含水率均較高，質(zhì)地較柔軟，兩者物料特性相比差異顯著，因此上述研究不適于鮮食蓮籽剝殼加工。

近年來，研究者針對不同成熟度蓮籽的力學(xué)特性開展了深入分析。如侯群喜等[9]研究了不同成熟度蓮籽力學(xué)特性的差異。馬秋成等[10]對含水率小于11%的蓮仁進(jìn)行了力學(xué)特性參數(shù)測定及擠壓破碎特性分析。朱亨銀等[11]、謝麗娟等[12-14]測試了鮮蓮子外殼的切透力、蓮仁堅實度等機械特性。上述研究闡述了蓮仁在擠壓載荷作用下的破碎機理，為降低蓮籽加工的擠壓破損提供了機構(gòu)設(shè)計依據(jù)。

結(jié)合蓮籽物料特性，朱亨銀等[11]提出了一種采用內(nèi)充式排料、滾動調(diào)整蓮籽姿態(tài)、振動切割、滾壓殼仁分離的工作原理實現(xiàn)蓮子剝殼，但該機剝殼機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配工藝要求較高，且刃口切割壓力設(shè)置較大，易造成鮮食蓮籽切口較深，損傷蓮仁；楊振和[15]采用點線面三步低壓力剝殼原理，蓮籽在通道內(nèi)作行星運動的過程中完成剝殼，但該剝殼機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配工藝要求較高。近年來曹志強[16]、鄒勇忠[17]設(shè)計并改進(jìn)了一種蓮子剝殼脫皮一體機，采用直線往復(fù)式破殼、水平輸送、摩擦去皮結(jié)構(gòu)，配合水力沖刷潤滑，實現(xiàn)蓮子剝殼去膜，已經(jīng)投放市場；文獻(xiàn)[18-21]所設(shè)計的蓮籽剝殼機均采用蓮籽固定，圓形刀盤滾動切割的剝殼方式；文獻(xiàn)[22-25]所設(shè)計的蓮籽剝殼機均采用蓮籽直線輸送，固定刀具，蓮籽在輸送過程中實現(xiàn)環(huán)切。

為進(jìn)一步減少乳熟期、蠟熟期蓮籽擠壓破損，本文擬設(shè)計一種多通道集成式低損傷剝殼機構(gòu)，采用多通道仿形凹槽輪實現(xiàn)鮮蓮籽單粒排料、內(nèi)外刀具環(huán)切、滾壓殼仁分離，實現(xiàn)鮮食蓮籽剝殼，為鮮食蓮籽加工提供技術(shù)支撐。

1 剝殼工作原理

蓮籽的剝殼過程見圖1。蓮籽首先在剝殼機構(gòu)中實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整、短軸環(huán)切以及殼仁初步分離；實現(xiàn)初步殼仁分離的蓮籽進(jìn)一步由下一級的搓擦式殼仁分離機構(gòu)進(jìn)行分離，實現(xiàn)殼仁的完全分離。殼仁分離機構(gòu)采用通用的搓擦方式，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，由帶傳動機構(gòu)、支撐底板、水流系統(tǒng)組成。其中皮帶與底板表面均黏貼厚5 mm的海綿，減少蓮籽擠壓。蓮籽在皮帶的運動下，通過雙層海綿的滾動搓擦，已被環(huán)切的蓮殼脫離蓮仁，在水流的沖刷下掉落。蓮籽能夠?qū)崿F(xiàn)殼仁分離的關(guān)鍵取決于剝殼機構(gòu)的性能，剝殼機構(gòu)需完成蓮籽短軸環(huán)切同時減少蓮籽被擠壓。

圖1 蓮籽殼仁分離過程示意圖Fig.1 Schematic of separation process of louts seed peel1.料斗 2.剝殼機構(gòu) 3.機架 4.殼仁分離機構(gòu) 5.水流系統(tǒng) 6.底板 7.皮帶

圖2為剝殼機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。剝殼機構(gòu)主要由料斗、毛刷、仿形凹槽輪、內(nèi)刀盤、外刃齒板、旋轉(zhuǎn)軸組成。2個內(nèi)刀盤與3個仿形凹槽輪同軸安裝，且內(nèi)嵌于凹槽輪中間。內(nèi)刀盤與旋轉(zhuǎn)軸固定連接，3個仿形凹槽輪通過螺栓連接在一起并通過軸承支撐繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，外刃齒板同軸心安裝在仿形凹槽輪一側(cè)。

圖2 剝殼機構(gòu)展開圖Fig.2 Expanded view of shelling mechanism1.外刃齒板 2.毛刷 3、5、7.仿形凹槽輪 4、6.內(nèi)刀盤 8.旋轉(zhuǎn)軸 9.料斗

剝殼機構(gòu)開始工作時，旋轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動，料斗內(nèi)的鮮蓮籽開始下落，隨著凹槽輪的轉(zhuǎn)動及毛刷的輔助作用，下落的蓮籽逐一掉入凹槽輪的凹槽內(nèi)。此時，蓮籽在外刃齒板、凹槽以及自身重力作用下，利用橢球形物體滾動時會逐漸趨向最短路徑運動這一特性，逐漸完成姿態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)長軸排序；排序后的蓮籽在內(nèi)外刃口的切割下，在短軸最大周長處完成整周環(huán)切；割殼后的蓮籽在外刃齒板的搓擦擠壓作用下，實現(xiàn)初步的殼仁分離。

2 剝殼過程受力分析

2.1 蓮籽姿態(tài)調(diào)整

從料斗里隨凹槽排出的蓮籽，姿態(tài)各異，為使蓮籽在環(huán)切時長軸始終垂直于刃口，達(dá)到最好環(huán)切效果，需要對蓮籽進(jìn)入切割段前進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。不同于以往研究者采用水平調(diào)整通道[16-17]、三輥輪調(diào)整[18]等方式，本文利用凹槽設(shè)計來保護(hù)蓮籽，避免擠壓損傷，在該設(shè)計前提下采用雙齒形強迫滾動的方式來進(jìn)行蓮籽姿態(tài)調(diào)整。分析過程如下：蓮籽在凹槽內(nèi)勻速滾動的過程中，受蓮籽自身重力、離心力、齒形摩擦力、凹槽壁對蓮籽的支撐力、摩擦力等力的作用。蓮籽能否實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整主要取決于蓮籽受力的合力對蓮籽圓心的矩。蓮籽在剝殼機構(gòu)中的運動過程如圖3a所示，在位置a蓮籽進(jìn)入姿態(tài)調(diào)整，從位置b進(jìn)入割殼階段。蓮籽在姿態(tài)調(diào)整段的受力如圖3b所示，根據(jù)平面力系簡化原則，此時蓮籽受到的向心力為Fn，切線方向合力為0。

圖3 剝殼過程及蓮籽姿態(tài)調(diào)整受力分析Fig.3 Schematics of shelling process and free-body diagram of lotus seed in posture adjustment stage1.料斗 2.外刃齒板 3.蓮籽 4.齒形刃 5.弧形刃口 6.凹槽輪 7.內(nèi)刀盤

法線方向(Y方向)合力為

FN+Frsinθ+mgcosθ1-Fdcosθ=Fn

(1)

其中

Fn=mω2R0

(2)

切線方向(X方向)合力為

Ff-Frcosθ-mgsinθ1-Fdsinθ=0

(3)

對蓮籽轉(zhuǎn)動中心取矩，合力矩為

M1=(Ff-Fd)R1

(4)

式中R0——凹槽輪半徑,m

ω——凹槽輪角速度，rad/s

Fr——凹槽壁對蓮籽的支撐力，N

Fd——蓮籽受到的滾動摩擦力，N

Ff——外刃齒板對蓮籽的摩擦力，N

FN——外刃齒板對蓮籽的支撐力，N

R1——蓮籽平均半徑，m

M1——蓮籽所受合力矩，N·m

m——蓮籽質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

θ——Fr與切線方向的夾角，rad

θ1——重力與法線方向的夾角，rad

聯(lián)立式(1)、(3)并代入式(4)得到蓮籽在姿態(tài)調(diào)整階段受到的轉(zhuǎn)動力矩為

(5)

假設(shè)蓮籽在齒形刃口的強迫滾動摩擦和凹槽的推送下，繞蓮籽中心轉(zhuǎn)動，則需要滿足M1>0。將ω=1.532 rad/s、R0=0.12 m、R1=0.008 7 m代入式(5)計算分析得：M1>0，則凹槽內(nèi)蓮籽在外力作用下轉(zhuǎn)動。由于蓮籽自身的特性，可在轉(zhuǎn)動過程中實現(xiàn)長軸排序，滿足設(shè)計要求。

2.2 蓮籽割殼

經(jīng)過姿態(tài)調(diào)整后蓮籽可實現(xiàn)長軸排序，隨后將完成割殼過程。蓮籽割殼需在蓮籽短軸最大直徑處環(huán)切至少一周。為保證切割可靠性，設(shè)計內(nèi)外環(huán)形切割方式，采用美工刀作為外刀具，內(nèi)刀具為圓形不銹鋼刀盤，開刃角為15°。由前期試驗測得乳熟期、蠟熟期蓮籽蓮殼厚度為0.9～1.1 mm，為使蓮籽均達(dá)到環(huán)切深度要求，內(nèi)外刃口高度均設(shè)置為1.1 mm。

蓮籽在進(jìn)入切割通道時，除受到姿態(tài)調(diào)整階段所有力的作用外，同時還受到內(nèi)外刀刃的摩擦力，如圖4所示。蓮籽在上述力的作用下，在內(nèi)外刃口間轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)蓮殼的環(huán)切。根據(jù)平面力系簡化原則，蓮籽在位置b(圖3a)時開始進(jìn)入割殼通道，此時蓮籽在法線方向合力為Fn，切線方向合力為0。

圖4 蓮籽割殼階段受力示意圖Fig.4 Free-body diagram of lotus seed in shell cutting stage

法線方向(Y方向)合力為

FN1+mgcosθ1-FN2-Fdcosθ=Fn

(6)

切線方向(X方向)合力為

Ff1+Ff2+Ff3-Frcosθ-mgsinθ1-Fdsinθ=0

(7)

對蓮籽轉(zhuǎn)動中心取矩，合力矩為

M2=(Ff1+Ff2-Fd-Ff3)R1

(8)

式中Ff1——齒形刃對蓮籽的摩擦力，N

Ff2——外刃口對蓮籽的摩擦力，N

Ff3——內(nèi)刃口對蓮籽的摩擦力，N

M2——割殼階段蓮籽所受合力矩，N·m

FN1——外刃口對蓮籽的支撐力，N

FN2——內(nèi)刃口對蓮籽的支撐力，N

在進(jìn)入環(huán)切階段時，新增摩擦力Ff2、Ff3為一對大小相同、作用點對稱的平行力，在對蓮籽中心取矩時，可以相互抵消。由蓮籽在割殼階段的轉(zhuǎn)矩計算分析可知，蓮籽在該階段仍滿足轉(zhuǎn)動需求。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 凹槽輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

凹槽輪在機構(gòu)中實現(xiàn)蓮籽輸送、排出，同時當(dāng)蓮籽被環(huán)切時可保護(hù)其不被壓損，是剝殼機構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成。隨著外槽輪的轉(zhuǎn)動，料斗內(nèi)的蓮籽以單粒排出進(jìn)入凹槽輪的凹槽內(nèi)。假設(shè)蓮籽能夠正常進(jìn)入凹槽，且在排出蓮籽時，避免2個蓮籽以短軸最小直徑并列進(jìn)入凹槽，造成無法實現(xiàn)單粒排出的現(xiàn)象，則凹槽基圓直徑Φ0、外槽輪厚度H0、凹槽數(shù)K需滿足條件[26]

(9)

式中Φmax——蓮籽短軸最大直徑，mm

Φmin——蓮籽短軸最小直徑，mm

Lmax——蓮籽最大長軸直徑，mm

Φ2——凹槽基圓分布直徑，mm

Φ1——外槽輪直徑，mm

S——殼仁分離間距，mm

d——蓮籽平均直徑，mm

參考鮮蓮籽力學(xué)特性參數(shù)[9]，乳熟期、蠟熟期蓮籽短軸直徑最大值為18.20 mm，最小值為15.46 mm，平均直徑為17.40 mm，蓮籽長軸直徑最大值為25.94 mm，初步設(shè)定凹槽基圓直徑Φ0為20 mm，凹槽輪厚度H0為30 mm?？紤]到蓮籽從料斗排出后，需要姿態(tài)調(diào)整、環(huán)切、滾壓，為保證外槽輪外周有足夠的長度，初步設(shè)定外槽輪直徑Φ1為240 mm，計算可得凹槽數(shù)K為6.7。由于乳熟期、蠟熟期蓮籽殼仁間隙較小，增大滾動距離可提高殼仁分離率，因而取凹槽數(shù)K為6，凹槽輪結(jié)構(gòu)簡圖如圖5a、5b所示。

圖5 凹槽輪和凹槽結(jié)構(gòu)及蓮籽落料運動分析Fig.5 Schematics of groove wheel and groove structure and motion analysis of lotus seed blanking1.凹槽基圓 2.弧形刃口 3.齒形刃口

3.2 凹槽輪工作參數(shù)計算

蓮籽是否落入凹槽內(nèi)取決于蓮籽與凹槽輪的相對運動情況[27-28]。蓮籽隨著凹槽輪轉(zhuǎn)動從料斗落入凹槽內(nèi)，其運動逐層傳遞并帶動著蓮籽，蓮籽在落料位置存在蓮籽間摩擦力、上層蓮籽對下層蓮籽的壓力、蓮籽與凹槽輪表面摩擦力、蓮籽重力共同作用。單蓮籽即將進(jìn)入凹槽時的運動分析如圖5c所示，以蓮籽所在位置半徑方向為X軸方向，垂直方向為Y軸方向，則蓮籽進(jìn)入凹槽內(nèi)的條件為

(10)

其中

v=ωR0

(11)

(12)

由此確定凹槽輪轉(zhuǎn)速取值范圍為

(13)

式中v——凹槽輪邊緣線速度，m/s

D——凹槽最大開口直徑，mm

d0——蓮籽短軸當(dāng)量直徑，mm

n——凹槽輪轉(zhuǎn)速，r/min

將設(shè)計參數(shù)R0=120 mm、D=20 mm、d0=17.4 mm、g=9.8 m/s2代入式(13)，可得凹槽輪的極限轉(zhuǎn)速n≤21.3 r/min。

3.3 蓮籽落料過程分析

蓮籽在下落時，受自身重力和上層蓮籽擠壓作用，在凹槽輪自身轉(zhuǎn)動作用下，理論上可實現(xiàn)單粒排出并順利進(jìn)入凹槽輪內(nèi)。由于蓮籽在料斗內(nèi)的姿態(tài)各異，在下落時方向不定，不同下落狀態(tài)最終的落料結(jié)果存在一定差異。當(dāng)蓮籽沿短軸方向下落時，在自身重力及后方蓮籽的推動作用下，且由于凹槽的直徑大于蓮籽短軸最大直徑，蓮籽可以完全掉入凹槽內(nèi)，能避免遭受凹槽邊緣的擠壓。另外一種極限狀態(tài)是當(dāng)蓮籽剛好沿長軸方向掉入凹槽，此時在自身重力、凹槽輪的轉(zhuǎn)動和后方蓮籽的推動作用下，也會下落。但由于凹槽的半徑小于蓮籽長軸，可能會導(dǎo)致蓮籽卡在凹槽邊緣而發(fā)生擠壓損傷。為避免蓮籽遭到機構(gòu)擠壓，在進(jìn)入凹槽前端加上毛刷結(jié)構(gòu)。若蓮籽無法完全掉入凹槽，后方蓮籽和凹槽輪的推動也無法使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)掉入凹槽時，毛刷會提供給蓮籽一個反向的推動力(F1)，且此時凹槽輪、擋板對蓮籽的作用力(F2和F3)均指向凹槽外(圖6)，在毛刷、擋板和凹槽輪的共同作用下，蓮籽將返回料斗內(nèi)，等待下一個凹槽到達(dá)。如果蓮籽的姿態(tài)位于這兩種姿態(tài)之間，由于凹槽輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動，各個蓮籽之間會發(fā)生相互作用，在這種擾動狀態(tài)下，多數(shù)蓮籽會發(fā)生偏轉(zhuǎn)而最終被裹挾著進(jìn)入到凹槽內(nèi)。隨著凹槽輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動，不能順利進(jìn)入凹槽的蓮籽將被毛刷提供的反向作用力回推至料斗內(nèi)，不會出現(xiàn)蓮籽在凹槽口卡住的現(xiàn)象，也防止了蓮籽在凹槽口因擠壓發(fā)生損傷。

圖6 沿長軸下落蓮籽在凹槽口的受力狀態(tài)示意圖Fig.6 Stress state of lotus seed falling along long axis at groove notch

4 蓮籽剝殼過程仿真分析

4.1 剝殼過程離散元仿真

蓮籽在剝殼機中能否實現(xiàn)有效剝殼主要取決于蓮籽的姿態(tài)調(diào)整和蓮籽在環(huán)切階段自身是否會繞長軸中線自轉(zhuǎn)整周。為分析蓮籽在該剝殼機構(gòu)中的運動過程并探究不同結(jié)構(gòu)因素對蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響，本文借助EDEM軟件對蓮籽在剝殼機構(gòu)中的充種性能、姿態(tài)調(diào)整以及剝殼效率進(jìn)行仿真分析。

4.1.1蓮籽EDEM模型

在SolidWorks軟件中建立剝殼機構(gòu)；通過多功能手持式3D掃描儀對蓮籽進(jìn)行掃描得到鮮食蓮籽三維模型，并將模型保存為.STEP格式導(dǎo)入EDEM中，如圖7所示。

圖7 蓮籽三維模型Fig.7 Geometric models of lotus seed

4.1.2仿真參數(shù)設(shè)置

(1)顆粒參數(shù)設(shè)定

對剝殼機構(gòu)和蓮籽物料的材料本征參數(shù)、蓮籽間、蓮籽與剝殼機構(gòu)間接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，參數(shù)設(shè)置分別如表1、2所示[9,29-31]。

表1 材料本征參數(shù)Tab.1 Material intrinsic parameters

表2 材料間接觸參數(shù)Tab.2 Contact parameters

EDEM軟件中接觸模型設(shè)置為Hertz-Mindlin無滑動模型，蓮籽直徑設(shè)置采用自定義模式，根據(jù)前期物料試驗中蓮籽外形測量，等效半徑R為8.7 mm，故設(shè)定蓮籽半徑分布如圖8所示。

圖8 蓮籽仿真模型粒徑分布Fig.8 Particle size distribution of lotus seed model

(2)顆粒工廠設(shè)置

在仿真模型中料斗的正上方設(shè)置顆粒工廠，依據(jù)蓮籽各個粒徑所占百分比，設(shè)定喂入量為300粒，每秒喂入600粒，為了使蓮籽快速落入，設(shè)置蓮籽初速度為2 m/s。理論計算凹槽輪組極限轉(zhuǎn)速n≤21.3 r/min，為進(jìn)一步探索蓮籽姿態(tài)隨凹槽輪組轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，在仿真中設(shè)置凹槽輪組轉(zhuǎn)速為14、16、18、20、22、24 r/min。求解時設(shè)置Fixed Time Step為Rayleigh時間步長的15.905 9%，間隔0.000 02 s，總仿真時間為60 s，計算域單元格大小設(shè)置為最小半徑的2倍。

4.2 EDEM仿真結(jié)果與分析

4.2.1凹槽輪轉(zhuǎn)速對蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響

選取向心齒作為齒形刀齒形，以齒間距5 mm、刃齒距為兩倍蓮籽短軸平均周長(109 mm)作為試驗條件，對凹槽輪不同轉(zhuǎn)速下的蓮籽姿態(tài)變化進(jìn)行仿真分析，仿真過程如圖9所示。通過EDEM Selection后處理模塊中的Grid Bin Group功能統(tǒng)計該剝殼機構(gòu)在仿真時間60 s內(nèi)的蓮籽完成姿態(tài)調(diào)整數(shù)量，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

圖9 剝殼機構(gòu)仿真過程Fig.9 Simulation process of shelling mechanism

由表3可知，隨著凹槽輪組轉(zhuǎn)速增加，該剝殼機構(gòu)實際完成蓮籽排出和姿態(tài)調(diào)整的數(shù)量占理論數(shù)量百分比逐漸下降，這是由于凹槽輪轉(zhuǎn)速越高，充種性能越差。當(dāng)轉(zhuǎn)速為20 r/min時，仿真時間內(nèi)蓮籽經(jīng)過姿態(tài)調(diào)整后排出數(shù)量最多，可認(rèn)為剝殼機構(gòu)在該轉(zhuǎn)速下具有最大工作效率。

表3 不同轉(zhuǎn)速下蓮籽姿態(tài)調(diào)整數(shù)量Tab.3 Quantity of lotus seeds completing posture adjustment at different rotation speeds

4.2.2齒條參數(shù)對蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響

蓮籽在凹槽內(nèi)姿態(tài)調(diào)整過程主要受到外刃齒板上齒條結(jié)構(gòu)的影響，為了探究齒條結(jié)構(gòu)對蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響，以齒條齒形、齒間距、刃齒距為仿真結(jié)構(gòu)變量(圖10)，以完成姿態(tài)調(diào)整排出蓮籽數(shù)量為指標(biāo)，仿真結(jié)果如表4、圖11所示。由單因素仿真結(jié)果可以得出，3種結(jié)構(gòu)變量均對蓮籽姿態(tài)調(diào)整產(chǎn)生影響，其中單因素水平影響最大的分別為向心齒、齒間距為5 mm；隨著刃齒距的增加，對姿態(tài)調(diào)整的影響逐漸增加，當(dāng)刃齒距增加至1.5倍蓮籽短軸平均周長(82 mm)時，增加刃齒距帶來的影響逐漸趨于平穩(wěn)。

圖10 外擋板齒形Fig.10 Tooth shape of outer baffle1.切割刀 2.鋸齒

表4 不同齒形和齒間距下姿態(tài)調(diào)整排出蓮籽數(shù)量Tab.4 Lotus seed discharge quantity after posture adjustment under different tooth profiles and tooth spacings 個

圖11 刃齒距對姿態(tài)調(diào)整的影響Fig.11 Influence of blade pitch on posture adjustment

4.3 蓮籽運動軌跡運動學(xué)仿真

蓮籽在剝殼機構(gòu)中的運動過程可以分為3個階段：姿態(tài)調(diào)整—割殼—排出。蓮籽經(jīng)過姿態(tài)調(diào)整后可實現(xiàn)長軸排布，進(jìn)而能夠保證割殼階段對短軸最大直徑處的切割。要實現(xiàn)完整切割，蓮籽需能在凹槽中自轉(zhuǎn)360°以上。EDEM仿真無法獲取蓮籽顆粒上某一點的軌跡，本研究運用ADAMS軟件，以向心齒齒條、齒間距5 mm、刃齒距82 mm為試驗條件，對蓮籽在剝殼機構(gòu)中的運動軌跡進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步驗證設(shè)計的合理性。

4.3.1模型建立與材料屬性定義

在SolidWorks軟件中將該剝殼機構(gòu)分為兩部分：Part.1為轉(zhuǎn)動部分，包含3個凹槽輪；Part.2為靜止部分，包括料斗、擋板、軸和刀盤。將蓮籽模型和剝殼機構(gòu)導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行分析，導(dǎo)入的幾何模型如圖12所示。

圖12 ADAMS幾何模型Fig.12 ADAMS geometric model

在ADAMS軟件材料庫中選取鋼作為Part.2各部分的材料，Part.1和蓮籽的材料屬性通過查閱文獻(xiàn)采用自定義設(shè)置，各部分材料屬性如表5所示。

表5 各部分材料屬性參數(shù)Tab.5 Material properties of each part

4.3.2約束和驅(qū)動添加

對Part.2添加固定副與大地相連，在Part.1軸心位置添加與大地之間的旋轉(zhuǎn)副，并在旋轉(zhuǎn)副上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速為20 r/min。蓮籽在凹槽輪帶動下隨凹槽輪運動，為了防止蓮籽直接穿過凹槽輪，造成仿真失敗，需要對蓮籽與Part.1和Part.2之間分別添加接觸力，接觸類型選擇“柔性體對剛體”，接觸力的算法采用基于碰撞函數(shù)的接觸算法(IMPACT-function-based contact)，接觸力參數(shù)如表6所示[32]。

表6 接觸力參數(shù)Tab.6 Contact force parameters

4.4 ADAMS仿真結(jié)果與分析

設(shè)置仿真時間為100 s，步數(shù)為8 600步。為了更加清晰準(zhǔn)確地得到蓮籽的運動軌跡，當(dāng)仿真完成后，在蓮籽短軸最大圓周上任意處添加Marker點，通過仿真后處理中軌跡顯示得到Marker點相對于大地的軌跡線，并導(dǎo)出Marker點的位置坐標(biāo)，在Matlab軟件中繪制其軌跡，如圖13所示，圖中直角坐標(biāo)系為EDEM仿真分析中以大地為參考系建立的，虛線圓為添加的凹槽輪外直徑輪廓，O為剝殼機構(gòu)軸心。

通過圖13中Marker點的軌跡可看出蓮籽在剝殼機構(gòu)中的整體運動姿態(tài)的變化。0°≤α≤39.2°所對應(yīng)的弧長段為蓮籽在凹槽輪轉(zhuǎn)動下進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的階段，由于蓮籽進(jìn)入時姿態(tài)各異，隨凹槽輪的運動無規(guī)律；處于該階段的蓮籽，在外刃齒板上刃齒、凹槽和自身重力作用下，逐漸調(diào)整姿態(tài)，實現(xiàn)長軸排序。ε為52.2°，所對應(yīng)弧長為蓮籽自轉(zhuǎn)環(huán)切階段。處于該階段的蓮籽，在外刃齒板上刃齒、外刀、內(nèi)刀盤、凹槽和自身重力作用下，隨凹槽轉(zhuǎn)動的同時繞自身長軸自轉(zhuǎn)，進(jìn)而實現(xiàn)環(huán)切，運動軌跡為余擺線。β為39.2°，所對應(yīng)弧長為初步殼仁分離段，處于該階段的蓮籽，環(huán)切過程已經(jīng)完成，蓮殼受到刃齒的擠壓和自身的滾動摩擦，初步實現(xiàn)殼仁分離。仿真結(jié)果表明，蓮籽在設(shè)定的仿真參數(shù)條件下能夠完成有效的姿態(tài)調(diào)整與整周自轉(zhuǎn)。

圖13 蓮籽短軸最大圓周上一點的運動軌跡Fig.13 Trajectory of point on maximum circumference of lotus seed minor axis

5 試驗驗證及最優(yōu)參數(shù)確定

為了驗證理論計算、仿真試驗結(jié)果及3種結(jié)構(gòu)因素在實際作業(yè)中對剝殼率的影響，試制了蓮籽剝殼去芯一體機(圖14)，并對其剝殼效果進(jìn)行試驗驗證。選用產(chǎn)自湖北省洪湖市的太空蓮36號(含水率大于64.2%)的乳熟期和蠟熟期蓮籽為試驗材料，以齒間距、齒形與刃齒距為試驗因素，以剝殼率為試驗指標(biāo)，驗證刃齒距、齒間距、齒形對剝殼率的影響。由于蓮籽大小不一，若長軸較短的蓮籽以傾斜姿態(tài)進(jìn)入凹槽，蓮籽的首尾端部會傾斜頂住凹槽壁，在姿態(tài)調(diào)整時因轉(zhuǎn)動不暢帶來一定的擠壓，造成蓮籽的壓潰；此外，試驗用蓮籽成熟期無法保證完全一致，成熟期越低的蓮籽抗擠壓能力越差，會帶來一定的擠壓破損的可能性。因此，試驗同時以蓮籽的壓潰率為指標(biāo)，并對機構(gòu)工作可靠性、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性等指標(biāo)進(jìn)行考察。

圖14 試驗現(xiàn)場Fig.14 Experiment site1.料斗 2.剝殼機構(gòu) 3.殼仁分離機構(gòu) 4.蓮仁落料箱 5.步進(jìn)電機 6.去芯機構(gòu) 7.水流系統(tǒng)

5.1 試驗設(shè)計

3個因素不同水平的組合會產(chǎn)生不同的剝殼率，因此試驗以剝殼率最大值作為優(yōu)化目標(biāo)，采用L25(56)正交表進(jìn)行優(yōu)化分析，各試驗因素水平如表7所示。由于各因素水平不同，采用擬水平法重點分析向心齒、逆齒，刃齒距為54、82 mm對剝殼率帶來的影響[33-34]。隨機稱取乳熟期、蠟熟期蓮籽15 kg，在剝殼輪轉(zhuǎn)速20 r/min下進(jìn)行試驗，試驗方案與試驗結(jié)果如表8所示，其中A、B、C為因素水平值。

表7 試驗因素水平Tab.7 Factors and levels in experiment

表8 試驗方案及試驗結(jié)果Tab.8 Experimental scheme and results

5.2 結(jié)果與分析

由表8可知，試驗過程中壓潰率不高，而且實際生產(chǎn)中更加關(guān)注鮮食蓮籽的剝殼率，所以此處僅將壓潰率作為一個參考指標(biāo)，表明該機構(gòu)在獲得較高的剝殼率時壓潰率較低，因此后文僅對剝殼率作具體分析。對試驗結(jié)果進(jìn)行極差與方差分析，結(jié)果如表9所示。極差與方差分析表明，在試驗條件下齒間距、刃齒距、齒形3個因素均對剝殼率影響極顯著，其中對剝殼率的影響由大到小依次為齒形、齒間距、刃齒距。齒形3個水平比較，向心齒的指標(biāo)均值最高；齒間距5個水平比較，5 mm時的指標(biāo)均值最高；刃齒距3個水平比較，82 mm時的指標(biāo)均值最高。因此，最優(yōu)的因素水平組合為C3A3B3。

表9 剝殼率極差與方差分析Tab.9 Intuitionistic and variance analyses of shelling rate

5.3 單因素試驗結(jié)果與分析

為進(jìn)一步確定最優(yōu)的刃齒距，根據(jù)仿真與5.2節(jié)試驗結(jié)果，以剝殼率為試驗指標(biāo)，在向心齒及齒間距為5 mm條件下進(jìn)行刃齒距單因素試驗，試驗結(jié)果如表10所示。

表10 單因素試驗結(jié)果Tab.10 Single factor test results

對試驗結(jié)果進(jìn)行二次曲線擬合，可得回歸方程

y=75.548+5.66x-0.378x2

(14)

式中y——剝殼率，%

x——刃齒距，mm

上述回歸方程的決定系數(shù)R2=0.977。由回歸方程可知，刃齒距與剝殼率的關(guān)系近似滿足二次拋物線方程，當(dāng)刃齒距為82、109 mm時，剝殼率可達(dá)最高，進(jìn)一步驗證了仿真分析結(jié)果。由于剝殼機構(gòu)凹槽輪組結(jié)構(gòu)尺寸一定，增加刃齒距會縮短割殼刀具長度，使蓮籽環(huán)切無法得到滿足，因此刃齒距選取82 mm。

仿真與試驗結(jié)果均表明，剝殼機構(gòu)最優(yōu)參數(shù)組合為：轉(zhuǎn)速為20 r/min、向心齒、刃齒距為82 mm及齒間距為5 mm，此時可獲得最優(yōu)剝殼率。在該參數(shù)組合下，對剝殼機構(gòu)進(jìn)行性能試驗，觀測機構(gòu)的剝殼率和蓮籽損傷情況，試驗結(jié)果表明剝殼率可達(dá)97%，同時損失率(壓潰、割傷等)低于3%，試驗效果如圖15所示。

圖15 剝殼試驗效果Fig.15 Effects of shelling test

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種多通道集成式低損傷鮮食蓮籽剝殼機構(gòu)，采用外槽輪式單粒排出及內(nèi)外刀具環(huán)切原理，剝殼通道可并列布置多個，每個通道均可實現(xiàn)蓮籽單粒排出、姿態(tài)調(diào)整和環(huán)切。完成了剝殼機構(gòu)各個關(guān)鍵部分的參數(shù)計算和剝殼過程理論分析，確定了凹槽輪直徑、凹槽基圓直徑、凹槽數(shù)、極限轉(zhuǎn)速分別為240 mm、30 mm、6個和21.3 r/min。

(2)采用EDEM和ADAMS軟件對蓮籽在剝殼機構(gòu)中姿態(tài)調(diào)整、運動軌跡以及剝殼機構(gòu)極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行了仿真。分析了刃齒距、齒形和齒間距對蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響，結(jié)果表明當(dāng)凹槽輪轉(zhuǎn)速為20 r/min、采用向心齒、齒間距為5 mm且刃齒距為82 mm時，蓮籽完成姿態(tài)調(diào)整數(shù)量最多；運用ADAMS軟件對蓮籽短軸最大周長上任一點軌跡進(jìn)行仿真分析，得到蓮籽在剝殼機構(gòu)中的運動軌跡為蓮籽自轉(zhuǎn)和隨凹槽輪勻速轉(zhuǎn)動的合成，與理論分析過程相吻合。

(3)對剝殼機構(gòu)進(jìn)行樣機試制，以齒間距、齒形與刃齒距為試驗因素，以剝殼率為試驗指標(biāo)進(jìn)行了正交試驗和單因素試驗，對正交試驗結(jié)果進(jìn)行極差與方差分析，對單因素試驗結(jié)果進(jìn)行二次曲線擬合，進(jìn)一步對理論計算和仿真分析結(jié)果進(jìn)行了驗證，并獲得了機構(gòu)的最優(yōu)因素水平組合，試驗結(jié)果表明在向心齒、齒間距為5 mm且刃齒距為82 mm條件下，該剝殼機構(gòu)對鮮食蓮籽的剝殼率可達(dá)97%。