基于SolidWorks的新型板栗脫蓬機(jī)設(shè)計(jì)

徐小偉， 范 豪

(桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧 530001)

板栗，別名毛栗、栗子，富含豐富的維生素、胡蘿卜素及脂肪、蛋白質(zhì)等，口感香糯，素有“鐵桿莊家”“木本糧食”之美稱(chēng)。板栗種植具有悠久的歷史，因其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高，在我國(guó)得到了廣泛的種植，發(fā)展板栗種植、板栗脫蓬加工相關(guān)產(chǎn)業(yè)，對(duì)于在鄉(xiāng)村振興背景下，調(diào)整農(nóng)村農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、發(fā)展農(nóng)村農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、提高農(nóng)民收入具有重要意義[1，2]。

近幾年，板栗產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，產(chǎn)量大，增速快，對(duì)板栗采摘后的脫蓬、生產(chǎn)加工需求也日益增多。有不少學(xué)者針對(duì)板栗脫蓬過(guò)程做了研究，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)曹成茂[3]等針對(duì)七八成熟的板栗在使用剝苞機(jī)時(shí)脫盡率低、損傷率高、只能用手工剝蓬的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款柔性揉搓式板栗剝苞機(jī)。該機(jī)的剝苞室主要由柔性揉搓板和柔性柵欄這兩部分組成，帶蓬板栗從入料口進(jìn)入剝苞室內(nèi)，在柔性揉搓板和柔性柵欄之間被反復(fù)摩擦，使得板栗的果肉與蓬殼有效地分離，且果肉的損傷率大大降低。山東省泰安市農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究所吳修文[4]等為解決市場(chǎng)上板栗脫蓬機(jī)脫蓬率不高、分離不完全的問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)一種板栗脫蓬機(jī)，該機(jī)的特點(diǎn)是在入料口和殼體之間加裝了噴淋裝置，使板栗在脫蓬前表面濕潤(rùn)變軟，有利于脫蓬。北京市懷柔區(qū)農(nóng)機(jī)具研究所孫繼臣[5]等為解決手工板栗脫蓬的生產(chǎn)率低、作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大的弊端，研究設(shè)計(jì)了一種板栗脫蓬機(jī)，該機(jī)通過(guò)一對(duì)相向運(yùn)動(dòng)的輥輪擠壓帶栗蓬的板栗，致使栗蓬脫離板栗表面，然后通過(guò)抖動(dòng)使蓬皮和栗果分離。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)趙漢雨等利用3層振動(dòng)篩網(wǎng)設(shè)計(jì)出了可以實(shí)現(xiàn)栗果與果蓬分離、具有栗果分級(jí)功能的板栗脫蓬機(jī)，完善了國(guó)內(nèi)板栗脫蓬機(jī)的功能。安徽信息工程學(xué)院黃自成[6]在他所設(shè)計(jì)的板栗脫蓬機(jī)脫蓬箱內(nèi)水平放置兩個(gè)固定有破碎刀的轉(zhuǎn)動(dòng)輥?zhàn)?，解決了需人工將板栗從栗蓬中分揀出來(lái)的問(wèn)題，有效地降低了勞動(dòng)者的工作強(qiáng)度，提升了板栗脫蓬的效率。

但由于以上研究的板栗脫蓬機(jī)不能完全滿(mǎn)足高產(chǎn)能的加工需求，主要是以家用為主的中小型板栗脫蓬機(jī)，同時(shí)現(xiàn)存板栗脫蓬機(jī)入料口距地面較高，人工上料費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且上料時(shí)喂料量不均，過(guò)多時(shí)易發(fā)生堵塞，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生板栗果或蓬飛濺出來(lái)的問(wèn)題，對(duì)工人造成傷害。因此，研究新型板栗脫蓬機(jī)以滿(mǎn)足板栗脫篷的高產(chǎn)能需求，利用集約化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，使用安全可靠，節(jié)約農(nóng)民加工板栗的成本，進(jìn)而推動(dòng)鄉(xiāng)村振興。

針對(duì)以上問(wèn)題的解決，需要進(jìn)一步改進(jìn)板栗脫蓬機(jī)脫蓬機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。脫蓬機(jī)構(gòu)是板栗脫蓬機(jī)的關(guān)鍵部件，不僅要保證結(jié)構(gòu)合理，還要具備較高的機(jī)械強(qiáng)度，以滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和脫凈率高的要求，實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)強(qiáng)度低的上料方式，需完成篩分機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到較高的板栗果、蓬分離潔凈度。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

本板栗脫蓬機(jī)主要針對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)合作社集約化加工需求，要求板栗加工效率高(產(chǎn)量在1 000～1 600 kg/h)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作平穩(wěn)性高，且在保證毛殼去除干凈的前提下不破壞板栗的完整性。該機(jī)器由動(dòng)力部分、傳動(dòng)系統(tǒng)、上料機(jī)構(gòu)、脫蓬機(jī)構(gòu)、篩分機(jī)構(gòu)等組成，板栗脫蓬機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 板栗脫蓬機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.風(fēng)機(jī)；2.篩分機(jī)構(gòu)；3.脫蓬機(jī)構(gòu)；4.上料機(jī)構(gòu)；5.料斗；6.機(jī)架；7.傳動(dòng)系統(tǒng)；8.動(dòng)力部分

1.2 工作原理

該機(jī)器工作時(shí)，帶蓬板栗經(jīng)上料機(jī)構(gòu)輸送到脫蓬裝置的入料口，并進(jìn)入到脫蓬機(jī)構(gòu)中，帶蓬板栗經(jīng)過(guò)輥筒與帶漏柵的箱座相互擠壓和柔性擊打的雙重作用，實(shí)現(xiàn)了板栗果、蓬的一次分離。分離后的板栗與蓬殼在重力作用下，經(jīng)過(guò)柵輥間隙落入篩分機(jī)構(gòu)中，在由往復(fù)運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)篩分機(jī)構(gòu)的振動(dòng)與風(fēng)機(jī)的雙重作用下實(shí)現(xiàn)板栗果、蓬的二次分離，脫蓬板栗經(jīng)出料口掉入收集裝置中，蓬殼可掉落地面，最終實(shí)現(xiàn)板栗果、蓬的分離作業(yè)。

2 重要部件的選型與設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)選型

電機(jī)是板栗脫蓬機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，選擇合適的電機(jī)是保證脫蓬機(jī)正常工作的前提。該機(jī)為一般農(nóng)用機(jī)械，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，且無(wú)調(diào)速要求，因此選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的鼠籠型三相異步電機(jī)。

通過(guò)計(jì)算板栗脫蓬過(guò)程中所需轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而計(jì)算出脫蓬機(jī)構(gòu)所需功率為3.26 kW，綜合考慮篩分機(jī)構(gòu)、風(fēng)機(jī)及各環(huán)節(jié)傳動(dòng)效率等因素，最終選擇額定功率為4 kW的三相異步電機(jī)，電機(jī)型號(hào)是Y-112M-4。

2.2 脫蓬機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

脫蓬機(jī)構(gòu)主要由輥筒、箱蓋、帶漏柵的箱座組成，其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，其中輥筒是板栗脫蓬機(jī)構(gòu)的核心部件，其結(jié)構(gòu)直接影響板栗脫蓬的質(zhì)量。

圖2 輥筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 箱體結(jié)構(gòu)示意圖

輥筒主要包括輥齒、輥體、內(nèi)部支撐板，通過(guò)對(duì)帶蓬板栗樣本的尺寸、板栗蓬厚度統(tǒng)計(jì)分析，以及板栗脫蓬受力計(jì)算分析，設(shè)計(jì)出輥體直徑438 mm、長(zhǎng)度800 mm的內(nèi)部中空的圓柱體；考慮該板栗脫蓬機(jī)產(chǎn)量需求和輥體性能，在輥體內(nèi)部設(shè)置金屬支撐板，以提升輥體的強(qiáng)度；為獲得良好的脫蓬效率，輥體上的輥齒采用5列螺旋式布置，每列輥齒間距定為70 mm，為使得帶蓬板栗在脫蓬機(jī)構(gòu)內(nèi)獲得充分的剝蓬時(shí)間，相鄰兩列輥齒端部首齒之間以10 mm的距離錯(cuò)開(kāi)。為減小板栗脫蓬過(guò)程中對(duì)板栗的損傷，輥齒端部采用半圓形結(jié)構(gòu)且在每個(gè)輥齒表面套上一層厚度為3 mm的軟質(zhì)橡膠套[7]。

箱體與輥筒共同構(gòu)成脫蓬機(jī)構(gòu)，其中箱蓋上開(kāi)設(shè)進(jìn)料口，箱座底部安裝漏柵，漏柵由柵桿焊接而成，為更好地使板栗在脫蓬機(jī)構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬桿采用螺紋鋼，柵桿間距在d/3～D[8]，其間距為45 mm，同時(shí)為了保證板栗脫蓬更加充分，滾筒上的輥齒頂部與漏柵柵桿之間的間距與板栗直徑比在0.55～0.77∶1之間，間距為50 mm，其中帶蓬板栗模型圖如圖4所示。

圖4 帶蓬板栗模型圖

2.3 篩分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

篩分機(jī)構(gòu)置于脫蓬機(jī)構(gòu)的正下方用于脫蓬后果、蓬的二次分離，其主要由連桿機(jī)構(gòu)、篩網(wǎng)、軸、帶座軸承和導(dǎo)向輪等零部件組成。其連桿運(yùn)動(dòng)示意圖如圖5所示。

圖5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖1.曲柄；2.連桿；3.篩網(wǎng)；4.篩網(wǎng)左極限位置；5.篩網(wǎng)右極限位置

曲柄在軸的帶動(dòng)下繞著軸心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿連接篩網(wǎng)并帶動(dòng)篩網(wǎng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)曲柄和連桿共線時(shí)，篩網(wǎng)在極限位置，兩極限位置相距：

S1=L1+L2-(L2-L1)=80 mm

(1)

式中：L1為曲柄長(zhǎng)度，40 mm；L2為連桿長(zhǎng)度，80 mm。

篩網(wǎng)以4 Hz的頻率振動(dòng)，則篩網(wǎng)在斜面上的平均運(yùn)動(dòng)速度為：

v1=S1f1=320 mm/s

(2)

篩網(wǎng)分為上下兩層，上層為矩形金屬網(wǎng)，下層為金屬板。脫蓬后為更好地將果、蓬分離，將網(wǎng)孔大小定為邊長(zhǎng)為48 mm的矩形，且篩網(wǎng)與水平面之間有5°的傾角。在篩網(wǎng)的兩側(cè)設(shè)計(jì)了由4個(gè)帶螺栓軸承構(gòu)成的篩網(wǎng)支撐件，負(fù)責(zé)支撐篩網(wǎng)和為篩網(wǎng)導(dǎo)向。同時(shí)在篩網(wǎng)下部設(shè)置一臺(tái)風(fēng)機(jī)，當(dāng)脫蓬后的果、蓬運(yùn)動(dòng)到出料口時(shí)，部分還未被完全分離的細(xì)碎板栗蓬會(huì)被風(fēng)機(jī)吹走，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二次分離。篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)主要有由V帶輪、V帶和三相異步電機(jī)等零部件共同組成，其傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 傳動(dòng)系統(tǒng)1.風(fēng)機(jī)帶輪；2.輥筒帶輪；3.振動(dòng)篩帶輪；4.V帶；5.電機(jī)帶輪

通過(guò)對(duì)V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了各傳動(dòng)對(duì)象間的V帶傳動(dòng)參數(shù)，其參數(shù)表如表1所示。

表1 各V帶傳動(dòng)參數(shù)表

2.5 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

要滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行板栗脫蓬，改變解決人工上料勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，避免傳統(tǒng)人工上料過(guò)程中由于板栗蓬破碎后飛濺出來(lái)造成的傷害，參考農(nóng)用機(jī)械帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出能夠滿(mǎn)足自動(dòng)上料、長(zhǎng)時(shí)間加工的上料機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 上料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖1.傳動(dòng)輥筒；2.料斗；3.輸送帶；4.從動(dòng)滾筒；5.菱形帶座軸承；6.張緊機(jī)構(gòu)；7.托輥擋板；8.托輥；9.上料裝置機(jī)架；10.支撐座；11.壓帶輪；12.凸緣連軸器；13.減速電機(jī)

上料機(jī)構(gòu)由水平部分和傾斜部分組成，為使上料機(jī)構(gòu)能夠平穩(wěn)運(yùn)送帶蓬板栗到達(dá)脫蓬裝置的入料口，傾角不宜過(guò)大，考慮到整機(jī)尺寸，將上料裝置傾斜部分與地面的傾角定為20°[9]。機(jī)架采用無(wú)縫方管，用24根托輥支撐輸送帶，料斗底部與輸送帶的距離設(shè)計(jì)為150 mm，使帶蓬板栗在輸送帶上堆砌的高度最高為兩層。為方便托輥的拆裝，在上料機(jī)的一側(cè)用螺栓固定與托輥等數(shù)量的托輥擋板。長(zhǎng)時(shí)間使用的輸送帶因受拉而變長(zhǎng)，因此在上料裝置上設(shè)計(jì)了一個(gè)張緊機(jī)構(gòu)。輸送帶選用PVC材質(zhì)，寬度為890 mm、總長(zhǎng)為14 201.68 mm，表面等間距地分布有14塊方形擋板。通過(guò)對(duì)輸送帶進(jìn)行受力分析，計(jì)算出輸送帶的截面應(yīng)力為1.1 MPa，遠(yuǎn)小于PVC材料的抗拉強(qiáng)度60 MPa。

3 基于Solidworks有限元分析的重要零部件校核和運(yùn)動(dòng)分析

3.1 輥筒強(qiáng)度校核

由于輥筒是脫蓬機(jī)構(gòu)的核心部件，也是整個(gè)機(jī)器受力較多、較復(fù)雜的部件，故對(duì)輥筒進(jìn)行強(qiáng)度校核?；赟olidworks建模設(shè)計(jì)，利用該軟件中的“Solidworks Simulation”插件按順序?qū)佂踩S模型進(jìn)行固定，施加外部載荷，網(wǎng)格化。

首先為模型指定材料，材料選用45鋼，有限元分析用的45鋼的屬性如表2所示。

表2 45鋼材料主要屬性表

點(diǎn)擊網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格密度滑塊移動(dòng)到最右邊(良好)，其他默認(rèn)。劃分網(wǎng)格后的三維圖如圖9所示。

圖9 輥筒三維模型網(wǎng)格化示意圖

經(jīng)軟件運(yùn)算后得到輥筒的應(yīng)力云圖(圖10)，應(yīng)變?cè)茍D(圖11)和位移云圖(圖12)。

圖10 輥筒應(yīng)力云圖

圖11 輥筒的應(yīng)變?cè)茍D

圖12 輥筒的位移云圖

通過(guò)圖10、圖11、圖12分析可知，輥筒的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變集中在輥筒軸端部支撐處，最大應(yīng)力值為24.55 MPa，小于材料的屈服力，最大應(yīng)變值為7.018×10-5，輥筒最大位移發(fā)生輥筒中部的輥齒端部，位移量為1.079×10-2mm，表明脫蓬機(jī)在脫蓬過(guò)程中由于軸端處受到的應(yīng)力和應(yīng)變較大，導(dǎo)致輥筒發(fā)生徑向偏移。由于所受應(yīng)力和應(yīng)變值及輥筒位移量均在允許范圍內(nèi)，因此滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 基于Solidworks的振動(dòng)篩網(wǎng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

振動(dòng)篩網(wǎng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的三維裝配體模型如圖13所示。

圖13 振動(dòng)篩網(wǎng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的三維裝配體模型圖1.連桿機(jī)構(gòu)連接座；2.連桿座；3.連桿；4.曲柄；5.連桿軸；6.立式帶座軸承；7.篩網(wǎng)；8.篩網(wǎng)支撐滾動(dòng)軸承

電機(jī)通過(guò)帶輪將動(dòng)力傳遞給曲柄連桿機(jī)構(gòu)，在連桿軸上安裝馬達(dá)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為240 r/min。該機(jī)構(gòu)整體受到引力的作用，因此給算例添加一個(gè)垂直于機(jī)架上表面的引力，引力加速度默認(rèn)為9.8 N/m2。通過(guò)估算可知篩網(wǎng)上栗蓬和栗果的總質(zhì)量約為15.4 kg，因此在篩網(wǎng)表面施加一個(gè)約154 N的力，方向與引力同向。通過(guò)施加條件且運(yùn)算后得到的篩網(wǎng)水平線性速度、加速度、曲柄角加速度運(yùn)動(dòng)圖解如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 篩網(wǎng)水平線性速度圖解

圖15 篩網(wǎng)水平線性加速度圖解

圖16 曲柄角加速度圖解

通過(guò)分析圖14、圖15、圖16可知，篩網(wǎng)能夠在電機(jī)帶動(dòng)下做周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不存在干涉現(xiàn)象，但從圖15、圖16加速度變化中可以看出，曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在一定沖擊，故需要增強(qiáng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中曲柄和運(yùn)動(dòng)副強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型板栗脫蓬機(jī)與市面上在售的相比較，其整體尺寸更大，輥筒與箱體間的空間要更多，一次性可對(duì)更多的帶蓬板栗進(jìn)行脫蓬，因此能適用于高產(chǎn)能加工，上料機(jī)構(gòu)料斗距地面較低，方便工人給料。輸送帶勻速運(yùn)動(dòng)，喂料均勻，不易發(fā)生堵塞，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該機(jī)器對(duì)九成熟板栗脫蓬效率和脫凈率更高，可滿(mǎn)足生產(chǎn)合作社和大型加工廠板栗脫蓬的需求，并能夠利用集約化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，節(jié)約農(nóng)民加工板栗的成本，推動(dòng)鄉(xiāng)村振興。