范海燕

王 濤

吳 迪

何曉帆

(海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

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橡膠果碾搓式脫殼試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

范海燕

王 濤

吳 迪

何曉帆

(海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

試驗(yàn)機(jī)裝置主要由驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)、碾搓單元、控制電機(jī)自動(dòng)正反轉(zhuǎn)的電器元件、機(jī)架等組成。采用往復(fù)式摩擦、擠壓的原理使橡膠果在摩擦力和擠壓力的雙重作用下實(shí)現(xiàn)殼仁分離。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)工作性能良好，操作簡(jiǎn)便，脫殼率可達(dá)到78.3%，可進(jìn)行橡膠果脫殼效果試驗(yàn)和破殼機(jī)理的研究。該裝置可為研制高效率低損傷的橡膠果脫殼機(jī)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

橡膠果；脫殼裝置；碾搓

橡膠樹廣泛種植于海南、廣東、廣西、福建、云南和臺(tái)灣[1]。橡膠果為橡膠樹的果實(shí)，屬堅(jiān)果類，呈卵圓形， 殼硬且圓滑，褐色并帶有銀灰色斑紋，是天然橡膠種植業(yè)的副產(chǎn)品之一[2]。其果仁壓榨取油后的餅粕中粗蛋白含量可達(dá)25%～30%，是一種高品質(zhì)飼料蛋白源。此外，Ramadhas等[3]還發(fā)現(xiàn)橡膠果中的油與柴油機(jī)混合后可形成一種新的內(nèi)燃機(jī)燃料，對(duì)燃料短缺問題的解決有所幫助。K.N.Unni等[4]發(fā)現(xiàn)廉價(jià)的橡膠籽粉可以有效地用于生產(chǎn)一種昂貴的脂肪酶，其效果超過椰子與花生仁。中國橡膠果資源來源廣泛且價(jià)格低廉，為充分利用橡膠果作為農(nóng)副產(chǎn)品的價(jià)值，對(duì)其進(jìn)行高效脫殼便是挖掘其價(jià)值的關(guān)鍵一步。

常見的堅(jiān)果機(jī)械脫殼方法包括撞擊法、搓擦法、剪切法、碾搓法等。國內(nèi)外學(xué)者曾運(yùn)用這些方法設(shè)計(jì)過許多堅(jiān)果脫殼機(jī)械。如唐湘等[5]采用撞擊、搓擦原理設(shè)計(jì)出油茶果脫殼機(jī)，該機(jī)運(yùn)用立式甩盤對(duì)油茶果進(jìn)行撞擊，使其果殼破裂，然后使用脫殼室內(nèi)齒圈對(duì)果子進(jìn)行搓擦脫殼；但由于立式甩盤對(duì)油茶果的撞擊力較大，油茶果果仁破損率也較高。Bundit Jarimopas等[6]設(shè)計(jì)了一種檳榔剝殼機(jī)械，該機(jī)包含有上下并聯(lián)的兩個(gè)脫殼輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)，當(dāng)堅(jiān)果通過第一個(gè)脫殼輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)的時(shí)候，堅(jiān)果殼破裂；通過第二個(gè)脫殼輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)果殼和果實(shí)進(jìn)一步分離。試驗(yàn)表明此機(jī)可以達(dá)到較好的分離效果，但是當(dāng)檳榔的含水率大于6.31%時(shí)脫殼效果不佳。朱立學(xué)等[7]曾定義碾搓法是通過物料子粒在運(yùn)動(dòng)摩片和固定摩片之間受到強(qiáng)烈的碾搓作用，使子粒的外殼被撕裂而脫殼的方法。并設(shè)計(jì)一款碾搓式銀杏脫殼機(jī)，其碾搓部分由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)的動(dòng)碾搓盤和固定的定碾搓盤組成。試驗(yàn)表明其脫殼效果較好，整仁率高。劉平等[8]曾設(shè)計(jì)一種碾搓式葵花籽脫殼機(jī)，碾搓部分由轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輥和固定的齒板構(gòu)成，試驗(yàn)表明經(jīng)此裝置脫殼后堅(jiān)果整仁率較高。但由于碾搓間隙不能連續(xù)調(diào)整而無法對(duì)所有尺寸的葵花籽進(jìn)行脫殼。

綜上所述，國內(nèi)外對(duì)堅(jiān)果脫殼機(jī)械的研究多采用碾搓原理，但是缺乏對(duì)碾搓式脫殼過程及破殼機(jī)理的試驗(yàn)研究，尤其缺少針對(duì)橡膠果的碾搓式脫殼機(jī)理的討論。本研究擬設(shè)計(jì)一種碾搓式橡膠果單體脫殼試驗(yàn)機(jī)，該裝置可用于研究摩擦板面材料、擠壓壓力和摩擦速度等因素對(duì)其脫殼效率的影響。

1 試驗(yàn)機(jī)的組成與工作原理

1.1 試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)

橡膠果脫殼試驗(yàn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)見圖1。其電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，使安裝于齒條座13上的摩擦板10做直線運(yùn)動(dòng)，通過行程開關(guān)5、接觸器等元件可控制摩擦板10自動(dòng)進(jìn)行左右往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使得摩擦板10可以對(duì)放置于摩擦槽7中的橡膠果進(jìn)行碾搓。

碾搓單元由摩擦板10和摩擦槽7組成。摩擦板10通過兩個(gè)角碼11固定在齒條座13上，使得摩擦板10可以較容易地被拆卸，方便后續(xù)試驗(yàn)對(duì)摩擦板面材料的更換。液壓千斤頂8頂在與摩擦槽7連接的壓力傳感器17上。顯示器14用于顯示千斤頂8對(duì)摩擦槽7施加的壓力數(shù)值。電機(jī)2配有的帶指示數(shù)值的調(diào)速器3，可對(duì)電機(jī)2轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。配電箱1中則安裝有接觸器、空氣開關(guān)等控制元件。

機(jī)架16包括三根與底板螺栓連接的槽鋼和焊接在底板上的兩根摩擦槽導(dǎo)柱9以及支撐電機(jī)的電機(jī)架板。摩擦槽導(dǎo)柱9主要用于限制摩擦槽的自由度，使其僅能夠沿豎直方向運(yùn)動(dòng)。該導(dǎo)柱可保證在摩擦過程中摩擦板10不發(fā)生傾斜，使得摩擦板10對(duì)橡膠果殼施加的力更加均勻。

1. 配電箱 2. 單相電機(jī) 3. 電機(jī)調(diào)速器 4. 導(dǎo)軌 5. 行程開關(guān) 6. 止推環(huán) 7. 摩擦槽 8. 液壓千金頂 9. 摩擦槽導(dǎo)柱 10. 摩擦板 11. 角碼 12. 齒條 13. 齒條座 14. 壓力數(shù)值顯示器 15. 滑塊 16. 機(jī)架 17. 壓力傳感器 18. 齒輪 19. 凸緣聯(lián)軸器

圖1 橡膠果脫殼試驗(yàn)機(jī)三維圖

Figure 1 Three-dimensional drawing of rubber fruit

test sheller

1.2 工作原理

該裝置對(duì)橡膠果進(jìn)行脫殼前先將千斤頂降到最低點(diǎn)，將橡膠果放進(jìn)摩擦槽7里。之后升起千斤頂8活塞，使摩擦槽沿著導(dǎo)柱9上升。千斤頂8活塞頂端與壓力傳感器14相接觸，傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)出摩擦板10對(duì)橡膠果的正壓力，可方便地監(jiān)測(cè)和調(diào)整正壓力數(shù)值。當(dāng)橡膠果所受正壓力達(dá)到預(yù)定值后擰緊止推環(huán)6頂絲。此步驟的作用是避免碾搓過程中摩擦槽7和導(dǎo)柱9間因存在配合間隙而晃動(dòng)。最后通過調(diào)速器3調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)電機(jī)2，機(jī)器開始運(yùn)行并對(duì)果殼進(jìn)行碾搓。

由于脫殼試驗(yàn)多采用干燥后的橡膠果，受力分析時(shí)可將其近似看成是剛性材料，橡膠果兩端分別受到摩擦板的擠壓力F1和摩擦槽的支持力F2，若擠壓應(yīng)力超過橡膠果殼破裂的強(qiáng)度極限時(shí)，果殼會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至破碎。橡膠果在摩擦板平動(dòng)的作用下，其頂部接觸處受到一個(gè)向前的摩擦力f1,其底部受到摩擦槽作用的向后的摩擦力f2，產(chǎn)生力矩T使得橡膠果向前做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)受力F1、F2的作用使橡膠果殼破碎。橡膠果被碾搓時(shí)的受力分析見圖2。

1. 摩擦板 2. 橡膠果 3. 摩擦槽圖2 橡膠果受力分析Figure 2 Stress analysis of rubber fruit

2 關(guān)鍵部件的選取與設(shè)計(jì)

2.1 控制電路的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)由主電路和控制電路組成，其設(shè)計(jì)使得試驗(yàn)機(jī)器的自動(dòng)化程度大大提高。KM1的常開觸點(diǎn)接入單相電機(jī)的正轉(zhuǎn)回路，KM2的常開觸點(diǎn)接入電機(jī)的反轉(zhuǎn)回路。工作原理是：當(dāng)空氣開關(guān)閉合后按壓?jiǎn)?dòng)按鈕SB1，接觸器KM1線圈得電并吸合，電機(jī)正轉(zhuǎn)。同時(shí)，KM1自鎖觸點(diǎn)閉合。當(dāng)行程開關(guān)SQ2被觸動(dòng)后，KM2線圈及其自鎖觸點(diǎn)得電，電機(jī)反轉(zhuǎn)。在按動(dòng)停止按鈕SB3后，電機(jī)停止運(yùn)行。本電路中配有正反轉(zhuǎn)互鎖機(jī)制用于保證電機(jī)不會(huì)發(fā)生因正反轉(zhuǎn)回路同時(shí)被接通所導(dǎo)致的短路的危險(xiǎn)。此外，該控制電路還裝有溫度保護(hù)開關(guān)WK1。此種常閉開關(guān)安裝在電機(jī)的機(jī)殼上。當(dāng)電機(jī)機(jī)殼溫度過高時(shí)開關(guān)斷開，從而保證電機(jī)不會(huì)因溫度過高而損壞。

主電路圖見圖4，CM為正轉(zhuǎn)回路輸入端，CCW為反轉(zhuǎn)回路輸入端，COM為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)回路輸出端。當(dāng)KM1接觸器的常開觸點(diǎn)閉合后，電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，當(dāng)KM2接觸器的常開觸點(diǎn)閉合后，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖3 控制電路圖Figure 3 Control circuit diagram

圖4 主電路圖Figure 4 Main circuit diagram

2.2 電機(jī)型號(hào)的選取

碾搓式橡膠果脫殼機(jī)在運(yùn)行時(shí)的主要消耗功率為摩擦板對(duì)橡膠果外殼所施加的摩擦力做的功率。因此，電機(jī)所提供的功率應(yīng)大于該摩擦力所做的功。由此可知，需計(jì)算摩擦力相對(duì)于齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力矩才可確定所需電機(jī)的功率。

根據(jù)研究可知橡膠果果殼的破碎力約為800 N，橡膠果殼的摩擦系數(shù)最大約為0.4[9]。因此可確定磨碎果殼所需的摩擦力大約為320 N。則該摩擦力相對(duì)于齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力矩為：

T=f×L，

(1)

式中：

T——摩擦力相對(duì)于齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力矩，N·m；

f——橡膠果殼對(duì)摩擦板的摩擦力，N；

L——橡膠果對(duì)摩擦板的摩擦點(diǎn)與齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離，L=100 mm。

將數(shù)據(jù)代入式(1)，得：T=32 N·m。

根據(jù)式(1)估算出電機(jī)所需提供的功率為：

(2)

式中 ：

P——電機(jī)所需功率，W；

T——摩擦力相對(duì)于齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力矩，N·m；

n——電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，n=35 r/min。

將數(shù)據(jù)代入式(2)，得：P≈117 W。

考慮到導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力以及電機(jī)減速器的機(jī)械損耗，選擇額定功率為200 W的單相交流減速電機(jī)。電機(jī)型號(hào)為7GU-40K，具體參數(shù)為：額定功率200 W；額定電壓220 V；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 400 r/min；減速器減速比1∶40；調(diào)速方式為無極調(diào)速。

2.3 齒輪齒條參數(shù)的選取

齒輪齒條機(jī)構(gòu)主要用于傳遞電機(jī)輸出的扭矩，并將其輸出軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。齒輪齒條機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的主要阻力為橡膠果對(duì)摩擦板的摩擦力320 N，根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度以及齒面磨損疲勞強(qiáng)度可確定齒輪與齒條的模數(shù)m=2.5，齒寬D=25 mm，齒輪齒數(shù)z=40。

2.4 導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)參數(shù)的選取

導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)所受載荷主要是橡膠果對(duì)摩擦板的壓力F和零件重力G所產(chǎn)生的力矩，其受力分析見圖5。摩擦板6所受最大正壓力Fmax=800 N，齒條3、齒條座4、摩擦板6和角碼5的重力之和G=50 N(假設(shè)重心在摩擦板處)，因此滑塊1所受的最大扭矩Mr為：

Mr=∑F×L1=(Fmax+G)×L1，

(3)

式中:

Mr——滑塊所受的最大扭矩，N·m；

∑F——摩擦板所受最大正壓力與各零件重力的矢量和，N；

Fmax——摩擦板所受最大正壓力,N；

G——齒條、齒條座、摩擦板和角碼的重力之和,N；

L1——摩擦板在摩擦橡膠果過程中的受力點(diǎn)與導(dǎo)軌間的距離，L1=180 mm。

1. 滑塊 2. 導(dǎo)軌 3. 齒條 4. 齒條座 5. 角碼 6. 摩擦板 7. 橡膠果

圖5 導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)受力分析圖

Figure 5 The stress of the guide rail slider mechanism analysis diagram

將數(shù)據(jù)代入式(3)，得：Mr=135 N·m。

根據(jù)式(3)可確定導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)的型號(hào)為HGH-30CA。主要參數(shù)：額定動(dòng)載荷38.74 kN；額定靜載荷52.19 kN；額定力矩Mr為660 N·m。

2.5 碾搓單元的設(shè)計(jì)

摩擦板3與摩擦槽4組成的碾搓單元，是為了碾搓橡膠果使其脫殼，實(shí)現(xiàn)殼仁分離。將橡膠果放入摩擦槽4后啟動(dòng)機(jī)器。摩擦板3在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做左右往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，橡膠果被脫殼。碾搓過程示意圖見圖6。該機(jī)的摩擦板通過兩個(gè)角碼2與摩擦板架1相連，可隨時(shí)更換不同材質(zhì)的摩擦板以研究不同摩擦系數(shù)的摩擦材料對(duì)橡膠果脫殼率的影響。

1. 摩擦板架 2. 角碼 3. 摩擦板 4. 摩擦槽圖6 碾搓過程示意圖Figure 6 Extrusion-grind process diagram

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

2016年3月于海南大學(xué)進(jìn)行脫殼試驗(yàn)樣機(jī)的運(yùn)行試驗(yàn)研究。橡膠果：經(jīng)過自然風(fēng)干1年，含水率約為12.5%，寬為19.2～20.2 mm，高為18.0～19.0 mm。分成4組進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取其平均值，每次試驗(yàn)樣本為10個(gè)橡膠果。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)際生產(chǎn)的需要，將橡膠果的脫殼率作為試驗(yàn)結(jié)果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。脫殼率[10]：

(4)

式中：

T——橡膠果的脫殼率，%；

M1——放入的橡膠果總質(zhì)量，g；

M2——未脫殼橡膠果質(zhì)量，g；

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

表1試驗(yàn)結(jié)果表明：運(yùn)用碾搓法對(duì)橡膠果脫殼是可行的，該試驗(yàn)機(jī)可以對(duì)橡膠果的脫殼率進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)碾搓式脫殼機(jī)機(jī)理深入研究起到幫助。

4 結(jié)論

(1) 該試驗(yàn)機(jī)是機(jī)電一體化試驗(yàn)機(jī)器，制造成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，碾搓部分由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)的摩擦板和僅能夠沿垂直方向運(yùn)動(dòng)的摩擦槽組成。其間隙可以通過千斤頂實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變，滿足對(duì)所有尺寸的橡膠果的碾搓脫殼。工作性能良好，可為高效碾搓式脫殼機(jī)械的研制提供參考。

(2) 試驗(yàn)證明該機(jī)可以通過更換不同材料的摩擦板，調(diào)節(jié)調(diào)速器和千斤頂而選擇不同的摩擦速度和擠壓壓力，研究橡膠果的脫殼試驗(yàn)效果。為后續(xù)更深層次的研究碾搓式脫殼機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

表1 性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The performance test results

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Design of extrusion-grind rubber fruit test sheller

FAN Hai-yan

WANGTao

WUDi

HEXiao-fan

(InstituteofElectricalandMechanicalEngineering,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China)

A test sheller for rubber fruit was designed and manufactured according to the principle of extrusion-grind, and it consisted of units of driving and extrusion-grind, the lectrical elements for realizing automatic clockwise and anti-clockwise running of motors, and the frame, etc. Adopting the principle of reciprocating friction and extrusion, the fruit shells were separated under the dual of friction and extrusion pressure. Our results showed that the device could perform well and was, easy to operate, especially, the hulling rate could reach 78.3% by using it. Thus this sheller could be utilized in researches on effects and the mechanism of rubber fruit shelling. The device provides the technological base for the research of high efficiency and low damage rubber fruit sheller.

rubber fruit; shelling device; extrusion-grind

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51465015)

范海燕，女，海南大學(xué)在讀本科生。

王濤(1980—)，男，海南大學(xué)副教授，碩士。 E-mail：gxdxyjs@163.com

2016—10—31

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.014