黃鎮(zhèn)雄，林長山，宋 爽，陳 銳，葉大鵬

(1.福建農(nóng)林大學機電工程學院，福建福州350002；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510641)

雞蛋是人類常食用的食品[1].熟雞蛋剝殼機的剝蛋輥用于雞蛋的敲擊破殼和摩擦剝殼，然而國內(nèi)目前關(guān)于剝蛋輥的研究較少，不利于熟雞蛋加工機械化的發(fā)展[2].與雞蛋破殼去殼的處理方式相似，一些農(nóng)產(chǎn)品剝殼機采用輥式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了食品外殼的去除，國內(nèi)外專家學者們對此進行了相關(guān)研究.Koyuncu et al[3]采用萬能材料試驗機對YAIVA-3核桃品種的堅果進行壓縮，結(jié)果表明初始斷裂的能量隨殼體厚度的增加而線性增加，但隨幾何平均直徑的增加而線性減??；Ledet[4]研制出多根輥軸并列形式的蝦類剝殼設備；張秀花等[5]通過響應面分析及參數(shù)優(yōu)化，得到輥式對蝦剝殼機的最佳參數(shù)組合；佟慶坦等[6]設計的花生剝殼機利用橡膠滾筒及橡膠凹板之間的間隙進行柔性剝殼；汪迎等[7]采用切割方式與搓擦方式相結(jié)合，實現(xiàn)花生自適應脫殼；季文華[8]設計一種新型核桃去核裝置，采用絞桿機構(gòu)，增大擠壓力，提高破殼成功率；李長友等[9]設計了一種集自動調(diào)整姿態(tài)、定向、去核、剝殼、分離一體聯(lián)動的荔枝去核剝殼機，實現(xiàn)在同一時刻完成送料、定位、去核、剝殼的全部作業(yè)過程.剝蛋輥結(jié)構(gòu)對于熟雞蛋剝殼機的工作效率具有重要影響，本文對其剝蛋輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)進行優(yōu)化，并利用力學試驗和動力學仿真試驗驗證其可行性.

1 熟雞蛋剝殼機的結(jié)構(gòu)與工作流程

從圖1可知，熟雞蛋剝殼機結(jié)構(gòu)主要由送料機構(gòu)、剝蛋輥組(剝蛋輥、壓蛋輥)、噴淋機構(gòu)、驅(qū)動裝置、導料機構(gòu)、儲水槽組成.剝殼輥組是剝殼機的核心部分，由壓蛋輥和剝蛋輥組成，分別用于雞蛋剝殼和碎殼，其中每條碎殼通道包括2條剝蛋輥，每條剝蛋輥上分布的凸起圓柱，用于打碎雞蛋.進行剝殼時，雞蛋由送料機構(gòu)送入剝蛋輥組的工作區(qū)，驅(qū)動裝置通過帶動相鄰剝蛋輥反向轉(zhuǎn)動將雞蛋擊碎，橡膠包裹的壓蛋輥通過摩擦將雞蛋殼剝下.壓蛋輥通過螺栓裝在弓形支座上，通過彈簧調(diào)節(jié)增加雞蛋與剝蛋輥的貼合程度，提高破殼率.

圖1 熟雞蛋剝殼機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cooked egg sheller

2 測定方法

2.1 熟雞蛋力學特性

為了確定熟雞蛋破殼所需的最大載荷，進行力學特性試驗.試驗材料為2017年4月28日購于福州市倉山區(qū)永輝超市的普通鮮雞蛋.按照質(zhì)量高低將雞蛋分為3個組別，48～56.25 g為小雞蛋，56.25～66.25 g為中雞蛋，66.25～76.60 g為大雞蛋.將熟雞蛋水平放置或豎直放置在試驗臺的雞蛋支撐裝置，分別以雞蛋的大頭、小頭、中間位置作為受力接觸面[10]，進行不同沖壓速度的壓縮試驗，并輸出雞蛋所受的壓力變形曲線，包括最大載荷和擠壓距離數(shù)據(jù).每組測試重復5次[11]，記錄試驗數(shù)據(jù).從圖2可知，在壓縮過程中將雞蛋置于雞蛋支撐裝置上，底座固定在試驗平臺上，通過壓縮傳感器對雞蛋進行加載，直到雞蛋小頭部分破碎.

圖2 熟雞蛋力學特性試驗Fig.2 Experiment on the mechanical property of cooked eggs

2.2 剝蛋輥的Adams仿真分析

剝蛋輥分為碎殼段和剝殼段，剝殼段材質(zhì)為橡膠.剝蛋輥兩兩組合在一起工作，碎殼段與剝殼段的長度設計、碎殼段凸起的圓柱尺寸、剝殼段凹槽深度、轉(zhuǎn)速均對雞蛋剝殼效果產(chǎn)生影響.選質(zhì)量約為50 g的雞蛋進行試驗，碎殼段軸的直徑均為50 mm，試驗方案如表1所示.

表1 剝蛋輥可行性試驗方案Table 1 Feasibility test of egg sheller roller

3 結(jié)果與分析

3.1 熟雞蛋力學特性試驗

將三因素三水平試驗數(shù)據(jù)取平均值[12]，結(jié)果如表2所示，Y表示使雞蛋小頭部分破碎所需的力.對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到?jīng)_壓速度、雞蛋大小、擠壓部位的回歸方程.

表2 不同部位加載試驗數(shù)據(jù)Table 2 Average force for breaking different positions of an egg

3.2 方差分析

通過Design-Expert得到熟雞蛋碎殼力與不同操作參數(shù)之間的關(guān)系，擬合模型的方差分析結(jié)果，采用二次方程模型進行響應面分析.對二次多項式模型及模型中各項影響因素的置信度進行分析，結(jié)果(表3)表明利用二次多項式模型擬合試驗數(shù)據(jù)，效果顯著，其中，擠壓部位的平方和對雞蛋剝殼的作用力影響最大.回歸模型如下式：

式中，X1表示沖壓速度，X2表示雞蛋大小，X3表示擠壓部位.

表3 二次方模型置信度分析1)Table 3 Quadratic model analysis of confidence degree

3.3 碎殼效果的響應面分析

圖3～5給出了沖壓速度、雞蛋大小、擠壓部位三因素之一取某一固定水平時，其他兩因素對Y值的影響，同時改變X1取值，形成縱向?qū)Ρ?在試驗范圍內(nèi)，雞蛋大小坐標軸方向曲線基本上是一次函數(shù)，從X1＝-1至1逐漸降低，說明小雞蛋比大雞蛋能承受更大壓力；擠壓部位坐標軸方向曲線呈二次函數(shù)關(guān)系，從X1＝-1至1，即從小端到中部再到大端過程中，力逐漸降低又升高，X1＝-1的值略大于X1＝1的值.說明雞蛋縱向比橫向承受更大壓力，且小端比大端承受更大壓力.通過調(diào)節(jié)速度按鈕，結(jié)果表明速度對于雞蛋承受壓力的影響并不大，基本上還是由雞蛋的大小和位置決定的.雞蛋殼破碎的最大力為48.8 N.

圖3 三維關(guān)系圖(X1=-1)Fig.3 3D relationship diagram(X1＝-1)

3.4 剝蛋輥的Adams仿真試驗

轉(zhuǎn)速為120 r·min-1時雞蛋所受的力矩如圖6a所示.從圖6a可知，JD3曲線峰值為0.26～0.64 N·m-1，其余的雞蛋曲線都呈現(xiàn)較低的值.雞蛋受力為7.32～18.57 N.轉(zhuǎn)速為200 r·min-1時雞蛋所受的力矩如圖6b所示.從圖6b可知，JD3曲線峰值為0.75～1.70 N·m-1，其余的雞蛋曲線都呈現(xiàn)較低的值.雞蛋受力為21.43～48.57 N，且轉(zhuǎn)速為208 r·min-1時雞蛋所受的力矩如圖6c所示.從圖6c可知，JD3曲線峰值為1.54～4.50 N·m-1，其余的雞蛋曲線都呈較低的值.雞蛋受力為44.00～128.57 N.

對比3組試驗，3號剝蛋輥對雞蛋產(chǎn)生一定的力矩，但1、2、4號剝蛋輥產(chǎn)生的力矩比較小.3種轉(zhuǎn)速的結(jié)果相似.3號剝蛋輥能產(chǎn)生足夠的敲擊力，因此選擇3號剝蛋輥作為熟雞蛋剝殼機的剝蛋輥.剝蛋輥長度為1 000 mm，碎殼段長度600 mm，剝殼段長度400 mm，碎殼段圓柱突起半徑10 mm，剝殼段凹槽深度5 mm.設置3種轉(zhuǎn)速，得到的3個區(qū)間敲擊力分別為7.32～18.57 N、21.43～48.57 N和44.00～128.57 N.第3組試驗獲得的敲擊力滿足雞蛋蛋殼的最大抗載載荷(48.8 N)，因此選定剝蛋輥轉(zhuǎn)速為208 r·min-1.

圖4 三維關(guān)系圖(X1=0)Fig.4 3D relationship diagram(X1＝0)

圖5 三維關(guān)系圖(X1=1)Fig.5 3D relationship diagram(X1＝1)

圖6 不同轉(zhuǎn)速下雞蛋的力矩曲線Fig.6 Moment curves of eggs under different rotational speeds

4 小結(jié)

碎殼效果的響應面分析結(jié)果表明：小雞蛋比大雞蛋能夠承受更大的壓力，雞蛋縱向承受的壓力比橫向大，并且小端承受的壓力比大端大；速度對雞蛋承受壓力的影響小，雞蛋的大小和位置是雞蛋承受壓力大小的決定因素；雞蛋破殼所需的最大力為48.8 N.通過仿真試驗優(yōu)化，確定剝蛋輥長為1 000 mm，碎殼段長為600 mm，剝殼段長為400 mm，碎殼段軸的直徑為50 mm，凸起的圓柱半徑為10 mm，剝殼段凹槽深度為5 mm，轉(zhuǎn)速為208 r·min-1.