徐諧慶 丁為民 張萬(wàn)里 劉木華

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南昌 330045)

0 引言

蓮子為睡蓮科植物的果實(shí)，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，既可食用也可藥用，廣泛種植于我國(guó)南方地區(qū)[1]。蓮子呈橢球形結(jié)構(gòu)，主要由蓮殼、蓮仁、蓮皮、蓮芯等構(gòu)成，蓮殼包裹在蓮仁外面，蓮皮緊緊附著在蓮仁表面，蓮芯則長(zhǎng)在蓮仁內(nèi)部。通芯白蓮主要加工工序包括蓮子脫篷、剝殼、去皮、通芯、干燥等[2]，其中去皮工序尤為費(fèi)時(shí)，手工去皮費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以滿足生產(chǎn)需求。蓮子當(dāng)天采收、當(dāng)天烘干品質(zhì)最好。市場(chǎng)上因缺乏鮮蓮子去皮設(shè)備而減少了種蓮收入。因此，研制一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的鮮蓮子去皮機(jī)對(duì)提高農(nóng)民種蓮收入有著重要意義。

有研究者對(duì)蓮子的外形尺寸及力學(xué)特性進(jìn)行了研究[3-5]，為設(shè)計(jì)蓮子加工機(jī)械設(shè)備提供了參數(shù)依據(jù)。蓮子主要種植于中國(guó)，國(guó)外對(duì)蓮子加工機(jī)械的研究較少。目前，對(duì)果蔬去皮的主流方法有摩擦去皮法[6-9]、化學(xué)去皮法[10-14]、高壓蒸汽去皮法[15-18]、水射流去皮法。摩擦去皮法利用摩擦的原理將果蔬表皮去掉，該方法容易使蓮子表面受到微觀損傷，烘干后影響色澤，因此并未大量推廣。化學(xué)去皮法是將果蔬置于較高溫度的堿液中浸泡，利用化學(xué)反應(yīng)達(dá)到表皮分離的目的。相關(guān)研究表明，采用化學(xué)法去皮容易改變果蔬的表皮顏色，從而影響蓮子烘干后的口感及色澤。高壓蒸汽去皮法應(yīng)用于果蔬去皮具有較好的效果，但高溫蒸汽容易將果肉表面層熟化，而且熟化層通常超過(guò)3 mm，而蓮子顆粒較小，可能導(dǎo)致蓮子熟化從而影響品質(zhì)。針對(duì)水射流去皮技術(shù)，黃文祿等[19]研究了水射流壓力及滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)蓮子去皮效果的影響，研究表明，蓮子去皮的水射流壓力通常為0.5～0.65 MPa。曹志強(qiáng)[20]發(fā)明了一種基于水射流去皮的蓮子剝殼脫皮一體機(jī)，該機(jī)采用一種往復(fù)滑動(dòng)式刀片進(jìn)行切殼，再利用擺動(dòng)的水射流對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)的蓮子去皮，機(jī)器的脫殼率為95%左右，去皮率為92%左右，損傷率低于3%，加工后的蓮子品質(zhì)與手工相差無(wú)異，但是該機(jī)對(duì)脫殼后未去皮的蓮子不能重復(fù)加工，一臺(tái)機(jī)器通常還需要配套2～6人進(jìn)行手工去皮。隨著蓮子剝殼技術(shù)的不斷成熟[21-25]，多數(shù)中小型農(nóng)戶采用蓮子剝殼機(jī)剝殼后再用手工去皮。而市場(chǎng)上尚未有專門針對(duì)鮮蓮子去皮、且技術(shù)成熟的機(jī)械設(shè)備。綜合比較果蔬去皮的各類方法，采用水射流去皮可以得到與手工加工相差無(wú)異的果蔬品質(zhì)。因此本文設(shè)計(jì)一款基于水射流去皮方法、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的鮮蓮子去皮機(jī)，該機(jī)對(duì)脫殼后的蓮子可進(jìn)行二次或者多次重復(fù)去皮，從而減少手工作業(yè)，提高去皮效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)指標(biāo)

鮮蓮子去皮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、進(jìn)料裝置、夾持裝置、去皮裝置、擋水裝置和出料裝置等。作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)機(jī)器開(kāi)始按鈕，蓮子倒入主料斗，然后滑入進(jìn)料裝置，進(jìn)料裝置上的進(jìn)料滾輪使得蓮子逐個(gè)分離并通過(guò)進(jìn)料溜槽落入夾持裝置，去皮裝置上噴嘴噴出的水射流直擊在蓮子表面，蓮子被約束在夾持裝置內(nèi)，夾持裝置驅(qū)動(dòng)蓮子繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，蓮子在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中結(jié)合水射流沖擊從而完成整個(gè)去皮過(guò)程，完成去皮后，擋水裝置將噴嘴噴出的水射流擋住，去皮滾輪旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置時(shí)蓮子自動(dòng)落入去皮滾輪的卸料孔中從而完成卸料，與此同時(shí)，下一個(gè)蓮子立即進(jìn)入夾持裝置中，蓮子調(diào)整好姿態(tài)后擋水裝置落下，噴嘴噴出的水射流再次擊打在待去皮蓮子表面，從而保證機(jī)器循環(huán)連續(xù)作業(yè)，加工過(guò)程中廢水、掉落的蓮子及蓮子皮通過(guò)回收槽統(tǒng)一收集。由于缺乏相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為滿足農(nóng)戶使用要求，擬定的鮮蓮子去皮機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 鮮蓮子去皮機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Design index of fresh lotus seed peeling machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)路線

設(shè)計(jì)的鮮蓮子去皮機(jī)傳動(dòng)路線如圖2所示，電機(jī)通過(guò)三角帶帶動(dòng)水泵運(yùn)行，水泵上的附加帶輪再通過(guò)三角帶帶動(dòng)中轉(zhuǎn)軸運(yùn)行，中轉(zhuǎn)軸通過(guò)鏈條同時(shí)帶動(dòng)軟膠軸和擺輪擺桿軸運(yùn)行，并且中轉(zhuǎn)軸通過(guò)另外一根鏈條帶動(dòng)進(jìn)料軸運(yùn)行，進(jìn)料軸再通過(guò)鏈條帶動(dòng)滾輪軸運(yùn)行，滾輪軸通過(guò)兩個(gè)凸輪分別驅(qū)動(dòng)擋水板組件以及擺輪擺桿組件運(yùn)行，從而完成了整個(gè)傳動(dòng)過(guò)程。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，通過(guò)理論計(jì)算得到滾輪軸的理論轉(zhuǎn)速為62.3 r/min，而通過(guò)轉(zhuǎn)速儀器測(cè)量實(shí)際轉(zhuǎn)速為60.5 r/min，與理論值有微小的差異，這可能是帶輪直徑偏差造成的，滾輪軸每旋轉(zhuǎn)一圈加工一個(gè)蓮子，因此滾輪軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了加工效率。

2.2 進(jìn)料裝置設(shè)計(jì)

進(jìn)料裝置主要由主料斗、副料斗、振動(dòng)裝置、進(jìn)料滾輪和進(jìn)料溜槽等組成，主料斗通過(guò)螺栓安裝在機(jī)體上(如圖1所示)，主料斗的安裝高度可以上下調(diào)整，從而可以調(diào)整主料斗和副料斗之間的間距。除去主料斗的進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，副料斗通過(guò)3個(gè)支撐腳安裝在副料斗支撐架上，振動(dòng)電機(jī)的偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，在離心力的作用下，支撐腳產(chǎn)生形變從而使得整個(gè)副料斗及其組件產(chǎn)生細(xì)微振動(dòng)，振動(dòng)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致，振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)速器調(diào)整，正常狀態(tài)下轉(zhuǎn)速在1 500 r/min左右時(shí)即可穩(wěn)定進(jìn)料，也就是振動(dòng)頻率為25 Hz為較佳的狀態(tài)，副料斗呈圓柱形，安裝時(shí)與水平面呈微小的夾角并且保證副料斗下料口為低點(diǎn)，有利于增加蓮子進(jìn)入下料口的概率，副料斗下料口采用不銹鋼材質(zhì)并彎曲成弧形結(jié)構(gòu)便于蓮子順利下料，副料斗下料口的上端采用柔軟的毛氈塊作為夾層并通過(guò)副料斗下料口蓋板以及螺栓螺母壓緊，毛氈塊的作用是保護(hù)蓮子不受到損傷。蓮子在副料斗振動(dòng)的狀態(tài)下均勻地進(jìn)入副料斗下料口，進(jìn)料滾輪的凹孔形狀設(shè)計(jì)為由淺至深且中間呈弧形結(jié)構(gòu)，凹孔的深度能容納一個(gè)較大的蓮子(設(shè)計(jì)參數(shù)為17 mm)，隨著進(jìn)料滾輪旋轉(zhuǎn)蓮子與進(jìn)料滾輪的弧面接觸，在摩擦力的作用下蓮子調(diào)整到臥式姿態(tài)即蓮子長(zhǎng)軸線方向與進(jìn)料滾輪軸線方向平行，當(dāng)進(jìn)料滾輪的凹孔剛好轉(zhuǎn)到副料斗下料口的出口位置時(shí)，蓮子逐漸進(jìn)入凹孔的內(nèi)部，隨著進(jìn)料滾輪的旋轉(zhuǎn)最終在重力的作用下直接落入進(jìn)料溜槽，最終進(jìn)入到夾持裝置中。

振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的離心力計(jì)算公式為

Fc=mω2r

(1)

其中

ω=2πn/60

式中Fc——單個(gè)偏心塊產(chǎn)生的離心力，N

m——偏心塊質(zhì)量，kg

ω——偏心塊角速度，rad/s

r——偏心塊質(zhì)心到中心的距離，m

n——偏心塊轉(zhuǎn)速，r/min

偏心塊的模型如圖4所示，利用Creo中的質(zhì)量屬性功能測(cè)得偏心塊質(zhì)量m=49.8 g，r=0.008 7 m。取n=1 500 r/min，并將偏心塊的參數(shù)代入式(1)可得Fc=1.068 N，本文采用的是雙頭振動(dòng)電機(jī)，其產(chǎn)生的總離心力為2.176 N。在偏心塊的激振作用下，偏心塊產(chǎn)生的離心力與運(yùn)動(dòng)方向相切，偏心塊旋轉(zhuǎn)過(guò)程中離心力的方向也隨之發(fā)生周期性變化，因此作用在副料斗上的作用力也會(huì)發(fā)生周期性變化，副料斗通過(guò)螺栓緊固安裝在支撐腳上，支撐腳產(chǎn)生變形從而驅(qū)動(dòng)副料斗組件來(lái)回?cái)[動(dòng)，擺動(dòng)的幅度通常不超過(guò)3 mm，通過(guò)改變后面的兩根支撐腳的角度則可以調(diào)節(jié)整個(gè)支撐腳在Y軸(以圖4坐標(biāo)為參考)方向上的剛度，從而可以調(diào)節(jié)副料斗組件的擺動(dòng)幅度，而振動(dòng)頻率與振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相關(guān)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)可知穩(wěn)定進(jìn)料的頻率通常需要大于25 Hz，通過(guò)轉(zhuǎn)速儀測(cè)得振動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2 332 r/min，因此將調(diào)速器調(diào)到最大振動(dòng)頻率(38.9 Hz)，相應(yīng)地轉(zhuǎn)速增加振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的離心力也會(huì)增加，振動(dòng)力加大容易造成噪聲增加以及振動(dòng)電機(jī)使用壽命減小，因此通常狀態(tài)下振動(dòng)電機(jī)的頻率調(diào)整為25～30 Hz，轉(zhuǎn)速為1 500～1 800 r/min。

2.3 夾持裝置設(shè)計(jì)

夾持裝置如圖5所示。夾持裝置的夾持區(qū)間主要由去皮滾輪、軟膠軸套、擺輪擺桿軸套合圍而成，軟膠軸套套裝在軟膠軸上并隨著軟膠軸旋轉(zhuǎn)，去皮滾輪套裝在滾輪軸上并隨著滾輪軸旋轉(zhuǎn)，擺輪擺桿軸套套裝在擺輪擺桿軸上并隨著擺輪擺桿軸旋轉(zhuǎn)，擺輪擺桿軸由萬(wàn)向聯(lián)軸器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，擺輪擺桿軸安裝在擺輪擺桿上并且可以繞著支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，彈簧一端掛接在擺輪擺桿的一端，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力從而達(dá)到壓緊蓮子的目的。擺輪擺桿驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)凸輪帶動(dòng)，擺輪擺桿驅(qū)動(dòng)裝置向上運(yùn)動(dòng)時(shí)頂起擺輪擺桿組件，進(jìn)料溜槽內(nèi)的蓮子則可以順利進(jìn)入到夾持裝置中，擺輪擺桿驅(qū)動(dòng)裝置向下回位時(shí)，擺輪擺桿在彈簧彈力的作用下自動(dòng)回位并將蓮子壓緊，壓緊蓮子時(shí)擺輪擺桿驅(qū)動(dòng)裝置的軸承與擺輪擺桿保持適當(dāng)?shù)拈g隙，從而保證最小的蓮子也能被壓緊，倘若蓮子未被壓緊，水射流會(huì)造成蓮子在去皮空間內(nèi)竄動(dòng)，從而易造成蓮子去皮不完全和局部損傷。

去皮滾輪組件通過(guò)螺栓緊固安裝在滾輪軸上，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括去皮滾輪、卸料孔蓋板、毛氈帶，毛氈帶膠裝在去皮滾輪上。去皮滾輪采用尼龍材料并利用加工中心加工而成，去皮滾輪主要由落料區(qū)間、進(jìn)料區(qū)間、爬升區(qū)間、姿態(tài)調(diào)整區(qū)間以及去皮區(qū)間組成，落料區(qū)間主要為卸料孔，卸料孔兩側(cè)通過(guò)卸料孔蓋板封閉，防止完成加工的蓮子從兩側(cè)掉落，卸料孔要足夠容納2個(gè)最大的蓮子，防止進(jìn)料滾輪同時(shí)進(jìn)2個(gè)蓮子或者進(jìn)料溜槽內(nèi)滯留一個(gè)蓮子時(shí)將卸料孔堵?。贿M(jìn)料區(qū)間主要由更深且更寬大的弧形曲面構(gòu)成，加大進(jìn)料空間可使蓮子順利進(jìn)入夾持裝置，防止無(wú)序狀態(tài)下滑的蓮子堆積在進(jìn)料溜槽導(dǎo)致堵料；去皮滾輪朝著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一個(gè)角度后，蓮子則進(jìn)入爬升區(qū)間并進(jìn)入到姿態(tài)調(diào)整區(qū)間，隨后擺輪擺桿組件逐漸下壓，蓮子逐漸被壓緊，壓緊后的蓮子在軟膠軸套、擺輪擺桿軸套以及去皮滾輪三者同向旋轉(zhuǎn)的作用下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，從而使得蓮子調(diào)整到臥式姿態(tài)(即蓮子長(zhǎng)軸線方向與去皮滾輪軸線方向平行)，隨后蓮子進(jìn)入到去皮區(qū)間，此時(shí)擋水板組件打開(kāi)，水射流擊打在蓮子表面，隨著蓮子繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)從而完成全方位去皮，完成去皮后蓮子則進(jìn)入到落料區(qū)間，進(jìn)入落料區(qū)間之前，擋水板預(yù)先將水擋住，蓮子在擋住水的狀態(tài)下自動(dòng)掉入落料區(qū)間的卸料孔內(nèi)，蓮子隨著去皮滾輪的旋轉(zhuǎn)完成卸料過(guò)程，下一個(gè)蓮子則自動(dòng)進(jìn)入到進(jìn)料區(qū)間，從而完成蓮子去皮的連續(xù)作業(yè)。

彈力調(diào)節(jié)裝置如圖7所示，擺輪擺桿通過(guò)螺母緊固在支撐座上，擺輪擺桿緊固的孔采用腰形孔結(jié)構(gòu)，因此可以調(diào)整支點(diǎn)O的位置，支撐座的轉(zhuǎn)軸可以繞支點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)，彈簧的一端掛接在擺輪擺桿上，另一端掛接在螺栓上，螺栓通過(guò)兩個(gè)螺母緊固在彈簧調(diào)節(jié)架上，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓的上下從而達(dá)到調(diào)整彈簧預(yù)緊力的目的。擺輪擺桿軸套壓在蓮子表面，假設(shè)蓮子為標(biāo)準(zhǔn)橢球形，因此作業(yè)時(shí)擺輪擺桿保持靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)這兩個(gè)力的力矩之和為零。根據(jù)合力矩定理：平面匯交力系的合力對(duì)于平面內(nèi)任意一點(diǎn)之矩等于所有各分力對(duì)于該點(diǎn)之矩的代數(shù)和，可得

F1L1sinβ-FsL2sinα=0

(2)

式中Fs——彈簧的預(yù)緊力，N

F1——擺輪擺桿軸套施加在蓮子表面的作用力，N

L1——擺輪擺桿軸套中心到支點(diǎn)O距離，mm

L2——彈簧與擺輪擺桿接觸點(diǎn)到支點(diǎn)O的距離，mm

α——預(yù)緊力Fs與L2的夾角，(°)

β——作用力F1與L1的夾角，(°)

施加在蓮子表面的作用力F1加大會(huì)造成蓮子與去皮滾輪上毛氈帶的摩擦力加大，從而導(dǎo)致蓮子表面產(chǎn)生損傷，F(xiàn)1過(guò)小則難以壓住蓮子，蓮子容易被水射流的沖擊力擊飛而脫離夾持裝置，計(jì)算時(shí)以12 N為例，擺輪擺桿的支點(diǎn)以擺輪擺桿的腰孔中心點(diǎn)O為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，測(cè)量可得L1=0.116 4 m，L2=0.041 6 m，α=73.2°，β=82.2°，代入式(2)得Fs=34.75 N，根據(jù)得出的預(yù)緊力對(duì)彈簧進(jìn)行選型，所選彈簧參數(shù)為：線徑2.0 mm，中徑為16 mm，初始有效長(zhǎng)度為61 mm，彈性系數(shù)K為1.7 N/mm。根據(jù)胡克定律，彈簧的彈力與彈簧的伸長(zhǎng)量成正比關(guān)系，計(jì)算公式為

ΔFs=Fs-Fs0=KΔS

(3)

根據(jù)式(2)、(3)解得ΔS=ΔFs/K=20.4 mm。彈簧在初始狀態(tài)時(shí)的預(yù)緊力Fs0=0 N，因此設(shè)計(jì)時(shí)螺桿可調(diào)節(jié)的余量保留0～25 mm即可滿足彈簧彈力調(diào)節(jié)要求。

彈力調(diào)節(jié)方法如圖8所示，用彈簧秤勾住擺輪擺桿軸垂直向上拉起，當(dāng)擺輪擺桿軸剛好離開(kāi)蓮子表面時(shí)讀取彈簧秤上的數(shù)據(jù)，若讀數(shù)超過(guò)15 N則將螺栓向下調(diào)整減小彈力，若讀數(shù)小于10 N則螺栓向上調(diào)整增加彈力，調(diào)整完后再次以同樣的方法進(jìn)行檢測(cè)，直到將彈力調(diào)整到(12±1)N為止。

蓮子在夾持裝置中的受力分析如圖9所示，以蓮子的幾何中心O為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，蓮子受到的力主要為水射流產(chǎn)生的沖擊力、3個(gè)滾輪的摩擦力以及3個(gè)滾輪的法向支撐力，3個(gè)滾輪的摩擦力沿著接觸點(diǎn)的切線方向，而3個(gè)滾輪的法向支撐力沿著接觸點(diǎn)并朝向原點(diǎn)方向。根據(jù)力學(xué)原理，假定蓮子是標(biāo)準(zhǔn)橢球形，根據(jù)力平衡原理，蓮子在夾持裝置中的位移為零，因此其法向合力為零，由于蓮子會(huì)在摩擦力作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，因此切線方向的合力不為零，由于切線方向受到的力是摩擦力造成的，摩擦力的大小與法向力成正比關(guān)系，摩擦力的方向與接觸點(diǎn)相切，其合力矩大于零。根據(jù)上述條件得到

(4)

式中FR——合力

F1n——擺輪擺桿軸套對(duì)蓮子的法向力

F2n——軟膠軸套對(duì)蓮子的法向力

F3n——去皮滾輪對(duì)蓮子的法向力

Fw——水射流對(duì)蓮子法向力

G——蓮子受到的重力

Fit——某個(gè)接觸點(diǎn)受到的摩擦力

Fin——某個(gè)接觸點(diǎn)受到的正壓力

μi——某個(gè)接觸點(diǎn)的摩擦因數(shù)

Mo——合力矩

F1t——擺輪擺桿軸套對(duì)蓮子的切向力

F2t——軟膠軸套對(duì)蓮子的切向力

F3t——去皮滾輪對(duì)蓮子的切向力

r——蓮子半徑

從式(4)可以看出，在同等條件下力F1n增大時(shí)，F(xiàn)2n以及F3n也會(huì)增大，法向力增大時(shí)相應(yīng)的摩擦力也會(huì)增加，而彈簧的預(yù)緊力Fs與F1n成正比關(guān)系，因此彈簧的彈力增加容易導(dǎo)致接觸點(diǎn)對(duì)蓮子的摩擦力增大，導(dǎo)致蓮子表面受到損傷，但與此同時(shí)摩擦力產(chǎn)生的合力矩也增大，更容易使得蓮子旋轉(zhuǎn)。

圖9中的b表示去皮滾輪的最低點(diǎn)到軟膠軸套的距離，b過(guò)大則較小的蓮子容易直接隨著去皮滾輪向下擠壓落料無(wú)法完成去皮過(guò)程，而a為水射流進(jìn)水間隙，隨著蓮子的大小變動(dòng)而變動(dòng)，若b值過(guò)大，蓮子會(huì)整個(gè)下沉，a值則會(huì)減小，部分水射流則不能進(jìn)入夾持裝置從而導(dǎo)致去皮不完全，設(shè)計(jì)時(shí)b越小越好，受去皮滾輪凹槽所限取值為8.5 mm，而最小蓮子的直徑為11.5 mm，因此即便最小的蓮子也不會(huì)從夾縫中落下，綜合測(cè)量各地的蓮子其直徑平均值通常為15 mm左右，為滿足大多數(shù)蓮子的加工，設(shè)計(jì)時(shí)以此值作為設(shè)計(jì)依據(jù)，a取值范圍為4～8 mm，若蓮子個(gè)頭整體偏小則需要調(diào)整擺輪擺桿的位置，使得擺輪擺桿軸套的位置右移，騰出空間使得水射流能進(jìn)入去皮空間從而增大a值。

2.4 去皮裝置設(shè)計(jì)

去皮裝置如圖10所示，主要由水槍架、噴管、噴嘴等組成。水槍架通過(guò)螺栓緊固安裝在機(jī)體上，水槍夾通過(guò)兩個(gè)螺栓緊固安裝在水槍架上，通過(guò)松緊螺栓可以實(shí)現(xiàn)水槍夾上下位置的微調(diào)，水槍夾上焊接有水槍夾調(diào)節(jié)架，水槍夾調(diào)節(jié)架上裝有限位螺栓和限位螺母，通過(guò)微調(diào)限位螺栓的長(zhǎng)短可以實(shí)現(xiàn)噴管夾角的微調(diào)，調(diào)整到合適的角度后把水槍夾緊固螺母鎖緊即可，噴管安裝在水槍夾上，噴嘴緊固安裝在噴管上，松開(kāi)水槍夾緊固螺栓則可以實(shí)現(xiàn)噴嘴噴管的前后調(diào)整以及噴管角度的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)水射流打擊在蓮子上傾角的調(diào)整，本文設(shè)計(jì)的去皮裝置的兩個(gè)噴嘴對(duì)稱布置，水射流從噴嘴噴出后分別從蓮子的兩端擊打在蓮子表面，在蓮子自轉(zhuǎn)的作用下，能全覆蓋蓮子整個(gè)表面，從而完成去皮操作。

噴嘴噴出的水射流作用在蓮子表面的示意圖如圖11所示，假設(shè)水射流的寬度為W，水射流厚度為δ，水射流與蓮子長(zhǎng)軸線的夾角為θ，兩個(gè)水射流之間的間隙為L(zhǎng)，蓮子的長(zhǎng)徑為H，中徑為V，為了達(dá)到完全去皮的目的，必須滿足公式

2Wcosθ+L>H

(5)

調(diào)節(jié)噴嘴位置時(shí)以中等大小的蓮子為基準(zhǔn)，保證水射流最邊緣的位置超過(guò)蓮子長(zhǎng)軸方向的最邊緣，而兩股水射流的間隙L范圍為2～4 mm即可，蓮子中間的皮最容易去除，依靠與滾輪的摩擦以及水射流打擊在蓮子表面形成反流時(shí)的水壓力即可去除，但是L過(guò)大則會(huì)造成蓮子中部去皮不完全。若加工的蓮子普遍偏大則需要將噴嘴向后退，同時(shí)增加水射流的水壓來(lái)彌補(bǔ)作用在蓮子表面的壓強(qiáng)，由于水射流離開(kāi)噴嘴后呈扇形擴(kuò)散，因此噴嘴后退導(dǎo)致W增加，從而增加去皮的覆蓋區(qū)域，通常情況下噴嘴離蓮子表面的距離為25～40 mm，當(dāng)水射流距離蓮子超過(guò)40 mm后容易使得蓮子表面產(chǎn)生白斑(水射流力離靶向物越遠(yuǎn)越容易混入空氣，容易造成蓮子表面受力不均勻從而造成蓮子表面微觀損傷，烘干后蓮子表面會(huì)產(chǎn)生白斑)。假設(shè)L=3 mm，H為最大的蓮子長(zhǎng)徑，測(cè)得紅花蓮長(zhǎng)徑最大值可達(dá)22 mm，假設(shè)θ取15°，代入式(5)得W>9.8 mm。

根據(jù)上述水形的寬度設(shè)計(jì)噴嘴，水射流的速度和流量與噴嘴的入口壓力相關(guān)，由于水射流速度很快而且出口處的水形很窄，出水口的當(dāng)量直徑為1.3 mm，因此只有將水射流水形放大才能更好地觀察噴嘴的水形以及流量，噴嘴水形檢驗(yàn)方法如圖12所示，噴嘴卡在卡槽處，噴嘴離壁面460 mm，從圖12中可以看出水射流噴出噴嘴后幾乎呈扇形結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)水形末端水形寬度為120 mm時(shí)，根據(jù)相似三角形的原理求解得距離噴嘴35 mm位置的水形寬度為10.05 mm，滿足要求。由于機(jī)器是兩側(cè)同時(shí)加工的，因此每個(gè)噴嘴都需要檢驗(yàn)，若兩邊噴嘴的水形和流量不一致則會(huì)導(dǎo)致機(jī)器兩側(cè)的去皮效果不一致，噴嘴檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：水泵壓力為1 MPa，檢測(cè)距離為460 mm處的水形寬度為(120±5)mm；流量為(5.00±0.30) L/min。

2.5 出料裝置設(shè)計(jì)

出料裝置如圖13所示，主要由安裝支桿、緊固螺母以及出料槽組成，出料槽采用鈑金整體加工而成，出料槽的前端折彎有兩個(gè)法蘭，并且利用兩根安裝支桿和螺母緊固安裝在機(jī)體上，出料槽的一端與去皮滾輪貼合并且寬度與去皮滾輪一致，從而盡可能減少上方已經(jīng)去除的蓮皮掉落到出料槽中，另外一端向下傾斜并逐漸呈喇叭口增大從而增加蓮皮濾除的概率，在出料槽的末端位置設(shè)置了一個(gè)凸起，利用蓮子和蓮皮物理特性的不同實(shí)現(xiàn)蓮子和殘余的蓮皮徹底分離，蓮子呈橢球顆粒狀，下滑過(guò)程中遇到凸起則會(huì)跳起越過(guò)障礙，蓮皮呈細(xì)小塊狀且柔軟，隨著部分水流越過(guò)凸起從縫隙中掉落，從而達(dá)到蓮皮與蓮仁徹底分離的目的，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，凸起高度通常在5～7 mm，間隙為5～8 mm最佳，間隙過(guò)大，容易造成小蓮子或碎蓮子將間隙堵塞從而影響分離效果。出料槽與水平面的夾角通常為15°～20°，夾角越大，出料槽越陡，水流速度也越快，容易使得蓮皮越過(guò)凸起落入收集框，夾角過(guò)小，蓮子的運(yùn)動(dòng)速度變慢，小粒蓮子或者碎蓮子難以越過(guò)凸起從而容易導(dǎo)致蓮子堆積在凸起處。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)設(shè)備為設(shè)計(jì)的鮮蓮子去皮機(jī)以及電子秤，于江西省廣昌縣興蓮機(jī)械制造有限公司進(jìn)行機(jī)具試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為當(dāng)天采摘并經(jīng)過(guò)人工挑選的成熟新鮮蓮子，剝殼采用江西省廣昌縣興蓮機(jī)械制造有限公司制造的蓮子剝殼機(jī)。試驗(yàn)于2019年9月1—3日完成，機(jī)器放置于調(diào)試區(qū)，并將水泵的進(jìn)水管、出水管與儲(chǔ)水缸連接。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖14所示。

3.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)影響去皮作業(yè)效果的主要因素有水射流壓力、水射流傾角和加工速度。其中水射流壓力通過(guò)水泵的調(diào)壓閥調(diào)整，可調(diào)范圍為0～2.5 MPa，根據(jù)蓮子的成熟度去皮所需水射流壓力通常分布在0.4～1.2 MPa，而成熟蓮子的去皮壓力通常在0.6～0.8 MPa；水射流傾角可通過(guò)旋轉(zhuǎn)去皮裝置上噴管進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整范圍通常為0°～30°。加工速度通過(guò)更換水泵上的附加帶輪調(diào)整，此帶輪是整機(jī)的主動(dòng)力，改變帶輪直徑可改變加工速度，試驗(yàn)采用的帶輪直徑分別為60、68、76 mm，其對(duì)應(yīng)的滾輪軸轉(zhuǎn)速理論值分別為56.6、62.3、67.9 r/min。由于機(jī)器兩側(cè)的噴嘴精度和機(jī)械加工精度會(huì)導(dǎo)致機(jī)器兩側(cè)的去皮效果差異，因此試驗(yàn)安排時(shí)均以機(jī)器同一側(cè)的數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)依據(jù)。試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of factors and levels

為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次試驗(yàn)用電子秤稱取4 kg的去殼蓮子作為單次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，測(cè)得此次試驗(yàn)的去殼蓮子的千粒質(zhì)量為2 975 g，統(tǒng)計(jì)4 kg去殼蓮子的總個(gè)數(shù)為(1 345±20)個(gè)，由于樣本總數(shù)保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍，試驗(yàn)結(jié)果采用百分比進(jìn)行衡量，因此樣本總數(shù)有細(xì)微的偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響，采用稱量的方式進(jìn)行定量試驗(yàn)可以減少試驗(yàn)時(shí)間，統(tǒng)計(jì)每次試驗(yàn)完整去皮蓮子數(shù)量n1、破損蓮子數(shù)量n2、帶帽頭蓮子數(shù)量n3、開(kāi)邊蓮子數(shù)量n4、掉落蓮子數(shù)量n5、未完全去皮蓮子數(shù)量n6。破損的蓮子與開(kāi)邊的蓮子存在較大的區(qū)別，開(kāi)邊的蓮子主要是由于水射流透過(guò)蓮子張開(kāi)的縫隙進(jìn)入蓮子內(nèi)部產(chǎn)生水楔效應(yīng)從而導(dǎo)致蓮子沿著生長(zhǎng)紋理裂開(kāi)成兩瓣，開(kāi)邊的蓮子與水射流傾角存在較大的關(guān)系，因此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)將這個(gè)指標(biāo)與破損蓮子區(qū)別對(duì)待。評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有去皮率R1、損傷率R2、帶帽頭率R3、開(kāi)邊率R4、掉蓮率R5、未去皮率R6，由于未去皮率R6受到前面5個(gè)指標(biāo)的影響比較大，因此分析時(shí)不考慮R6。

3.3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

采用Design-Expert三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面法進(jìn)行試驗(yàn)安排，試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment scheme and results

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 顯著性分析

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)表3中的數(shù)據(jù)擬合并進(jìn)行方差分析，得到的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)掉蓮率R5的模型不顯著，說(shuō)明該指標(biāo)是其它因素造成的，與這3個(gè)主要影響因素?zé)o關(guān)，該指標(biāo)可能是進(jìn)料不穩(wěn)定導(dǎo)致，進(jìn)料滾輪同時(shí)進(jìn)兩個(gè)蓮子必然會(huì)有一顆掉落，因此該指標(biāo)在此模型中不做進(jìn)一步分析。R1的模型顯著性檢驗(yàn)F=47.21，P<0.001，R2的模型顯著性檢驗(yàn)F=112.9，P<0.001，說(shuō)明這兩個(gè)指標(biāo)的二次回歸方程檢驗(yàn)達(dá)到高度顯著，且R1的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=2.44，P>0.1，R2的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=2.83，P>0.1，這兩個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)的失擬項(xiàng)均不顯著，說(shuō)明在試驗(yàn)范圍內(nèi)這兩個(gè)模型的擬合度非常好，因此可以用此模型對(duì)水射流壓力x1、水射流傾角x2以及帶輪直徑x3這3個(gè)因素的影響效果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。R3的模型顯著性檢驗(yàn)F=62.77，P<0.001，R4的模型顯著性檢驗(yàn)F=22.3，P<0.001，說(shuō)明這兩個(gè)指標(biāo)的二次回歸方程檢驗(yàn)達(dá)到高度顯著，但是R3的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=12.96，P<0.05，R4的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)F=35.26，P<0.05，這兩個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)的失擬項(xiàng)均顯著，說(shuō)明在試驗(yàn)范圍內(nèi)這兩個(gè)模型的擬合度不是很好，因此用此模型來(lái)對(duì)水射流壓力x1、水射流傾角x2以及帶輪直徑x3這3個(gè)因素的影響效果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)具有一定的參考意義。應(yīng)用Design-Expert軟件得到的回歸系數(shù)，去除其中的不顯著項(xiàng)后得到的二次多項(xiàng)式回歸模型為

(6)

(7)

(8)

(9)

式中X1——水射流壓力編碼值

X2——水射流傾角編碼值

X3——帶輪直徑編碼值

表4 顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Significance test result

4.2 響應(yīng)曲面分析

圖15所示為去皮率R1、損傷率R2、帶帽頭率R3、開(kāi)邊率R4的響應(yīng)曲面?？梢灾庇^地看出x1、x2對(duì)去皮率R1的影響極其顯著，而帶輪直徑x3(相當(dāng)于加工速度)對(duì)R1影響小，從圖15a中可以看出，去皮率R1隨著水射流壓力增大而增大，但是當(dāng)壓力超過(guò)0.75 MPa后則開(kāi)始逐漸減小，這是因?yàn)閴毫υ黾訐p傷率和開(kāi)邊率也提高，而去皮率R1是不包含去掉皮的損傷的蓮子以及開(kāi)邊的蓮子，從而導(dǎo)致到了一定壓力后，去皮率反而有所下降，同樣通過(guò)圖15a可明顯地看出去皮率R1隨著水射流傾角先增大后減小，當(dāng)水射流傾角為0°時(shí)最低，總體的水形最寬，水射流分散，作用在蓮子表面的水射流有效面積減小，多余的水射流從蓮子兩端的切線方向穿過(guò)，隨著角度的增加，水形收窄并且集中打在蓮子表面，從而使得水射流不能打到蓮子的兩端，導(dǎo)致完整去皮的蓮子數(shù)量減少，而水形收窄后，水形變得更厚，而水射流進(jìn)入夾持裝置的間隙a值是隨著蓮子大小變化而變化，當(dāng)蓮子偏小時(shí)a值減小，則水射流無(wú)法全部直接擊打在蓮子表面，部分水射流會(huì)擊打在軟膠軸套或者擺輪軸套上形成反流，從而使得去皮率下降。通過(guò)圖15d、15e、15f可以直觀地看出x1、x2、x3對(duì)損傷率R2影響均顯著，從圖15d中可以看出，損傷率R2隨著水射流壓力增大而增大，隨著水射流傾角增大先減小后增大，這是由于當(dāng)水射流傾角為0°時(shí)，水射流的水形所形成的平面剛好與蓮子的兩片子葉的縫隙平行，當(dāng)蓮子轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置時(shí)水射流則通過(guò)兩片子葉的縫隙進(jìn)入到蓮子內(nèi)部形成了水楔效應(yīng)，從而容易使得蓮子破損或者開(kāi)邊，隨著水射流傾角的增加，水射流的打擊范圍收窄，水射流集中作用在蓮子表面，蓮子表面局部受到的水射流沖擊力過(guò)大，從而使得蓮子受到的損傷增加，通過(guò)圖15f可以看出損傷率R2隨著帶輪直徑x3增加(相當(dāng)于加工速度加快)而有微小減小，這是由于加工速度加快，水射流作用在蓮子表面的時(shí)間減少，損傷率則會(huì)有所下降。通過(guò)圖15g、15h、15i可以直觀地看出x1、x2、x3對(duì)帶帽頭率R3影響均顯著，通過(guò)圖15g可以明顯的看出帶帽頭率隨著水射流壓力的增加而降低，而隨著水射流傾角的增加先降低后升高，這是因?yàn)楫?dāng)水射流傾角為0°時(shí)，水射流水形更分散，作用在蓮子兩端的水射流沖擊力減弱，隨著角度的增加作用在蓮子兩端的水射流更加集中導(dǎo)致沖擊力加大，去除蓮子帽頭的能力也就越強(qiáng)，當(dāng)水射流傾角增加到一定程度時(shí)，水射流水形收窄，水射流的水形將難以打到蓮子的兩側(cè)，因此帶帽頭率又會(huì)有所升高；通過(guò)圖15h可以看出帶帽頭率R3隨著帶輪直徑增加(相當(dāng)于加工速度加快)有略微的增加，這是加工速度越快，水射流作用在蓮子上的時(shí)間減少導(dǎo)致的。通過(guò)圖15j、15k、15l可以直觀地看出x1、x2對(duì)開(kāi)邊率R4影響均顯著，而帶輪直徑x3對(duì)開(kāi)邊率的影響不顯著，通過(guò)圖15j可以看出隨著水射壓力的增加開(kāi)邊率逐漸增加，通過(guò)圖15j、15l明顯可以看出隨著水射流傾角的增加開(kāi)邊率逐漸降低，這是由于當(dāng)水射流傾角為0°時(shí)，水射流的水形所形成的平面剛好與蓮子的兩片子葉的縫隙平行，當(dāng)蓮子轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置時(shí)水射流則通過(guò)兩片子葉的縫隙進(jìn)入到蓮子內(nèi)部形成水楔效應(yīng)，從而容易使得蓮子更容易開(kāi)邊，隨著水射流傾角的增加，水射流的打擊范圍收窄，水射流是逐漸進(jìn)入縫隙中的，因此更加不容易開(kāi)邊。

4.3 參數(shù)優(yōu)化

去皮率R1是評(píng)價(jià)整機(jī)性能的最重要指標(biāo)，去皮率越高越好，而其余的指標(biāo)均是越低越好。利用Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能，設(shè)置約束條件為

{max(R1),min(R2),min(R3),min(R4)}

綜合考慮以上指標(biāo)得到的最優(yōu)解以及預(yù)測(cè)值為：x1=0.71 MPa，x2=18.58°，x3=67.18 mm，R1=91.80%，R2=1.13%，R3=2.06%，R4=0.04%。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

考慮到機(jī)器的實(shí)際情況，對(duì)影響因素進(jìn)行微調(diào)，取水射流壓力x1=0.70 MPa、水射流傾角x2=18.00°、帶輪直徑x3=68 mm進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。每次試驗(yàn)同前面的試驗(yàn)一樣稱取4 kg去殼蓮子作為試驗(yàn)樣本，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析后，由于掉蓮率與這3個(gè)影響因素?zé)o關(guān)，因此試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)將此指標(biāo)排除在外，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experiment result of verification %

由試驗(yàn)可知去皮率為92.63%，其與理論優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差小于2%，說(shuō)明所建的模型與優(yōu)化參數(shù)的可行性和準(zhǔn)確性較高，而損傷率為1.24%，帶帽頭率為2.72%，開(kāi)邊率為0.21%，雖然這3個(gè)指標(biāo)的相對(duì)誤差均超過(guò)了10%，但是這3個(gè)指標(biāo)的值都非常低而且其絕對(duì)誤差總體來(lái)說(shuō)并不太高，同樣可以說(shuō)明所建立的模型與優(yōu)化的參數(shù)具有一定的參考價(jià)值，優(yōu)化后的鮮蓮子去皮機(jī)總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，基本滿足作業(yè)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一款基于水射流去皮原理的鮮蓮子去皮機(jī)，該機(jī)利用夾持裝置約束蓮子并驅(qū)動(dòng)蓮子繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，再利用兩股對(duì)稱的水射流打擊在旋轉(zhuǎn)的蓮子表面，從而完成去皮過(guò)程，加工過(guò)程中的廢水、碎蓮子及蓮子皮可通過(guò)回收槽統(tǒng)一收集。

(2)試驗(yàn)表明，影響鮮蓮子去皮效果的主要影響因素有水射流壓力、水射流傾角和加工速度(帶輪直徑)，其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有去皮率、損傷率、帶帽頭率、開(kāi)邊率、掉蓮率。采用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)三因素三水平Box-Behnken響應(yīng)面法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)去皮率、損傷率以及帶帽頭率的影響程度從大到小均依次是水射流壓力、水射流傾角、帶輪直徑；對(duì)開(kāi)邊率的影響程度從大到小是水射流傾角、水射流壓力，而帶輪直徑對(duì)開(kāi)邊率的影響非常??；掉蓮率幾乎都在1%左右，與3個(gè)影響因素?zé)o關(guān)，可做進(jìn)一步研究。

(3)利用Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后最佳作業(yè)參數(shù)分別為：水射流壓力為0.7 MPa、水射流傾角為18°、帶輪直徑為68 mm，其指標(biāo)預(yù)測(cè)值分別為：去皮率為91.16%、損傷率為0.96%、帶帽頭率為2.40%、開(kāi)邊率為0.04%。采用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得出去皮率為92.63%、損傷率為1.24%、帶帽頭率為2.72%、開(kāi)邊率為0.21%，各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)結(jié)果的絕對(duì)誤差均小于1.5%，驗(yàn)證了模型與所優(yōu)化參數(shù)的合理性，優(yōu)化后的鮮蓮子去皮機(jī)性能滿足作業(yè)要求。