龔曉茜，王國(guó)強(qiáng),2，劉化君

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊市，830091)

0 引言

哈密瓜是新疆農(nóng)產(chǎn)品的支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]，本身不僅風(fēng)味獨(dú)特，而且色澤美、味道甜[2]，深受國(guó)內(nèi)外廣大消費(fèi)者的青睞。2020年，我國(guó)哈密瓜的種植產(chǎn)量已經(jīng)超過310萬t。并且哈密瓜深加工產(chǎn)品也涵蓋了哈密瓜醋、哈密瓜酸奶、哈密瓜果粉、哈密瓜乳飲料、哈密瓜醬等產(chǎn)品[3-5]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外哈密瓜削皮機(jī)的研究主要以中小型機(jī)械為主，較為典型的哈密瓜削皮機(jī)械有單刀式哈密瓜削皮機(jī)、臥式哈密瓜削皮機(jī)、哈密瓜仿形削皮機(jī)、哈密瓜刨削去皮機(jī)[6]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。對(duì)于哈密瓜產(chǎn)品而言，加工過程中瓜皮的去除是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而勞動(dòng)密集型的人工去皮，存在效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大和安全性低的問題，阻礙了哈密瓜深加工企業(yè)的發(fā)展。為了進(jìn)一步提高雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的工作性能，采用二次回歸正交試驗(yàn)并建立回歸方程的研究方法對(duì)雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高哈密瓜削皮機(jī)的去皮效率，為瓜果類去皮機(jī)械的研究提供了依據(jù)。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是由機(jī)架、定位叉、抱果夾、卡爪帶輪、削刀、導(dǎo)向桿、仿形彈簧等組成。

圖1 削皮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of peeler1.推送機(jī)構(gòu) 2.抱果夾 3.內(nèi)刀刀桿 4.上定位叉 5.哈密瓜 6.絲桿 7.外刀刀桿 8.機(jī)架 9.升降臺(tái) 10.導(dǎo)向桿 11.絲桿帶輪 12.電機(jī) 13.卡爪帶輪 14.下定位叉

哈密瓜通過人工放置在抱果夾的中間，推送氣缸將哈密瓜推送至上下定位叉的中心位置，定位叉由機(jī)架下部的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)而做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而刀具在驅(qū)動(dòng)裝置作用下向上或向下運(yùn)動(dòng)[7-8]，沿著與哈密瓜旋轉(zhuǎn)方向相互垂直的方向做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，外刀最先切削，隨后內(nèi)刀緊跟著外刀進(jìn)行切削，削刀完成所設(shè)定的行程后將自動(dòng)停止，果皮從兩個(gè)出皮口排出，削完皮后的哈密瓜從漏斗處完成出料。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 抱果夾

2.1.1 抱果夾工作原理

抱果夾包含前后兩個(gè)夾持塊部分，兩者結(jié)構(gòu)相同，實(shí)現(xiàn)對(duì)哈密瓜的輸送功能[9]，抱果夾受力分析如圖2所示。人工放置哈密瓜于放果座上后，前后夾持塊將自動(dòng)夾持住哈密瓜，在氣缸的推送作用下，將哈密瓜送至上下定位叉的中心，同時(shí)完成送料與出料。前期通過設(shè)計(jì)計(jì)算已經(jīng)確定了夾持力F1為51.96 N，由于赤道部位的壓縮特性參數(shù)均為最低[10]，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)對(duì)于成熟度較高的哈密瓜，F(xiàn)1對(duì)哈密瓜赤道的壓縮量為2.5～3.5 mm，沒有對(duì)瓜體造成損傷。

圖2 抱果夾受力示意圖Fig.2 Stress diagram of fruit holding clamp1.哈密瓜 2.放果座 3.前夾持塊 4.后夾持塊注：F1為夾持力；F2為推送哈密瓜的推力；f1為摩擦力；G哈密瓜自身的重力。

2.1.2 抱果夾結(jié)構(gòu)存在問題

抱果夾的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a)正視圖

在后期實(shí)踐的生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)人工將哈密瓜放置在果座的過程中，前后夾持塊在F1的作用下，以51.96 N的力夾持哈密瓜，位于L2處的雙手很容易在抱果夾機(jī)構(gòu)前后夾持塊的夾持力F1的作用下，造成雙手的機(jī)械性損傷。另外針對(duì)一些外形尺寸特別大的哈密瓜不能進(jìn)行很好的夾持。

2.1.3 抱果夾的改進(jìn)設(shè)計(jì)

以抱果夾的穩(wěn)定性和人工作業(yè)時(shí)的安全性為基礎(chǔ)，通過提高夾持塊的有效長(zhǎng)度與接觸面積來增大摩擦力[11]，設(shè)計(jì)改進(jìn)為如圖4所示的抱抓式結(jié)構(gòu)。L1為夾持塊長(zhǎng)軸方向的尺寸，設(shè)計(jì)為70 mm；L3為夾持塊延伸的尺寸，設(shè)計(jì)為45 mm；L4為兩夾持塊之間的尺寸。在原有夾持塊的基礎(chǔ)上，減小L0的尺寸為80 mm以增加L2的尺寸為L(zhǎng)4，從而給雙手留有足夠的空間。另外考慮到L0的減小，會(huì)降低夾持塊對(duì)哈密瓜的夾持性能，因此在L1尺寸的基礎(chǔ)上向上下方向上增加6塊夾持塊，與哈密瓜長(zhǎng)軸之間的夾角為60°，整體上提高了對(duì)哈密瓜的夾持性能。

(a)正視圖

如圖4所示，改進(jìn)為抱抓式的夾持塊結(jié)構(gòu)。材質(zhì)采用耐腐蝕、易加工、應(yīng)用廣泛的304不銹鋼[12-13]。哈密瓜表面粗糙，取與木材接觸相近材料之間的摩擦因數(shù)μ=0.5，根據(jù)平衡條件可得

F1=2f1cos30°+6f1cos30°

(1)

哈密瓜的質(zhì)量大約在1.5～6 kg[14]，選取最大重力G=60 N，f1與G存在如下關(guān)系式

4f1μ+12f1cos30°μ=G

(2)

整理得到摩擦力

(3)

通過整理以上關(guān)系式得到夾持力

(4)

式中：F1——對(duì)哈密瓜的夾持力，N；

f1——哈密瓜與夾持塊之間的摩擦力，N；

G——哈密瓜自身的重力，N；

μ——摩擦因數(shù)。

通過以上計(jì)算求得F1=57.60 N，因此只要滿足F1≥57.60 N，完全能夠保證抱果夾夾持過程中的穩(wěn)定性和人工作業(yè)過程中的安全性。

2.2 定位叉

2.2.1 定位叉工作原理

定位叉結(jié)構(gòu)如圖5所示。定位叉通過帶輪在驅(qū)果電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而上下定位叉的卡爪插入哈密瓜上下頂端，并由此帶動(dòng)哈密瓜進(jìn)行旋切，與削刀的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)相互配合，最終完成對(duì)哈密瓜旋切去皮的目的。

圖5 定位叉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of positioning fork1.卡爪 2.活動(dòng)軸 3.卡爪盤 4.哈密瓜 5.削刀注：D1為卡爪盤的底面直徑；H1為瓜皮的殘留量；h為瓜皮的切削厚度；β1為兩卡爪之間的夾角。

2.2.2 定位叉結(jié)構(gòu)存在問題

圖5中由于卡爪根部設(shè)計(jì)較大，而卡爪與H1相關(guān)聯(lián)，H1的大小直接影響了哈密瓜兩頂端的去皮量，最終導(dǎo)致去皮后的哈密瓜兩頂端瓜皮殘留量較高，從而導(dǎo)致哈密瓜的去皮率降低。

2.2.3 定位叉的改進(jìn)

通過參考其他哈密瓜削皮機(jī)外圓弧式定位叉的設(shè)計(jì)[15]，因此設(shè)計(jì)改進(jìn)為如圖6所示的兩種方案的定位叉結(jié)構(gòu)，β2為兩卡爪之間的夾角,設(shè)計(jì)為60°；D2為改進(jìn)后的底面直徑；H2為瓜皮的殘留量。

(a)方案一

對(duì)比圖6中的兩種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，盡管兩種方案都能夠達(dá)到降低哈密瓜兩頂端瓜皮殘留量H2的目的，但哈密瓜在旋切過程中，卡爪根部受力將增大，很容易受到損壞，不利于對(duì)哈密瓜的穩(wěn)定夾持，顯然方案一中的內(nèi)圓弧式定位叉結(jié)構(gòu)優(yōu)于方案二中的外圓弧式定位叉結(jié)構(gòu)，因此選用方案一。哈密瓜的果肉厚度一般在20 mm以上，故設(shè)計(jì)卡爪盤直徑D2為25 mm，通過試驗(yàn)對(duì)比改進(jìn)前后定位叉的臨界驅(qū)果電機(jī)頻率和果皮殘留量如表1所示。

表1 改進(jìn)前后對(duì)照表Tab.1 Table comparison for front and back

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，內(nèi)圓弧式定位叉的臨界驅(qū)果電機(jī)頻率降低了5%，瓜皮殘留量降低了53%，提高了哈密瓜的去皮率，滿足了企業(yè)的加工生產(chǎn)需求。

3 回歸試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

3.1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)材料選用最新品種黃夢(mèng)脆。主要試驗(yàn)儀器有雙刀型哈密瓜削皮機(jī)、電子式游標(biāo)卡尺、高速動(dòng)態(tài)攝像儀、變頻器等。

3.1.2 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)是在2020年7—8月期間，在新疆農(nóng)科院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所的農(nóng)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室開展回歸試驗(yàn)，通過SPSS軟件進(jìn)行回歸分析并建立回歸模型，找出最佳模型，從中確定試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，最后通過回歸方程求極值的方法來確定驅(qū)果電機(jī)頻率、削刀電機(jī)頻率和入切角之間的最佳值，并對(duì)參數(shù)的最佳值進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

依據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》(GB/T 5262)[16]，對(duì)哈密瓜進(jìn)行去皮試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)選取外形尺寸相近的哈密瓜進(jìn)行試驗(yàn)，減小由于哈密瓜自身因素所帶來的誤差，同時(shí)為了避免削皮后的瓜皮厚度受環(huán)境影響而變化，因此試驗(yàn)時(shí)要及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

3.2 試驗(yàn)因素與水平

該回歸試驗(yàn)針對(duì)影響哈密瓜削皮效果的三個(gè)關(guān)鍵因素：驅(qū)果電機(jī)頻率取其水平為20～40 Hz；削刀電機(jī)頻率取其水平20～30 Hz；刀具的入切角取其水平為20°～40°。

本次回歸試驗(yàn)，共進(jìn)行了14次不同因素水平之間的試驗(yàn)，其中包含8次二水平試驗(yàn)和6次星號(hào)試驗(yàn)；另外還有2次中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)。因素取值如表2所示。

表2 因素水平表Tab.2 Factor level table

因素?cái)?shù)m=3，二水平試驗(yàn)點(diǎn)個(gè)數(shù)mc=23=8，選取零水平中心點(diǎn)試驗(yàn)的次數(shù)m0=2，依據(jù)星號(hào)臂長(zhǎng)度r與因素?cái)?shù)m、零水平試驗(yàn)次數(shù)m0及二水平試驗(yàn)次數(shù)mc之間的關(guān)系

(5)

通過計(jì)算并結(jié)合星號(hào)臂長(zhǎng)查r2值表確定了r=1.287[17]，根據(jù)編碼公式對(duì)驅(qū)果電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率、削刀電機(jī)轉(zhuǎn)速和入切角三個(gè)因素的各水平進(jìn)行無量綱線性變換，得到對(duì)應(yīng)的因素水平編碼，如表3所示。

表3 因素水平編碼表Tab.3 Coding table of factor level

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

以瓜皮厚度作為試驗(yàn)指標(biāo)，將瓜皮分為10段，測(cè)量各段中點(diǎn)的厚度c，另外刀具的削皮厚度h在3～7 mm 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩者厚度差值s=|h-c|，分值評(píng)定對(duì)照表如表4所示。

表4 分值評(píng)定對(duì)照表Tab.4 Score evaluation comparison table

3.4 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)七因素二水平8個(gè)處理的正交表L8(27)進(jìn)行試驗(yàn)變換[18]，試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,通過借助電子式游標(biāo)卡尺對(duì)分為10段的瓜皮進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量來確定c，并與調(diào)節(jié)刀具的削皮厚度h作差取其絕對(duì)值，最終得到厚度差s，10個(gè)不同的s對(duì)應(yīng)不同的分值，相加求和后得到y(tǒng)。

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.5 Programme and results of orthogonal test

為了確定最佳值，借助SPSS軟件對(duì)表5中的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行多重線性回歸分析，確定了相關(guān)的模型匯總表、方差分析表和顯著性檢驗(yàn)表，分別如表6、表7和表8所示。

表6 模型匯總表Tab.6 Model summary

表7 方差分析表Tab.7 Analysis of variance

表8 回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Regression coefficient and significance test results

表5中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS后，共得到了表6中的5個(gè)數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)，由于模型5的R2最大并且標(biāo)準(zhǔn)誤差最小，表中結(jié)果顯示模型5決定系數(shù)R2=0.993，表明變量z可以解釋變量y為99.3%的變異性。

由表7中顯著性檢驗(yàn)結(jié)果得到F=265.117，并結(jié)合F值分布表查得F0.01(5,10)=5.64[19]，顯然F>5.64，同時(shí)顯著性概率P<0.01，因此模型5所建立的回歸方程極顯著，并且有意義。為了便于求解回歸系數(shù)和確定回歸方程，引入規(guī)范變量z并建立規(guī)范變量與試驗(yàn)指標(biāo)之間的回歸關(guān)系

y=b0+b1z1+b2z2+b3z3+b12z1z2+b13z1z3+

b23z2z3+b11z1′+b22z2′+b33z3′

(6)

式中：b——回歸系數(shù)；

z——規(guī)范變量；

y——試驗(yàn)指標(biāo)。

由表8中回歸系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可以確定，z3、z1z2、z1z3和z2z3的顯著性概率P值均大于0.01，表明其對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)與零之間沒有顯著性差異，所以z3、z1z2、z1z3和z2z3四項(xiàng)對(duì)y影響不顯著，為排除的四個(gè)變量。

依據(jù)表8中的數(shù)據(jù)得到回歸方程

y=28.05+1.60z1+0.80z2-9.55z1′-

2.55z2′-1.05z3′

(7)

利用中心化公式和編碼公式對(duì)式(7)進(jìn)行回代，整理得到試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系

y=-237.35+9.70x1+8.64x2+1.04x3-

0.15x12-0.17x22-0.02x32

(8)

根據(jù)極值的必要條件對(duì)式(8)中試驗(yàn)指標(biāo)y計(jì)算其最大值，求得：x1=32.33、x2=25.41、x3=26。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)確定驅(qū)果電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率x1=32 Hz，削刀電機(jī)轉(zhuǎn)速x2=25 Hz，入切角x3=26°。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)結(jié)果對(duì)雙刀型哈密瓜削皮機(jī)削皮性能的實(shí)際效果，對(duì)回歸分析的最佳值進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)削皮機(jī)工藝參數(shù)取最佳值：驅(qū)果電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率x1=32 Hz、削刀電機(jī)轉(zhuǎn)速x2=25 Hz、入切角x3=26°。三種數(shù)據(jù)通過觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。以金夢(mèng)脆哈密瓜作為試驗(yàn)材料進(jìn)行5次去皮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 哈密瓜去皮試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Peeling test results of hami melon

試驗(yàn)結(jié)果表明：雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的凈去皮率達(dá)到了89.1%以上，平均去皮率為91.1%，完全能夠滿足企業(yè)的加工生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

1)本文在前期研究的基礎(chǔ)之上，結(jié)合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中存在的問題，對(duì)雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)改進(jìn)了一種抱抓式的夾持塊結(jié)構(gòu)來提高其安全性。同時(shí)把定位叉改進(jìn)設(shè)計(jì)為內(nèi)圓弧式，降低了哈密瓜兩頂端瓜皮的殘留量，并且增強(qiáng)了卡爪根部的穩(wěn)固性。

2)通過回歸試驗(yàn)進(jìn)行回歸分析，確定了影響哈密瓜削皮效果的三個(gè)試驗(yàn)因素參數(shù)的最優(yōu)組合：驅(qū)果電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為32 Hz、削刀電機(jī)轉(zhuǎn)速為25 Hz、入切角為26°。試驗(yàn)結(jié)果表明，哈密瓜去皮機(jī)的去皮率達(dá)到了89.1%以上，平均去皮率為91.1%，完全滿足了企業(yè)的加工生產(chǎn)要求。