任曉智，王文杰

（廣西大學機械工程學院，南寧 530004）

0 前言

黃瓜皮是廣西欽州市著名的地方特產。黃瓜皮的加工工藝流程大致分為原料選擇、插孔、燙瓜、壓榨、切碎、調味、殺菌、冷卻、包裝至成品[1]。為了使黃瓜在熱水中更快吸熱變軟，壓榨更易排水，在壓榨之前安排有插孔工藝，但目前插孔方法一般是使用錐子、竹簽等傳統(tǒng)工具人工插孔，插孔工藝勞動強度大、生產效率低且有一定的安全風險。

為解決上述人工插孔的弊端，作者提出了一種黃瓜皮插孔工藝裝置。該裝置在設計過程中以實際工藝需求為導向，以自動化為要求，經歷反復的結構優(yōu)化，實現黃瓜的插孔和運輸自動化，為黃瓜皮插孔工藝提供了一種新的解決方案。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理

該裝置以液壓為主要動力，液壓以液體為媒介，易實現直線運動和自動化，反應迅速，污染小；由電控系統(tǒng)控制，通過機械系統(tǒng)對黃瓜皮進行插孔，機械系統(tǒng)主要作用有：一是在保證黃瓜固定可靠的前提下對黃瓜進行插孔；二是利用兩次插孔的間歇時間即插孔機構回程時間完成運輸機構的工位切換。采用齒條與單向齒輪將運輸機構和插孔機構聯系起來，實現流水作業(yè)，加以收集。整個過程無需依靠人力，提高了生產效率，減輕人工勞動強度，且本裝置設計簡便，適用范圍廣泛，可靠性高。

1.2 總體設計

黃瓜皮插孔工藝裝置由電控系統(tǒng)及液壓驅動裝置、傳動機構和執(zhí)行機構等組成。其中傳動機構包括鏈輪鏈條機構和齒條單向傳動齒輪聯動機構，執(zhí)行機構包括定位插孔板及固定托盤。結構示意圖如圖1所示。

圖1 黃瓜皮插孔裝置結構圖

機架和工作平臺支撐電控、液壓裝置、傳動機構等。整個裝置由液壓缸提供驅動力，為插孔板下落提供動力。液壓缸后的機架上掛有電控裝置控制液壓缸在特定時間提供動力。電路板設有開關，開關有彈簧復位裝置，可以自動歸位，通過開關可以控制液壓閥的工位，從而控制液壓推桿的上升下降。

兩個定位桿保證定位平臺及插孔板能保持豎直平穩(wěn)下落。當黃瓜傳送到預期位置時液壓裝置啟動，通過液壓推桿將運動傳遞到定位平臺，驅動定位平臺帶動插孔板下落，同時，固定在定位平臺后的齒條向下運動，此時單向傳動齒輪空轉，不帶動主軸轉動，從而達到插孔板下落而托盤（盛裝黃瓜）不會向前移動的目的。

完成黃瓜插孔后電控裝置轉換液壓閥工位，使液壓缸復位，帶動插孔板豎直向上運動，齒條隨之向上運動。通過齒條帶動單向齒輪轉動，此時單向傳動齒輪帶動鏈輪轉動，從而帶動鏈條進行傳動，將插好孔的黃瓜送離，傳遞下一份未插孔黃瓜，實現了固定托盤工位切換，達到自動插孔及自動傳輸黃瓜的目的。

2 動力學仿真分析

為驗證黃瓜皮插孔裝置的機械系統(tǒng)運行可行性，將UG 中的關鍵部件模型導入Adams 中進行仿真分析。

2.1 插孔板仿真分析

對于插孔板，在液壓缸的輸出推力54.058 N 和輸出拉力13.986 N 的情況下，取時間為9 s、步長為500 mm 的仿真方案，通過Adams 后處理模塊Post-Processor 進行處理，可以得到其位移曲線圖和運動曲線圖。

圖2 Y 方向位移曲線圖（插孔板仿真）

圖3 Y 方向速度曲線圖（插孔板仿真）

通過仿真分析可知所設計機構運動合理，各部件之間不存在干涉。插孔板在液壓缸的穩(wěn)定壓力作用下，做以3 s 為一個周期的周期運動，下行插孔過程和上行拔孔過程分別是加速度不同的勻加速直線運動。

考慮到液壓缸設有背壓閥，故不計入插孔板重力，由力的傳遞特性可知插孔力即為液壓缸推力54.058 N，大于黃瓜穿刺所需最大力[2]，裝置可以完成黃瓜插孔工藝，并保證插孔的流暢性。

2.2 運輸機構仿真分析

在Adams 中建立齒條與單向齒輪的齒輪副的運動仿真，設置仿真時長9 s，步長300 mm，從后處理模塊觀察單向齒輪旋轉過程中的角位移隨時間變化曲線，如圖4 所示。

圖4 單向齒輪的角位移隨時間變化曲線圖

從圖5 可以看出，單向齒輪和插孔板的運動具有一致性，以3 s 為一個周期。0～1 s，插孔板向下做插孔動作，此時單向齒輪順時針空轉，不起傳動作用，鏈條上的固定托盤保持工位不變，接受插孔板插孔工藝；1～3 s，插孔板向上運動做拔孔動作，此時單向齒輪逆時針轉動，與傳動軸配合，帶動鏈輪鏈條轉動，固定托盤依次向前運動一個工位。1～3 s 內單向齒輪角位移為θ=136°，在上述標準轉動角度134.86°的誤差允許范圍內，滿足傳動機構運行即工位轉換要求。

2.3 插孔工藝過程仿真

通過Adams 的柔性體建模，建立黃瓜的柔性體模型，將仿真黃瓜模型放置在插孔板下方的固定托盤上，從初始位置開始仿真，設置仿真時間為3 s，步長100 mm 的仿真方案，通過后處理模塊中的碰撞約束分析，得到插孔板與黃瓜的穿透力學曲線圖，如圖5 所示。

圖5 Y 方向受力曲線圖（一個周期）

通過受力曲線可知：當插孔板接觸黃瓜做插孔工藝時，黃瓜所受最大力為53.960 N，而液壓缸產生的推桿推力為54.058 N，考慮到機械損耗，符合實際情況。穿刺所用最大力就是所測果實的堅實度[3]，而黃瓜在不同貯藏條件下的堅實度都在30 N 以下，所以該機構可以滿足黃瓜插孔力的實際要求。

3 結論

根據黃瓜皮插孔實際工藝要求，利用三維建模軟件設計模型，導入Adams 進行仿真分析，驗證了裝置合理性和可行性。該黃瓜皮插孔裝置以插孔板和傳輸機構及其聯動機構為核心設計，整體機構運行合理，本機構可顯著提高插孔工作效率，可大大降低人工勞動強度，具有實用性高、自動化程度高等特點，可以滿足黃瓜皮插孔工藝需求。