曾 榮 侯群喜 陳亞欣 王 洋 董 昭 張國(guó)忠

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引言

蓮籽為睡蓮科植物的種子，含有多種有益于人體健康的成分，具有較高食用價(jià)值[1-3]。乳熟期、蠟熟期蓮籽常用于鮮食，蓮仁口感脆甜爽口、回味清香，深受人們喜愛(ài)[4-6]。近年來(lái)，隨著蓮藕產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鮮食蓮仁的市場(chǎng)需求增長(zhǎng)迅速，對(duì)外殼進(jìn)行脫殼處理和內(nèi)部蓮芯去除的機(jī)械化技術(shù)需求強(qiáng)烈。

現(xiàn)有蓮籽剝殼、去芯機(jī)械等裝備主要針對(duì)完熟蓮籽設(shè)計(jì)，多以在蓮籽短軸最大直徑處環(huán)切至少一周，再通過(guò)搓擦等方式迫使殼仁分離完成剝殼[7-8]。因完熟期蓮籽外殼為黑色、質(zhì)地堅(jiān)硬，內(nèi)部蓮仁含水率較低，強(qiáng)度較高，而乳熟期、蠟熟期蓮籽外殼呈綠色或淺褐色，殼、仁含水率均較高，質(zhì)地較柔軟，兩者物料特性相比差異顯著，因此上述研究不適于鮮食蓮籽剝殼加工。

近年來(lái)，研究者針對(duì)不同成熟度蓮籽的力學(xué)特性開(kāi)展了深入分析。如侯群喜等[9]研究了不同成熟度蓮籽力學(xué)特性的差異。馬秋成等[10]對(duì)含水率小于11%的蓮仁進(jìn)行了力學(xué)特性參數(shù)測(cè)定及擠壓破碎特性分析。朱亨銀等[11]、謝麗娟等[12-14]測(cè)試了鮮蓮子外殼的切透力、蓮仁堅(jiān)實(shí)度等機(jī)械特性。上述研究闡述了蓮仁在擠壓載荷作用下的破碎機(jī)理，為降低蓮籽加工的擠壓破損提供了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。

結(jié)合蓮籽物料特性，朱亨銀等[11]提出了一種采用內(nèi)充式排料、滾動(dòng)調(diào)整蓮籽姿態(tài)、振動(dòng)切割、滾壓殼仁分離的工作原理實(shí)現(xiàn)蓮子剝殼，但該機(jī)剝殼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配工藝要求較高，且刃口切割壓力設(shè)置較大，易造成鮮食蓮籽切口較深，損傷蓮仁；楊振和[15]采用點(diǎn)線面三步低壓力剝殼原理，蓮籽在通道內(nèi)作行星運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中完成剝殼，但該剝殼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配工藝要求較高。近年來(lái)曹志強(qiáng)[16]、鄒勇忠[17]設(shè)計(jì)并改進(jìn)了一種蓮子剝殼脫皮一體機(jī)，采用直線往復(fù)式破殼、水平輸送、摩擦去皮結(jié)構(gòu)，配合水力沖刷潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)蓮子剝殼去膜，已經(jīng)投放市場(chǎng)；文獻(xiàn)[18-21]所設(shè)計(jì)的蓮籽剝殼機(jī)均采用蓮籽固定，圓形刀盤(pán)滾動(dòng)切割的剝殼方式；文獻(xiàn)[22-25]所設(shè)計(jì)的蓮籽剝殼機(jī)均采用蓮籽直線輸送，固定刀具，蓮籽在輸送過(guò)程中實(shí)現(xiàn)環(huán)切。

為進(jìn)一步減少乳熟期、蠟熟期蓮籽擠壓破損，本文擬設(shè)計(jì)一種多通道集成式低損傷剝殼機(jī)構(gòu)，采用多通道仿形凹槽輪實(shí)現(xiàn)鮮蓮籽單粒排料、內(nèi)外刀具環(huán)切、滾壓殼仁分離，實(shí)現(xiàn)鮮食蓮籽剝殼，為鮮食蓮籽加工提供技術(shù)支撐。

1 剝殼工作原理

蓮籽的剝殼過(guò)程見(jiàn)圖1。蓮籽首先在剝殼機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整、短軸環(huán)切以及殼仁初步分離；實(shí)現(xiàn)初步殼仁分離的蓮籽進(jìn)一步由下一級(jí)的搓擦式殼仁分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)殼仁的完全分離。殼仁分離機(jī)構(gòu)采用通用的搓擦方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐底板、水流系統(tǒng)組成。其中皮帶與底板表面均黏貼厚5 mm的海綿，減少蓮籽擠壓。蓮籽在皮帶的運(yùn)動(dòng)下，通過(guò)雙層海綿的滾動(dòng)搓擦，已被環(huán)切的蓮殼脫離蓮仁，在水流的沖刷下掉落。蓮籽能夠?qū)崿F(xiàn)殼仁分離的關(guān)鍵取決于剝殼機(jī)構(gòu)的性能，剝殼機(jī)構(gòu)需完成蓮籽短軸環(huán)切同時(shí)減少蓮籽被擠壓。

圖1 蓮籽殼仁分離過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic of separation process of louts seed peel1.料斗 2.剝殼機(jī)構(gòu) 3.機(jī)架 4.殼仁分離機(jī)構(gòu) 5.水流系統(tǒng) 6.底板 7.皮帶

圖2為剝殼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。剝殼機(jī)構(gòu)主要由料斗、毛刷、仿形凹槽輪、內(nèi)刀盤(pán)、外刃齒板、旋轉(zhuǎn)軸組成。2個(gè)內(nèi)刀盤(pán)與3個(gè)仿形凹槽輪同軸安裝，且內(nèi)嵌于凹槽輪中間。內(nèi)刀盤(pán)與旋轉(zhuǎn)軸固定連接，3個(gè)仿形凹槽輪通過(guò)螺栓連接在一起并通過(guò)軸承支撐繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外刃齒板同軸心安裝在仿形凹槽輪一側(cè)。

圖2 剝殼機(jī)構(gòu)展開(kāi)圖Fig.2 Expanded view of shelling mechanism1.外刃齒板 2.毛刷 3、5、7.仿形凹槽輪 4、6.內(nèi)刀盤(pán) 8.旋轉(zhuǎn)軸 9.料斗

剝殼機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，料斗內(nèi)的鮮蓮籽開(kāi)始下落，隨著凹槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)及毛刷的輔助作用，下落的蓮籽逐一掉入凹槽輪的凹槽內(nèi)。此時(shí)，蓮籽在外刃齒板、凹槽以及自身重力作用下，利用橢球形物體滾動(dòng)時(shí)會(huì)逐漸趨向最短路徑運(yùn)動(dòng)這一特性，逐漸完成姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)軸排序；排序后的蓮籽在內(nèi)外刃口的切割下，在短軸最大周長(zhǎng)處完成整周環(huán)切；割殼后的蓮籽在外刃齒板的搓擦擠壓作用下，實(shí)現(xiàn)初步的殼仁分離。

2 剝殼過(guò)程受力分析

2.1 蓮籽姿態(tài)調(diào)整

從料斗里隨凹槽排出的蓮籽，姿態(tài)各異，為使蓮籽在環(huán)切時(shí)長(zhǎng)軸始終垂直于刃口，達(dá)到最好環(huán)切效果，需要對(duì)蓮籽進(jìn)入切割段前進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。不同于以往研究者采用水平調(diào)整通道[16-17]、三輥輪調(diào)整[18]等方式，本文利用凹槽設(shè)計(jì)來(lái)保護(hù)蓮籽，避免擠壓損傷，在該設(shè)計(jì)前提下采用雙齒形強(qiáng)迫滾動(dòng)的方式來(lái)進(jìn)行蓮籽姿態(tài)調(diào)整。分析過(guò)程如下：蓮籽在凹槽內(nèi)勻速滾動(dòng)的過(guò)程中，受蓮籽自身重力、離心力、齒形摩擦力、凹槽壁對(duì)蓮籽的支撐力、摩擦力等力的作用。蓮籽能否實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整主要取決于蓮籽受力的合力對(duì)蓮籽圓心的矩。蓮籽在剝殼機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖3a所示，在位置a蓮籽進(jìn)入姿態(tài)調(diào)整，從位置b進(jìn)入割殼階段。蓮籽在姿態(tài)調(diào)整段的受力如圖3b所示，根據(jù)平面力系簡(jiǎn)化原則，此時(shí)蓮籽受到的向心力為Fn，切線方向合力為0。

圖3 剝殼過(guò)程及蓮籽姿態(tài)調(diào)整受力分析Fig.3 Schematics of shelling process and free-body diagram of lotus seed in posture adjustment stage1.料斗 2.外刃齒板 3.蓮籽 4.齒形刃 5.弧形刃口 6.凹槽輪 7.內(nèi)刀盤(pán)

法線方向(Y方向)合力為

FN+Frsinθ+mgcosθ1-Fdcosθ=Fn

(1)

其中

Fn=mω2R0

(2)

切線方向(X方向)合力為

Ff-Frcosθ-mgsinθ1-Fdsinθ=0

(3)

對(duì)蓮籽轉(zhuǎn)動(dòng)中心取矩，合力矩為

M1=(Ff-Fd)R1

(4)

式中R0——凹槽輪半徑,m

ω——凹槽輪角速度，rad/s

Fr——凹槽壁對(duì)蓮籽的支撐力，N

Fd——蓮籽受到的滾動(dòng)摩擦力，N

Ff——外刃齒板對(duì)蓮籽的摩擦力，N

FN——外刃齒板對(duì)蓮籽的支撐力，N

R1——蓮籽平均半徑，m

M1——蓮籽所受合力矩，N·m

m——蓮籽質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

θ——Fr與切線方向的夾角，rad

θ1——重力與法線方向的夾角，rad

聯(lián)立式(1)、(3)并代入式(4)得到蓮籽在姿態(tài)調(diào)整階段受到的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為

(5)

假設(shè)蓮籽在齒形刃口的強(qiáng)迫滾動(dòng)摩擦和凹槽的推送下，繞蓮籽中心轉(zhuǎn)動(dòng)，則需要滿足M1>0。將ω=1.532 rad/s、R0=0.12 m、R1=0.008 7 m代入式(5)計(jì)算分析得：M1>0，則凹槽內(nèi)蓮籽在外力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。由于蓮籽自身的特性，可在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)軸排序，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 蓮籽割殼

經(jīng)過(guò)姿態(tài)調(diào)整后蓮籽可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)軸排序，隨后將完成割殼過(guò)程。蓮籽割殼需在蓮籽短軸最大直徑處環(huán)切至少一周。為保證切割可靠性，設(shè)計(jì)內(nèi)外環(huán)形切割方式，采用美工刀作為外刀具，內(nèi)刀具為圓形不銹鋼刀盤(pán)，開(kāi)刃角為15°。由前期試驗(yàn)測(cè)得乳熟期、蠟熟期蓮籽蓮殼厚度為0.9～1.1 mm，為使蓮籽均達(dá)到環(huán)切深度要求，內(nèi)外刃口高度均設(shè)置為1.1 mm。

蓮籽在進(jìn)入切割通道時(shí)，除受到姿態(tài)調(diào)整階段所有力的作用外，同時(shí)還受到內(nèi)外刀刃的摩擦力，如圖4所示。蓮籽在上述力的作用下，在內(nèi)外刃口間轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)蓮殼的環(huán)切。根據(jù)平面力系簡(jiǎn)化原則，蓮籽在位置b(圖3a)時(shí)開(kāi)始進(jìn)入割殼通道，此時(shí)蓮籽在法線方向合力為Fn，切線方向合力為0。

圖4 蓮籽割殼階段受力示意圖Fig.4 Free-body diagram of lotus seed in shell cutting stage

法線方向(Y方向)合力為

FN1+mgcosθ1-FN2-Fdcosθ=Fn

(6)

切線方向(X方向)合力為

Ff1+Ff2+Ff3-Frcosθ-mgsinθ1-Fdsinθ=0

(7)

對(duì)蓮籽轉(zhuǎn)動(dòng)中心取矩，合力矩為

M2=(Ff1+Ff2-Fd-Ff3)R1

(8)

式中Ff1——齒形刃對(duì)蓮籽的摩擦力，N

Ff2——外刃口對(duì)蓮籽的摩擦力，N

Ff3——內(nèi)刃口對(duì)蓮籽的摩擦力，N

M2——割殼階段蓮籽所受合力矩，N·m

FN1——外刃口對(duì)蓮籽的支撐力，N

FN2——內(nèi)刃口對(duì)蓮籽的支撐力，N

在進(jìn)入環(huán)切階段時(shí)，新增摩擦力Ff2、Ff3為一對(duì)大小相同、作用點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的平行力，在對(duì)蓮籽中心取矩時(shí)，可以相互抵消。由蓮籽在割殼階段的轉(zhuǎn)矩計(jì)算分析可知，蓮籽在該階段仍滿足轉(zhuǎn)動(dòng)需求。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 凹槽輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凹槽輪在機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)蓮籽輸送、排出，同時(shí)當(dāng)蓮籽被環(huán)切時(shí)可保護(hù)其不被壓損，是剝殼機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成。隨著外槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，料斗內(nèi)的蓮籽以單粒排出進(jìn)入凹槽輪的凹槽內(nèi)。假設(shè)蓮籽能夠正常進(jìn)入凹槽，且在排出蓮籽時(shí)，避免2個(gè)蓮籽以短軸最小直徑并列進(jìn)入凹槽，造成無(wú)法實(shí)現(xiàn)單粒排出的現(xiàn)象，則凹槽基圓直徑Φ0、外槽輪厚度H0、凹槽數(shù)K需滿足條件[26]

(9)

式中Φmax——蓮籽短軸最大直徑，mm

Φmin——蓮籽短軸最小直徑，mm

Lmax——蓮籽最大長(zhǎng)軸直徑，mm

Φ2——凹槽基圓分布直徑，mm

Φ1——外槽輪直徑，mm

S——?dú)と史蛛x間距，mm

d——蓮籽平均直徑，mm

參考鮮蓮籽力學(xué)特性參數(shù)[9]，乳熟期、蠟熟期蓮籽短軸直徑最大值為18.20 mm，最小值為15.46 mm，平均直徑為17.40 mm，蓮籽長(zhǎng)軸直徑最大值為25.94 mm，初步設(shè)定凹槽基圓直徑Φ0為20 mm，凹槽輪厚度H0為30 mm?？紤]到蓮籽從料斗排出后，需要姿態(tài)調(diào)整、環(huán)切、滾壓，為保證外槽輪外周有足夠的長(zhǎng)度，初步設(shè)定外槽輪直徑Φ1為240 mm，計(jì)算可得凹槽數(shù)K為6.7。由于乳熟期、蠟熟期蓮籽殼仁間隙較小，增大滾動(dòng)距離可提高殼仁分離率，因而取凹槽數(shù)K為6，凹槽輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5a、5b所示。

圖5 凹槽輪和凹槽結(jié)構(gòu)及蓮籽落料運(yùn)動(dòng)分析Fig.5 Schematics of groove wheel and groove structure and motion analysis of lotus seed blanking1.凹槽基圓 2.弧形刃口 3.齒形刃口

3.2 凹槽輪工作參數(shù)計(jì)算

蓮籽是否落入凹槽內(nèi)取決于蓮籽與凹槽輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況[27-28]。蓮籽隨著凹槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)從料斗落入凹槽內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)逐層傳遞并帶動(dòng)著蓮籽，蓮籽在落料位置存在蓮籽間摩擦力、上層蓮籽對(duì)下層蓮籽的壓力、蓮籽與凹槽輪表面摩擦力、蓮籽重力共同作用。單蓮籽即將進(jìn)入凹槽時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析如圖5c所示，以蓮籽所在位置半徑方向?yàn)閄軸方向，垂直方向?yàn)閅軸方向，則蓮籽進(jìn)入凹槽內(nèi)的條件為

(10)

其中

v=ωR0

(11)

(12)

由此確定凹槽輪轉(zhuǎn)速取值范圍為

(13)

式中v——凹槽輪邊緣線速度，m/s

D——凹槽最大開(kāi)口直徑，mm

d0——蓮籽短軸當(dāng)量直徑，mm

n——凹槽輪轉(zhuǎn)速，r/min

將設(shè)計(jì)參數(shù)R0=120 mm、D=20 mm、d0=17.4 mm、g=9.8 m/s2代入式(13)，可得凹槽輪的極限轉(zhuǎn)速n≤21.3 r/min。

3.3 蓮籽落料過(guò)程分析

蓮籽在下落時(shí)，受自身重力和上層蓮籽擠壓作用，在凹槽輪自身轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，理論上可實(shí)現(xiàn)單粒排出并順利進(jìn)入凹槽輪內(nèi)。由于蓮籽在料斗內(nèi)的姿態(tài)各異，在下落時(shí)方向不定，不同下落狀態(tài)最終的落料結(jié)果存在一定差異。當(dāng)蓮籽沿短軸方向下落時(shí)，在自身重力及后方蓮籽的推動(dòng)作用下，且由于凹槽的直徑大于蓮籽短軸最大直徑，蓮籽可以完全掉入凹槽內(nèi)，能避免遭受凹槽邊緣的擠壓。另外一種極限狀態(tài)是當(dāng)蓮籽剛好沿長(zhǎng)軸方向掉入凹槽，此時(shí)在自身重力、凹槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和后方蓮籽的推動(dòng)作用下，也會(huì)下落。但由于凹槽的半徑小于蓮籽長(zhǎng)軸，可能會(huì)導(dǎo)致蓮籽卡在凹槽邊緣而發(fā)生擠壓損傷。為避免蓮籽遭到機(jī)構(gòu)擠壓，在進(jìn)入凹槽前端加上毛刷結(jié)構(gòu)。若蓮籽無(wú)法完全掉入凹槽，后方蓮籽和凹槽輪的推動(dòng)也無(wú)法使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)掉入凹槽時(shí)，毛刷會(huì)提供給蓮籽一個(gè)反向的推動(dòng)力(F1)，且此時(shí)凹槽輪、擋板對(duì)蓮籽的作用力(F2和F3)均指向凹槽外(圖6)，在毛刷、擋板和凹槽輪的共同作用下，蓮籽將返回料斗內(nèi)，等待下一個(gè)凹槽到達(dá)。如果蓮籽的姿態(tài)位于這兩種姿態(tài)之間，由于凹槽輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)蓮籽之間會(huì)發(fā)生相互作用，在這種擾動(dòng)狀態(tài)下，多數(shù)蓮籽會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)而最終被裹挾著進(jìn)入到凹槽內(nèi)。隨著凹槽輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，不能順利進(jìn)入凹槽的蓮籽將被毛刷提供的反向作用力回推至料斗內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)蓮籽在凹槽口卡住的現(xiàn)象，也防止了蓮籽在凹槽口因擠壓發(fā)生損傷。

圖6 沿長(zhǎng)軸下落蓮籽在凹槽口的受力狀態(tài)示意圖Fig.6 Stress state of lotus seed falling along long axis at groove notch

4 蓮籽剝殼過(guò)程仿真分析

4.1 剝殼過(guò)程離散元仿真

蓮籽在剝殼機(jī)中能否實(shí)現(xiàn)有效剝殼主要取決于蓮籽的姿態(tài)調(diào)整和蓮籽在環(huán)切階段自身是否會(huì)繞長(zhǎng)軸中線自轉(zhuǎn)整周。為分析蓮籽在該剝殼機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程并探究不同結(jié)構(gòu)因素對(duì)蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響，本文借助EDEM軟件對(duì)蓮籽在剝殼機(jī)構(gòu)中的充種性能、姿態(tài)調(diào)整以及剝殼效率進(jìn)行仿真分析。

4.1.1蓮籽EDEM模型

在SolidWorks軟件中建立剝殼機(jī)構(gòu)；通過(guò)多功能手持式3D掃描儀對(duì)蓮籽進(jìn)行掃描得到鮮食蓮籽三維模型，并將模型保存為.STEP格式導(dǎo)入EDEM中，如圖7所示。

圖7 蓮籽三維模型Fig.7 Geometric models of lotus seed

4.1.2仿真參數(shù)設(shè)置

(1)顆粒參數(shù)設(shè)定

對(duì)剝殼機(jī)構(gòu)和蓮籽物料的材料本征參數(shù)、蓮籽間、蓮籽與剝殼機(jī)構(gòu)間接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，參數(shù)設(shè)置分別如表1、2所示[9,29-31]。

表1 材料本征參數(shù)Tab.1 Material intrinsic parameters

表2 材料間接觸參數(shù)Tab.2 Contact parameters

EDEM軟件中接觸模型設(shè)置為Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)模型，蓮籽直徑設(shè)置采用自定義模式，根據(jù)前期物料試驗(yàn)中蓮籽外形測(cè)量，等效半徑R為8.7 mm，故設(shè)定蓮籽半徑分布如圖8所示。

圖8 蓮籽仿真模型粒徑分布Fig.8 Particle size distribution of lotus seed model

(2)顆粒工廠設(shè)置

在仿真模型中料斗的正上方設(shè)置顆粒工廠，依據(jù)蓮籽各個(gè)粒徑所占百分比，設(shè)定喂入量為300粒，每秒喂入600粒，為了使蓮籽快速落入，設(shè)置蓮籽初速度為2 m/s。理論計(jì)算凹槽輪組極限轉(zhuǎn)速n≤21.3 r/min，為進(jìn)一步探索蓮籽姿態(tài)隨凹槽輪組轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，在仿真中設(shè)置凹槽輪組轉(zhuǎn)速為14、16、18、20、22、24 r/min。求解時(shí)設(shè)置Fixed Time Step為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的15.905 9%，間隔0.000 02 s，總仿真時(shí)間為60 s，計(jì)算域單元格大小設(shè)置為最小半徑的2倍。

4.2 EDEM仿真結(jié)果與分析

4.2.1凹槽輪轉(zhuǎn)速對(duì)蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響

選取向心齒作為齒形刀齒形，以齒間距5 mm、刃齒距為兩倍蓮籽短軸平均周長(zhǎng)(109 mm)作為試驗(yàn)條件，對(duì)凹槽輪不同轉(zhuǎn)速下的蓮籽姿態(tài)變化進(jìn)行仿真分析，仿真過(guò)程如圖9所示。通過(guò)EDEM Selection后處理模塊中的Grid Bin Group功能統(tǒng)計(jì)該剝殼機(jī)構(gòu)在仿真時(shí)間60 s內(nèi)的蓮籽完成姿態(tài)調(diào)整數(shù)量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

圖9 剝殼機(jī)構(gòu)仿真過(guò)程Fig.9 Simulation process of shelling mechanism

由表3可知，隨著凹槽輪組轉(zhuǎn)速增加，該剝殼機(jī)構(gòu)實(shí)際完成蓮籽排出和姿態(tài)調(diào)整的數(shù)量占理論數(shù)量百分比逐漸下降，這是由于凹槽輪轉(zhuǎn)速越高，充種性能越差。當(dāng)轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)，仿真時(shí)間內(nèi)蓮籽經(jīng)過(guò)姿態(tài)調(diào)整后排出數(shù)量最多，可認(rèn)為剝殼機(jī)構(gòu)在該轉(zhuǎn)速下具有最大工作效率。

表3 不同轉(zhuǎn)速下蓮籽姿態(tài)調(diào)整數(shù)量Tab.3 Quantity of lotus seeds completing posture adjustment at different rotation speeds

4.2.2齒條參數(shù)對(duì)蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響

蓮籽在凹槽內(nèi)姿態(tài)調(diào)整過(guò)程主要受到外刃齒板上齒條結(jié)構(gòu)的影響，為了探究齒條結(jié)構(gòu)對(duì)蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響，以齒條齒形、齒間距、刃齒距為仿真結(jié)構(gòu)變量(圖10)，以完成姿態(tài)調(diào)整排出蓮籽數(shù)量為指標(biāo)，仿真結(jié)果如表4、圖11所示。由單因素仿真結(jié)果可以得出，3種結(jié)構(gòu)變量均對(duì)蓮籽姿態(tài)調(diào)整產(chǎn)生影響，其中單因素水平影響最大的分別為向心齒、齒間距為5 mm；隨著刃齒距的增加，對(duì)姿態(tài)調(diào)整的影響逐漸增加，當(dāng)刃齒距增加至1.5倍蓮籽短軸平均周長(zhǎng)(82 mm)時(shí)，增加刃齒距帶來(lái)的影響逐漸趨于平穩(wěn)。

圖10 外擋板齒形Fig.10 Tooth shape of outer baffle1.切割刀 2.鋸齒

表4 不同齒形和齒間距下姿態(tài)調(diào)整排出蓮籽數(shù)量Tab.4 Lotus seed discharge quantity after posture adjustment under different tooth profiles and tooth spacings 個(gè)

圖11 刃齒距對(duì)姿態(tài)調(diào)整的影響Fig.11 Influence of blade pitch on posture adjustment

4.3 蓮籽運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

蓮籽在剝殼機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以分為3個(gè)階段：姿態(tài)調(diào)整—割殼—排出。蓮籽經(jīng)過(guò)姿態(tài)調(diào)整后可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)軸排布，進(jìn)而能夠保證割殼階段對(duì)短軸最大直徑處的切割。要實(shí)現(xiàn)完整切割，蓮籽需能在凹槽中自轉(zhuǎn)360°以上。EDEM仿真無(wú)法獲取蓮籽顆粒上某一點(diǎn)的軌跡，本研究運(yùn)用ADAMS軟件，以向心齒齒條、齒間距5 mm、刃齒距82 mm為試驗(yàn)條件，對(duì)蓮籽在剝殼機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

4.3.1模型建立與材料屬性定義

在SolidWorks軟件中將該剝殼機(jī)構(gòu)分為兩部分：Part.1為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，包含3個(gè)凹槽輪；Part.2為靜止部分，包括料斗、擋板、軸和刀盤(pán)。將蓮籽模型和剝殼機(jī)構(gòu)導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行分析，導(dǎo)入的幾何模型如圖12所示。

圖12 ADAMS幾何模型Fig.12 ADAMS geometric model

在ADAMS軟件材料庫(kù)中選取鋼作為Part.2各部分的材料，Part.1和蓮籽的材料屬性通過(guò)查閱文獻(xiàn)采用自定義設(shè)置，各部分材料屬性如表5所示。

表5 各部分材料屬性參數(shù)Tab.5 Material properties of each part

4.3.2約束和驅(qū)動(dòng)添加

對(duì)Part.2添加固定副與大地相連，在Part.1軸心位置添加與大地之間的旋轉(zhuǎn)副，并在旋轉(zhuǎn)副上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為20 r/min。蓮籽在凹槽輪帶動(dòng)下隨凹槽輪運(yùn)動(dòng)，為了防止蓮籽直接穿過(guò)凹槽輪，造成仿真失敗，需要對(duì)蓮籽與Part.1和Part.2之間分別添加接觸力，接觸類(lèi)型選擇“柔性體對(duì)剛體”，接觸力的算法采用基于碰撞函數(shù)的接觸算法(IMPACT-function-based contact)，接觸力參數(shù)如表6所示[32]。

表6 接觸力參數(shù)Tab.6 Contact force parameters

4.4 ADAMS仿真結(jié)果與分析

設(shè)置仿真時(shí)間為100 s，步數(shù)為8 600步。為了更加清晰準(zhǔn)確地得到蓮籽的運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)仿真完成后，在蓮籽短軸最大圓周上任意處添加Marker點(diǎn)，通過(guò)仿真后處理中軌跡顯示得到Marker點(diǎn)相對(duì)于大地的軌跡線，并導(dǎo)出Marker點(diǎn)的位置坐標(biāo)，在Matlab軟件中繪制其軌跡，如圖13所示，圖中直角坐標(biāo)系為EDEM仿真分析中以大地為參考系建立的，虛線圓為添加的凹槽輪外直徑輪廓，O為剝殼機(jī)構(gòu)軸心。

通過(guò)圖13中Marker點(diǎn)的軌跡可看出蓮籽在剝殼機(jī)構(gòu)中的整體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的變化。0°≤α≤39.2°所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)段為蓮籽在凹槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)下進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的階段，由于蓮籽進(jìn)入時(shí)姿態(tài)各異，隨凹槽輪的運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)律；處于該階段的蓮籽，在外刃齒板上刃齒、凹槽和自身重力作用下，逐漸調(diào)整姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)軸排序。ε為52.2°，所對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)為蓮籽自轉(zhuǎn)環(huán)切階段。處于該階段的蓮籽，在外刃齒板上刃齒、外刀、內(nèi)刀盤(pán)、凹槽和自身重力作用下，隨凹槽轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)繞自身長(zhǎng)軸自轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)切，運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線。β為39.2°，所對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)為初步殼仁分離段，處于該階段的蓮籽，環(huán)切過(guò)程已經(jīng)完成，蓮殼受到刃齒的擠壓和自身的滾動(dòng)摩擦，初步實(shí)現(xiàn)殼仁分離。仿真結(jié)果表明，蓮籽在設(shè)定的仿真參數(shù)條件下能夠完成有效的姿態(tài)調(diào)整與整周自轉(zhuǎn)。

圖13 蓮籽短軸最大圓周上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.13 Trajectory of point on maximum circumference of lotus seed minor axis

5 試驗(yàn)驗(yàn)證及最優(yōu)參數(shù)確定

為了驗(yàn)證理論計(jì)算、仿真試驗(yàn)結(jié)果及3種結(jié)構(gòu)因素在實(shí)際作業(yè)中對(duì)剝殼率的影響，試制了蓮籽剝殼去芯一體機(jī)(圖14)，并對(duì)其剝殼效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。選用產(chǎn)自湖北省洪湖市的太空蓮36號(hào)(含水率大于64.2%)的乳熟期和蠟熟期蓮籽為試驗(yàn)材料，以齒間距、齒形與刃齒距為試驗(yàn)因素，以剝殼率為試驗(yàn)指標(biāo)，驗(yàn)證刃齒距、齒間距、齒形對(duì)剝殼率的影響。由于蓮籽大小不一，若長(zhǎng)軸較短的蓮籽以?xún)A斜姿態(tài)進(jìn)入凹槽，蓮籽的首尾端部會(huì)傾斜頂住凹槽壁，在姿態(tài)調(diào)整時(shí)因轉(zhuǎn)動(dòng)不暢帶來(lái)一定的擠壓，造成蓮籽的壓潰；此外，試驗(yàn)用蓮籽成熟期無(wú)法保證完全一致，成熟期越低的蓮籽抗擠壓能力越差，會(huì)帶來(lái)一定的擠壓破損的可能性。因此，試驗(yàn)同時(shí)以蓮籽的壓潰率為指標(biāo)，并對(duì)機(jī)構(gòu)工作可靠性、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性等指標(biāo)進(jìn)行考察。

圖14 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.14 Experiment site1.料斗 2.剝殼機(jī)構(gòu) 3.殼仁分離機(jī)構(gòu) 4.蓮仁落料箱 5.步進(jìn)電機(jī) 6.去芯機(jī)構(gòu) 7.水流系統(tǒng)

5.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3個(gè)因素不同水平的組合會(huì)產(chǎn)生不同的剝殼率，因此試驗(yàn)以剝殼率最大值作為優(yōu)化目標(biāo)，采用L25(56)正交表進(jìn)行優(yōu)化分析，各試驗(yàn)因素水平如表7所示。由于各因素水平不同，采用擬水平法重點(diǎn)分析向心齒、逆齒，刃齒距為54、82 mm對(duì)剝殼率帶來(lái)的影響[33-34]。隨機(jī)稱(chēng)取乳熟期、蠟熟期蓮籽15 kg，在剝殼輪轉(zhuǎn)速20 r/min下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，其中A、B、C為因素水平值。

表7 試驗(yàn)因素水平Tab.7 Factors and levels in experiment

表8 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Experimental scheme and results

5.2 結(jié)果與分析

由表8可知，試驗(yàn)過(guò)程中壓潰率不高，而且實(shí)際生產(chǎn)中更加關(guān)注鮮食蓮籽的剝殼率，所以此處僅將壓潰率作為一個(gè)參考指標(biāo)，表明該機(jī)構(gòu)在獲得較高的剝殼率時(shí)壓潰率較低，因此后文僅對(duì)剝殼率作具體分析。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差與方差分析，結(jié)果如表9所示。極差與方差分析表明，在試驗(yàn)條件下齒間距、刃齒距、齒形3個(gè)因素均對(duì)剝殼率影響極顯著，其中對(duì)剝殼率的影響由大到小依次為齒形、齒間距、刃齒距。齒形3個(gè)水平比較，向心齒的指標(biāo)均值最高；齒間距5個(gè)水平比較，5 mm時(shí)的指標(biāo)均值最高；刃齒距3個(gè)水平比較，82 mm時(shí)的指標(biāo)均值最高。因此，最優(yōu)的因素水平組合為C3A3B3。

表9 剝殼率極差與方差分析Tab.9 Intuitionistic and variance analyses of shelling rate

5.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

為進(jìn)一步確定最優(yōu)的刃齒距，根據(jù)仿真與5.2節(jié)試驗(yàn)結(jié)果，以剝殼率為試驗(yàn)指標(biāo)，在向心齒及齒間距為5 mm條件下進(jìn)行刃齒距單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 單因素試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Single factor test results

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次曲線擬合，可得回歸方程

y=75.548+5.66x-0.378x2

(14)

式中y——?jiǎng)儦ぢ剩?

x——刃齒距，mm

上述回歸方程的決定系數(shù)R2=0.977。由回歸方程可知，刃齒距與剝殼率的關(guān)系近似滿足二次拋物線方程，當(dāng)刃齒距為82、109 mm時(shí)，剝殼率可達(dá)最高，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果。由于剝殼機(jī)構(gòu)凹槽輪組結(jié)構(gòu)尺寸一定，增加刃齒距會(huì)縮短割殼刀具長(zhǎng)度，使蓮籽環(huán)切無(wú)法得到滿足，因此刃齒距選取82 mm。

仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明，剝殼機(jī)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)組合為：轉(zhuǎn)速為20 r/min、向心齒、刃齒距為82 mm及齒間距為5 mm，此時(shí)可獲得最優(yōu)剝殼率。在該參數(shù)組合下，對(duì)剝殼機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能試驗(yàn)，觀測(cè)機(jī)構(gòu)的剝殼率和蓮籽損傷情況，試驗(yàn)結(jié)果表明剝殼率可達(dá)97%，同時(shí)損失率(壓潰、割傷等)低于3%，試驗(yàn)效果如圖15所示。

圖15 剝殼試驗(yàn)效果Fig.15 Effects of shelling test

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種多通道集成式低損傷鮮食蓮籽剝殼機(jī)構(gòu)，采用外槽輪式單粒排出及內(nèi)外刀具環(huán)切原理，剝殼通道可并列布置多個(gè)，每個(gè)通道均可實(shí)現(xiàn)蓮籽單粒排出、姿態(tài)調(diào)整和環(huán)切。完成了剝殼機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)鍵部分的參數(shù)計(jì)算和剝殼過(guò)程理論分析，確定了凹槽輪直徑、凹槽基圓直徑、凹槽數(shù)、極限轉(zhuǎn)速分別為240 mm、30 mm、6個(gè)和21.3 r/min。

(2)采用EDEM和ADAMS軟件對(duì)蓮籽在剝殼機(jī)構(gòu)中姿態(tài)調(diào)整、運(yùn)動(dòng)軌跡以及剝殼機(jī)構(gòu)極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行了仿真。分析了刃齒距、齒形和齒間距對(duì)蓮籽姿態(tài)調(diào)整的影響，結(jié)果表明當(dāng)凹槽輪轉(zhuǎn)速為20 r/min、采用向心齒、齒間距為5 mm且刃齒距為82 mm時(shí)，蓮籽完成姿態(tài)調(diào)整數(shù)量最多；運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)蓮籽短軸最大周長(zhǎng)上任一點(diǎn)軌跡進(jìn)行仿真分析，得到蓮籽在剝殼機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)軌跡為蓮籽自轉(zhuǎn)和隨凹槽輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的合成，與理論分析過(guò)程相吻合。

(3)對(duì)剝殼機(jī)構(gòu)進(jìn)行樣機(jī)試制，以齒間距、齒形與刃齒距為試驗(yàn)因素，以剝殼率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差與方差分析，對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次曲線擬合，進(jìn)一步對(duì)理論計(jì)算和仿真分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，并獲得了機(jī)構(gòu)的最優(yōu)因素水平組合，試驗(yàn)結(jié)果表明在向心齒、齒間距為5 mm且刃齒距為82 mm條件下，該剝殼機(jī)構(gòu)對(duì)鮮食蓮籽的剝殼率可達(dá)97%。