水平碾搓式銀杏脫殼機脫殼過程仿真研究

張日紅 朱立學

（仲愷農業工程學院機電工程學院，廣東 廣州 510225）

水平碾搓式銀杏脫殼機脫殼過程仿真研究

張日紅 朱立學

（仲愷農業工程學院機電工程學院，廣東 廣州 510225）

設計一種水平碾搓式銀杏脫殼機，對其結構及工作原理進行闡述，通過對基于SolidWorks的動力學模型的仿真研究，獲得單體銀杏脫殼過程中的運動規律和受力特點，同時研究單體銀杏脫殼的能耗情況。

水平碾搓式；銀杏脫殼；仿真研究

銀杏俗稱白果，為藥食同源物品。由于果實外形不規則，且柔嫩的果仁緊貼于堅硬的果殼內，導致果殼難以剝離。近幾年來，中國有些科研院所已研制、開發出一些堅果脫殼加工設備，但一次性脫殼率偏低，碎仁率偏高［1］。有的研究者［2］通過采取不同的脫殼方式從設備上改進脫殼效果，但往往是脫殼率提高的同時，也增加了碎仁率。目前中國堅果加工企業仍普遍采用以人工砸殼取仁的方法。

探討銀杏種核脫殼運動規律和單體變形特征是研究銀杏脫殼設備的關鍵。袁巧霞等［3］對銀杏核的物性參數進行了測定，通過對輥板式銀杏脫殼裝置的試驗研究指出軋距過大、過小均不利于脫殼，但是沒有考慮銀杏施力方向對破殼、果仁破損的影響。王靈軍等［4］設計出了銀杏的幾何模型和破殼受力模型，通過有限元分析方法對銀杏在各種施力狀態下的應力分布進行了分析，但僅僅停留在靜態受力分析上。本試驗提出一種水平碾搓式銀杏脫殼機，通過仿真研究探索銀杏單體在脫殼過程中的受力特點，同時研究銀杏脫殼過程的能耗情況。

1 水平碾搓式銀杏脫殼機結構

1.1 整體結構與工作原理

水平碾搓式銀杏脫殼機結構圖見圖1。銀杏經進料口進入定磨片和動磨的間隙中，在動磨片轉動產生的離心力作用下籽粒沿徑向向外運動，使銀杏與定磨間產生方向相反的摩擦力；同時動磨片與定磨片上的凸齒不斷對外殼進行剪切，在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產生裂紋直至破裂，并與籽仁脫離，達到脫殼的目的。影響脫殼效果的因素有：銀杏的水分含量、圓盤的直經、動磨片轉速、磨片之間工作間隙、磨片上槽紋的形狀和籽粒的均勻度等。該脫殼機的產量可以達到100～150kg/h。

圖1 水平碾搓式銀杏脫殼機結構Figure 1 The structure of horizontal extrusion－grind ginkgo decorticating equipment

1.2 定盤與動盤部件的結構

定盤部件由定盤、定盤罩和間隙調節機構等組成（見圖2）。間隙調節機構通過手動扭轉主調節軸和副調節軸來控制定盤的位置。主調節軸和副調節軸均與固定在定盤上的螺紋桿形成螺紋連接，在調節軸的轉動下，螺紋桿帶著定盤上升或者下降，從而實現調節定動盤之間的間隙的大小，來適用于不同大小的銀杏的脫殼工作［5］。圖3為動盤部件，由電動機通過皮帶傳動驅動其進行高速旋轉，在動盤的傳動軸上裝有均料盤。

圖3 動盤部件圖Figure 3 Structure of rotating grinding wheel

2 銀杏脫殼過程仿真模型的建立

2.1 銀杏三維模型的建立

根據銀杏大小的統計分布規律，并考慮到銀杏殼的外表面為近似的2次曲面，除了側棱之外，表面都較為光滑。根據銀杏的平均尺寸，采用圖4所示的參數進行三維建模。

圖4 銀杏尺寸參數Figure 4 Ginkgo dimension parameters

2.2 銀杏脫殼過程的簡化分析模型

在建立銀杏脫殼過程的數學模型時，需抽取對銀杏破殼過程產生主要影響的幾何特征，對模型做一定的簡化，在保證求解精度的同時，減少求解所消耗的機器時數。簡化后的模型見圖5。

圖5 銀杏脫殼過程的簡化分析模型Figure 5 Simplified analysis model of ginkgo shelling process

3 銀杏脫殼過程的運動規律及受力特點

3.1 銀杏脫殼過程中的運動軌跡

在銀杏脫殼機脫殼過程中，銀杏未受到一個明確、穩定的約束，屬于3D碰撞。3D碰撞與別的運動不同，它由1個或者2個碰撞容器構成。1個碰撞容器包括1個或多個運動零部件。2個碰撞容器定義1個碰撞實體時，第1個容器和第2個容器中的每個零部件都會發生3D碰撞［6］。由于銀杏在脫殼運動中，只有銀杏同落料斗、機架、定磨盤、動盤等發生碰撞，而其他零部件都未發生碰撞，所以對于銀杏脫殼的3D碰撞定義使用2個容器，即一個容器放置銀杏，與銀杏發生碰撞的其他零件放置在另一個容器中，之后程序將自動選定零件并進行碰撞分析。圖6即為銀杏掉落到均料盤，直到發生干涉卡在定動盤碾磨區的運動軌跡。這是因為，在Solidworks中，系統認為運動模型中的零部件都是剛性實體，盡管在運動過程中，零部件可能會由于受力而發生變形，系統都不會自動去識別零部件變形后對運動模型的映像。因此，當銀杏受到離心力和擠壓力等的作用時，運動模型并不會認為銀杏會變形，繼續認為其為運動模型，建立的形狀是在運動模型中運動著的；直到銀杏在定動盤碾磨區中處于過約束狀態為止。

圖6 銀杏進入脫殼區域的運動軌跡Figure 6 The motion trajectory of ginkgo entering into the shelling area

3.2 銀杏脫殼過程的受力特點

通過銀杏脫殼過程中的運動軌跡可以判斷其卡在定、動盤時的位置狀態，進一步分析得知此時銀杏的主要的受力方向為銀杏寬厚交角45°處，如圖7所示。圖8和圖9分別為定盤、動盤和銀杏相互作用力的曲線圖，可以看出銀杏卡在定、動磨盤之間時，產生大小為565N的瞬間沖擊力。據文獻［6］可知，6.79%含水率下的銀杏在寬厚交角45°方向受力時破裂的強度為150N。瞬間沖擊力超過了銀杏的破裂強度，故銀杏破裂。

圖7 銀杏受力方向圖Figure 7 Stress direction of ginkgo

圖8 定盤和銀杏相互作用力Figure 8 Interaction force between stable grinding wheel and ginkgo

圖9 動盤和銀杏相互作用力Figure 9 Interaction force between rotating grinding wheel and ginkgo

4 銀杏脫殼過程的能耗分析

通過Solidworks的能量耗散查看功能可以得出動盤驅動軸的能耗情況［7］。如圖10所示，在銀杏被卡住的瞬間能耗產生較大的增幅，驅動軸的能耗瞬間最大值為0.98kW。以脫殼機產量為150kg/h，電機轉速為1 000r/min進行試驗，發現如果選擇0.5kW的電動機，很大程度上會發生電機停轉的現象，如果采用1.5kW的電機則脫殼過程可以順利進行。進一步驗證了仿真結果的正確性。

圖10 驅動軸的能量耗散Figure 10 The energy dissipation of drive shaft

5 結論

通過研究基于SolidWorks的水平碾搓式銀杏脫殼機簡化動力學模型，得出了銀杏脫殼過程中的運動軌跡，進一步得知當銀杏卡在定、動磨盤之間時，瞬間沖擊力主要在寬厚交角45°方向上使銀杏殼破裂，同時得出銀杏破殼時的瞬間能耗為0.98kW。

1 張麟.油菜籽脫殼與仁殼分離設備研究［J］.農業工程學報，2004，20（1）：140～143.

2 那雪姣，劉明國，張文，等.機械脫殼時花生仁損傷特征及規律［J］.農業工程學報，2010，26（5）：127～131.

3 袁巧霞，陳紅，劉清生.銀杏果核物性參數的實驗研究［J］.華中農業大學學報，2002，21（5）：471～473.

4 王靈軍，金燕鳴，鄧文君.銀杏脫殼的有限元受力分析［J］.農業工程學報，2003，19（4）：58～61.

5 朱立學.碾搓式銀杏脫殼機的設計與試驗［J］.食品與機械，2008，24（4）：86～88.

6 王新忠，王敏.銀杏種核力學特性試驗［J］.農業機械學報，2008，39（8）：84～88.

7 葉修梓，陳超祥.COSMOS高級教程：COSMOSMotion［M］.北京：機械工業出版社，2008.

Simulation study on shelling process with horizontal extrusion－grind ginkgo decorticating equipment

ZHANG Ri－hongZHU Li－xue

（Department of Mechanical ＆ Electrical Engineering，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou，Guangdong510225，China）

A horizontal extrusion－grind ginkgo decorticating equipment was offered，and the structure and working principle was illuminated.Through the simulation study on dynamic model based on Solid－Works，obtained the motion law and force characteristics of the monomer ginkgo during decortication，apreliminary study was made on the energy consumption in the decortication process of ginkgo.

horizontal extrusion－grind；ginkgo decorticating；simulation study

10.3969/j.issn.1003－5788.2011.03.032

廣東省自然科學基金項目（編號：9151802904000012）；國家自然科學基金項目（編號：51075406）

張日紅（1980－），男，仲愷農業工程學院講師，華南理工大學在讀博士。Email：zrh－neu＠163.com

朱立學

2011－03－05