大棗自動去核切片設(shè)備的研制

文懷興 周改梅 史鵬濤（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

據(jù)預(yù)計(jì)，2015年世界紅棗需求量將達(dá)到527萬t［1］，發(fā)展前景巨大。基于大棗深加工過程中存在勞動強(qiáng)度高、造碎率大等問題，很多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)已著手對大棗深加工設(shè)備的研究，并且取得了很好的成績。彭三河等［2］設(shè)計(jì)的大棗去核裝置，采用上下兩個凸輪來帶動上下工作頭運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)大棗的定位、夾持、切削、去核，合理運(yùn)用定位彈簧和復(fù)位彈簧使上工作頭和上定位夾持塊協(xié)調(diào)運(yùn)動，但其定位夾緊機(jī)構(gòu)和去核之間的協(xié)調(diào)用彈簧實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性差。文懷興等［3］設(shè)計(jì)一種大棗自動去核切片機(jī)，采用滾子鏈輸送，并由2排鏈4個滾子實(shí)現(xiàn)棗的定位夾緊，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)去核作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了大棗的定向、去核、切片的一體化，但由于滾子鏈傳動本身存在的一些問題，比如松弛現(xiàn)象，易導(dǎo)致大棗去核時定位精度降低。張鵬霞等［4］設(shè)計(jì)的大棗自動切片機(jī)包括料斗、定向整理裝置和切片裝置，結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，但其利用動刀片抓取的方式使該設(shè)備加工時對大棗的外形要求較高，加工效率較低。鄭正足［5］設(shè)計(jì)的切片機(jī)加工效率高、使用安全且切出來的切片厚薄均勻，但其導(dǎo)向槽內(nèi)設(shè)有用于推動原料的擠壓裝置，造成設(shè)備切片造碎率較大。現(xiàn)有的大棗深加工設(shè)備都是單一的去核或切片設(shè)備，本研究擬提供一種由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和槽型凸輪機(jī)構(gòu)配合來完成大棗的快速去核的裝置，并且把去核和切片進(jìn)行集成，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)備的去核切片性能。

1 總體方案設(shè)計(jì)及分析

1.1 方案設(shè)計(jì)

大棗自動去核切片機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)大棗的有序上料、定位夾緊、棗肉與棗核的有效分離，以及快速切制成環(huán)狀的薄片。根據(jù)這一基本要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的設(shè)計(jì)方案，該裝置的去核機(jī)構(gòu)運(yùn)用叼核［6］的原理，采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)去核，用槽型凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速頂核，去核盤、切片盤的間歇轉(zhuǎn)動均由同一個槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，以保持整機(jī)的運(yùn)動協(xié)調(diào)性。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of equipment

具體實(shí)施方式：大棗倒入上料機(jī)構(gòu)的2個毛刷16之間，通過步進(jìn)電機(jī)帶動毛刷帶輪19間歇運(yùn)動，固定于毛刷帶輪19上的毛刷16將大棗帶到振動底板18的前端，在振動底板18的前端開有對應(yīng)于去核盤24上棗孔25的棗孔17。上料電機(jī)21通過對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)20帶動振動盤18做行程為20mm的往復(fù)運(yùn)動，振動盤內(nèi)的大棗將會被有序地送入去核盤棗孔25中，完成上料。去核電機(jī)1通過去核帶輪3帶動凸輪盤5轉(zhuǎn)動，凸輪盤5通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動連接在插刀連接滑塊12上的插刀13、扶正桿14、下料桿15沿導(dǎo)向柱10做上下往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)去核，同時凸輪盤5通過凸輪頂桿機(jī)構(gòu)帶動連接在頂桿連接滑塊8上的頂桿11沿著導(dǎo)向柱10做上下往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)頂核。大棗落入由彈簧31、內(nèi)支撐座32和外支撐座33組成的大棗定位夾緊機(jī)構(gòu)中，再經(jīng)過扶正使沖核桿中心線與大棗中心線在同一條線上，接著大棗在去核工位完成去核，棗核通過機(jī)架上面板23上的棗核孔34落入棗核收集斗，去完核的大棗在下料工位通過下料桿15推入切片盤，此時，也相當(dāng)于切片機(jī)構(gòu)的上料。切片機(jī)構(gòu)主要由切刀27和切片盤26組成，切片盤26由一定厚度的圓形轉(zhuǎn)盤片層層疊加而成，切刀27固定于切片盤層與層之間的縫隙中，切片時，切刀組件固定不動，槽輪機(jī)構(gòu)28帶動切片盤25間歇轉(zhuǎn)動從而大棗被切刀切制成環(huán)狀薄片。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)大棗加工企業(yè)的要求，確定該設(shè)備的生產(chǎn)效率為250kg/h，綜合考慮大棗加工工藝要求、受力狀況和企業(yè)要求等各方面的因素，確定該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

上 料 機(jī) 構(gòu) 采 用 專 利 201420698152.9［7］，其 示 意 圖 見圖2。該裝置采用對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)22帶動振動底板18做小范圍內(nèi)的往復(fù)直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)上料。振動底板上開有若干個與去核盤上料工位位置對應(yīng)的棗孔17，振動側(cè)面板20上開有滑槽，振動底板18在滑槽內(nèi)運(yùn)動，大棗倒入兩個毛刷16之間，調(diào)節(jié)毛刷帶輪電機(jī)36正轉(zhuǎn)，則可以帶動毛刷運(yùn)動進(jìn)而將大棗帶到振動底板的棗孔17處，在對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)22的作用下，大棗順著振動盤上的棗孔17掉入去核盤上的棗孔，上料完成后，此時毛刷帶輪電機(jī)36反轉(zhuǎn)，未掉入去核盤內(nèi)的大棗被毛刷刷回，大棗擋板37可防止大棗亂滾。如此重復(fù)動作，可以完成大棗的上料。

表1 技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical Parameters

圖2 上料機(jī)構(gòu)示意圖Figure 2 Diagram of feed mechanism

設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程H＝20mm，則對于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其曲柄長為10mm，考慮到滑塊的大小、安裝問題及避免出現(xiàn)自鎖［8］的現(xiàn)象，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的連桿長為69mm，見圖3，其在兩個極限位置均不會出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象。

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖Figure 3 Diagram of slider－crank mechanism

2.2 定位夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備的定位夾緊機(jī)構(gòu)采用專利201420685125.8［9］，見圖4，兩個半圓形內(nèi)支撐座32的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為上錐下柱的形式，其上下都開有高5mm，深3mm的凹槽，用于連接彈簧31。

當(dāng)大棗尚未落入定位夾緊機(jī)構(gòu)時，兩個內(nèi)支撐座32在彈簧31的作用下保持最小直徑20mm，如圖5（a）所示，當(dāng)大棗落入定位夾緊機(jī)構(gòu)中時，兩個內(nèi)支撐座32在彈簧31的作用下?lián)伍_到合適的直徑達(dá)到夾緊大棗的目的，再經(jīng)過扶正桿14扶正，使大棗中心線與沖核桿中心線一致。此設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確定位和包容所加工大棗的直徑范圍為20～32mm。

圖4 大棗定位夾緊機(jī)構(gòu)Figure 4 Positioning clamping mechanism of jujube

圖5 大棗的定位夾緊狀態(tài)Figure 5 Positioning clamping state of jujube

2.3 去核機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 去核盤工位分布 如圖6所示，在工位1完成定位夾緊的大棗經(jīng)過工位2進(jìn)行扶正，然后進(jìn)入工位3進(jìn)行去核，去核盤上的去核工位開有多個棗孔，可以實(shí)現(xiàn)一次沖核動作完成多個大棗的去核作業(yè)。該設(shè)備的去核機(jī)構(gòu)利用叼核的原理，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動的空心沖核桿完成去核，空心沖核桿的直徑與棗核直徑相當(dāng)為6mm，凸輪機(jī)構(gòu)帶動的實(shí)心頂核桿完成快速頂核，要求去核效率高且果肉的完整性好。

圖6 去核工位分布Figure 6 The distribution of pitting station for jujube

2.3.2 去核機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)性分析 綜合考慮大棗的最大長度、機(jī)架上面板的厚度及去核盤與切片盤轉(zhuǎn)位所需要的時間等因素，為了使插桿在大棗去核過程中完全穿透大棗，并且棗核與棗肉能順利分離且掉入指定出核口，頂核機(jī)構(gòu)即凸輪機(jī)構(gòu)的行程H取68mm，插核機(jī)構(gòu)即曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程S也取68mm。以頂桿最遠(yuǎn)推程位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，以頂桿回程方向?yàn)槲灰普较颍源怪庇陧敆U位移方向水平向右為時間方向，建立位移時間坐標(biāo)系，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真編程，繪制出插刀和頂桿的位移曲線見圖7，分析可知該機(jī)構(gòu)可以滿足去核工藝的要求，頂桿剛開始沒有位移，插刀向下運(yùn)行，插刀到達(dá)大棗上表面即s1＝40～50mm時，頂桿始終處于最高位置，當(dāng)插刀完成插核作業(yè)，運(yùn)行到最遠(yuǎn)距離即s1＝1mm時，頂桿位移s2≈53.6mm，離大棗上表面的距離＞3mm處；當(dāng)頂桿推程到其最大行程位移即頂桿位移s2＝0mm時，插刀回程位移s1≈20.8mm，即插桿回程行至大約1/2大棗位置處，如此作業(yè)可以保證去核效率高且果肉的完整性也好。

圖7 插刀頂桿位移時間曲線Figure 7 The time displacement curve of blades slide and cam follower

2.4 切片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖8所示該設(shè)備的切片機(jī)構(gòu)主要由切刀27和切片盤26組成。切片盤26由一定厚度的圓形轉(zhuǎn)盤片層層疊加而成，每層切片盤上根據(jù)所加工級別的大棗直徑開有棗孔，根據(jù)需要，所切制的大棗薄片的厚度為6mm，所以切片盤每層的厚度設(shè)計(jì)為3mm，層與層之間間隔3mm即安裝切片盤墊片厚度也為3mm。切刀27交錯一定距離固定于切片盤層與層之間的縫隙中，每片切刀厚度為0.5mm，每片夾刀層加工0.5mm的刀槽用于安裝切刀，切刀組件安裝見圖8（b）。

圖8 切片機(jī)構(gòu)示意圖Figure 8 Schematic diagram of slicing mechanism

切片時，采用滑切的方式，滑切角為50°，槽輪機(jī)構(gòu)28帶動切片盤26轉(zhuǎn)動從而大棗被切刀切制成薄片環(huán)狀。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了測試該設(shè)備間歇有序上料、去核、切片等綜合性能，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)備的有序上料率和造碎率。當(dāng)該設(shè)備的有序上料率≥95%，造碎率≤5%，則說明該設(shè)備滿足大棗生產(chǎn)指標(biāo)，綜合性能良好。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)所用的大棗為放置一段時間后的同品種大棗，直徑為26～28mm，長度為40～45mm。實(shí)驗(yàn)所用的計(jì)量儀器為南京凱德計(jì)量儀器有限公司的科威牌電子天平3kg/0.1g。

實(shí)驗(yàn)一：驗(yàn)證有序上料率。將5kg大棗倒入振動盤中，查看每次去核盤間歇轉(zhuǎn)動時，落入去核孔的大棗個數(shù)。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

實(shí)驗(yàn)二：驗(yàn)證造碎率。選27kg大棗，分為27組，實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)凸輪盤的轉(zhuǎn)速固定為30r/min，通過ACS401000432變頻器調(diào)節(jié)切片速度，每個速度下做3組實(shí)驗(yàn)，每次切片完后再計(jì)量完整棗片的質(zhì)量，每次稱3次取平均值來減小誤差，根據(jù)式（1）計(jì)算造碎率。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

3.3 結(jié)果與分析

大棗有序上料是實(shí)現(xiàn)大棗去核切片的前提條件，由表2可知，對于去核盤上料工位的10個去核棗孔，實(shí)際平均上料個數(shù)為9.8個，平均有序上料率為98%，高于實(shí)驗(yàn)要求的95%的指標(biāo)，該設(shè)備雖不能保證每次插桿運(yùn)行都能完成10個大棗的沖核作業(yè)，但也基本滿足要求，所以該設(shè)備的有序上料性能良好。

由表3可知，當(dāng)速度在20～40r/min時，其平均造碎率均＜5%，滿足性能指標(biāo)要求，當(dāng)速度≤15r/min或≥45r/min，造碎率比較大，當(dāng)速度為32r/min時，其造碎率可達(dá)2.074%。實(shí)驗(yàn)中計(jì)算造碎率的碎渣質(zhì)量既包括去核過程所致的碎渣，又包括切片過程所致碎渣，所以此造碎率可以綜合反映該設(shè)備的去核切片性能，說明該設(shè)備的去核切片性能良好。

表2 實(shí)驗(yàn)一數(shù)據(jù)Table 2 Experiment 1data

表3 實(shí)驗(yàn)二數(shù)據(jù)Table 3 Experiment 2data

4 結(jié)論

（1）該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了大棗去核切片的集成，更好地完成了大棗的深加工，并且其去核盤、切片盤的間歇轉(zhuǎn)動都由同一個槽輪機(jī)構(gòu)帶動，運(yùn)動協(xié)調(diào)性好。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)備的有序上料性能、去核切片性能良好，都達(dá)到了大棗加工所要求的指標(biāo)。

（2）大棗加工前，應(yīng)先剔除蟲棗并進(jìn)行分級，以便于選擇合適的切片盤，減少大棗與切片盤上棗孔的直徑差異，以免影響造碎率。

（3）該設(shè)備的大棗自動上料機(jī)構(gòu)尚不能保證百分百的上料率，還需進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在確保功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行外觀造型設(shè)計(jì)，提高設(shè)備美感。

（4）本試驗(yàn)旨在研究新的大棗去核切片的集成設(shè)備，降低造碎率，未刻意追求該設(shè)備的生產(chǎn)率，可以通過增加每次去核切片棗的個數(shù)提高本設(shè)備的生產(chǎn)率。

1 朱江麗，田緒順，李景彬，等.紅棗自動分級技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)報，2011，39（36）：22 864～22 867.

2 彭三河.大棗去核裝置的設(shè)計(jì)［J］.包裝與食品機(jī)械，2005，23（4）：21～22.

3 文懷興，史鵬濤，王寧俠.一種大棗自動去核切片機(jī)：中國，201110312614.X［P］.2012—02—22.

4 張鵬霞，黨凱鋒，于北京.大棗自動切片機(jī)：中國，200920033989.0［P］.2010—08—25.

5 鄭正足.切片機(jī)：中國，201020240150.7［P］.2011—04—06.

6 文懷興，李新博.大棗去核機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析［J］.食品與機(jī)械，2013，29（4）：112～114.

7 文懷興，周改梅，俞祖俊，等.一種大棗自動去核設(shè)備：中國，201420685125.9［P］.2014—11—19.

8 鄭甲紅，朱建儒.機(jī)械原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：59～63.

9 文懷興，周改梅，俞祖俊，等.一種大棗自動去核裝置：中國，201420685125.8［P］.2014—11—19.