紅棗去核機及其槽輪機構仿真分析

曹勁草

黃曉華

史正元

黃亞偉

齊賀男

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

紅棗去核機及其槽輪機構仿真分析

曹勁草

黃曉華

史正元

黃亞偉

齊賀男

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

設計了一種紅棗去核機，可依次實現紅棗的上料、定位、輸送、沖核、切片、落棗等加工工序，從而加工出可食用的紅棗片。對去核機的傳動系統進行了設計，利用Pro/E對槽輪機構進行了建模和運動學仿真分析，提高了槽輪機構的運動性能。

紅棗去核機；傳動系統；槽輪機構；運動學仿真

中國于20世紀80年代后期開始著手研究去核機，并陸續推出了一些不同種類的去核機。但由于一些關鍵技術問題未能很好解決，紅棗加工的質量難以控制[1-2]。寧天德[3]設計的半自動硬棗去核劃皮機，采用上下往復運動機構和蝸旋凸輪步進間歇機構組成傳動系統，雙輸出軸的減速箱把上下往復運動和步進間歇運動機構通過轉盤支座連成一體，解決了去核裝置上下往復運動與間歇運動機構的一致性和不同形狀的紅棗定位夾緊問題，去核效果較好。但是采用的是人工上下料方式，自動化程度及生產效率低(240個/min)。彭三河[4]設計了一種紅棗去核裝置，采用帶16個對稱圓柱孔的圓盤型工作臺固定紅棗、采用上下工作頭雙針定位紅棗，去核效果較好，但仍采用人工上料方式，不適合大批量紅棗去核。劉振省[5]設計了一種全自動的紅棗去核機，采用轉盤式進料機構進行上料，在嵌棗區裝有定量撥棗滾刷，滾刷的旋轉可以保證每個棗孔內只有一個紅棗，轉盤做間歇式旋轉，每次步進一個工位，沖針做往復運動并完成去核作業。這種去核機構比較簡單，實用性較強，但去核時需要人工配合供料，效率較低，自動化程度不夠高。

筆者在間歇式紅棗去核機的基礎上設計出了一種上料機構，在保證去核率的同時提高紅棗的上料率，從而提高紅棗的加工效率。

一直以來，在中國紅棗去核機領域，紅棗的上料率問題都沒能得到很好地解決，紅棗去核機是用于紅棗深加工的自動化設備，企業對去核機的性能要求也越來越嚴格，主要包括以下幾個方面[6]。

(1) 結構設計的模塊化和標準化：同一紅棗的外形雖然比較規則，截面呈橢圓形，但是不同個體之間的尺寸卻存在明顯差異，若是為了不同大小的紅棗重新設計去核機，會造成人力資源和社會資源的浪費，模塊化設計卻能很好地解決這個問題。將去核機的結構分成不同模塊進行設計，相互之間可以拆卸，便于安裝更換，只要設計不同規格的定位夾緊模塊和去核模塊就能對不同大小的紅棗完成去核，極大程度地節省了資源。標準化的結構不僅可以節省資源，更能減少設計人員不必要的腦力勞動，市場上的標準化元件種類多、范圍廣，基本囊括了結構設計所需要的一切資源，所以模塊化和標準化是結構設計的基本要求。

(2) 較高的自動化程度：紅棗去核作業以前是人工完成，耗費大量人力，而且不夠衛生，而紅棗去核機的主要作用就是代替人力完成紅棗的去核作業，若不能實現較高程度的自動化，也就失去了自身的價值和意義。目前市場上有很多半自動紅棗去核機，需要靠人工放棗才能實現紅棗的上料，相比傳統人工去核的方式有很大進步，但是并不能獨自完成加工，仍然需要耗費人力，所以自動化程度的高低是評判紅棗去核機的重要標準。

(3) 智能化的控制系統：去核機的運行需要人來控制，人性化、智能化的操作控制系統更方便人機交互，也能對機器的常見故障進行檢測、診斷，是去核機不可或缺的部分。

本研究在基于槽輪機構的間歇式紅棗去核機的基礎上，設計了去核機的傳動系統，并提出了一種與之匹配的紅棗上料機構，能較大程度地提高紅棗的上料率，從而提高紅棗的去核效率。其原理在于：槽輪機構為紅棗去核機整體提供間歇式的輸送動力，根據槽輪機構的動停比，設計與之相匹配的曲柄滑塊機構用于紅棗的上料和去核；為了能保證每次有且只有一顆紅棗進入棗杯，設計了相應的輔助上料機構，包括送棗管道、振動料斗與撥棗轉盤，振動料斗使得紅棗有序排列在送棗管道中前進，撥棗轉盤的轉動周期與動停比相匹配，保證每次停歇時，能有一顆紅棗通過上料機構進入料斗。這種上料方式可以與槽輪機構的間歇式運動較好地匹配，結構簡易，工作效率高，而且能保證較高的上料率。

1 紅棗去核機的整體方案確定

圖1是一種槽輪式紅棗去核機，紅棗由電磁震動上料器15輸送到送料道中，并自動排列、依次前進，經過送料道的彎道時，被彈簧絲卡住，撥棗轉盤14旋轉一周，卡在彎道處的紅棗被撥棗轉盤14上的撥棗齒撥入上料筒內[7]。落入上料筒內的紅棗被上料推桿推入棗杯2中，上料推桿與曲柄滑塊機構13連接，進行豎直方向的直線往復運動。

進入棗杯的紅棗被主傳動鏈輪3帶動，經過去核機構時由沖針完成去核，去核機構的運動原理與上料機構相同，都是由曲柄滑塊機構13驅動。去完核的紅棗繼續隨著棗杯2運動，到下方的刀槽式轉盤5處，由于重力的作用下落到刀槽式轉盤5的槽中，然后隨著刀槽式轉盤5的轉動，在鋼絲6處完成切片，之后由重力作用落下[8]。

1. 沖針 2. 棗杯 3. 主傳動鏈輪 4. 擋板 5. 刀槽式轉盤 6. 鋼絲 7. 機架 8. 電機 9. 減速器 10. 底座 11. 撥盤 12. 槽輪 13. 曲柄滑塊機構 14. 撥棗轉盤 15. 電磁震動上料器

圖1 槽輪式紅棗去核機

Figure 1 Red jujube pitting machine with Geneva mechanism

2 傳動系統方案設計

設計的紅棗去核機傳動系統方案見圖2，由電機3提供原動力，經過減速器2降低扭矩，之后動力傳遞到帶輪，由帶傳動機構4將動力分成兩部分：一部分傳遞到曲柄滑塊機構1，完成去核作業；另一部分傳遞到槽輪機構6，產生間歇運動。槽輪機構6產生的間歇運動再次進行分流，一部分傳遞到主傳輸鏈輪7，帶動載棗模具做間歇式運動，完成紅棗的輸送；另一部分傳遞到刀槽式轉盤5，完成紅棗的切片作業。

1. 曲柄滑塊機構 2. 減速器 3. 電機 4. 帶傳動機構 5. 刀槽式轉盤 6. 槽輪機構 7. 主傳輸鏈輪

圖2 傳動系統方案

Figure 2 The plan of transmission system

圖2的傳動系統包含了2次分流傳動，第1次是由帶傳動機構4完成，將減速器2產生的連續運動分給棘輪機構6和曲柄滑塊機構1。第2次是槽輪機構6產生的間歇運動分別傳遞給主鏈輪7和刀槽式轉盤5。這樣設計傳動系統的原因在于設計的紅棗去核機主運動有2種：負責輸送紅棗的主鏈輪7和負責切片的刀槽式轉盤5需要完成間歇運動，而負責驅動上料桿和去核桿的曲柄滑塊機構1需要完成連續的圓周運動。但是電機通過減速器產生的只是連續運動，因此需要進行2次分流，從而實現連續運動與間歇運動的分離。

3 槽輪機構的設計與分析

槽輪機構又稱馬爾他機構、日內瓦機構，能將主動軸的勻速連續轉動轉換成從動軸的單向間歇轉動。為了保證槽輪停歇，可在轉臂上固接一缺口圓盤，其圓周邊與槽輪上的凹周邊相匹配。這樣既不影響轉臂轉動，又能鎖住槽輪不動。為了避免剛性沖擊，圓柱銷應切向進、出槽輪，即徑向槽與轉臂在此瞬間位置要互相垂直。有不同停歇要求時，可采用多臂的和非對稱槽輪機構。槽輪機構一般應用在轉速不高、要求間歇的轉過一定角度的分度裝置中，紅棗去核機的傳動系統中最關鍵部分就是槽輪機構[9]。

3.1 槽輪機構的運動特性

圖3是常見的外嚙合槽輪機構。對于外嚙合槽輪機構，帶圓柱銷的主動件O1A做勻速連續轉動，從圖示位置開始，O1A轉動2φ10角時，槽輪反向轉動2φ20角。當O1A繼續旋轉，與O1A固聯的凸鎖止弧與槽輪的凹鎖止弧配合，防止槽輪轉動。因此當主動件連續轉動時，從動槽輪做周期性間歇轉動。

槽輪機構的運動特性一般用運動系數τ表示，槽輪的運動系數τ指的是槽輪每次轉動的時間td與周期T之比，即：

(1)

對于外嚙合單銷槽輪機構，撥盤做勻速圓周運動，所以槽輪每次轉動的時間td與周期T的比值可以表示為槽輪與撥盤回轉一周的轉角的比值。對于圖3所示外嚙合槽輪機構，則有：

(2)

為了避免撥盤上的銷與槽輪上的徑向槽發生剛性沖擊，銷剛剛進入或者退出徑向槽時，其線速度應沿著徑向槽的中心線方向，所以由圖3可知：

圖3 外嚙合槽輪機構

2φ10=π-2φ20。

(3)

根據φ20與φ10之間的關系，有：

(4)

假設槽輪機構上的均布徑向槽的個數為z，則有：

(5)

可得出運動系數τ與槽數z之間的關系：

(6)

由式(6)可知，只有槽數z≥3時，運動系數τ才大于0，而且運動系數τ總是小于0.5，表示槽輪的轉動時間總是小于其靜止時間。

撥盤上的圓銷繞撥盤中心回轉，其轉動半徑R1是不變的，但是在回轉的過程中，圓銷中心與槽輪回轉中心的距離(記為d)是時刻變化的，R1和d滿足：

R1cosφ10+dcosφ20=a，

(7)

R1sinφ10=dsinφ20。

(8)

消去d可得：

(9)

(10)

對φ20求導得：

(11)

(12)

式中：

ω1、ω2——分別為撥盤和槽輪的角速度,(°)/s；

α1、α2——分別為撥盤和槽輪的角加速度，(°)/s2。

(13)

(14)

(15)

(16)

ω1為常數，λ=R1/d=sinφ20=sin(π/z)的值隨槽數z的變化而變化，由ω2和α2的表達式可知槽輪的角速度和角加速度的最大值隨著槽數z的增大而減小。

3.2 基于Pro/E的槽輪機構建模

對于外嚙合槽輪機構，最關鍵的3個參數分別是：槽數z、中心距a、圓銷半徑r[10]。圖4是外嚙合槽輪機構在圓銷剛剛進入或者退出槽輪時刻的結構簡圖。

R1. 撥盤上圓銷的中心半徑β. 槽間角的一半a. 中心距r. 圓銷半徑

圖4 外嚙合槽輪機構簡圖

Figure 4 Brief figure of External gear Geneva mechanism

方案中的紅棗去核機有以下參數要求：

(1) 棗核直徑3～5 mm，沖針中心偏離紅棗中心不能超過3 mm，否則就會造成去核失敗。

(2) 紅棗直徑為15～25 mm，而棗核直徑只有3～5 mm，沖針直徑不能超過8 mm，否則雖然能完成去核，但是卻浪費了較多的果肉，效果就會大打折扣。

(3) 紅棗長度為20～35 mm，考慮到紅棗的長度以及沖針的初始位置和紅棗的距離，初步確定沖針的去核行程(單程)為70 mm。

(4) 電源為380 V，總功率為1.5 kW，紅棗去核能力600個/min。

(5) 去核機整體尺寸為：長2 500 mm，寬1 120 mm，高1 500 mm。

考慮到紅棗去核機內安裝空間的要求，中心距不能超過500 mm，不能小于200 mm，選取中心距a=300 mm，r=20 mm。當中心距一定時，槽數越大，槽輪的尺寸就會越大，而且實驗證明，當槽數>9時，槽數的增加不會引起槽輪運動系數τ的明顯變化，所以在空間允許的范圍內選取盡量大的槽數為z=6，則β=π/z=30°，可求得：

R1=asinβ=150 mm；

對于外嚙合槽輪機構有：鎖止弧半徑Rx<(R1-r)=130 mm，槽輪槽深h≥a(λ+cosβ-1)+r=129.8 mm。選取合適的鎖止弧半徑Rx=125 mm，槽輪槽深h=140 mm。

根據以上槽輪參數在Pro/E中建立槽輪機構的三維模型：

(1) 進入草繪截面，繪制如圖5所示圓，注意直徑參數設為R2的2倍。

圖5 槽輪外圓草繪圖

然后對草繪的槽輪外圓進行拉伸，厚度為50 mm。在原草繪平面新建一草繪，繪制鎖止弧的圓軌跡[11]，中心距為300 mm，直徑為250 mm。鎖止弧的圓軌跡見圖6。

圖6 鎖止弧的圓軌跡

拉伸切除，切除深度50 mm，并以中心軸線為基準對切除實體進行陣列，陣列數為6。同樣的步驟，在初始平面草繪出槽的形狀，拉伸切除50 mm，以中心軸為基準陣列后得到槽輪的三維模型圖見圖7。

3.3 槽輪機構的運動仿真

在Pro/E中建立組件，首先固定2個軸，距離300 mm，然后在組件中添加槽輪和撥盤，2個零件都以銷釘連接的方式與固定軸裝配，見圖8。

圖7 槽輪機構的三維模型

然后添加2個凸輪約束，第1個凸輪約束：凸輪1的主體選擇圓銷的側圓柱面，凸輪2的主體選擇槽輪的整個圓周面；第2個凸輪約束：凸輪1的主體是撥盤的鎖止圓弧面，凸輪2的主體是槽輪與鎖止弧相切的圓周面[12-13]。

圖8 槽輪機構裝配圖

最后在撥盤的中心軸添加一個伺服電機，使整個機構產生一個動力，運行機構運動分析，會產生模擬的運動過程，保存運動結果[14]，進行分析得到槽輪得角速度和角加速度隨時間變化的曲線，見圖9。

圖9 槽輪主軸的角速度和角加速度仿真結果

Figure 9 The simulation results of principle axis angular speed and principle axis angular acceleration

根據仿真結果可以看出，撥盤每轉1圈，槽輪主軸的角速度會達到一次峰值，圓銷越接近槽輪中心，角速度越接近峰值；圓銷從逐漸接近槽輪中心到逐漸遠離槽輪中心的過程中，槽輪主軸的角加速度先是達到一次峰值，然后迅速下降，并完成一次變向，然后反向達到角加速度峰值。說明槽輪機構在運動過程中存在柔性沖擊，可能會導致紅棗去核機產生不穩定的震動，從而影響去核的效果，所以需要對紅棗去核機進行震動特性分析，并設計相應的機構降低震動造成的影響，保證去核的效率和質量。

4 結語

根據紅棗去核機的性能要求設計了整機方案，并針對整機方案確定了傳動系統的方案，傳動系統的關鍵機構是產生間歇運動的槽輪機構[15]，本研究對槽輪機構進行了參數設計和運動學仿真，可以看出槽輪機構的仿真結果與實際相符，Pro/E的仿真結果對實際工程設計具有參考意義。

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Design of thered jujube pitting machine and simulation analysis on Geneva mechanism

CAOJin-cao

HUANGXiao-hua

SHIZheng-yuan

HUANGYa-wei

QIHe-nan

(NanjingUniversityofScienceandTechnology,Jiangsu,Nanjing210094,China)

Red jujube pitting machine is an automatic equipment which can pit abundant red jujube quickly. A type of red jujube pitting machine was designed in this study, this type of pitting machine could realize such functions: loading material, location, transportation, pitting, slicing and falling the material, and finally produced edible red jujube sheet. This study had designed the transmission system of the red jujube, and had analyzed the kinematics of the Geneva mechanism in the Pro/E, and improved the motion performance of the Geneva mechanism.

Red jujube pitting machine; transmission system; Geneva mechanism; kinematics

曹勁草，男，南京理工大學在讀碩士研究生。

黃曉華(1969—)，男，南京理工大學副教授，博士。 E-mail:34420969@qq.com

2017—03—18

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.07.017