嫩板栗脫蒲試驗臺的設計與試驗

范雅魁，曹成茂，畢海軍，胡夢柯，婁帥帥

(安徽農業大學 工學院，合肥 230036)

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嫩板栗脫蒲試驗臺的設計與試驗

范雅魁，曹成茂，畢海軍，胡夢柯，婁帥帥

(安徽農業大學 工學院，合肥 230036)

基于國內板栗脫蒲機，針對六至八成熟的嫩板栗存在的機器脫蒲分離率低、適應性差、容易損傷及嫩板栗成熟周期短等問題，設計了一種嫩板栗脫蒲試驗臺。該試驗臺選用柔性擠壓的脫蒲方法，利用旋轉的脫蒲滾子與柵欄擠壓桿相互揉搓擠壓作用對嫩板栗進行脫蒲。該試驗臺的脫蒲滾子及柵欄擠壓桿均可更換。通過試驗對比，可以分析出不同類型的脫蒲滾子與擠壓桿對板栗脫蒲的影響。此外，本試驗臺配備了變頻器，可以在不更換電動機的前提下，將電動機的轉速進行隨意調節。測試結果表明：該試驗臺不同的脫蒲滾子、柵欄擠壓桿及主軸的旋轉速度都會對嫩板栗的脫蒲造成不同的影響，根據不同的數據可以為嫩板栗脫蒲機械提供不同的改善方案及理論依據。

嫩板栗;脫蒲滾子;柵欄擠壓桿;柔性擠壓

0 引言

板栗是一種價廉物美、營養豐富的營養品，具有養胃健脾、補腎強身、活血、止血的功效。在臨床上，板栗用于治療反胃、泄瀉、腰腿軟弱、吐血及便血金創等癥狀[1-2]。近年來，六至八成熟的嫩板栗被用來加工罐頭出口 ，其經濟效益為成熟板栗的2～3倍，且市場需求不斷增加。這種嫩板栗脫蒲一直是用剪刀或其它輔助工具將板栗刺球剝開，取出栗果，效率低、勞動力成本高。市場現有的板栗脫蒲機僅適用于成熟的老栗子，尚沒有合適嫩板栗脫蒲機械。板栗為一年生果實，提供給板栗樣機試驗時間約在每年的七月初至八月初，僅一個月時間。如果設計出的樣機試驗效果不理想，就沒有充足的時間對樣機改進，從而會錯過嫩板栗的收獲時期，試驗將無法繼續。本文就目前市場上現有的板栗脫蒲設備進行系統的調查[3-9]，總結設計出一種嫩脫蒲機試驗臺，該試驗臺可以提供不同脫蒲原理的關鍵部件結構參數，為快速設計出適合六至八成熟的嫩板栗脫蒲機提供設計依據。

1 設計思路

本設計的嫩板栗脫蒲試驗臺擬采用柔性擠壓的脫蒲方法，利用旋轉的脫蒲滾子與柵欄擠壓桿相互揉搓擠壓作用將嫩板栗的板栗蒲與板栗籽分開。初步擬定的結構簡圖如圖1所示[4,10]。

1.進料口 2.脫蒲室 3.機架 4.電動機 5.脫蒲滾子 6.可調節式套筒螺栓 7.脫蒲柵欄

該試驗臺工作之前，工作人員根據嫩板栗球的大小來實際調整脫蒲滾子與柵欄之間的間距。工作時，嫩板栗球從進料口中喂入，在重力的作用下板栗球進入脫蒲室，在脫蒲滾子轉動的作用下，使板栗球進入脫蒲滾子與柵欄之間的間距中，在滾子與柵欄的相互擠壓下，將嫩板栗球的板栗子與板栗蒲相互分離；最后，收集分離后的板栗蒲與板栗籽，通過計算得出試驗數據。

2 擠壓式脫蒲方法的設計

2.1 建立模型

眾所周知，板栗的大概形狀為球形，為了有利于分析解釋，忽略極少數板栗球形狀的不規則，將板栗球的外形簡化為一個球體模型。模型大致可以分為兩個部分外層的板栗蒲與內部的板栗仁，如圖2所示。

圖2 板栗球擠壓模型

當作用力作用于板栗球兩端時，板栗球受到外界施加的一對法向載荷F的作用，板栗內壁的任何一點都受到板栗子滑移和變形產生的作用力，在板栗截面上的分布如圖3所示。

F—法向壓力 N1、N2—內力 Q—橫向剪力 M1、M2—彎曲力矩

在距集中力作用點較遠的區域，主要受到的板栗的阻力，其彎曲力距很小。在球心角為φ的圓截面上，內力與外力相等，值為F，則

(1)

(2)

其中，F為外界施加的力；φ為球心角；N1、N2為板栗總苞的內力；r為板栗球半徑。

由于板栗球被理想化為球體，所以包含直徑的截面上沒有剪應力，3個主應力為σ1=σ2=σ3=0,所以板栗球是一個二向應力狀態。

2.2 擠壓方向的討論

板栗脫蒲的過程中，首先就是對板栗球進行擠壓。在球體模型的基礎上，擠壓的方向有兩種：①沿板栗子排列縫隙方向，參見圖2(a)；②垂直于板栗子排列縫隙方向，參見圖2(b)。

通過模擬擠壓試驗，可以觀察到沿板栗子排列縫隙方向進行擠壓時，板栗的開裂情況明顯優于垂直于板栗子排列縫隙方向的擠壓。由模擬試驗可知：當對板栗球進行擠壓時，應沿板栗子排列縫隙方向擠壓。

3 關鍵部件結構設計

3.1 脫蒲室

3.1.1 脫蒲室的結構設計

在板栗的脫蒲過程中，板栗球會隨著脫蒲滾子的轉動而飛濺，為了保證試驗的安全，必須將板栗球與外界相互隔離，脫蒲室起到了上述功能。除此之外，脫蒲室還起到固定支撐脫蒲滾子與柵欄的作用。因為脫蒲滾子的轉速較高，為了保證脫蒲室的強度足夠，故選用3mm后的鋼板作為脫蒲室的材料。剝苞室的設計結構簡圖如圖4所示。

圖4 剝苞室結構圖

3.1.2 脫蒲室的模態分析

為了驗證脫蒲室的結構是否符合工藝要求，現對脫蒲室進行模態分析，以判斷結構是否滿足避開固有頻率的條件。本文利用ANSYS對脫蒲室進行模態分析求脫蒲室的固有頻率，從而分析脫蒲室的振動特性，以便減少脫蒲室在工作過程中的振動和避免共振，將Pro/E建立的脫蒲室模型導入ANSYS 12.1中，對其添加材料屬性，材料的屬性如下表1所示，劃分有限元網格，做約束模態分析，約束模態頻率分析結果如圖5所示。

表1 材料屬性

因為低階固有振型對結構振動影響較大，故在這對振型的前6階分析。剝苞室的振型圖如圖6～圖11所示。

圖5 約束模態頻率

分析結果：由于脫蒲室的底端兩側被固定在機架上，所以脫蒲室的振動較大的位置在脫蒲室的上端面。其中，第1、2、5、6階的振幅較大的位置在左右兩板面上，其余各階在前后兩板上。找到脫蒲室的固有頻率和振型，可以避免設計過程中使其產生共振。根據分析結果可知，對脫蒲室結構進行改進是十分有必要的。

3.2 脫蒲滾子

脫蒲滾子是嫩板栗脫蒲試驗臺的關鍵部件，該試驗臺設計了4種結構不同的滾子，具體如圖12～圖15所示。

為了分析脫蒲滾子對嫩板栗脫蒲的影響，該嫩板栗脫蒲試驗臺設計了4種不同類型的脫蒲滾子，包括圓柱體滾子、三角體滾子、螺旋體滾子和鋸齒體滾子。4種不同類型的脫蒲滾子具有不同的脫蒲原理。通過對比試驗，分析數據可以得出不同類型的脫蒲滾子對嫩板栗脫蒲的不同影響,為以后快速設計嫩板栗脫蒲機提供準確的設計依據。

圖6 第1階振型圖 圖7 第2階振型圖 圖8 第3階振型圖

圖9 第4階振型圖 圖10 第5階振型圖 圖11 第6階振型圖

圖12 圓柱體滾子結構圖

圖13 三角體滾子結構圖

圖14 螺旋體滾子結構圖

圖15 鋸齒體滾子結構圖

3.3 柵欄的設計

3.3.1 柵欄間隙的設計

柵欄間隙必須根據板栗球的大小與形狀確定，板栗球的剖面結構圖如圖16所示。

d—板栗果直徑 D—板栗球直徑 a—板栗蒲厚度

當板栗球到達柔性柵欄時，分離的板栗果和板栗蒲將從柵欄間隙之間落出，而未破裂的板栗球則繼續留在剝苞室內，故柵欄間隙f因滿足d/3

3.3.2 可更換性柵欄的設計

為了探究柵欄下部不同材料的擠壓桿對嫩板栗脫蒲的影響，所以設計了可更換性柵欄，如圖18所示。

圖17 柵欄的結構簡圖

1.擠壓桿 2.固定銷 3.定位桿 4.圓錐銷

脫蒲柵欄包括擠壓桿、固定銷、圓錐銷和定位桿，固定銷通過與可調節式套筒螺栓相互連接，確定脫蒲柵欄的位置；定位桿上開有孔槽，用于更換不同材料的擠壓桿 ；擠壓桿通過定位桿上的孔槽與定位桿相互連接，其一端用圓錐銷進行固定。其中，擠壓桿的材料為螺紋鋼、鋁合金、橡膠或塑料，根據試驗需要，更換不同材料的擠壓桿，從而找到不同材料擠壓桿對板栗脫蒲試驗的影響。

4 嫩板栗脫蒲試驗臺的試驗

1)試驗時間：2015年7月2日至7月4日。

2)試驗地點：安徽省六安市金寨縣黃林鄉和安徽農業大學機電工程院。

3)試驗安排：給定4個因素分別為A脫蒲滾子種類、B擠壓桿材料、C主軸的轉速、D揉搓間隙。進行正交分解試驗，如圖19～圖21所示。

4.1 脫蒲性能指標的正交試驗分析

對板栗脫蒲性能的指標的影響規律進行正交試驗。板栗脫蒲性能正交試驗中設計有4個因素，每個因素給定4個水平，根據試驗因素與水平，設計選用L16(45)正交試驗表進行試驗，如表2所示。

圖19 嫩板栗脫蒲試驗臺試驗

圖20 試驗前

圖21 試驗后

水平A脫蒲滾子種類B擠壓桿材料C主軸轉速/r·min-1D揉搓間隙/mm1三角體螺紋鋼200302螺旋體鋁合金250353圓柱體橡膠300404鋸齒體塑料35045

此試驗為4因素4水平試驗，不考慮交互作用，4因素共占4列，選擇L16(45)正交試驗表最為合適，并有一列空列，可以作為試驗誤差以衡量試驗的可靠性。正交試驗安排與結果如表3所示。

表3 正交試驗安排與結果

續表3

表中數據處理中斜線上下分別為剝凈率和損傷率處理數據。

4.2 試驗結果與分析

通過表3可以看出：對于試驗號為11這組，即當脫蒲滾子選用圓柱體滾子、擠壓桿材料選用橡膠、主軸轉速為350r/min和揉搓間隙為30mm時，脫蒲的脫凈率最高。試驗號為10這組，即當脫蒲滾子選用螺旋體滾子、擠壓桿為橡膠、主軸轉速為250r/min和揉搓間隙為40mm時，脫蒲的破損率最低。這兩組試驗僅僅是這16組中的最優組合，并不是所有試驗中的最優組合。求出各因子相同水平的試驗反映變量指標和，將各因子最好的水平組合在一起，即為預測的最優組合。從表3可以得出：只考慮脫凈率的情況下，最優組合為A3B2C4D1；只考慮破損率的情況下，最優組合為A2B1C1D3。由極差R分析可知：因素對剝凈率指標的影響順序為：A脫蒲滾子種類>D揉搓間隙>C主軸轉速>B擠壓桿材料。該試驗的最終目的是綜合脫凈率和破損率，找出最合適嫩板栗脫蒲的影響因素。通過表3中的k值分析，可以比較出符合脫凈率和破損率兩種指標要求的影響因子分別為A4、B2、C3、D2。所以，可以初步得出適合嫩板栗脫蒲的影響因子為：鋸齒體脫蒲滾子、鋁合金擠壓桿、主軸速度為300r/min和揉搓間隙35mm。通過正交分解試驗，該嫩板栗脫蒲試驗臺基本找到了適合嫩板栗脫蒲的各個影響因子。

5 結論

1)嫩板栗脫蒲試驗臺很好地解決了嫩板栗季節性短的實際問題，為嫩板栗脫蒲機提供不同脫蒲原理的關鍵部件結構參數。

2)通過正交試驗分析，找到了適合嫩板栗脫蒲的各個影響因子，為快速設計出適合六至八成熟的嫩板栗脫蒲機提供設計依據。

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Abstract： Based on the problems of the low separation rate, the poor adaptability, the easiness of injury and the short mature period of the tender chestnuts of inland Chestnut Taking off the Pu Machine to the tender chestnuts medium rare to medium well, we have designed a experiment table for taking off the Pu of the tender chestnuts. This table chooses the method of flexible extrusion and uses the mutual functions like squeezing and kneading by revolving roller of taking off the Pu and fence pressure stem which can be changed. Through the comparison of experiments, the effects of different types of rollers and pressure stems to the chestnut of taking off the Pu can be analyzed. In addition, the table is equipped with frequency changer and can adjust revolving speed of motor at random on the premise of unchanging the motor. The results of the contrast experiments test indicate that different rollers, pressure stems and revolving speeds of principal axis of the table will give different effects on the taking off the Pu of the tender chestnuts. It can provide the tender chestnut machines of taking off the Pu with various improvement plans and theoretical foundations according to the diverse datum.

ID:1003-188X(2017)08-0121-EA

Design and Test of Tender Chestnut Testing Table

Fan Yakui, Cao Chengmao, Bi Haijun, Hu Mengke, Lou Shuaishuai

(Anhui Agricultural University,School of Technology, Hefei 23003, China)

tender chestnut; running pulley; pressure stem; Flexible extrusion

2016-08-04

國家自然科學資金面上項目(51475002)；安徽省農業機械管理局富民工程科技攻關項目(2016)

范雅魁(1992-)，男，安徽淮北人，碩士研究生，(E-mail)463111297@qq.com。

曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，博士生導師，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

S226.4

A

1003-188X(2017)08-0121-06