小型全自動大棗去核機的設計

2018-06-19 09:50:02郜海超韓海敏陳會濤李志偉

食品與機械 2018年4期

關鍵詞：設計

郜海超韓海敏陳會濤李志偉

(1. 河南應用技術職業學院機電工程學院，河南鄭州 450042；2. 河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作 454010)

大棗是中國特有產品，其果肉肥厚，色美味甜，具有益氣，養血，安神的保健作用，更是護膚養顏的佳品[1]。添加工能使大棗營養和藥理性得到更大的發揮，但首先需要去除內部的核。許多專家、企業對大棗去核機進行了研究，并取得了一些成果，如文懷興等[2]設計一種大棗自動去核切片設備，去核機構采用曲柄滑塊機構，可以很好地應用在工業化去核中，但家用去核因移動空間小，易造成卡頓、局部受力過大。康寧波等[3]提出自動上料氣動去核機，利用滾輪和兩滾輪縫隙實現大棗的定位和上料，利用氣動去核裝置去核，可以實現批量生產，但去核質量無法保證；李福來[4]提出新型紅棗去核機，利用壓棗毛刷定位，旋轉的上夾具、下夾具固定，氣動空心軸去核，該機構操作方便、提高了紅棗去核率，但傳動機構復雜，去核后的紅棗不容易取出。陳永裕[5]設計一種家用大棗去核器，可以對不同類型的大棗去核，方便操作，但純手工操作工作效率低，衛生條件差，勞動強度大。

近年來，隨著食品衛生安全意識地不斷提高，而有些深加工的選材質量無法保證，人們更愿意選擇品質優良的大棗在家做棗泥或煲湯，而目前對小型自動大棗去核機的設計研究較少，針對此種情況，本研究設計出一種小型全自動大棗去核機，代替人工完成去核任務。

1 小型全自動大棗去核機的總體方案設計

1.1 設計要求

(1) 結構簡單，方便操作，總體尺寸小。

(2) 自動送料，自動去核，自動推棗。

(3) 多類型去核頂針與定位模套，滿足大棗尺寸形狀差異性要求。

1.2 結構與工作原理

小型全自動大棗去核機(以下簡稱去核機)的主要功能是實現大棗的自動上料、自動定位夾緊、棗核與棗肉分離、頂出棗核、推棗并自動儲放在不同位置。依據這一要求，設計了如圖1所示的去核機裝置，該裝置主要包括驅動機構、上料定位機構、核果分離與去核機構、推棗機構等，去核機構與推棗機構主要采用曲柄移動導桿機構實現。

1. 底盤 2. 下料盤 3. 分度圓盤齒輪 4. 盤形支撐本體 5. 定位模套 6. 支撐架 7. 控制器 8. 振動料斗 9. 去核桿 10. 推棗桿 11. 推棗桿齒輪 12. 曲軸 13. 去核桿齒輪 14. 從動錐齒輪 15. 主動錐齒輪 16. 電機齒輪 17. 從動大齒輪 18. 主傳動步進電機 19. 上料步進電機 20. 不完全齒輪 21. 上料輥

圖1 去核機內部結構圖

Figure 1 Diagram of internal structure for the pitting machine

(1) 具體實施方案：大棗倒入振動料斗8中，有序進入上料輥21中，上料步進電機19驅動上料輥21旋轉，大棗進入定位模套5中，完成大棗定位上料。然后，主傳動步進電機18驅動不完全齒輪20轉動96°，分度圓盤齒輪3轉動36°，分度圓盤齒輪3停止運轉，大棗在去核桿9的加工工位；不完全齒輪20繼續旋轉264°，通過傳動機構，去核桿齒輪13驅動去核桿9完成一次沖程，推棗桿齒輪11驅動推棗桿10完成一次沖程，這時去核桿9與推棗桿10處于分度圓盤齒輪3的上方，此為一個去核和推棗工作循環。

(2) 設備控制方案：如圖2所示，設備采用基于AT89C51單片機[6]為核心的控制系統，分度圓盤齒輪孔中設置一個硅鋼片，系統初始狀態，硅鋼片在上料輥工位處，打開總開關，控制器獲取霍爾傳感器檢測到的信號后驅動上料步進電機旋轉，上料輥對大棗送料定位，延時2 s，主傳動步進電機啟動，進行去核與推棗操作，通過去核桿檢測力傳感器和推棗桿檢測力傳感器實時監測工作狀況。

圖2 去核機系統控制圖

1.3 主要設計參數

根據小型大棗去核機的應用要求，確定設備的生產效率為30 kg/h，綜合考慮大棗去核的加工工藝因素，確定該大棗去核機的主要設計參數見表1。

其中，所有齒輪的壓力角均為20°，主動錐齒輪與從動錐齒輪齒數、模數分別相等；去核桿齒輪與推棗桿齒輪齒數、模數分別相等。

表1 去核機主要傳動零件的設計參數

2 主要部件設計

2.1 上料定位機構

上料采用振動料斗，大棗按次序送到上料輥處。上料輥內部設置彈簧片見圖3，可精確把大棗輸送到定位模套中。

大棗個體間尺寸差異造成的定位困難是阻礙去核工藝的主要原因[7]，因此大棗的長度、直徑等尺寸是設計定位裝置內部直徑、上下容量等參數的主要依據。中國主要品種大棗參數范圍[8-9]為：縱徑29～49 mm；橫徑21～44 mm；棗核尺寸：縱徑15.6～34.0 mm，橫徑4～12 mm。為滿足不同品種大棗的去核要求，可以設置外部為圓柱形，內部為圓錐形的開口定位模套，以新鄭大棗中的中等大小灰棗為例，此定位模套上口部直徑28 mm，下口部直徑26 mm，棗杯采用便于水洗的彈性材料[10]制作，10個棗杯組合在一起，見圖4。

如圖5所示，大棗26按秩序排在料斗27中，2個上料輥24等速反向轉動，大棗26接觸彈簧片25，隨著上料輥24的轉動，彈簧片25受擠壓收縮并逐漸擠壓大棗26到定位模套23中，從而實現上料定位，上料輥24轉動1周送料定位2次。

圖3 上料輥三維模型

圖4 定位模套三維模型

22. 分度圓盤齒輪 23. 定位模套 24. 上料輥 25. 彈簧片 26. 大棗 27. 送料料斗

圖5 上料定位機構示意圖

Figure 5 The schematic of positioning mechanism

2.2 去核機構設計

去核桿31主要由去核頂針28、環形切削刃29、彈簧30組成。去核頂針28端部輪廓與大棗輪廓相同，便于扶正定位大棗；環形切削刃29為不銹鋼材質，尺寸與棗核的尺寸相配。下料盤設置2個小孔，分別與去核頂針28和推棗桿直徑相近。底盤2個不同的空間分別盛放棗核與棗肉。

去核過程：去核桿31下移，去核頂針28接觸大棗輪廓，定位扶正大棗，環形切削刃29切削大棗并逐漸分離棗核與棗肉，當環形切削刃29接觸到下料盤時，棗核與棗肉完全分離；因彈力，棗核被迅速頂入到底盤中，然后去核頂針28隨著去核桿31上移，完成一次核棗分離。與此同時，在推棗工位上，推棗桿也進行一次推棗過程，見圖6。

28. 去核頂針 29. 環形切削刃 30. 彈簧 31. 去核桿

2.3 去核傳動機構運動分析

經分析，曲柄滑塊機構用在去核傳動機構上，容易卡頓，而曲柄移動導桿機構能很好實現去核桿與推棗桿傳動，且不會出現死點。

2.3.1 運動分析模型根據圖7所示的曲柄移動導桿機構，曲柄半徑R，初始角θ，去核桿的位移、速度、加速度分別為S、V、A。曲柄以角速度ω順時針轉動時，可建立運動分析模型：

圖7 去核機構數學模型圖

(1)

2.3.2 仿真分析利用Matlab技術對上述模型進行分析，設定曲柄半徑30 mm，角速度3.14 rad/s，初始角132°，仿真結果見圖8。

圖8 去核桿運動曲線

由圖8可知，去核桿的位移呈正弦規律變化，滿足設計要求。去核桿速度曲線與位移曲線呈反比，符合去核過程的運動變化規律。當t=0.0～0.6 s時，去核桿空行程，避免去核頂針與大棗干涉；t=0.6～0.8 s時，去核頂針和環形切削刃進入分度圓盤齒輪中的定位模套中，開始接觸大棗，速度達到最大值，環形切削刃快速刺破棗皮，降低破損率；t=0.8～1.3 s時，為棗肉與棗核分離階段，速度逐漸降低，當速度到達零值時，環形切削刃到達下料盤，核果完全分離；t=1.3～1.5 s時，因彈簧力去核頂針把棗核頂到底盤中；t=1.5～2.0 s時，去核桿帶動去核頂針快速返回到初始位置，去核頂桿不與分度圓盤齒輪干涉，完成一次去核過程。

2.3.3 運動學分析為驗證設備運行中有無干涉，了解去核桿與推棗桿的運動規律，需要運用虛擬試驗樣機進行運動學仿真。簡化后的試驗樣機如圖9(a)所示，設定去核桿齒輪初始角132°，推棗桿齒輪初始角312°，傳動比1，驅動轉速πrad/s，仿真結果見圖9(b)。

圖9 去核桿與推棗桿位移曲線

由圖9可知，去核桿位移和推棗桿位移變化規律一致。因此，設定去核桿齒輪與推棗桿齒輪合適的初始角度，就可以避免推棗桿與分度圓盤齒輪、去核桿與分度圓盤齒輪的干涉，符合設計要求。

3 大棗去核模擬實驗

為驗證去核機的上料和去核性能，本試驗樣機進行兩項試驗。試驗采用新鄭大棗中的灰棗為試驗樣品(所選的大棗形狀、大小基本相當)。試驗一：取50顆大棗為一組，共5組。測試自動上料定位性能。測試數據見表2。試驗二：取50顆大棗為一組，共5組。測試去核與推棗性能。測試數據見表3。測試操作均在同一操作環境下進行，見圖10。

表2表明，5組試驗平均上料定位數46個，平均每組成功定位率約為93%，成功定位率相對較低，出現的原因主要是上料輥上的彈簧片彈力不均衡，因此，在實際應用中采用先進的彈性裝置將提高上料定位的成功率。

表3表明，去核率平均95%，滿足使用要求。但是，推棗成功率為90%，相對較低，原因主要是：① 使用模擬試驗裝置，轉速較低，造成大棗切口邊緣不規整，棗核粘連棗肉稍多；② 推棗桿推棗時，速度不穩定造成棗肉壓碎在棗杯中。因此，可通過調節設備運行的速度，提高去核率與推棗的成品率。