插入式椰子剝衣機的設計

萬有為，樊軍慶，向歡浩

(海南大學 機電工程學院，海口 570228)

椰子是我國主要的熱帶經濟作物之一，主要產于海南地區[1]。椰子的用途廣，其含有豐富的蛋白質和多種維生素，具有很高的營養價值和利用價值[2]。目前，國內外椰子剝衣加工方法較落后，主要以手工輔以簡單機械操作完成，機械化程度低[3-4]。當前椰子剝衣常用的方法大致分為齒牙撕裂式、旋轉盤刀式、刀具刺入剝離式等。但是這些加工設備目前還未真正形成批量生產投入市場。因此，椰子加工的前期工序椰衣的剝離均為人工操作。人工剝離椰衣不僅生產效率低，嚴重影響后續工序的加工，更為重要的是人工操作還極為危險，操作人員傷手情況時有發生[5-7]。為了解決這一問題，本文設計了一種椰子剝衣機，減少人工操作，提高工人的工作安全程度。

1 椰子剝衣機的工作原理

1.1 工作對象分析

椰子是棕櫚科椰子屬的多年生熱帶木本油料作物，椰子樹的主要產物為椰果，其形狀近球形，由外果皮、中果皮、內果皮、種皮、椰肉、椰子水等部分構成[8-9]。椰子的外果皮和中果皮俗稱椰衣，一般占全果質量的33%～35%；內果皮俗稱椰殼，占全果質量的12%～15%，呈黑褐色，質地十分堅實，可制椰殼炭和椰殼粉；椰肉供食用，占全果質量的28%～30%，為椰殼所包覆，富含油脂、蛋白質等營養成分；種仁與殼之間有一層緊附在椰肉上的褐色種皮，富含油脂，種皮占去衣椰子質量的3.6%～6.0%；椰子水占全果質量的22%～25%。椰子可供食用的部分為椰肉和椰子水，為全果質量的50%～55%[10]。設計的椰子剝衣機主要針對的是椰子的外果皮和中果皮。利用插刀將椰衣即圖1中椰殼纖維從椰殼上分離開來。

圖1 椰子結構

1.2 工作原理

圖2為椰子剝衣機的結構示意圖。

注：1.剝衣氣缸；2.托板；3.連桿；4.椰子旋轉氣缸；5.機架；6.導桿；7.導套；8.刀架；9.刀具；10.升降氣缸；11.壓殼；12.椰子；13.升殼；14.轉盤；15.曲柄連桿機構。

圖2 椰子剝衣機的結構示意圖

椰子剝衣機工作時，將椰子放入升殼的凹槽中，啟動升降氣缸，活塞桿伸出，升殼和壓殼開始下降，進入機架的凹槽中，當升殼觸碰機架，升殼停止下降，壓殼壓著椰子繼續下降，使轉盤上的刺刃刺入椰子中。此時停止升降氣缸。然后啟動剝衣氣缸，活塞桿伸出，使托板上升，通過連桿使得導套向椰子方向滑動，直至刀具刺入椰子體內。此時停止剝衣氣缸。啟動椰子旋轉氣缸，通過曲柄連桿機構，將氣缸的活塞運動轉換為轉盤的旋轉運動。轉盤上的刺刃卡住了椰子，所以帶著椰子一起旋轉。直至切割刀具將椰子外衣剝落，然后停止椰子旋轉氣缸。啟動剝衣氣缸，活塞桿收縮，拉著托板下降，通過連桿使得導套向外滑動，刀具退出，完成退刀工作，停止剝衣氣缸。啟動升降氣缸，活塞桿收縮，壓殼帶著升殼上升，升殼將椰子從轉盤的刺刃中抬起，取出加工過的椰子，手工去除少數殘余部分椰衣。至此完成一輪作業。

1.3 工作流程

椰子剝衣機主要包括升降裝置、剝衣裝置和椰子旋轉裝置。通過轉動椰子，使椰子上的椰衣纖維被插刀撕扯下來，從而達到目的。椰子剝衣機工作流程如圖3所示。

圖3 椰子剝衣機工作流程

2 主要機構的設計

2.1 剝衣裝置

椰衣是由纖維殼組成，纖維的分布都是縱向的，能夠承載較大的橫向力而不斷裂，剝衣是將椰衣從椰殼上撕扯下來。根據這一特點，本設計去除椰衣的方法是將刀插入椰子體內，通過旋轉椰子，刀具前端不斷切入分離椰衣與椰殼，刀具后端給予椰衣一個橫向力，將椰衣整個從椰殼上撕扯下來。因此，所采用的插刀是在一個刀架上安裝兩把刀具，兩把刀具垂直排列。一共四把插刀相隔90°中心對稱排列，且相對的兩把插刀完全相同，但相鄰的兩把插刀的刀具垂直方向高度不同，但是又互有部分重合。這樣既能提高去椰衣的效率，又能保證椰衣的去除率，減少遺漏。

2.2 升降裝置

本設計的作用是為了方便將椰子送往作業區域固定，及從作業區域將完成作業的椰子取出。由于轉盤上的刺刃需要刺入椰子體內才能起到固定椰子的作用，所以升降裝置在升、壓椰子時需要給椰子一定的壓力和拉力。橡膠材料強度較低，所以壓殼和升殼選用金屬材料制作。因裝置受力不大，工作強度較低，考慮到成本問題，選用普通鋼材即可。

升、壓殼的結構如圖4所示，升殼與壓殼組成只有四面封閉的六面體，還有兩面空著便于椰子的取放。椰子與金屬質地較硬，為了防止椰子隨意滾動，在升殼的底面挖有一個半徑50 mm的孔洞，既能固定椰子，又能便于轉盤上的刺刃刺入椰子內。

壓殼與升降氣缸的連接方式是法蘭型，通過氣缸帶動升、壓殼完成椰子取放和固定。

圖4 升降裝置

2.3 椰子旋轉裝置

旋轉椰子的轉盤結構如圖5所示。

圖5 轉盤結構示意圖

轉盤上部分面板的直徑大小與升殼的孔徑大小一樣，便于轉盤上的刺刃能更好地刺入椰子體內。一般椰衣的厚度在3 cm左右，所以轉盤內圈的刺刃為2.5 cm，外圍的刺刃為3.5 cm。每90°設置一根刺刃。這樣當椰子被壓殼壓下之后，椰子便被牢牢固定在轉盤上，隨著轉盤的轉動而轉動。

轉盤下部分的底座設有一個帶鍵槽的通孔，便于其他機構傳遞扭矩來帶動轉盤轉動。面板與底座通過四個螺栓進行固定連接。

2.4 傳動機構

椰子旋轉裝置所用的傳動機構是曲柄連桿機構。通過旋轉氣缸的活塞推動連桿，從而帶動轉盤旋轉。由于設置了四把插刀，所以不需要做圓周運動，只需要將氣缸的往復運動轉換成不整周的回轉運動即可達到目的。

插刀進退刀的傳動機構也是利用了連桿機構。當活塞桿拉動托板下降時，導套向椰子方向移動，插刀插入椰子體內，完成進刀工序。當需要退刀時，只需利用氣缸將托板推動上升，導套向椰子相反方向滑動，插刀從椰子體內退出，即完成退刀工序。

2.5 執行元件

本設計采用的執行元件是氣缸。之所以采用氣缸是因為氣缸的使用操作非常簡單，安裝起來并不復雜，上手容易，所以對操作人員的要求不高，便于使用人員自行維修。而且氣缸正常工作的環境溫度范圍寬，還具有一定防塵防水能力，所以該機器對使用的環境要求不高。這樣可以降低使用該機器的成本，從而獲得更多的效益。

3 氣壓傳動控制回路

本設計中的氣缸都選用雙作用氣缸，三個雙作用氣缸的方向控制回路如圖6所示。

圖6 氣缸方向控制回路

此圖采用了三位五通電磁閥的方向控制回路，該回路可以控制雙作用氣缸的伸出、縮回和停止。當電磁換向閥左邊電磁鐵得電時，活塞桿伸出；右邊電磁鐵得電時，活塞桿縮回；兩邊電池鐵均失電時，具有自動對中功能，可使氣缸停在任意位置，方便操作人員在因為椰子大小不均出現些許偏差時，根據實際操作可以自行調整。

4 椰子剝衣機的不足和改進方向

由于椰子的大小不一，而且形狀不規則，椰殼表面覆蓋的椰衣厚度不均，經過數次用不同大小的椰子進行實驗，發現目前該機器并不能達到完全除去椰衣的任務，還會有少量椰衣附著在椰殼上。不過

經過簡單的人工操作，能夠很方便容易地去除殘余部分。為了進一步提高工作效率，接下來我們將進一步研究如何讓刀具能根據椰子大小自動調整位置，從而達到完全去除整個椰衣的目標，進一步減少人工操作工序，提高椰子加工效率。

5 結 論

經過實驗驗證，椰子剝衣機能有效按預期的期望完成工作任務。該設備的發明，可以使椰子加工的前期工序椰子剝衣工序由人工操作變為機器操作，不僅可以提高生產效率，為后期工序提供充足的原材料，更重要的是能夠保證操作人員的人身安全，減少傷殘事故的發生。同時由于前期工序采用了自動化，不僅可以節省勞動力，而且解決了椰子生產企業擴大生產規模的瓶頸問題，為企業擴大生產規模，提高經濟效益開辟新的途徑。