小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王遠(yuǎn)榮,王 濤,何焯亮

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,?？?570228)

0 引言

橡膠樹是一種原產(chǎn)自巴西的高大喬木,橡膠果是橡膠樹的種子。人們?yōu)榱说玫较鹉z而大量種植橡膠樹,但對(duì)橡膠林的副產(chǎn)物橡膠果沒有足夠的重視,現(xiàn)在全國絕大多數(shù)橡膠果只能腐爛在橡膠林里,這是巨大的浪費(fèi)[1-2]。其實(shí),橡膠果渾身是寶,現(xiàn)在國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)橡膠果進(jìn)行了各方面的研究。橡膠果主要由果殼和果仁兩部分組成,果仁可以用于生物燃料,還可以壓榨成食用油。壓榨之后剩余的橡膠果粕,是優(yōu)質(zhì)的純天然熱帶蛋白質(zhì)原料,可以作為動(dòng)物飼料。橡膠果的果殼質(zhì)地堅(jiān)硬,含有大量木質(zhì)素、纖維素和半纖維素,可用于制造家具[3-5]。

目前,國內(nèi)外對(duì)橡膠果脫殼裝備方面的研究很少,橡膠果脫殼裝備機(jī)械化程度很低,最常用的脫殼方式是機(jī)械方法,利用擠壓或擊打方式使橡膠果殼在機(jī)械外力作用下開裂或破壞,從而脫去果殼使橡膠果殼仁分離[6-9]。國內(nèi)外對(duì)其他果實(shí)的脫殼研究還是很多的,高連興設(shè)計(jì)了三滾式小區(qū)育種花生脫殼機(jī),采用同軸并排3個(gè)脫殼滾筒,利用回轉(zhuǎn)打擊揉搓的工作原理,可同時(shí)脫殼不同大小的花生莢果[10]。郭貴生利用撞擊的原理,設(shè)計(jì)了油菜籽脫殼機(jī)。為了提高脫殼機(jī)的脫殼性能,黃鳳洪設(shè)計(jì)的油茶籽脫殼機(jī)采用擠壓和碾磨原理與獨(dú)特的輥筒設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)仁與殼的高效分離[11]。朱立學(xué)設(shè)計(jì)的間隙可調(diào)式銀杏脫殼機(jī)構(gòu),由軋板、軋輥和間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等零件組成,取得很好的脫殼效果[12]。目前,普遍應(yīng)用的橡膠果脫殼機(jī),脫殼間隙固定,對(duì)不同品種與外形的橡膠果適應(yīng)性差,造成脫殼率低、損傷率高、整仁率低的問題[13-14]。針對(duì)上述問題,在橡膠果脫殼及損傷機(jī)理研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī),可以調(diào)節(jié)橡膠果脫殼間隙,實(shí)現(xiàn)了橡膠果高質(zhì)量的脫殼。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī)主要包括由滾壓筒與滾壓槽組成的脫殼裝置,可伸縮調(diào)節(jié)器與滾壓槽組成的脫殼間隙調(diào)節(jié)裝置,電機(jī)、滾壓筒皮帶輪、傳動(dòng)皮帶、電機(jī)皮帶輪、調(diào)速器組成傳動(dòng)裝置,以及機(jī)架、滾壓筒軸承座等,如圖1所示。

1.2 工作原理與技術(shù)參數(shù)

橡膠果放入滾壓槽的進(jìn)料口,橡膠果受到重力作用滑向滾壓筒與滾壓槽底板之間的脫殼間隙;脫殼對(duì)象在滾壓筒與滾壓槽底板的擠壓、撕搓下,經(jīng)歷一個(gè)脫殼間隙由大到小、破碎力由低到高的破碎過程,橡膠果通過滾壓筒與滾壓槽底板的相互作用的力導(dǎo)致破殼;橡膠果破碎之后的殼仁混合物依靠重力的作用,從帶有弧度的滾壓槽出料口滑下,最終實(shí)現(xiàn)橡膠果的果殼與果仁的分離。脫殼裝置的電機(jī)為調(diào)速電機(jī),滾壓筒的動(dòng)力由電機(jī)通過帶傳動(dòng)提供,電機(jī)配有變速器,可以調(diào)節(jié)滾壓筒的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)了橡膠果脫殼的基本功能。樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)架 2.滾壓筒 3.滾壓筒皮帶輪 4.滾壓筒軸承座 5.滾壓槽 6.滾壓槽軸承座 7.傳動(dòng)皮帶 8.變速器 9.電機(jī) 10.電機(jī)皮帶輪 11.機(jī)架底板 12.圓鉤部件安裝口 13.可伸縮調(diào)節(jié)器圖1 小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic drawing of small rolling rubber fruit sheller

表1 小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Fig 1 Main technical reference of small rolling rubber fruit sheller

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 脫殼裝置

脫殼裝置主要包括由滾壓筒、滾壓槽構(gòu)成的脫殼機(jī)構(gòu)。橡膠果的尺寸要大于滾壓筒與滾壓槽中的滾壓槽底板之間的間隙,橡膠果因受到滾壓筒與滾壓槽底板相互作用的力導(dǎo)致破殼。其中,滾壓筒和滾壓槽材料均為45鋼,是一種質(zhì)量?jī)?yōu)良的碳素結(jié)構(gòu)鋼,屬于機(jī)械用鋼,其硬度較大,可以使橡膠果非常充分的脫殼。

2.1.1 滾壓筒的設(shè)計(jì)

滾壓筒是脫殼機(jī)的核心部件之一,很大程度上決定了橡膠果的脫殼率和整仁率。根據(jù)擠壓、搓擦的工作原理可知：滾壓筒的作用主要是推動(dòng)橡膠果前進(jìn)和主動(dòng)提供擠壓力與搓擦力,與弧形滾壓槽配合導(dǎo)入橡膠果并進(jìn)行破碎。為了減少滾壓筒的質(zhì)量和功率,滾筒體為空心圓柱體。滾壓筒通過滾壓筒軸與兩端的滾壓筒軸承座連接,滾壓筒軸承座與機(jī)架固接,共同構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接;滾筒體沿滾壓筒軸旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針。滾壓筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.滾壓筒體 2.扇形板 3.滾壓筒軸圖2 滾壓筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of roller barrel structure

滾壓筒的主要參數(shù)為長度、半徑、轉(zhuǎn)速。滾壓筒的長度加長,也會(huì)增大整機(jī)的尺寸與功率。滾壓筒的半徑加大,原來對(duì)橡膠果的擠壓、撕搓作用就會(huì)變大,導(dǎo)致整仁率下降。綜合考慮橡膠果的力學(xué)特性及橡膠果脫殼機(jī)作業(yè)量小、機(jī)動(dòng)靈活等因素,確定了滾壓筒長為180mm,滾壓筒的半徑為150mm。滾壓筒轉(zhuǎn)速是影響橡膠果脫殼效率的關(guān)鍵因素,理論上滾壓筒轉(zhuǎn)速越快,脫殼越快、實(shí)際上當(dāng)滾壓筒轉(zhuǎn)速增加到一定數(shù)值時(shí),果仁破碎率增加,脫殼質(zhì)量會(huì)下降,因此應(yīng)該控制滾壓筒的轉(zhuǎn)速。根據(jù)一般脫殼機(jī)械滾筒的線速度為3～6m/s[15],通過線速度可以計(jì)算出滾壓筒的轉(zhuǎn)速。滾壓筒轉(zhuǎn)速公式為

(1)

式中v—滾壓筒的線速度(m/s);

R—滾壓筒的半徑(m);

n—滾壓筒轉(zhuǎn)速(r/min)。

將已知的數(shù)值帶入式(1),可知滾壓筒的轉(zhuǎn)速宜選191～382r/min。但是,滾壓筒最合適的轉(zhuǎn)速與滾壓筒表面的特征、被破碎堅(jiān)果的硬度和大小有關(guān),一般都是根據(jù)試驗(yàn)來決定。滾壓筒轉(zhuǎn)速要保證低能耗與高效率,堅(jiān)果越大,轉(zhuǎn)速應(yīng)越低。當(dāng)破碎較硬與脆性堅(jiān)果時(shí),轉(zhuǎn)速應(yīng)大一些;破碎不是很硬性的堅(jiān)果時(shí),轉(zhuǎn)速應(yīng)小一些。經(jīng)綜合考慮橡膠果的物理性質(zhì)和脫殼功率,滾壓筒的轉(zhuǎn)速應(yīng)為200r/min。

2.1.2 滾壓槽的設(shè)計(jì)

滾壓槽是橡膠果脫殼裝置的另外一個(gè)關(guān)鍵部件。滾壓槽是由滾壓槽底板和左右兩塊滾壓槽側(cè)板組成的槽形結(jié)構(gòu)。其中,滾壓槽底部連接頭是連接脫殼間隙調(diào)節(jié)裝置的地方。滾壓槽連接軸與滾壓槽底板是固定在一起的,滾壓槽連接軸固接在滾壓槽軸承座上可以自由轉(zhuǎn)動(dòng),滾壓槽軸承座與機(jī)架固接。其結(jié)構(gòu)還包括進(jìn)料口及出料口等,如圖3所示。

1.滾壓槽底部連接頭 2.滾壓槽側(cè)板 3.出料口 4.滾壓槽底板 5.滾壓槽連接軸 6.進(jìn)料口圖3 滾壓槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of rolling groove structure

滾壓槽底板是與橡膠果發(fā)生作用力的地方,是滾壓槽最重要的部分。滾壓槽底板為曲面,如圖4所示。滾壓槽底板其右上部的AB段為弧形曲線,橡膠果在AB段主要受到重力作用向下滑動(dòng),AB段滾壓槽底板與AB段滾壓槽側(cè)板組成了進(jìn)料口;中部BC段曲線相對(duì)平坦,是橡膠果破碎的階段;左下部CD段為向下彎曲的弧形曲線,CD段滾壓槽底板與CD段滾壓槽側(cè)板組成了出料口。其中,進(jìn)料口和出料口的寬度均為230mm。

圖4 滾壓槽底板曲線示意圖Fig.4 The curve schematic drawing of bottom plate of the rolling groove

2.1.3 脫殼過程受力分析

橡膠果脫殼機(jī)滾壓筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),滾壓筒與滾壓槽底板通過脫殼間隙調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)間隙。橡膠果進(jìn)入進(jìn)料口還沒有接觸到滾壓筒時(shí),橡膠果受重力的作用逆時(shí)針沿著滾壓槽底板向下轉(zhuǎn)動(dòng);通過滾壓筒的旋轉(zhuǎn)和果實(shí)的質(zhì)量,將橡膠果輸送到滾壓筒和滾壓槽底板之間的最小間隙的窄通道中。橡膠果的表面與滾壓筒和滾壓槽底板的表面之間同時(shí)產(chǎn)生接觸點(diǎn),在接觸點(diǎn)處有2個(gè)壓縮果實(shí)的壓力,還會(huì)受到摩擦力的作用。橡膠果在壓力、摩擦力與自身重力的作用下粉碎橡膠果的果殼。橡膠果進(jìn)入脫殼間隙的受力分析,如圖5所示。

圖5 橡膠果進(jìn)入脫殼間隙受力分析圖Fig.5 The force analysis of the rubber fruit which in the shelling clearance

欲使橡膠果能順利地進(jìn)入脫殼間隙并完成脫殼,必須使y軸負(fù)方向的合力大于y軸正方向的合力,x軸負(fù)方向的合力大于x軸正方向的合力。只有滿足這兩個(gè)條件,橡膠果才會(huì)產(chǎn)生斜向下的合力,這是橡膠果被拉入脫殼間隙并完成脫殼的條件,計(jì)算公式為

G+FN1sinα+Ff1cosα+Ff2cosβ>FN2sinβ

(2)

FN2cosβ+Ff1sinα+Ff2sinβ>FN1cosα

(3)

(4)

式中G—橡膠果自身的重力(N);

FN1—滾壓筒對(duì)橡膠果的法向壓力(N);

FN2—滾壓槽底板對(duì)橡膠果的法向壓力(N);

Ff1—滾壓筒對(duì)橡膠果的摩擦力(N);

Ff2—滾壓槽底板對(duì)橡膠果的摩擦力(N);

f—橡膠果與滾壓筒、滾壓槽間摩擦因數(shù)(N);

α—FN1與x軸的夾角(°);

β—FN2與x軸的夾角(°)。

2.2 脫殼間隙調(diào)節(jié)裝置

滾壓筒與滾壓槽底板的脫殼間隙大小是影響橡膠果脫殼率和整仁率高低的重要因素,其大小也決定橡膠果能否進(jìn)入脫殼擠壓間隙,脫殼間隙調(diào)節(jié)裝置主要包括可伸縮調(diào)節(jié)器。其中,可伸縮調(diào)節(jié)器的半鉤部件與滾壓槽底部連接頭通過螺栓連接,可伸縮調(diào)節(jié)器的圓鉤部件與機(jī)架底板上圓鉤部件安裝口通過螺栓連接,安裝頭是同時(shí)連接半鉤部件與調(diào)節(jié)桿的裝置。調(diào)節(jié)桿類似于全螺紋螺柱,通過螺紋孔與螺母可以改變調(diào)節(jié)桿的有效長度,從而調(diào)節(jié)滾壓槽與滾壓筒表面之間的間隙,也就是脫殼間隙,其可調(diào)節(jié)的脫殼間隙范圍為0～60mm?？缮炜s調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖,如圖6所示。

1.半鉤部件 2.安裝頭 3.螺母 4.調(diào)節(jié)桿 5.主件 6.螺紋孔 7.圓鉤部件圖6 可伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The schematic drawing of the extensible regulator

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、電機(jī)皮帶輪、傳動(dòng)皮帶、滾壓筒皮帶輪及調(diào)速器等。傳動(dòng)原理如下：工作時(shí),動(dòng)力由電機(jī)輸出軸輸出給電機(jī)皮帶輪,電機(jī)皮帶輪通過傳動(dòng)皮帶傳遞給滾壓筒皮帶輪,之后滾壓筒皮帶輪將動(dòng)力傳遞給滾壓筒軸帶動(dòng)滾壓筒的傳動(dòng)。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

橡膠樹的果實(shí)為朔果,果實(shí)成熟時(shí)最外面的殼就會(huì)開裂炸開,橡膠果就會(huì)被彈出來掉在橡膠林里。本試驗(yàn)品種為海南本地種植面積較大的橡膠林撿回來的橡膠果,試驗(yàn)地點(diǎn)為海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。橡膠果經(jīng)過約6h的自然風(fēng)干處理,使樣本橡膠果含水量基本一致。小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī)樣機(jī)如圖7所示。

圖7 小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī)樣機(jī)Fig.7 The prototype of the small rolling rubber fruit sheller

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)利用變速器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)滾壓筒的轉(zhuǎn)速,利用脫殼間隙調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)滾壓筒與滾壓槽底板之間的脫殼間隙。該定滾壓筒轉(zhuǎn)速為200r/min,進(jìn)行橡膠果脫殼間隙單因素試驗(yàn),脫殼間隙依次為8、10、12、14、16mm,一共5組試驗(yàn),每組試驗(yàn)取100顆橡膠果,以橡膠果脫殼率A與整仁率B為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算公式為

(5)

(6)

式中N0—橡膠果總個(gè)數(shù);

N1—未完全脫殼橡膠果總個(gè)數(shù);

N2—完全被脫殼且橡膠果仁完好總個(gè)數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī)的主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果,如表2所示。

表2 主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Table 2 The results of the main performance tests

試驗(yàn)結(jié)果表明：橡膠果脫殼率隨著脫殼間隙的增大而逐漸降低,整仁率隨著脫殼間隙的增大先逐漸增大之后開始降低;脫殼間隙10mm以下時(shí)脫殼率最好,但整仁率極低,破碎的果仁與破碎的果殼混合在一起而難以被利用;當(dāng)間隙為16mm時(shí)脫殼率最不理想;橡膠果在脫殼間隙為12mm時(shí)的脫殼率為93%,但整仁率只有46%,不利于橡膠果的開發(fā)利用;脫殼間隙為14mm時(shí)的脫殼率和整仁率分別為88%與78%,脫殼率和整仁率最合適。

4 結(jié)論

1)采用了擠壓、搓擦的脫殼原理,設(shè)計(jì)了小型滾壓式橡膠果脫殼機(jī),描述了設(shè)計(jì)方案及主要部件的結(jié)構(gòu)與參數(shù),并分析了脫殼裝置的主要原理。

2)該裝置能進(jìn)行脫殼間隙調(diào)節(jié),且通過試驗(yàn)得出了最佳的脫殼間隙參數(shù),可適應(yīng)不同品種與外形的橡膠果,對(duì)其他堅(jiān)果也是適用的,可以為利用擠壓、搓擦原理進(jìn)行堅(jiān)果脫殼的機(jī)械提供參考。

3)以橡膠果脫殼率和整仁率為評(píng)測(cè)指標(biāo),進(jìn)行脫殼間隙單因素試驗(yàn),結(jié)果表明：當(dāng)脫殼間隙為14mm時(shí),取得了脫殼率 88%、整仁率78%的較好脫殼效果,滿足了橡膠果脫殼產(chǎn)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的需要,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,實(shí)現(xiàn)了橡膠果脫殼裝備的機(jī)械化。