一種紅棗去核機上料機構的設計與分析

（陜西國防工業職業技術學院，西安 710300）

0 引言

紅棗去核機是加工新鮮紅棗的設備，我國早在20世紀80年代后期開始研究紅棗去核機，到現在紅棗去核機已經廣泛應用在食品行業，但是到目前為止紅棗去核機仍存在上料問題，這嚴重地降低了紅棗去核機的加工效率。寧天德、彭三河、劉振省等學者設計的紅棗去核設備都存在上料問題，導致去核機的自動化程度不高，加工效率也不高［1-2］。由此可見，紅棗去核機的上料問題是影響紅棗加工效率的關鍵因素，上料率的過低，直接限制了紅棗去核的加工效率。

筆者根據以上標準設計了一種間歇式紅棗去核機［3］，并設計了與其相匹配的上料機構，采用振動料斗對紅棗進行有序排列，配合撥棗轉盤、送料管道、曲柄滑塊機構可對紅棗進行自動且高效地上料［4］。

1 紅棗去核機的整體結構和上料機構

根據對紅棗去核機性能的要求設計出紅棗去核機的整體結構如圖1所示。

圖1 紅棗去核機的整體結構Fig.1 The overall structure of red jujube pitting machine

圖1是紅棗去核機的整體結構，槽輪機構提供用于輸送紅棗的間歇式動力，設計特定參數的曲柄滑塊機構，作為去核和上料機構，曲柄滑塊的參數與槽輪機構的參數相匹配［5］。上料過程中，為了保證在鏈條上的固定的每一個棗杯里都有且只有一顆紅棗，需要上料機構各部分之間協調且統一，上料機構包括曲柄滑塊機構、撥棗轉盤和振動料斗，在料斗中的紅棗通過特定頻率的振動而有序排列在管道中，撥棗轉盤將管道中的紅棗撥入上料筒中，固定在鏈條上的棗杯每次停歇時，曲柄滑塊機構將停留在管道口的紅棗推入棗杯內并進行固定，這種上料方式可與槽輪機構較好地匹配，保證較高的上料率，提高去核機的加工效率。上料機構的原理如圖2所示。

圖2 紅棗去核機的上料機構Fig.2 The feeding mechanism of red jujube pitting machine

紅棗在彎管拐角時，被設置在拐角的彈簧絲卡住，隨著撥棗轉盤的轉動，由彈簧固定在撥棗轉盤上的撥棗齒，將卡在彈簧絲處的一顆紅棗撥入上料筒內，撥棗齒每圈只撥一顆紅棗，因此上料筒里時刻只會存在一顆紅棗［6］。推棗桿被曲柄滑塊機構帶動，進行豎直方向的直線往復運動，每個轉動周期內，上料筒內的紅棗都會被推棗桿推入棗杯中，完成自動上料的功能。

2 槽輪機構的運動特性

紅棗去核機中的槽輪機構是將主動軸的勻速連續轉動轉換成從動軸的單向間歇轉動的機構，傳動系統中槽輪機構是間歇運動的產生源，是去核機的關鍵機構［7］。

紅棗去核機的槽輪機構如圖3所示。撥盤主動桿O1A做勻速圓周運動，當O1A逆時針轉過的角度為2φ10時，槽輪順時針轉過2φ20角度。撥盤桿O1A繼續旋轉，撥盤上的凸鎖止圓弧與槽輪的凹鎖止圓弧自鎖，避免槽輪因慣性繼續轉動。這就是槽輪機構的運動原理。

圖3 槽輪機構Fig.3 External gear Geneva mechanism

槽輪機構的運動特性由運動系數τ表示，根據幾何關系，可計算出運動系數τ與槽數z之間的關系：

運動系數τ越大，槽輪的運動特性越好，但是對實際情況，槽數z不可能無限大，紅棗去核機的槽輪機構，z=6，則τ=（6-2）/（2×6）=1/3，運動特性較好。

紅棗去核機的去核速度為600個/min，根據傳動系統相關參數計算得到撥盤的轉速為72 r/min，槽輪和撥盤的中心距a=300 mm，槽數z=6，可求得撥盤半徑和槽輪半徑：

根據以上槽輪參數在UG中建立槽輪機構的三維模型，并裝配，然后對設置機架為固定連桿，槽輪為連桿，撥盤為連桿，并建立兩個旋轉副，旋轉中心分別為槽輪中心和撥盤中心，最后，在槽輪和撥盤之間建立3D接觸，并設置撥盤的轉速為432（72 r/min），得到槽輪的角速度變化曲線如圖4所示。

圖4 槽輪角速度變化曲線Fig.4 Change curve of angular velocity of Geneva mechanism

槽輪的角加速度變化曲線如圖5所示。

圖5 槽輪角加速度變化曲線Fig.5 Change curve of angular acceleration of Geneva mechanism

由槽輪的角速度和角加速度變化曲線可得到其運動特性：撥盤的每個旋轉周期內，槽輪主軸的角速度呈正弦函數波形，圓銷接近槽輪中心的過程中，角速度迅速到達最大值；圓銷離開槽輪中心的過程中，角速度迅速降為零［8］。而在這個過程中槽輪的角加速度則有兩次變達到峰值，當槽輪角速度達到峰值之前，角加速度會迅速到達峰值然后降為零，當圓銷離開槽輪中心的過程中，角加速度又一次迅速反向達到峰值后降為零。

3 上料機構的運動特性

上料機構主要由撥盤和曲柄滑塊機構組成，撥盤作勻速轉動，對于上料機構的運動特性其實就是曲柄滑塊機構的運動特性［9］，筆者設計的紅棗去核機，主要通過鏈條和同步帶進行傳動，主要運動形式為鏈條的間歇運動和上料去核機構的往復直線運動，根據設計好的紅棗去核機傳動系統方案，在裝配圖中對主要運動機構添加相應的運動約束，并進行運動仿真分析，具體約束如下：

軸與軸承之間定義為銷釘連接；槽輪和帶輪都與軸通過鍵連接，定義為凸輪連接；帶傳動采用同步帶約束；鏈傳動每兩個相鄰鏈節之間采用銷釘連接；曲柄滑塊機構，連桿和曲柄圓盤之間都采用銷釘連接，安裝板與導向柱之間采用滑動桿連接。

本文中只需要分析上料機構和去核機構的運動特性，以此判斷上料機構的設計是否合理，所以在運動分析時，省略了無關機構的分析，因此料斗、刀槽式轉盤、切片機構等在運動機構約束圖中沒有顯示。槽輪機構的運動曲線已經得到，槽輪產生的間歇運動驅動鏈輪運動，進行紅棗的輸送，要判斷上料機構的可行性，需要將鏈輪和曲柄滑塊機構的的運動曲線進行擬合，分析兩者之間的同步性和統一性。如圖6所示的約束，在電機處添加驅動，給去核機一個動力源，通過求解得到鏈輪和曲柄滑塊機構的運動曲線如圖6和圖7所示。

圖6 鏈輪和曲柄滑塊機構的速度曲線Fig.6 Speed curve of chain wheel and crank-slider mechanism

圖7中，正弦曲線為鏈輪的速度曲線，另一條曲線為曲柄滑塊機構的速度曲線，鏈輪由槽輪機構產生的間歇運動驅動，所以綠色曲線在每個周期內只有一段波峰，與槽輪機構的速度曲線相似，上料機構的沖桿由曲柄滑塊機構驅動，速度曲線呈正弦分布，兩條曲線的運動周期相同，可以保證上料運動與間歇運動的一致性［10］。

圖7 鏈輪和曲柄滑塊機構的加速度曲線Fig.7 Acceleration curve of chain wheel and crank-slider mechanism

圖7中，鏈輪和曲柄滑塊的加速度曲線也呈周期性變化，其中，鏈輪的加速度曲線為M型，與槽輪機構有所區別，這是由于槽輪機構的加速度產生了換向，而鏈輪始終是一個方向，不存在負向加速度，而且從加速度曲線可以看出，去核機在運動過程中存在柔性沖擊，柔性沖擊主要來自于槽輪，因此在實際加工過程中有必要驗證振動對紅棗去核的影響。

4 結語

設計紅棗去核機的上料結構，分析了關鍵機構槽輪機構的運動特性，在整體裝配的條件下分析了上料機構的運動特性，驗證了上料機構和紅棗輸送機構運動的一致性，文中設計的紅棗去核機加工對象是直徑20～25 mm，長度30～35 mm的新鮮紅棗，本試驗擬采用同樣規格的紅棗，100顆一組，總計10組進行上料試驗，記錄下試驗過程中的上料率和去核率，計算得紅棗去核機得平均上料率為99.2%，平均去核率為99.5%，與市面上的紅棗去核機（上料率50%左右）相比，上料機構明顯提高了上料成功率，上料率的提高保證了較高的去核率，試驗證明本文所設計的上料機構適用于紅棗去核機，并且極大地提升了紅棗的上料率，從而保證了紅棗去核的成功率，具有較強的實用性［11］。