自動轉盤式剝椰塑型機結構設計及分析

劉廷嬌，李武朝，汝紹鋒*

海南大學機電工程學院（海口 570228）

椰子原產于亞洲東南部、印度尼西亞至太平洋群島，在中國廣東南部、海南、臺灣等地均有栽培。海南當地椰子品種主要分為青椰、黃金椰[1]。黃金椰生長周期長，椰肉飽滿，主要被用來取椰肉進行加工；而青椰個頭大、汁水充足有淡淡甜味，主要適合直接飲用，市面上青椰經修剪塑型后的利潤可觀[2-3]。但椰子生產加工過程中機械化程度較低，需要大量人工作業(yè)，同時工作強度高，具有一定危險性，使得傳統(tǒng)人工手工剝椰不能滿足椰子生產加工需求[4-5]，機器加工椰子是今后發(fā)展的必然方向。

近幾年針對椰子加工領域機械化程度低展開了較多研究，有研究人員研制系列剝椰衣設備，通過不同機械方法實現成熟黃金椰高效處理加工[6-10]。但針對直接飲用的青椰子處理機械研究較少，市場上仍依靠人工用砍刀進行表面修型，所以研制一種能夠實現椰青外形美觀完整的剝皮塑型機具有一定市場價值。因此，試驗設計一種可獨立操作的自動轉盤式剝椰塑型機[11-17]，對其進行結構設計并闡明工作原理，探究剝椰塑型的可行性；對關鍵部件進行工作受力分析[18-23]，驗證其結構工作的合理性。

1 自動轉盤式剝椰塑型機結構設計

1.1 整機結構設計

剝椰塑型機主要由修身刀、修肩刀、支撐站、頂桿、基切鋸、旋轉架和機架等組成，主要實現椰青的“糧倉狀”塑性目的。塑形機的整體結構如圖1所示。該塑形機在工作時通過支撐站將椰子夾緊，利用頂桿對椰青施加一定向下壓力，使針錐插入椰青皮內，把椰青緊定在轉盤上。利用固定在機架上各個工位的切刀對高速自轉的椰子進行切割塑型，使椰子表皮在不同工位受到不同位置切刀剝皮作用，從而達到塑型目的。

圖1 自動轉盤式剝椰塑型機結構

1.2 關鍵部件結構設計與分析

1.2.1 夾持固定裝置結構

自動轉盤式剝椰塑型機的關鍵裝置有夾持固定裝置、支撐站自轉裝置和工位切換的轉盤裝置。夾持裝置的結構如圖2所示，主要由頂桿、針錐、彈簧、橡膠墊和固定片等組成。針錐尖端向上，底端固定在支撐站的圓盤上；固定片的結構為圓弧形，內部呈現凹槽狀，可以防止椰青和夾持裝置發(fā)生相對偏移，根據椰青的大小可以調整固定片的位置達到最好的固定狀態(tài)；頂桿、彈簧和橡膠墊組成上端固定結構。在剝椰塑型機啟動之前，將椰青放入夾持裝置中，利用頂桿對椰青施加一定向下壓力，使針錐插入椰青皮內，調節(jié)固定片將椰青固定，頂桿、針錐和固定片把椰青固定在轉盤上，便可進行后續(xù)塑型工作。

圖2 夾持裝置結構

1.2.2 支撐站自轉裝置的結構

剝椰塑型機的修身刀、修肩刀及修基鋸在工作過程中固定不動，利用自轉裝置使得椰青與刀具產生相對運動以達到塑型的目的。支撐站自轉裝置的結構如圖3所示。該裝置主要由支撐站、皮帶、帶輪和電機組成。支撐站為夾持裝置的下端，由3個固定片及圓盤等構成，支撐站下端連接2個帶輪，以便與電機及其他支撐站相連，電機與支撐站、各個支撐站之間用皮帶連接，電機啟動，各個支撐站在電機的帶動下轉動，實現支撐站的自轉運動。

圖3 支撐站自轉裝置的結構

1.2.3 工位切換的轉盤裝置結構

剝椰塑型機每個工位的刀具在工作過程中固定不動，在完成其中一個工位的塑型后，要實現椰青下一個工位的塑型工作，就要設計一套工位切換裝置，達到椰青各個位置塑型目的。工位切換的轉盤裝置結構如圖4所示。該裝置主要由中軸、主電機、旋轉架、皮帶和轉盤組成。主軸固定不動，下端連接帶輪，帶輪與主電機用皮帶連接，主電機啟動帶動帶輪轉動，帶輪與旋轉架相對固定，旋轉架與轉盤相對固定，旋轉架和轉盤隨之轉動，實現椰青的工位切換。

圖4 工位切換的轉盤裝置結構

2 剝椰塑型工作機理分析

2.1 剝椰塑型工藝流程

要實現椰青原果的切割塑型過程，機構就要解決幾個技術難題，包括椰青的夾持固定、外圓柱面的修身塑型、頂部的修肩塑型、底端的切割分離等，最終實現椰青的“糧倉狀”塑型結構[11]。剝椰塑型工藝流程為椰青遠果→外圓柱面修身→頂部修肩→底部基切→成品。

2.2 剝椰塑型機工作機理分析

剝椰塑型機的主要工作原理：各個工位切到調整位置后固定不動，剝椰塑型機接通電源后，轉盤上的電機開始驅動一個支撐站下方的皮帶輪轉動，同時各支撐站下方皮帶輪均由皮帶兩兩相互連接，帶動各個支撐站進行自轉，當椰青完成修身后，控制主電機啟動，使椰青從修身工位處轉向修肩刀處；修肩完成后，主電機再次啟動將椰青從修肩工位處轉向基切工位處，完成基切后，加工塑型過程結束，并最終獲得“糧倉狀”椰青成品。椰青加工前后變化由圖5所示，將支撐站轉入出料口，在取出修剪塑型好椰青的同時，放入未加工的椰青，剝椰機的進料口與出料口是同一位置。同時修肩刀、修身刀、基切刀的角度與高度均可調，故可對多個尺寸的椰青進行修剪塑型，且電機選用6級電機，其理論同步轉速為1 000 r/min。該機可與其他自動上下料運輸裝置聯合作業(yè)，實現椰子無人自動剝皮塑型工作。

圖5 椰青塑型前后

圖6（a）所示為剝椰塑型機的第一工位（修身位），修身位由修身刀、支撐桿和固定架組成。椰青由進料口添加進機器后，按下電源開關，轉盤轉動使得支撐站由進料口轉入到修身工位，調整修身刀使得其與椰子中部和下部接觸從而達到去除表皮和纖維，實現椰子修身的目的；圖6（b）所示為剝椰塑型機的第二工位（修肩位），修肩位由修肩刀、支撐桿和固定架組成。椰青完成修身過程后，按下主電機電源開關，轉盤轉動使得支撐站由修身位轉至修肩位，這時移動修肩刀使其與椰青上部接觸從而實現修肩的目的，另外修肩刀的安裝角度可調，可針對不同形狀的椰青調整不同的角度進行修肩；圖6（c）所示為該機器的第三工位（基切位），基切位由基切鋸、支撐桿和固定架組成。椰青完成修肩過程后，經由電源控制主電機將支撐站由修肩位轉入至基切位，此時調整基切鋸使得其與椰青相接觸來鋸除底部剩余纖維與表皮，從而達到基切目的。完成修身、修肩和基切的椰青可經由出料口取出，進而實現連續(xù)椰青加工塑型過程。

圖6 剝椰塑型工作過程

3 剝椰塑型機工作過程受力分析

3.1 塑型切刀工作受力分析

切刀（包括修身刀、修肩刀、基切鋸）是剝椰塑型機工作的關鍵部件，對3種切刀進行工作受力分析，由相關求解參數得出切刀切屑椰青表皮的應力、應變和變形結果特征，為加工制造切刀提供理論參考。

為避免椰子修型時切刀因所受慣性荷載對結構分析結果產生影響，故采用等價靜力作用方法對結構進行分析，利用有限單元法可對比刀具在施加的載荷條件為800，900和1 000 N下的應力、應變和變形。將基切鋸、修身刀及修肩刀的三維模型導入ANSYS Workbench中進行分析，并設置邊界條件。將3種切刀依據空間位置與椰青進行接觸，支撐站的旋轉速度設置為30 r/s；修身與修肩切刀材料選用45號鋼，密度7.85 g/mm3，彈性模量210 GPa，泊松比0.31，屈服強度355 MPa；椰青材料選用木質材料，其彈性模量10.80 GPa，切變模量0.54 GPa，泊松比0.50，密度0.70g/cm3。椰青表皮比較軟，需要非常鋒利的鋸條，參照木材切割要求，基切鋸采用65錳鋼粗齒鋸條，其抗拉強度825～925 MPa，屈服強度520～690 MPa，求解得到修身刀、修肩刀和修基鋸在不同載荷下的應力和變形的對比結果。

圖7 修身刀刀身應力和總變形

修身刀的應力和總變形分布曲線如圖7所示，修肩刀的應力和總變形分布曲線如圖8所示，以刀背為起點繪制應力和總變形分布曲線圖，在800，900和1 000 N載荷條件下，應力分布曲線相似，總變形曲線也相似。修身刀同一位置的應力值和總變形相較于800和900 N載荷條件下要大，800 N載荷條件下最小。由圖7（a）和圖8（a）可知，不同載荷條件下修身刀和修肩刀應力最大值出現在刀片與刀柄接觸的位置，向刀刃和刀背遞減，修身刀在向刀刃遞減過程呈現波浪形狀，最小值出現在刀背位置，最大值分別為35.07，39.48和43.88 MPa。由圖7（b）可知，不同載荷條件下修身刀總變形最大值出現在刀刃位置，最大變形量分別為0.15，0.17和0.19 mm。由圖8（a）可得，修肩刀應力最大值分別為77.21，85.09和94.01 MPa。為達到“糧倉狀”倉頂塑型，修肩刀刀刃根據倉頂形狀要求呈一定角度，由圖8（b）可知，不同載荷條件下總變形最大值出現在上刀刃位置，最大值分別為0.60，0.67和0.74 mm。修身刀和修肩刀發(fā)生的最大變形量都很小，故可得切刀在對椰子進行塑型加工的過程中不會發(fā)生破壞，所得最大應力遠小于材料屈服強度，不會產生過大的應力集中。

圖8 修肩刀應力和總變形

基切鋸的應力和總變形曲線如圖9所示，基切鋸所受力平行于鋸刃，以鋸條的端部為起點繪制曲線圖。在不同載荷下，應力分布曲線圖和總變形圖相似，載荷越大，應力值越大，變形也越明顯。由圖9（a）可知，基切鋸條前后兩端應力分布基本對稱，基切鋸條的應力分布沿著鋸條呈上下起伏的變化，鋸條中間位置應力值最小，這是由于鋸條在和高速旋轉的椰青發(fā)生相互作用導致的，加載的載荷方向端接近尾部固定端應力值最大，最大值分別為3.72，4.15和5.61 MPa，遠低于其屈服強度極限值；由圖9（b）可知，鋸條的中間部分變形量最大，向兩端逐漸下降，最大變形量分別為1.13×10-3，1.25×10-3和1.38×10-3mm，變形量很小，故在工作過程中不易發(fā)生破環(huán)變形以影響對青椰的塑型。在工作過程中，由椰子給切刀的正壓力不會使其產生過大的應力集中，為其性能的優(yōu)化提供理論依據。

圖9 修基鋸應力和總變形

3.2 椰子頂桿受力分析

頂桿對椰青起到夾緊固定作用，在椰青高速旋轉塑型時，頂桿在垂直方向給椰青一個夾緊力防止椰青發(fā)生較大偏移。建立頂桿三維模型，將其導入ANSYS Workbench做受力分析。頂桿要求具有一定強度并且重量輕，因此選用鋁合金作為制作材料，密度2.7 g/mm3，彈性模量70 GPa，泊松比0.3，屈服極限455 MPa，利用運動載荷定義邊界條件進行求解，加載載荷為800，900和1 000 N求解得到頂桿應力和變形結果，如圖10所示。

由圖10（a）可知，在不同載荷條件下，頂桿本身的應力最為明顯，同時頂桿應力主要集中在桿上，載荷越大，應力值越大，并且應力向套在頂桿上的橡膠墊呈波浪變化，底部下壓塊與橡膠墊接觸的中心部分應力最大，最大分別為9.91×10-2，13.31×10-2和17.09×10-2MPa，故其所承受應力也遠遠小于所用材料的屈服極限應力，故材料可正常使用。由圖10（b）總變形曲線圖可知，頂桿與橡膠墊接觸的位置變形最大，最大分別為7.61×10-5，10.13×10-5和12.72×10-5mm，其最大應變量級過小可忽略不計。通過頂桿變形趨勢可知，在椰子旋轉過程中，會產生向四周偏移的趨勢，故在支撐站圓盤上加一個針錐，針錐與頂桿將椰青完全固定。

圖10 頂桿應力和總變形

4 結論

通過對剝椰塑型機的設計和分析，結果表明，自動轉盤式剝椰塑型機工作時通過支撐站將椰子夾緊固定，并利用安裝在機架上的切刀對高速自轉的椰子進行切割塑型，使椰子表皮在不同工位受到不同方向切刀剝皮作用，從而達到塑型目的。該塑型機可提高青椰加工處理效率，同時可有效降低生產成本。通過對剝椰塑型機工作過程的受力分析可知切刀與頂桿等關鍵部件的材料的選用合理；由最大應力和變形位置分析結果可知整機結構設計滿足剝椰塑型性能要求。試驗設計為實現青椰自動高效剝皮塑型提供一種可行方案。