一種新型食用甘蔗自動(dòng)去皮裝置的設(shè)計(jì)與研究

黃才貴，常青青，蔣正忠，劉興國(guó)

（南寧學(xué)院，南寧 530200）

0 引言

甘蔗所含的微量元素以及糖分，對(duì)人體具有一定的保健防護(hù)作用［1-3］。蔗糖作為重要的制糖原料，是我國(guó)白糖加工的主要來(lái)源［4］。甘蔗在使用或者榨汁之前，一般要先去皮，以保證所食用部分的衛(wèi)生。在制糖工藝中，往往會(huì)先添加很多化學(xué)劑，以去除甘蔗表面雜質(zhì)或者污物造成的甘蔗汁懸浮物。如果先對(duì)甘蔗做去皮處理，可先去除大量的雜質(zhì)和污物，進(jìn)而降低榨出蔗汁所含的懸浮物濃度，減少化學(xué)藥劑的使用［5］。

目前甘蔗去皮方式主要還是以人工為主，利用削皮刀對(duì)甘蔗進(jìn)行削皮［6］。而人工去皮的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低且容易劃傷手，存在一定的安全隱患［7-8］。基于此，設(shè)計(jì)出一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、可靠性高，且能有效去皮的甘蔗去皮裝置，有利于提高甘蔗在食用或工業(yè)加工前的去皮效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 裝置的總體結(jié)構(gòu)及原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，甘蔗去皮裝置包括底座、電機(jī)、去皮機(jī)構(gòu)、支撐槽、切斷機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和甘蔗轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。電機(jī)、支撐槽、切斷機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、甘蔗轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均安裝在底座上，去皮機(jī)構(gòu)位于支撐槽上方，并與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。電機(jī)上設(shè)有主動(dòng)輪A，主動(dòng)輪A通過(guò)同步帶A與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，甘蔗轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在支撐槽一端，切斷機(jī)構(gòu)安裝在支撐槽的另一端。支撐槽的一端設(shè)有滑軌，通過(guò)其與去皮刀架連接，提高去皮刀架進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。支撐槽一端設(shè)有積屑槽，積屑槽與支撐槽長(zhǎng)度相同，并通過(guò)螺絲與支撐槽連接。去皮刀削下的皮通過(guò)積屑槽收集，以保持工作區(qū)域的清潔。

圖1 裝置的整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure drawing of the device

1.2 整機(jī)的工作原理

裝置工作時(shí)，將甘蔗放置于支撐槽上，甘蔗的一端插在圓柱塊的固定釘上，啟動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)去皮機(jī)構(gòu)沿著同步帶B向棘輪移動(dòng)，當(dāng)感應(yīng)鐵塊分別到達(dá)兩個(gè)感應(yīng)開關(guān)時(shí)，感應(yīng)開關(guān)感應(yīng)到信號(hào)并將此信號(hào)傳送到控制箱，控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保持1秒后，再控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，如此去皮機(jī)構(gòu)往返運(yùn)動(dòng)保證了去皮刀切削和回位過(guò)程。在切削過(guò)程，當(dāng)去皮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靠近棘輪時(shí)，撥桿進(jìn)入棘輪齒，當(dāng)去皮機(jī)構(gòu)回位時(shí)，撥桿撥動(dòng)棘輪上方的棘爪，帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，再經(jīng)過(guò)主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪帶動(dòng)圓柱塊轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)甘蔗轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度以備下次切削。切削出來(lái)的甘蔗皮落入積屑槽內(nèi)以便收集。經(jīng)過(guò)六次往復(fù)的切削過(guò)程，甘蔗皮被切削干凈，再利用切斷機(jī)構(gòu)切成段，完成甘蔗的去皮切段工作。

2 裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輪A、主動(dòng)輪B、從動(dòng)輪A、從動(dòng)輪B，從動(dòng)輪B通過(guò)軸座D安裝在底座上，從動(dòng)輪A通過(guò)軸座A安裝在底座上，從動(dòng)輪B和從動(dòng)輪A通過(guò)同步帶B連接，從動(dòng)輪A上附有主動(dòng)輪B，兩輪同軸連接，且主動(dòng)輪B通過(guò)同步帶A與主動(dòng)輪A連接，主動(dòng)輪A通過(guò)電機(jī)控制帶動(dòng)主動(dòng)輪B，使同步帶B可以往復(fù)地直線運(yùn)動(dòng)，從而為去皮機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.2 Transmission mechanism

2.2 甘蔗去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

甘蔗去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 甘蔗去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.3 Sugarcane peeling actuator

甘蔗去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括去皮刀架、去皮刀和撥桿，去皮刀架通過(guò)螺紋連接安裝在同步帶B上，去皮刀一端與去皮刀架鉸接，且去皮刀中部通過(guò)壓緊彈簧與去皮刀架連接，撥桿鉸接在去皮刀架一側(cè)，撥桿中部與去皮刀架之間設(shè)有回位彈簧，去皮刀架上設(shè)有感應(yīng)鐵塊，去皮刀的刃口與水平面夾角為傾斜。去皮時(shí)，壓緊彈簧使去皮刀緊貼在甘蔗上，去皮機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)，去皮刀的刃口朝向去皮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向，將甘蔗皮削下。在去皮機(jī)構(gòu)后退時(shí)，去皮刀的刃口背對(duì)去皮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向，沿著甘蔗滑動(dòng)，不進(jìn)行去皮工作。在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)撥桿拉動(dòng)棘輪，每次都可以使甘蔗旋轉(zhuǎn)60°，從而可以對(duì)甘蔗進(jìn)行360°去皮，將甘蔗削凈。

2.3 甘蔗旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示，甘蔗旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)包括棘輪、主動(dòng)錐齒輪、從動(dòng)錐齒輪和圓柱塊。棘輪通過(guò)撥桿動(dòng)作，與主動(dòng)錐齒輪同軸連接，且兩輪通過(guò)軸座B安裝在底座上，主動(dòng)錐齒輪與從動(dòng)錐齒輪相互嚙合，從動(dòng)錐齒輪與圓柱塊同軸連接，且都通過(guò)軸座C安裝在底座上。如圖5所示，圓柱塊上設(shè)置有多根固定釘，主要功能是將甘蔗端插到固定釘上，實(shí)現(xiàn)甘蔗的軸向固定，在圓柱塊旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以帶動(dòng)甘蔗一同旋轉(zhuǎn)，使切削機(jī)構(gòu)對(duì)各個(gè)徑向的甘蔗表面進(jìn)行切削。

圖4 旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)Fig.4 Rotary control mechanism

在切削過(guò)程，當(dāng)去皮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靠近棘輪時(shí)，撥桿進(jìn)入棘輪齒。當(dāng)去皮機(jī)構(gòu)回位時(shí)，撥桿撥動(dòng)棘輪上方的棘爪，帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，再經(jīng)過(guò)主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪帶動(dòng)圓柱塊轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使甘蔗轉(zhuǎn)動(dòng)，完成對(duì)甘蔗進(jìn)行360°的去皮，將甘蔗削凈。

2.4 切斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

切斷機(jī)構(gòu)包括切斷刀和切斷刀架，切斷刀滑動(dòng)安裝于切斷刀架上，切斷刀架底部通過(guò)螺紋連接固定安裝于底座上，需要切斷甘蔗時(shí)，只需要將切斷刀下壓將甘蔗切斷，提高勞動(dòng)效率。

3 檢測(cè)控制方案設(shè)計(jì)

控制箱安裝在底座下部，通過(guò)導(dǎo)線分別與電機(jī)、感應(yīng)開關(guān)連接，通過(guò)感應(yīng)開關(guān)的信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使去皮機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其檢測(cè)控制流程如圖5所示。

圖5 檢測(cè)控制流程Fig.5 Detection and control process

支撐槽兩端均設(shè)有感應(yīng)開關(guān)，感應(yīng)開關(guān)1靠近切斷機(jī)構(gòu)位置的，感應(yīng)開關(guān)2靠近圓柱塊位置，感應(yīng)開關(guān)與感應(yīng)鐵塊處于同一水平面上，去皮機(jī)構(gòu)帶動(dòng)感應(yīng)鐵塊運(yùn)動(dòng)到感應(yīng)位置時(shí)，感應(yīng)開關(guān)向控制箱發(fā)送信號(hào)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)去皮機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)感應(yīng)開關(guān)的位置可以調(diào)整以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的甘蔗。

4 機(jī)械運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

4.1 甘蔗去皮工藝流程分析

甘蔗放置到位后，需要經(jīng)過(guò)六次間歇地去皮和旋轉(zhuǎn)換位，最后完成整周的去皮工作。

4.2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖設(shè)計(jì)

為了使得各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠相互配合、相互協(xié)調(diào)來(lái)完成既定的工藝動(dòng)作，從而提高生產(chǎn)效率，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)循環(huán)的設(shè)計(jì)［9］。甘蔗去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)之間，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)循環(huán)的設(shè)計(jì)，保證去皮工作和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作能夠正常、安全、高效地完成協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)配合，避免發(fā)生干涉。根據(jù)甘蔗去皮的工藝流程，得出甘蔗去皮裝置關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖，如圖6所示。AB段為甘蔗去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回程，BC段為去皮工作行程，DE段為甘蔗旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)靜止等待階段。

圖6 機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖Fig.6 Mechanical motion cycle diagram

5 性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)選擇90根可食用黑蔗作為對(duì)象，進(jìn)行甘蔗去皮性能測(cè)試。具體試驗(yàn)方案為：將90根甘蔗分30批次，每批次3根，記錄每一批次甘蔗去皮的平均干凈度。得到甘蔗去皮試驗(yàn)的總平均干凈度。從試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果可知：該裝置能夠通過(guò)棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)甘蔗旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)對(duì)甘蔗的旋轉(zhuǎn)操作，并能實(shí)現(xiàn)與甘蔗去皮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的良好運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。甘蔗的去皮干凈度均達(dá)到78%以上，總平均去皮干凈度達(dá)到91.17%，去皮的效果明顯，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。去皮干凈度未能達(dá)到100%，分析其主要原因是少量甘蔗的徑節(jié)比較突出或者彎曲，導(dǎo)致去皮過(guò)程中切削深度不夠，造成漏去皮現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的新型食用甘蔗自動(dòng)去皮裝置，通過(guò)電機(jī)控制去皮機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用于甘蔗去皮切段工作，可以極大地提高工作效率。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但巧妙合理、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)甘蔗360°干凈去皮，工作效率和安全性高。本裝置的設(shè)計(jì)一定程度上填補(bǔ)了目前市場(chǎng)上甘蔗去皮機(jī)械化的空白，為今后甘蔗削皮自動(dòng)化提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)和參考。