雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的改進(jìn)與回歸試驗*

龔曉茜，王國強(qiáng),2，劉化君

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊市，830091)

0 引言

哈密瓜是新疆農(nóng)產(chǎn)品的支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]，本身不僅風(fēng)味獨(dú)特，而且色澤美、味道甜[2]，深受國內(nèi)外廣大消費(fèi)者的青睞。2020年，我國哈密瓜的種植產(chǎn)量已經(jīng)超過310萬t。并且哈密瓜深加工產(chǎn)品也涵蓋了哈密瓜醋、哈密瓜酸奶、哈密瓜果粉、哈密瓜乳飲料、哈密瓜醬等產(chǎn)品[3-5]。

當(dāng)前國內(nèi)外哈密瓜削皮機(jī)的研究主要以中小型機(jī)械為主，較為典型的哈密瓜削皮機(jī)械有單刀式哈密瓜削皮機(jī)、臥式哈密瓜削皮機(jī)、哈密瓜仿形削皮機(jī)、哈密瓜刨削去皮機(jī)[6]，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。對于哈密瓜產(chǎn)品而言，加工過程中瓜皮的去除是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而勞動密集型的人工去皮，存在效率低下、勞動強(qiáng)度大和安全性低的問題，阻礙了哈密瓜深加工企業(yè)的發(fā)展。為了進(jìn)一步提高雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的工作性能，采用二次回歸正交試驗并建立回歸方程的研究方法對雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高哈密瓜削皮機(jī)的去皮效率，為瓜果類去皮機(jī)械的研究提供了依據(jù)。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是由機(jī)架、定位叉、抱果夾、卡爪帶輪、削刀、導(dǎo)向桿、仿形彈簧等組成。

圖1 削皮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of peeler1.推送機(jī)構(gòu) 2.抱果夾 3.內(nèi)刀刀桿 4.上定位叉 5.哈密瓜 6.絲桿 7.外刀刀桿 8.機(jī)架 9.升降臺 10.導(dǎo)向桿 11.絲桿帶輪 12.電機(jī) 13.卡爪帶輪 14.下定位叉

哈密瓜通過人工放置在抱果夾的中間，推送氣缸將哈密瓜推送至上下定位叉的中心位置，定位叉由機(jī)架下部的驅(qū)動裝置驅(qū)動而做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而刀具在驅(qū)動裝置作用下向上或向下運(yùn)動[7-8]，沿著與哈密瓜旋轉(zhuǎn)方向相互垂直的方向做上下往復(fù)運(yùn)動，外刀最先切削，隨后內(nèi)刀緊跟著外刀進(jìn)行切削，削刀完成所設(shè)定的行程后將自動停止，果皮從兩個出皮口排出，削完皮后的哈密瓜從漏斗處完成出料。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 抱果夾

2.1.1 抱果夾工作原理

抱果夾包含前后兩個夾持塊部分，兩者結(jié)構(gòu)相同，實(shí)現(xiàn)對哈密瓜的輸送功能[9]，抱果夾受力分析如圖2所示。人工放置哈密瓜于放果座上后，前后夾持塊將自動夾持住哈密瓜，在氣缸的推送作用下，將哈密瓜送至上下定位叉的中心，同時完成送料與出料。前期通過設(shè)計計算已經(jīng)確定了夾持力F1為51.96 N，由于赤道部位的壓縮特性參數(shù)均為最低[10]，試驗過程中發(fā)現(xiàn)對于成熟度較高的哈密瓜，F(xiàn)1對哈密瓜赤道的壓縮量為2.5～3.5 mm，沒有對瓜體造成損傷。

圖2 抱果夾受力示意圖Fig.2 Stress diagram of fruit holding clamp1.哈密瓜 2.放果座 3.前夾持塊 4.后夾持塊注：F1為夾持力；F2為推送哈密瓜的推力；f1為摩擦力；G哈密瓜自身的重力。

2.1.2 抱果夾結(jié)構(gòu)存在問題

抱果夾的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a)正視圖

在后期實(shí)踐的生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)人工將哈密瓜放置在果座的過程中，前后夾持塊在F1的作用下，以51.96 N的力夾持哈密瓜，位于L2處的雙手很容易在抱果夾機(jī)構(gòu)前后夾持塊的夾持力F1的作用下，造成雙手的機(jī)械性損傷。另外針對一些外形尺寸特別大的哈密瓜不能進(jìn)行很好的夾持。

2.1.3 抱果夾的改進(jìn)設(shè)計

以抱果夾的穩(wěn)定性和人工作業(yè)時的安全性為基礎(chǔ)，通過提高夾持塊的有效長度與接觸面積來增大摩擦力[11]，設(shè)計改進(jìn)為如圖4所示的抱抓式結(jié)構(gòu)。L1為夾持塊長軸方向的尺寸，設(shè)計為70 mm；L3為夾持塊延伸的尺寸，設(shè)計為45 mm；L4為兩夾持塊之間的尺寸。在原有夾持塊的基礎(chǔ)上，減小L0的尺寸為80 mm以增加L2的尺寸為L4，從而給雙手留有足夠的空間。另外考慮到L0的減小，會降低夾持塊對哈密瓜的夾持性能，因此在L1尺寸的基礎(chǔ)上向上下方向上增加6塊夾持塊，與哈密瓜長軸之間的夾角為60°，整體上提高了對哈密瓜的夾持性能。

(a)正視圖

如圖4所示，改進(jìn)為抱抓式的夾持塊結(jié)構(gòu)。材質(zhì)采用耐腐蝕、易加工、應(yīng)用廣泛的304不銹鋼[12-13]。哈密瓜表面粗糙，取與木材接觸相近材料之間的摩擦因數(shù)μ=0.5，根據(jù)平衡條件可得

F1=2f1cos30°+6f1cos30°

(1)

哈密瓜的質(zhì)量大約在1.5～6 kg[14]，選取最大重力G=60 N，f1與G存在如下關(guān)系式

4f1μ+12f1cos30°μ=G

(2)

整理得到摩擦力

(3)

通過整理以上關(guān)系式得到夾持力

(4)

式中：F1——對哈密瓜的夾持力，N；

f1——哈密瓜與夾持塊之間的摩擦力，N；

G——哈密瓜自身的重力，N；

μ——摩擦因數(shù)。

通過以上計算求得F1=57.60 N，因此只要滿足F1≥57.60 N，完全能夠保證抱果夾夾持過程中的穩(wěn)定性和人工作業(yè)過程中的安全性。

2.2 定位叉

2.2.1 定位叉工作原理

定位叉結(jié)構(gòu)如圖5所示。定位叉通過帶輪在驅(qū)果電機(jī)的帶動下進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)，而上下定位叉的卡爪插入哈密瓜上下頂端，并由此帶動哈密瓜進(jìn)行旋切，與削刀的上下往復(fù)運(yùn)動相互配合，最終完成對哈密瓜旋切去皮的目的。

圖5 定位叉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of positioning fork1.卡爪 2.活動軸 3.卡爪盤 4.哈密瓜 5.削刀注：D1為卡爪盤的底面直徑；H1為瓜皮的殘留量；h為瓜皮的切削厚度；β1為兩卡爪之間的夾角。

2.2.2 定位叉結(jié)構(gòu)存在問題

圖5中由于卡爪根部設(shè)計較大，而卡爪與H1相關(guān)聯(lián)，H1的大小直接影響了哈密瓜兩頂端的去皮量，最終導(dǎo)致去皮后的哈密瓜兩頂端瓜皮殘留量較高，從而導(dǎo)致哈密瓜的去皮率降低。

2.2.3 定位叉的改進(jìn)

通過參考其他哈密瓜削皮機(jī)外圓弧式定位叉的設(shè)計[15]，因此設(shè)計改進(jìn)為如圖6所示的兩種方案的定位叉結(jié)構(gòu)，β2為兩卡爪之間的夾角,設(shè)計為60°；D2為改進(jìn)后的底面直徑；H2為瓜皮的殘留量。

(a)方案一

對比圖6中的兩種改進(jìn)設(shè)計方案，盡管兩種方案都能夠達(dá)到降低哈密瓜兩頂端瓜皮殘留量H2的目的，但哈密瓜在旋切過程中，卡爪根部受力將增大，很容易受到損壞，不利于對哈密瓜的穩(wěn)定夾持，顯然方案一中的內(nèi)圓弧式定位叉結(jié)構(gòu)優(yōu)于方案二中的外圓弧式定位叉結(jié)構(gòu)，因此選用方案一。哈密瓜的果肉厚度一般在20 mm以上，故設(shè)計卡爪盤直徑D2為25 mm，通過試驗對比改進(jìn)前后定位叉的臨界驅(qū)果電機(jī)頻率和果皮殘留量如表1所示。

表1 改進(jìn)前后對照表Tab.1 Table comparison for front and back

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，內(nèi)圓弧式定位叉的臨界驅(qū)果電機(jī)頻率降低了5%，瓜皮殘留量降低了53%，提高了哈密瓜的去皮率，滿足了企業(yè)的加工生產(chǎn)需求。

3 回歸試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗材料與試驗方法

3.1.1 試驗材料與試驗設(shè)備

試驗材料選用最新品種黃夢脆。主要試驗儀器有雙刀型哈密瓜削皮機(jī)、電子式游標(biāo)卡尺、高速動態(tài)攝像儀、變頻器等。

3.1.2 試驗方法

該試驗是在2020年7—8月期間，在新疆農(nóng)科院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所的農(nóng)產(chǎn)品實(shí)驗室開展回歸試驗，通過SPSS軟件進(jìn)行回歸分析并建立回歸模型，找出最佳模型，從中確定試驗因素與試驗指標(biāo)的回歸方程，最后通過回歸方程求極值的方法來確定驅(qū)果電機(jī)頻率、削刀電機(jī)頻率和入切角之間的最佳值，并對參數(shù)的最佳值進(jìn)行試驗驗證。

依據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》(GB/T 5262)[16]，對哈密瓜進(jìn)行去皮試驗。試驗時選取外形尺寸相近的哈密瓜進(jìn)行試驗，減小由于哈密瓜自身因素所帶來的誤差，同時為了避免削皮后的瓜皮厚度受環(huán)境影響而變化，因此試驗時要及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理。

3.2 試驗因素與水平

該回歸試驗針對影響哈密瓜削皮效果的三個關(guān)鍵因素：驅(qū)果電機(jī)頻率取其水平為20～40 Hz；削刀電機(jī)頻率取其水平20～30 Hz；刀具的入切角取其水平為20°～40°。

本次回歸試驗，共進(jìn)行了14次不同因素水平之間的試驗，其中包含8次二水平試驗和6次星號試驗；另外還有2次中心點(diǎn)重復(fù)試驗。因素取值如表2所示。

表2 因素水平表Tab.2 Factor level table

因素數(shù)m=3，二水平試驗點(diǎn)個數(shù)mc=23=8，選取零水平中心點(diǎn)試驗的次數(shù)m0=2，依據(jù)星號臂長度r與因素數(shù)m、零水平試驗次數(shù)m0及二水平試驗次數(shù)mc之間的關(guān)系

(5)

通過計算并結(jié)合星號臂長查r2值表確定了r=1.287[17]，根據(jù)編碼公式對驅(qū)果電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率、削刀電機(jī)轉(zhuǎn)速和入切角三個因素的各水平進(jìn)行無量綱線性變換，得到對應(yīng)的因素水平編碼，如表3所示。

表3 因素水平編碼表Tab.3 Coding table of factor level

3.3 試驗指標(biāo)

以瓜皮厚度作為試驗指標(biāo)，將瓜皮分為10段，測量各段中點(diǎn)的厚度c，另外刀具的削皮厚度h在3～7 mm 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩者厚度差值s=|h-c|，分值評定對照表如表4所示。

表4 分值評定對照表Tab.4 Score evaluation comparison table

3.4 試驗方案與試驗結(jié)果分析

對七因素二水平8個處理的正交表L8(27)進(jìn)行試驗變換[18]，試驗方案與試驗結(jié)果如表5所示,通過借助電子式游標(biāo)卡尺對分為10段的瓜皮進(jìn)行數(shù)據(jù)測量來確定c，并與調(diào)節(jié)刀具的削皮厚度h作差取其絕對值，最終得到厚度差s，10個不同的s對應(yīng)不同的分值，相加求和后得到y(tǒng)。

表5 試驗方案與結(jié)果Tab.5 Programme and results of orthogonal test

為了確定最佳值，借助SPSS軟件對表5中的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行多重線性回歸分析，確定了相關(guān)的模型匯總表、方差分析表和顯著性檢驗表，分別如表6、表7和表8所示。

表6 模型匯總表Tab.6 Model summary

表7 方差分析表Tab.7 Analysis of variance

表8 回歸系數(shù)及顯著性檢驗結(jié)果Tab.8 Regression coefficient and significance test results

表5中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS后，共得到了表6中的5個數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)，由于模型5的R2最大并且標(biāo)準(zhǔn)誤差最小，表中結(jié)果顯示模型5決定系數(shù)R2=0.993，表明變量z可以解釋變量y為99.3%的變異性。

由表7中顯著性檢驗結(jié)果得到F=265.117，并結(jié)合F值分布表查得F0.01(5,10)=5.64[19]，顯然F>5.64，同時顯著性概率P<0.01，因此模型5所建立的回歸方程極顯著，并且有意義。為了便于求解回歸系數(shù)和確定回歸方程，引入規(guī)范變量z并建立規(guī)范變量與試驗指標(biāo)之間的回歸關(guān)系

y=b0+b1z1+b2z2+b3z3+b12z1z2+b13z1z3+

b23z2z3+b11z1′+b22z2′+b33z3′

(6)

式中：b——回歸系數(shù)；

z——規(guī)范變量；

y——試驗指標(biāo)。

由表8中回歸系數(shù)及顯著性檢驗結(jié)果可以確定，z3、z1z2、z1z3和z2z3的顯著性概率P值均大于0.01，表明其對應(yīng)的回歸系數(shù)與零之間沒有顯著性差異，所以z3、z1z2、z1z3和z2z3四項對y影響不顯著，為排除的四個變量。

依據(jù)表8中的數(shù)據(jù)得到回歸方程

y=28.05+1.60z1+0.80z2-9.55z1′-

2.55z2′-1.05z3′

(7)

利用中心化公式和編碼公式對式(7)進(jìn)行回代，整理得到試驗因素與試驗指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系

y=-237.35+9.70x1+8.64x2+1.04x3-

0.15x12-0.17x22-0.02x32

(8)

根據(jù)極值的必要條件對式(8)中試驗指標(biāo)y計算其最大值，求得：x1=32.33、x2=25.41、x3=26。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)確定驅(qū)果電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率x1=32 Hz，削刀電機(jī)轉(zhuǎn)速x2=25 Hz，入切角x3=26°。

3.5 試驗結(jié)果驗證

為了檢驗最優(yōu)參數(shù)結(jié)果對雙刀型哈密瓜削皮機(jī)削皮性能的實(shí)際效果，對回歸分析的最佳值進(jìn)行試驗驗證。試驗時削皮機(jī)工藝參數(shù)取最佳值：驅(qū)果電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率x1=32 Hz、削刀電機(jī)轉(zhuǎn)速x2=25 Hz、入切角x3=26°。三種數(shù)據(jù)通過觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。以金夢脆哈密瓜作為試驗材料進(jìn)行5次去皮試驗，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 哈密瓜去皮試驗結(jié)果Tab.9 Peeling test results of hami melon

試驗結(jié)果表明：雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的凈去皮率達(dá)到了89.1%以上，平均去皮率為91.1%，完全能夠滿足企業(yè)的加工生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

1)本文在前期研究的基礎(chǔ)之上，結(jié)合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中存在的問題，對雙刀型哈密瓜削皮機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，設(shè)計改進(jìn)了一種抱抓式的夾持塊結(jié)構(gòu)來提高其安全性。同時把定位叉改進(jìn)設(shè)計為內(nèi)圓弧式，降低了哈密瓜兩頂端瓜皮的殘留量，并且增強(qiáng)了卡爪根部的穩(wěn)固性。

2)通過回歸試驗進(jìn)行回歸分析，確定了影響哈密瓜削皮效果的三個試驗因素參數(shù)的最優(yōu)組合：驅(qū)果電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為32 Hz、削刀電機(jī)轉(zhuǎn)速為25 Hz、入切角為26°。試驗結(jié)果表明，哈密瓜去皮機(jī)的去皮率達(dá)到了89.1%以上，平均去皮率為91.1%，完全滿足了企業(yè)的加工生產(chǎn)要求。