自適應(yīng)彈性調(diào)整漸進(jìn)旋切式肉桂剝皮機(jī)設(shè)計(jì)*

張日紅，張偉麗，黃偉鋒，羅 威，林裕鵬，朱立學(xué)

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225； 2.德慶仲愷農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新研究有限公司，廣東 肇慶 526600；3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510225)

0 引 言

肉桂干燥的樹皮(桂皮)、樹枝(桂枝)和幼果(桂子)具有重要的藥用價(jià)值，由其提煉出來(lái)的肉桂醇是可口可樂(lè)的生產(chǎn)原料，市場(chǎng)前景十分廣闊[1-2]。我國(guó)在桂皮的獲取上仍采用人工手動(dòng)剝?nèi)。S著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少, 采摘的效率十分低下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也在相應(yīng)提高, 這會(huì)大大降低產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。發(fā)展先進(jìn)的機(jī)械化收獲技術(shù), 研究桂皮的剝?nèi)C(jī)器具有重要的意義[3]。肉桂的采收工序也較為復(fù)雜繁瑣，可于春季或秋季剝皮。春桂品質(zhì)稍差，但易于剝離；此時(shí)為了便于秋季剝皮，必須在夏至前后，在肉桂的莖基部環(huán)繞剝?nèi)?8～20 cm的樹皮，以切斷全部篩管，阻止養(yǎng)分向根部運(yùn)輸，增加樹皮油分的積蓄，還可使木質(zhì)部和韌皮部產(chǎn)生離層，利于秋后剝皮[6-8]。筆者在充分探究肉桂剝皮手工工藝過(guò)程基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)械化肉桂剝皮設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)外肉桂剝皮機(jī)的研究，取得了一定進(jìn)展。Kalum Sanjeewa Ranaweera在通過(guò)對(duì)斯里蘭卡肉桂產(chǎn)業(yè)的研究中，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有剝皮方法的調(diào)查以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從成本、工藝性質(zhì)和肉桂樹皮的質(zhì)量考察中，開發(fā)了一個(gè)手柄式的肉桂剝皮設(shè)備，新設(shè)備能夠解決技術(shù)工人短缺的問(wèn)題，提高肉桂剝皮的效率，該設(shè)備也是一個(gè)低成本的工具，有利于中小型肉桂生產(chǎn)商。該工具有效地解決了傳統(tǒng)工具中需要較高的勞動(dòng)技能才能實(shí)現(xiàn)高效操作的問(wèn)題，緩解了技術(shù)工人的短缺，提高了工作效率，但是該技術(shù)本質(zhì)上還是需要人工操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程[4-5]。在國(guó)內(nèi)，農(nóng)民憑借平時(shí)肉桂剝皮所積累的經(jīng)驗(yàn)，研制了形式各異的刀具用于肉桂剝皮，但是由于這些刀具對(duì)于操作人員的技術(shù)嫻熟程度要求比較高，伴隨著勞動(dòng)力成本的提高，無(wú)法適應(yīng)大批量生產(chǎn)。綜上所述對(duì)于肉桂剝皮的研究目前多數(shù)是集中在手持刀具方面，作業(yè)效率沒(méi)有實(shí)質(zhì)性提高。作者通過(guò)研究肉桂剝皮手工作業(yè)過(guò)程的關(guān)鍵工藝和操作過(guò)程，了解到必須研制一種可自適應(yīng)一定范圍內(nèi)肉桂樹干直徑變化的肉桂剝皮機(jī)，才可以顯著提升生產(chǎn)作業(yè)效率，有效解決目前肉桂剝皮以手工作業(yè)為主的現(xiàn)狀。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)與總體方案

肉桂剝皮直徑為70～110 mm，縱向剝皮長(zhǎng)度為12 000 mm。壓輥、縱切與剝皮機(jī)構(gòu)可自動(dòng)適應(yīng)肉桂初始物料的直徑尺寸，肉桂剝皮效率為3 m/min。設(shè)備由壓輥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈性自適應(yīng)調(diào)整定位環(huán)、縱向切分機(jī)構(gòu)和螺旋漸進(jìn)式切入機(jī)構(gòu)、機(jī)架等部分組成，工作過(guò)程中電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓輥，帶動(dòng)扇葉齒輪和定位環(huán)實(shí)現(xiàn)彈性自適應(yīng)定位對(duì)中，定位環(huán)帶動(dòng)樹干向前進(jìn)給，推進(jìn)過(guò)程中縱向切入機(jī)構(gòu)先將樹干樹皮切成四等分切口，再由螺旋漸進(jìn)式切入機(jī)構(gòu)漸進(jìn)切入形成環(huán)剝效果，剝離后的肉桂樹皮落料至下方的料箱內(nèi)，而肉桂樹干經(jīng)從動(dòng)壓輥組定位對(duì)中后傳送到設(shè)備出口處[10-12]。

主動(dòng)壓輥組機(jī)械傳動(dòng)方案如圖1所示，交流電機(jī)將動(dòng)力輸出至動(dòng)力輸入齒輪Z1后，一路經(jīng)傳動(dòng)齒輪Z2、Z3和Z4后驅(qū)動(dòng)壓輥組1運(yùn)轉(zhuǎn)，另一路經(jīng)傳動(dòng)齒輪Z5、Z6和Z7后驅(qū)動(dòng)壓輥組2運(yùn)轉(zhuǎn)，壓輥組1和2具備相同的旋轉(zhuǎn)方向，最終將肉桂物料傳送至縱向切分自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)前端。

圖1 主動(dòng)壓輥組傳動(dòng)示意圖

主動(dòng)壓輥組在實(shí)現(xiàn)肉桂物料向前傳送的過(guò)程中，還需依據(jù)肉桂樹干直徑尺寸做相應(yīng)自適應(yīng)調(diào)整，具體的實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示，當(dāng)肉桂樹干的直徑發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)壓輥轉(zhuǎn)臂在壓輥的帶動(dòng)下各自圍繞相應(yīng)扇形齒輪回轉(zhuǎn)中心做相反方向擺動(dòng)，壓輥轉(zhuǎn)臂與相應(yīng)扇形齒輪剛性連接在一起，保證了兩個(gè)壓輥轉(zhuǎn)臂擺動(dòng)時(shí)的同步性。

圖2 主動(dòng)壓輥組自適應(yīng)輥間距調(diào)整機(jī)構(gòu)

縱向切分自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的方案原理如3所示，當(dāng)肉桂樹干的直徑尺寸增大時(shí)，與其接觸的犁形刀使得調(diào)節(jié)臂向右運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)臂上開有槽型長(zhǎng)孔，保證調(diào)節(jié)臂移動(dòng)過(guò)程中不與靜彈簧桿發(fā)生干涉，動(dòng)彈簧桿作在調(diào)節(jié)臂的帶動(dòng)下，迫使拉簧被拉長(zhǎng)，彈簧的另一端掛接在與固定支架固定在一起的靜彈簧桿上，長(zhǎng)隔套保證了彈簧復(fù)位后的確定位置。

圖3 縱向切分自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖

漸進(jìn)旋線剝離機(jī)構(gòu)的原理方案如圖4所示，沿螺旋線方向均勻布局的肉桂皮剝離刀片隨著肉桂樹干的縱向移動(dòng)，逐步將肉桂皮從肉桂樹干上剝離下來(lái)。

圖4 漸進(jìn)旋線剝離方案示意圖

2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 入料壓輥組傳動(dòng)組件

如圖5、6所示，可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速、額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min的電機(jī)通過(guò)減速比為1:50的NMRV減速器將動(dòng)力輸送至模數(shù)為5，齒數(shù)為30的齒輪Z1，帶動(dòng)兩個(gè)齒數(shù)均為50的齒輪Z2和Z5運(yùn)轉(zhuǎn)。之后一路經(jīng)齒數(shù)分別為20和40，模數(shù)為6的齒輪Z3和Z4將動(dòng)力輸送至壓輥組1，另一路經(jīng)齒數(shù)分別為20和40，模數(shù)為6的齒輪Z6和Z7將動(dòng)力輸送至壓輥組2。壓輥組1和2主體為兩組咬頜輪，咬頜輪由多個(gè)圓盤組成，中間兩個(gè)小圓盤和外側(cè)兩個(gè)大圓盤，形成對(duì)樹干咬頜居中對(duì)位，模數(shù)為6的扇形齒輪保證了上下咬頜輪的居中和同步，外側(cè)兩個(gè)拉簧以一定壓力保證了咬頜輪的壓緊力。壓輥組產(chǎn)生的壓緊力如下式所示：

圖5 壓輥傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 圖6 兩組壓輥組結(jié)構(gòu)

2.2 縱向切分組件

如圖7所示，縱向切分的結(jié)構(gòu)的核心零件為四組犁形刀，可將原先完整的肉桂樹桿破出且掀開四道裂縫，以便給后續(xù)的肉桂皮剝離機(jī)構(gòu)做好準(zhǔn)備，每把犁形刀通過(guò)側(cè)板和墊板壓緊在調(diào)節(jié)臂上，調(diào)節(jié)臂固定在與整機(jī)機(jī)架相連接的固定支架上，當(dāng)肉桂樹干直徑發(fā)生變化是，調(diào)節(jié)臂帶動(dòng)動(dòng)彈簧桿牽引拉簧做相應(yīng)移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同直徑肉桂樹干縱向切分的需要，切分力的大小由拉簧拉力的大小所決定。縱向切分壓力的計(jì)算公式如下：

圖7 縱向切分結(jié)構(gòu)

圖8 肉桂皮剝離結(jié)構(gòu)

2.3 漸進(jìn)螺旋剝離部分

如圖9所示，漸進(jìn)螺旋剝離部分包含四組漸進(jìn)螺旋剝離彈性組件，每組漸進(jìn)螺旋剝離組件由5套彈性刀片組成，各個(gè)刀片繞安裝圓環(huán)中心旋轉(zhuǎn)15°，沿安裝圓環(huán)中心線偏距30 mm，最終形成了沿著縱向切分機(jī)構(gòu)切分出的四道裂縫進(jìn)行直徑為70 mm，螺距為720 mm的螺旋線環(huán)剝效果。

圖9 肉桂剝離刀具安裝結(jié)構(gòu)

實(shí)際安裝中每個(gè)安裝圓環(huán)上均勻布置四套彈性刀片，在每個(gè)安裝圓環(huán)上加工有四個(gè)沉孔直徑為18 mm，沉孔深度為11 mm，直孔部分為11 mm的沉頭孔和四個(gè)規(guī)格為M10×1.25的螺紋孔，每個(gè)安裝圓環(huán)的厚度為30 mm，通過(guò)上一層安裝圓環(huán)和下一層安裝圓環(huán)的每隔15°心的交替安裝，便可實(shí)現(xiàn)螺旋線漸進(jìn)環(huán)切效果。

2.4 出料壓輥組結(jié)構(gòu)

如圖10所示，出料壓輥組的作用是將剝離過(guò)肉桂樹皮的樹干經(jīng)一組咬頜輸送出來(lái)，其原理和進(jìn)料壓輥組一樣，所不同的是出料壓輥組屬于從動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證了肉桂樹干的出料狀態(tài)。

圖10 出料壓輥組結(jié)構(gòu) 圖11 整機(jī)裝配結(jié)構(gòu)

2.5 整機(jī)裝配結(jié)構(gòu)

如圖11所示，將入料壓輥組、縱向切分、漸進(jìn)螺旋剝離和出料壓輥組結(jié)構(gòu)等組合起來(lái)固定在機(jī)架上，機(jī)架整體采用焊接工藝，大大強(qiáng)化整設(shè)備強(qiáng)度。

3 縱向切分機(jī)構(gòu)有限元力學(xué)分析

縱向切分機(jī)構(gòu)是肉桂剝皮機(jī)作業(yè)過(guò)程的核心部件，工作過(guò)程中需要克服較大載荷，振動(dòng)和沖擊明顯，因此縱向切分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要足夠的強(qiáng)度和剛度，保證切刀裝置有較強(qiáng)的抗破壞能力。通過(guò)有限元方法，建立肉桂剝皮機(jī)縱向切分機(jī)構(gòu)的三維有限元模型，通過(guò)計(jì)算分析對(duì)主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)。為簡(jiǎn)化有限元計(jì)算過(guò)程，需要對(duì)彈簧進(jìn)行省略處理，在對(duì)縱向切分機(jī)構(gòu)的犁形刀及其周邊零部件進(jìn)行整體分析時(shí)，等效載荷可直接加載在犁形刀上，但這樣省略缺點(diǎn)的分析結(jié)果無(wú)法真實(shí)反應(yīng)與彈簧直接相連的零部件受力情況[13-14]。因此在分析靜彈簧桿、動(dòng)彈簧桿、固定架、調(diào)節(jié)臂和隔套等組件的受力情況時(shí)，需要將彈簧作用力考慮其中，即全面地對(duì)縱向切分機(jī)構(gòu)各零部件進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)，需要分兩步進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

3.1 網(wǎng)格劃分

為了較好地保證求解精度和求解速度，圖12中縱向切分機(jī)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型采用四面體和六面體相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分[15]。對(duì)于固定連接板、固定支架、調(diào)節(jié)臂和側(cè)板等建模特征相對(duì)簡(jiǎn)單的零件進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，桿類以及刀具存在階梯、倒角等復(fù)雜曲面的零件進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。縱向切分機(jī)構(gòu)等效網(wǎng)格模型(圖12a)有限元單元數(shù)量為332747，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為534341。彈簧柱接局部裝配分析模型(圖12b)同樣采用四面體和六面體相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法，單元數(shù)量為126176，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為245388。

圖12 縱向切分機(jī)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型

3.2 邊界與載荷

根據(jù)實(shí)際使用工況，肉桂剝皮機(jī)縱向切分機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，切分機(jī)構(gòu)的刀具在縱向剖切肉桂樹干時(shí)，四個(gè)360°均布的刀具可以根據(jù)樹干的直徑在彈簧力的作用下實(shí)現(xiàn)徑向彈性伸縮，同時(shí)肉桂樹干在縱向切分機(jī)構(gòu)前端驅(qū)動(dòng)壓輥的作用下實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)。總體來(lái)看，縱向切分機(jī)構(gòu)分別承受肉桂樹干的徑向力和軸向摩擦力作用。縱向切分刀具對(duì)應(yīng)的彈簧剛度為72 N/mm，肉桂樹干按最大極限工況直徑110 mm計(jì)算，引起的彈簧最大伸長(zhǎng)量為50 mm，每根彈簧產(chǎn)生3 600 N的拉力，每組刀具有兩根彈簧組成，合力為7 200 N，方向垂直于刀具和樹干的作用面；假設(shè)壓輥和肉桂樹干的摩擦系數(shù)為0.6，一對(duì)主動(dòng)壓輥的兩根彈簧產(chǎn)生的壓緊力為3 060 N，對(duì)應(yīng)摩擦力為3 060×0.6=1 836 N，兩套夾棍產(chǎn)生軸向推力為1 836×2=3 672 N，每組刀具上作用的軸向摩擦力為918 N，方向切向于刀具和樹干的作用面。兩個(gè)部分有限元分析的載荷添加情況具體見(jiàn)圖13。

圖13 縱向切分機(jī)構(gòu)有限元載荷添加

考慮到縱向切分機(jī)構(gòu)通過(guò)固定連接板上的8個(gè)螺栓孔和整機(jī)機(jī)架相連接，因此可以將此處8個(gè)螺栓孔位置的約束看成全自由度固定約束。每個(gè)犁形刀對(duì)應(yīng)的固定架通過(guò)4套螺栓和固定連接板固定，這4套螺栓孔位置也視為全自由度固定約束。

3.3 分析結(jié)果

圖14、15分別為犁形刀和固定連接板的應(yīng)力云圖，其中固定連接板是縱向切分機(jī)構(gòu)分析中所受應(yīng)力最大的零件，材料均為Q235A，屬于塑性材料，其發(fā)生實(shí)效的形式為材料屈服失效，因此采用屈服強(qiáng)度作為其失效的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。以上零件的最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度255 MPa，因此滿足靜強(qiáng)度要求。

圖14 犁形刀應(yīng)力情況 圖15 固定連接板應(yīng)力情況

如圖16所示，第二部分分析中動(dòng)彈簧桿的最大等效應(yīng)力為631.58 MPa，最大應(yīng)力位于動(dòng)彈簧桿環(huán)形槽面上，對(duì)最大應(yīng)力附近的應(yīng)力進(jìn)行探測(cè)發(fā)現(xiàn)，附近的應(yīng)力也在400～600 MPa之間，大于45鋼的屈服強(qiáng)度，因此不滿足強(qiáng)度要求，將動(dòng)彈簧桿直徑由之前的直徑16 mm更改為25 mm，并增加2 mm的倒圓角處理，動(dòng)彈簧桿的最大等效應(yīng)力降低為128.41 MPa，滿足了設(shè)計(jì)所需的強(qiáng)度要求如圖17所示。

圖16 動(dòng)彈簧桿應(yīng)力情況 圖17 改進(jìn)設(shè)計(jì)后動(dòng)彈簧 桿應(yīng)力情況

4 結(jié) 語(yǔ)

文中提出的自適應(yīng)彈性調(diào)整漸進(jìn)旋切式肉桂剝皮機(jī)采用兩組主動(dòng)壓輥組形成對(duì)肉桂樹干咬頜居中對(duì)位入料，扇形齒輪保證了上下壓輥的居中矯正和同步運(yùn)行；周向均布的四套犁形刀可對(duì)肉桂樹干進(jìn)行縱向剖分切割，隨后的環(huán)剝通過(guò)螺旋線方向漸進(jìn)布局的彈性刀片實(shí)現(xiàn)。出料被動(dòng)壓輥組應(yīng)考慮將電機(jī)動(dòng)力由外側(cè)通過(guò)鏈輪傳動(dòng)接入動(dòng)力，增加傳輸效率。相關(guān)零部件強(qiáng)度的提升可進(jìn)一步提升肉桂去皮的直徑范圍。改進(jìn)設(shè)備在一定程度上可以改善肉桂剝皮以人工作業(yè)為主的現(xiàn)狀，對(duì)于實(shí)現(xiàn)肉桂剝皮的機(jī)械化具有很好的借鑒意義。