切刀下置式蓮子剝殼機—剝殼及分離裝置

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南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文） 蓮藕切片機切片平滑度的研究和改進 楊德勇 胡建平 韋恩鑄 雷恒群 孔祥次 農業(yè)設備和現代技術的國家重點實驗室 江蘇省教育部 江蘇大學.江蘇.鎮(zhèn)江 中國 江蘇省 212013 電話 +86-511-8:傳真+86-511-8 yangdy@163.com 金湖農業(yè)機械化技術推廣站 中國 江蘇省 211600 摘要：針對蓮藕切削質量不高和蓮藕片的斜邊問題，通過分析原因，改進的方法就是減少刀在垂直方向的力。在Pro/E的環(huán)境下創(chuàng)建了蓮藕切片機的3D零件和裝配體?；谔摂M樣機技術，切片機的運動學和動力學分析是在ADAMS軟件模擬實驗下實現的，獲得最佳的切削時間為0.2s~0.3s，并且得到了刀在垂直方向上的力的曲線。刀在垂直方向上的力隨著曲柄偏移量的變化而改變。曲柄的偏移量優(yōu)化結果表明，當曲柄的偏移量為-80mm時，在切削時間里的垂直方向上的力幾乎為零。測試結果表明，經過改進設計后，切片厚度的相對誤差小于10％，這是能夠完全滿足技術要求的。 關鍵詞：蓮藕；切削機制；平滑度；優(yōu)化 1前言 中國是一個生產蓮藕的大國，蓮藕半成品系列食品的國內消費和外部的出口需求量比較大，為了提高工作效率，減輕勞動強度，設計工作組，在借鑒人工切蓮藕片原理的基礎上設計和開發(fā)一個新型的切片機（畢偉，胡建平，2006年）。這種新型的切片機容易解決切片易斷，粘刀，難清理等問題，但過程中還是出現不平滑切削和一些斜邊的現象。本文通過對切削時刀片的分析，發(fā)現了一些造成斜邊現象的原因，并提出了相應的改進方法，并通過實驗得到了驗證。 2 切片機切削結構原理 蓮藕切片的切削原理是機器的核心，性能直接影響切片的質量。在使用PRO / E平臺下建立了蓮藕切削原理的虛擬樣機（圖1），結構本身的原理圖如圖2所示。蓮藕切片機的切削原理是通過核心的曲柄滑塊機構往里面添加材料，它可以堆疊許多蓮藕，蓮藕依靠自己本身上部和下部的蓮藕，以便它能夠到達擋板的表面。曲柄滑塊機構是由電機驅動，在滑塊上安裝刀片切蓮藕。但在切削過程中，發(fā)現在一塊蓮藕兩端面的平行度是不足夠的，這不能滿足加工的技術要求。 圖1 蓮藕切削原理的虛擬樣機 圖2 切片原理結構圖 切片機的蓮藕片平滑度的研究和提高。 3 斜邊的原因 厚薄不均勻和斜邊問題與刀片在切削過程中的力量有關。按照結構原理（圖2），不考慮相互間摩擦和重量的因素，C點的力F的方向是沿鏈接方向。力F可以分解為一個水平方向的分力和一個垂直方向的分力。水平分力造成的刀沿垂直方向移動切削，但垂直方向上的力造成的刀沿垂直方向移動。由于滑塊和導軌之間的差距，垂直分力會使葉片在運動時變形，刀不能沿水平方向切蓮藕，導致出現斜邊。因此，解決斜邊的問題和提高切削質量的關鍵是減少或消除切片時的垂直分力。 當曲軸轉速為60~90轉/分鐘，C點和刀片連接部位的水平和垂直方向的力曲線如圖3和圖4所示。從圖上可以看出，當曲柄的速度提高后，C點水平和垂直方向的力也增加了，相對穩(wěn)定的水平力有利于切削蓮藕期間，但垂直方向上的力也逐漸增加。越多的垂直方向上的力，越不利于切削的質量。 圖3 C點的水平力 圖4 C點的垂直方向上的力 4 仿真和優(yōu)化 如果提高切片的平整度，結構優(yōu)化可以減少垂直分力，所以盡可能的要刀片保持水平。 當曲柄速度60~90轉/分鐘時，刀質量中心的速度曲線和加速度曲線分別如圖5和圖6所示。根據速度曲線，在0.2s~0.3s時間里，刀質量中心的速度是比較大的。按照刀應該有更高的速度來切削蓮藕的要求，這期間的時間切削比其他時間更有利。根據加速度曲線，一個周期計算，在0.15s~0.3s的時間里，相比其他的時間段加速度值是相對比較小。這表明速度的變化相對較小，同時慣性產生的力小，切片機受力引起的振動影響小。因此，在0.2s~0.3s里來切蓮藕有利于提高蓮藕片的切削質量。 圖5 刀片的質量中心速度曲線 圖6 刀片的質量中心加速度曲線 基于上述分析，刀片和鏈接之間的垂直分力是造成斜邊的主要原因。根據曲柄滑塊機構的特點，在切削時間段通過改變曲柄偏移來減少對刀垂直方向上的力，從而提高切削質量。當曲軸轉速為60轉/分鐘，曲軸偏心率得到了優(yōu)化。當曲柄偏移量分別為40mm，20mm，0mm，-20mm, -40mm, -80mm, -120mm時，在不同的偏移量下模擬其原理，獲得了垂直方向上的力曲線，如圖7所示。 圖7 不同偏移下的垂直方向上的力曲線 圖7表明：偏心率為正值時，在0.2s~0.3s隨著曲柄偏移量增加，C點的垂直方向上的力逐漸增加；當偏心率為負值時，隨著曲柄偏移量的增加，力開始下降，然后在-80mm處開始逐步增加。所以，當偏移量為-80mm，力在0.2s~0.3s的數值降到最低，這時切削質量是最佳的。 當曲柄在其他的速度旋轉，有相同的優(yōu)化結果。圖8顯示的是曲軸轉速為80轉/分鐘、曲軸偏移量為0mm到-80mm時，垂直方向上的力。從圖8可以看出，當偏移量為-80mm時，C點垂直方向的里在0.2s~0.3s大大減少。因此通過優(yōu)化曲柄偏移量可以減少垂直方向上的力。 圖8 C點的垂直方向上的力 5 實驗分析 蓮藕片的厚度相對誤差反映了切削質量，一般控制在10％。在結構的優(yōu)化和改進前，總是存在斜邊現象，厚度相對誤差約為15%左右，這是難以滿足的技術要求。對曲柄滑塊機構的偏移量進行優(yōu)化，并根據優(yōu)化的結果，它的結構有了一些改進。改進后的曲柄，在速度的條件為80?110轉/分鐘時，切削試驗出來的厚度相對誤差的統計數據如表?1所示。從四個速度層次進行分析實驗，每個速度層次進行三次實驗。 表 1 切片厚度相對誤差 序號 曲柄速度(轉/分鐘) 80 90 100 110 1 6.6% 6.4% 8.2% 9.5% 2 5.3% 6.1% 8.5% 9.2% 2 6.4% 7.9% 7.9% 9.4% 平均 6.1% 6.8% 8.2% 9.4% 來自表1的數據顯示，當曲柄速度為80?110轉/分鐘時，切片厚度相對誤差能滿足各項技術指標，尤其是當曲軸旋轉速度為80轉/分鐘和90轉/分鐘時，厚度相對誤差低于7％，達到了較高的切削質量。 6 總結 切削的過程中，表面不平整和斜邊的主要原因是作用在刀組件上的垂直分力，因此提高質量的關鍵是減小垂直方向上的力。通過刀片質量中心速度和加速度模擬分析曲線得到，0.2s?0.3s是切片的最佳時間。通過優(yōu)化曲柄的偏移量，當偏移量為-80mm時，垂直方向上的力在切削時間大大減小。經過實驗改進蓮藕切片機后，實驗結果表明，通過改變曲柄偏移量，厚度相對誤差不到10％，完全能夠滿足要求。因此，平整度不理想和斜邊問題基本解決。 參考文獻 [1] 胡建平.蓮藕切片技術的學習和新的模型設計. 中國農業(yè)機械化研究（12）,112~114.2006 [2] 韋恩鑄.基于虛擬樣機技術的新型蓮藕切片機仿真優(yōu)化.江蘇大學,2008 [3] 張 策.機械動力學.高等教育出版社,1999 [4] 陳秀林.機械優(yōu)化設計.浙江大學出版社,1999. [5] 陳麗萍,鄭云群,容微群.機械系統的動態(tài)分析和應用指南ADAMS.北京:清華大學出版 社,2005 第 7 頁 共 7 頁 本科畢業(yè)設計任務書 信息與機電工程系 填寫時間：2015年03月10日 課題名稱 切刀下置式蓮子剝殼機——暴客剝殼及分離裝置設計 學生姓名 專業(yè)、學號 機械 116718140 畢業(yè)設計 基本要求、重點需要 研究的問題 基本要求：了解現有蓮子剝殼基本原理和鮮蓮子物理性質，了解社會需求研究現狀，明確蓮子剝殼機存在的問題，運用機械原理知識，確定設計方案并完成設計。要求工作原理正確，能實現對新鮮蓮子剝殼加工。 設計內容：（1）方案的評價與選擇 （2）完成總裝圖（可運用CAXA電子圖板或AutoCAD繪圖）。 （3）繪制零件圖。 （4）畢業(yè)論文的撰寫。 關鍵問題：1.剝殼裝置不能損傷蓮子 2.分離裝置實現殼與仁分流導出。 計劃 進度 安排 第1～2 設計周：收集資料、知識準備； 第3～4 設計周：方案設計；總體結構草圖； 第5～10 設計周：結構設計、設計計算、總體裝配圖、 零件圖設計； 第11～12設計周：設計說明書（論文）編寫。 應收集 的資料 及主要 參考文獻 1.機械設計手冊。 2.其它相關參考資料。 指導教師（簽名）： 職稱：副教授 系（教研室）主任（簽名）： 分管院長（簽章）： 畢業(yè)設計周記 姓名 盧超 學號 116718140 第1周 第一周在選定課題之后我在圖書館查閱了相關資料，在網絡上查找了有關于剝殼機的資料圖片，對與自己課題相關的知識進行了解，針對自己要設計的剝殼機設計進行思考。雖然預感設計中會遇到很多問題，但相信通過自己努力老師指導能夠順利完成。 導師意見： 簽字： 日期： 畢業(yè)設計周記 姓名 盧超 學號 116718140 第2周 這周老師帶我們參觀了現有舊版剝殼機，結合自己查閱的資料對現有剝殼機和自己將要設計的剝殼機優(yōu)缺點進行分析比較，了解了剝殼機現在的用途及市場，提交了開題報告。 導師意見： 簽字： 日期： 畢業(yè)設計周記 姓名 盧超 學號 116718140 第3周 通過上周自己查閱的相關資料和導師帶我參觀一些現有的剝殼機，我們對現有的剝殼機有了一定了解，對舊版剝殼機的缺點進行分析，在此基礎上思考自己要改進的地方，并簡單規(guī)劃出自己要設計的結構和改進的裝置，向老師提出自己的思路請老師給出知道意見。 導師意見： 簽字： 日期： 畢業(yè)設計周記 姓名 盧超 學號 116718140 第4周 這周開始著手將自己的設計思路試著用草圖形式表達出來，將自己想要改進的地方重點畫出來，并考慮其實用性、合理性，在設計中也遇到了一些問題不知道如何改進，將自己遇到的問題和草圖提交給老師審查。 導師意見： 簽字： 日期： 畢業(yè)設計周記 姓名 盧超 學號 116718140 第5周 本周在老師指導基礎上對草圖進行改進，并用CAXA軟件繪制剝殼機裝配圖，由于對CAXA軟件運用不熟悉，期間遇到了許多問題，老師很耐心的教我們如何運用軟件，通過老師的指點和自己積極與同學討論學習慢慢懂得了CAXA的操作，雖然耽誤了許多時間拖慢了設計進度，相比其他同學落后許多，但自己在這個過程中學習到了很多軟件知識，對自己來說受益匪淺。 導師意見： 簽字： 日期： 本科畢業(yè)設計開題報告 設計題目： 切刀下置式蓮子剝殼機—— 　 剝殼及分離裝置設計 專業(yè)年級： 機械設計制造及其自動化2011級 學 號： 10 姓　 名： 指導教師、職稱： 2015年01月23日 1、 本設計課題的目的意義，主要及擬解決的關鍵性問題（附參考文獻） 本課題設計的目的意義： 蓮子，中藥名。為睡蓮科植物蓮的干燥成熟種子。分布于我國南北各省。具有補脾止瀉，止帶，益腎澀精，養(yǎng)心安神之功效。常用于脾虛泄瀉，帶下，遺精，心悸失眠。以生產蓮子為主的蓮稱為子蓮，我國湖南、江西、福建、浙江等省份均是聞名的子蓮產區(qū)。 隨著中國經濟迅猛發(fā)展，蓮子低下的生產力遠遠不能滿足市場的需求，蓮子進入市場需要經過剝殼、去衣、去芯和干燥等一系列加工過程，其中蓮子的剝殼是加工難度和強度最大的一道工序，目前人們采用最多的是手工剝殼，手工剝殼是用弧形刀片先對蓮殼割一圈，然后用手將割后的蓮子殼仁分離，手工去殼不但容易割傷手，而且還不衛(wèi)生、容易損傷蓮仁、效率低，嚴重制約了蓮子的廣泛種植。該設計通過創(chuàng)新設計在剝殼工藝上解決剝殼率低、破碎率高，在設備性能上解決可靠性低、工作穩(wěn)定性差等問題，形成成熟定型的剝殼機產品，以滿足蓮子剝殼的實用性要求。蓮子剝殼機的問世，是蓮子生產加工領域的一項重要發(fā)明。它是蓮子的產量大大增加，并且很大程度上降低了農民的勞動強度，還可以將撥好的蓮子加工成各種蓮子產品，同時蓮子殼也可以加工飼料等用處。 本設計采用刀具切割來到殼仁分離的目的，剝殼方式為滾動切割式蓮子剝殼機，蓮子沿導料槽進入切割裝置，槽輪帶動蓮子沿蓮子赤道逆時針轉動切割，刀具在蓮子赤道上切出一條閉合的軌跡，從而達到殼仁分離效果，性能相對穩(wěn)定，切割順暢，較少出現堵塞現象，剝殼率較高，損壞率低，在設計上有所創(chuàng)新。 擬擬解決的關鍵問題： 1、剝殼裝置不能損傷蓮子； 2、分離裝置實現殼與仁分流導出； 3、分離過程保持順暢殼仁分離完全； 2、 本設計課題的主要設計、預期設計結果 主要設計內容： 設計剝殼機槽輪，對剝殼機切割位置改進，使其自導料槽進入槽輪時轉動方向一致，適當延長刀具以達到環(huán)切蓮子的效果，控制恰當的切割深度及刀具預緊力以免損傷蓮子仁。 預期設計結果: 對剝殼機分離裝置改進后使蓮子能夠順暢地進入槽輪，完成對蓮子赤道線的閉合式環(huán)切，切割深度約為0.9毫米，在不損傷蓮子的前提下實現了蓮子殼仁分離的效果，提高蓮子剝殼成功率，降低了蓮子損耗。出；機架穩(wěn)定，牢固。 3、 設計方法和步驟 １、對現有蓮子剝殼機進行研究深刻了解其工作原理，通過分析比較、確定設計方案； ２、根據原有剝殼機的缺點進行進一步改進，提高工作效率，減少工作故障； ３、運用AutoCAD繪圖等工具進行設計； ４、在理論上評估其可行性； ５、撰寫設計說明書 4、 設計工作的總體安排及進度 第1～2設計周：收集資料、知識準備； 第3～4設計周：方案設計；總體結構草圖； 第5～10設計周：結構設計、設計計算、總體裝配圖、零件圖設計； 第11～12設計周：設計說明書（論文）編寫。 五、指導教師審查意見： 簽字：　　　　　　 年　月　日 六、系(教研室)審查意見： 簽字：　　 年　月　日 七、學院審查意見： 分管院長簽章： 年　月　日 說明書 設計題目： 切刀下置式蓮子剝殼機—— 剝殼及分離裝置設計 專業(yè)年級： 2011機械設計制造及其自動化 學 號： 116718140 姓　　名： 指導教師、職稱： 2015 年 05 月 15 日 0 摘 要 隨著中國經濟迅猛發(fā)展，蓮子低下的生產力遠遠不能滿足市場的需求，蓮子進入市場需要經過剝殼、去衣、去芯和干燥等一系列加工過程，其中蓮子的剝殼是加工難度和強度最大的一道工序，目前人們采用最多的是手工剝殼，手工剝殼是用弧形刀片先對蓮殼割一圈，然后用手將割后的蓮子殼仁分離，手工去殼不但容易割傷手，而且還不衛(wèi)生、容易損傷蓮仁、效率低，嚴重制約了蓮子的廣泛種植。該設計通過創(chuàng)新設計在剝殼工藝上解決剝殼率低、破碎率高，在設備性能上解決可靠性低、工作穩(wěn)定性差等問題，形成成熟定型的剝殼機產品，以滿足蓮子剝殼的實用性要求。蓮子剝殼機的問世，是蓮子生產加工領域的一項重要發(fā)明。它是蓮子的產量大大增加，并且很大程度上降低了農民的勞動強度，還可以將撥好的蓮子加工成各種蓮子產品，同時蓮子殼也可以加工飼料等用處。 本設計采用刀具切割來到殼仁分離的目的，剝殼方式為滾動切割式蓮子剝殼機，蓮子沿導料槽進入切割裝置，槽輪帶動蓮子沿蓮子赤道逆時針轉動切割，刀具在蓮子赤道上切出一條閉合的軌跡，從而達到殼仁分離效果，性能相對穩(wěn)定，切割順暢，較少出現堵塞現象，剝殼率較高，損壞率低，在設計上有所創(chuàng)新。 關鍵詞：蓮子；剝殼機；設計 Abstract With China's rapid economic development, low productivity lotus seeds can not meet the market demand, lotus seeds enter the market to go through sheller, to clothing, to a series of core and drying processes, including lotus seed sheller is processing difficulty and intensity the largest one process, now people use most is hand-peeled, hand peeled with curved blade to cut a circle of lotus shell, then hand cut lotus seeds shell kernels after separation, hand peeled not only easy to cut hand, and does not care, easy to damage the lotus kernels, inefficient, severely restricted the widespread planting lotus. The design on the rind through innovative design process solutions shelling low broken rate on equipment performance to solve the low reliability, poor job stability, the formation of mature stereotypes Sheller products to meet the lotus seed sheller utility requirement. The advent of lotus seed sheller is an important invention lotus seeds production and processing sector. It is the lotus seed production has increased significantly, and greatly reduces the labor intensity of farmers, can also be processed into a variety of dial good lotus seeds lotus seed products, while lotus seed shell can also be processed feed and other uses. The design uses a cutting tool purpose shell Jen came separation, peel way scroll Cutting lotus seed sheller, lotus seeds into the cutting device along the guide trough, groove wheel drive lotus seeds counterclockwise rotation of the cutter along the equator lotus seeds, lotus seeds and tools in the equatorial cut out on a closed track, so as to achieve shell kernel separation, performance is relatively stable, smooth cut, less clogging phenomenon, a high peel rate, damage rate, to be innovative in design. Keywords: lotus; Sheller; design 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒論 - 1 - 1.1蓮子剝殼傳統工藝方法 - 2 - 1.2蓮子剝殼機械加工方法及現狀 - 2 - 1.2.4沖擊式蓮子剝殼機 - 3 - 1.2.5切割式蓮子剝殼機 - 3 - 1.3設計任務及要求 - 4 - 第二章蓮子剝殼機總體設計 - 5 - 2.1蓮子幾何特征及其力學特性 - 5 - 2.2 剝殼機的基本結構設計 - 5 - 2.3剝殼機的工作原理 - 6 - 第三章 蓮子剝殼機切割部分工件設計 - 7 - 3.1槽輪的結構設計 - 7 - 3.2傳動軸的設計 - 8 - 3.3軸承選取 - 9 - 3.4切割組件的結構設計 - 10 - 3.5切割刀片的選取設計 - 10 - 3.6刀架設計 - 11 - 3.6.1支撐臂 - 11 - 3.6.2 U型臂 - 12 - 3.7皮帶輪的選擇 - 13 - 第四章設計總結 - 14 - 4.1結論綜述 - 14 - 4.2存在的不足 - 14 - 4.3蓮子剝殼機的技術發(fā)展趨勢 - 15 - 參考文獻 - 16 - 致謝 - 17 - - 16 - 第一章 緒論 1.1蓮子剝殼傳統工藝方法 蓮子按加工方法可分為硬殼蓮加工成肉蓮和鮮蓮加工成通心白蓮兩種。 (1) 硬殼蓮手工加工方法：①用一把鐮刀和一個直徑20-25cm高30-40cm的木墩，手捏殼蓮的一端，用鐮刀在2/5處割2-3刀一撇，掉頭仍在2/5出用同樣的方法割一刀，最后將剩下殼環(huán)帶，割一刀一撇，即完成一顆殼蓮的加工。一個熟練的勞動者，從早到晚可砍殼蓮5Kg。這種加工方法原在湖北、湖南省普遍應用。②用三把小尖刀裝在一個圓鋼管內，刃口形成錐體空間，在殼蓮兩端，用小刀片先擠切，后扭剝脫殼，這種加工方法在湖南和湖北省荊州地區(qū)多用。③廣東省中山縣為港商加工泰國硬殼蓮是將殼蓮的一端放在一個特制的螺母上，用一個皮帶沖子一敲，擠切剝殼。④上海市外貿在江蘇一個加工站是用一把特制剪刀，剪切剝殼。 (2) 通心白蓮手工加工方法：將鮮蓮外殼用小刀切開剝殼，用手搓去表內皮，再用φ1.5mm鋼針通心，當天曬干，遇陰天用木炭烘干,即成通心白蓮。 1.2蓮子剝殼機械加工方法及現狀 我國研究蓮子剝殼機從20世紀60年代就已經開始，湖南省農機所率先于1981年開始對蓮子剝殼機進行了試驗研究，并于1983年6月鑒定且小批生產了6BR-1型蓮子剝殼機。與些同時，一些院校和科研單位也開始理論研究、實施試驗、編寫教程。直到20世紀80年代，蓮子剝殼機在我國還處于孕育期。從20世紀90年代開始，許多單位研制了多種蓮子剝殼機，型號達10多種，申報的有關專利有51項。按照剝殼機的剝殼原理，歸納起來主要有以下幾種形式。 1.2.1擠壓式蓮子剝殼機 擠壓式蓮子剝殼機最早的模型為雙輥式蓮子剝殼設備。設備中一輥為帶有橡膠層的旋轉圓柱體，另一與之相對轉動的輥上帶有三角形刀刃的多個盤形圓片組成。使蓮子通過兩輥的中縫時，切開蓮殼。然而幾經實驗，蓮子僅被刀刃劃破了 部分外殼。由于在兩輥之間的加工區(qū)較短，蓮子不可能在其中滾上一兩圈，因而使蓮殼的切破率大大降低。 浙江大學的鄭傳祥教授，對于前人提出的擠壓式蓮子剝殼機原理進行了進一步的改進，從而在此基礎上設計了一種更能適應生產實際的高效蓮子剝殼機。完善了擠壓式的雙輥技術。利用高速刀具對蓮子外殼進行切割、擠壓使其脫殼，同時增加了脫殼切割的刀具數量，使其更適合機械化生產。該機型可以將蓮子按照其顆粒大小分類后進行脫殼，使蓮子生產實現在機械化的道路上向前邁進了一大步。 1.2.2摩擦式蓮子剝殼機 旋轉圓桶式脫殼機是比較早期的摩擦式剝殼機，其在中部旋轉軸上裝有盤形刀片，外桶固定在機架上，其內壁上襯有適當厚度的橡膠層。蓮子進入后，隨旋轉軸的帶動，在內壁與轉軸的刀片中滾動，蓮殼在橡膠層的襯墊下被轉動的盤形刀片切破，然后從其夾縫中掉出。但是由于被切破的蓮殼均牢牢的粘附在蓮肉上，為使蓮殼與蓮肉分離，還得專門設計一個搓殼機。 為了克服旋轉圓桶式蓮子脫殼機固有缺陷，在其基礎上，6JD-400型蓮子剝殼機設計成三個加工段：破殼段、搓殼段及軟搓殼段。每小時每臺可加工70Kg，脫殼率平均為75％以上，出蓮肉完好率平均95％以上，且篩分率大于90％，蓮子損害率小于4％以下，但每副刀片使用5～6班需重磨一次。經生產實踐表明，6JD-400型蓮子剝殼機性能穩(wěn)定可靠，自動化程度高，便于操作，清潔安全且經濟效益比較顯著。 1.2.3撕搓式蓮子剝殼機 代表機型以湖南省農機所研究的6BR-1型蓮子剝殼機為例。為了保證剝殼質量，提高功效和對不同形狀蓮子的適應性，該機采用了自動送料、自動定位和組合刀頭等裝置，其結構獨特，且機子小巧輕便、使用方便、安全可靠，適于白蓮、紅蓮、東瓜蓮等多種蓮子的剝殼作業(yè)。該機采用一對刀頭從一長徑方向兩端同時切入蓮殼后再適當旋轉一定角度，撕搓蓮殼使其扭碎從而完成剝殼的方法，不僅脫殼率大為提高，而且破碎率僅在5％左右。 1.2.4沖擊式蓮子剝殼機 臺灣嘉義大學與中興大學的黃文祿、盛中德教授研發(fā)的蓮子剝殼脫膜機子主要由供料機構、同向差速滾筒磨擦、撥桿及四只水刀噴嘴組成。該機剝殼脫膜工作原理：蓮子在同向且具差速的滾筒間滾動，并在噴嘴高壓噴頭產生的水刀作用 下破膜。 1.2.5切割式蓮子剝殼機 在切割式蓮子剝殼機的研制中，武漢工業(yè)學院機械工程系的張永林、易啟偉等設計了一種基于輥刀切割原理的蓮子剝殼機。輥刀式蓮子剝殼機采用供送螺桿對殼蓮進行分粒供送并使蓮子按照一致的位形排序上料，采用由雙托輥和剝殼輥 構成的剝殼通道實現蓮子剝殼。同時，為了適應不同品種，不同顆粒大小、形狀蓮子的剝殼，設計上采用了集總式的調節(jié)機構，以實現對主要的切割參數如切割深度、切割壓力、偏置角度和螺旋輥刀空間斜置的調節(jié)。通過基于物理樣機的剝殼試驗，多聯輥刀式蓮子剝殼機的處理量大于100kg／h，剝殼率大于90％，仁殼分離率達92％，籽仁破損率小于3％。 相對于其他剝殼機，多聯輥刀式蓮子剝殼機通用性較強，性能相對穩(wěn)定，在設計上有所突破，同時調節(jié)維護相對于其他蓮子剝殼機來說更方便快捷，基本能夠滿足蓮子機械化剝殼的實用性需求。 1.3設計任務及要求 1. 了解現有蓮子剝殼基本原理和鮮蓮子物理性質，了解社會需求研究現狀，明確蓮子剝殼機存在的問題，運用機械原理知識，確定設計方案并完成設計。要求工作原理正確，能實現對新鮮蓮子剝殼加工。 2.熟悉蓮殼的切割原理，以及對剝殼機的切割部件詳細說明。 3.提交CAD零件圖、裝配圖、裝配圖，及設計說明書。 第二章蓮子剝殼機總體設計 2.1蓮子幾何特征及其力學特性 蓮子為小堅果。呈橢圓形、卵形或卵圓形，千粒重1100-1400克，幼果期果皮綠色，革質，后由綠轉褐色，成熟時呈棕褐色、灰褐色和黑褐色。有細縱紋和較寬的脈紋。一端中心呈乳頭狀突起，深棕色，多有裂口，其周邊略下陷。質硬，種皮薄，不易剝離。子葉2，黃白色，肥厚，中有空隙，具綠色蓮子心。無臭，味甘、微澀。 蓮子形狀較規(guī)則，顆粒較為均勻，外形呈橢圓形。通過對江西廣昌縣太空蓮的測定，蓮子長軸直徑在19～25mm，短軸直徑在15～19mm，殼厚在0.7～1.0mm，其中以短徑為18mm、長徑22mm、殼厚在0.9mm左右的蓮子數量最多，占90%以上。蓮子的蓮殼和蓮衣、蓮仁有一定的間隙，蓮子殼的皮層外表1/3較堅韌、其余2/3較脆，脫殼時只需將堅韌部分切開，其余部分經適當擠壓就會自然裂開，因此實現蓮子機械化剝殼時，可在蓮子短徑最大處進行環(huán)切，切割深度為蓮殼厚度的1/3，被切割的蓮子經適當的擠壓和搓滾以實現蓮殼與蓮仁的完全分離。其結構如圖1所示。 圖1 蓮子長、短徑示意 2.2 剝殼機的基本結構設計 根據蓮子的結構特性以及力學性能，本次設計的剝殼機大體思路是由料斗（1），槽輪（2），導料槽（3），刀架（4），出料口（5），機架（6）等所組成。其特征是：在槽輪的輪柱面上開有橢圓弧凹槽與導料槽相對應，導料槽為橢圓弧彈性凹槽，在導料槽的出口處設置一個刀架和槽輪的凹槽相對應，導料槽的凹槽面為彈性橡膠，刀架通過定位栓在定位孔中連接切割刀片，刀架由選好的彈簧連接在機架上，切割刀片的刀刃部分相對槽輪的圓心形成一段圓漸開線連接一段圓弧。大致基本結構如圖2所示。 圖3 三維簡圖 2.3剝殼機的工作原理 剝殼機的主要結構如圖2所示，其主要工作原理為:將需剝殼的鮮蓮子均勻放入料斗，蓮子通過料斗進入倒料輪，在倒料輪帶動下依次順序進入導料槽，順著導料槽進入槽輪，蓮子在重力作用下處于滾動狀態(tài)，在滾動過程中，蓮子逐步調整滾動姿勢至達到理想的切割姿勢，隨后進入由刀架與槽輪構成的切割通道，蓮子在此通道內繼續(xù)受到刀架板與槽輪的壓力以及槽輪的切向摩擦力而處于理想的純滾動狀態(tài)，刀架板的中間鑲有切割刀片，當蓮子滾過切割通道時被切割刀片連續(xù)環(huán)切從而完成割殼。 圖2工作原理圖 第三章 蓮子剝殼機切割部分工件設計 3.1槽輪的結構設計 槽輪是帶動蓮子做切割運動的主要部件，蓮子由進料斗依次進入調整通道和切割通道，其截面的形狀結構對蓮子滾動調姿及切割均會產生影響，對槽輪的輪槽寬度深度形狀都有相應的要求。其結構模型如圖3圖4所示。 圖3槽輪示意圖 為了防止蓮子在滾動過程中左右移動，造成切割位置和角度的較大偏差，影響切割質量，槽寬應稍大于蓮子寬度，槽深接近于蓮子的半徑，同時輪槽底面貼上一層橡膠，這樣可以更好地將蓮子包裹住使其更好地滾動，調整姿勢，利于切割。 圖4槽輪模型示意圖 3.2傳動軸的設計 傳動軸是蓮子剝殼機的主要設計部件之一，他在蓮子剝殼機正常工作過程中，承擔主要轉矩、扭矩、彎矩和支撐傳動軸上的回轉零件，傳動軸的設計是很關鍵的一個步驟。它的主要功用是：一是支持軸上所安裝的回轉零件，使其有確定的工作位置；二是傳遞軸上的運動和動力。根據蓮子剝殼機的結構特點和組成形狀及工作強度和環(huán)境的要求，主軸選用直軸形式傳遞，而且選用直軸中的階梯軸。此軸的設計如下： 圖5軸 3.3軸承選取 考慮驅動軸在交大彎矩作用下會產生彎曲變形，深溝球軸承裝在軸上后，在軸承的軸向游隙范圍內，可限制兩個方向的軸向位移，承受徑向載荷，也可同時承受徑向載荷和軸向載荷。尺寸如圖所示。 圖6軸承 3.4切割組件的結構設計 切割組件主要由刀架板、彈簧以及切割刀片等組成，共同完成對蓮子的切割。 刀架板的結構設計 滑道導軌的內圓弧面前段設計成與調整滑道內曲面相切，這樣可使蓮子平滑地由調整滑道過渡到切割滑道，減小蓮子因跳動而產生切割位置的改變影響剝殼質量，同時，由于切割通道的空間高度小于蓮子直徑，蓮子進入切割通道后獲得繼續(xù)滾動前行所必需的壓力和摩擦力壓力的大小可以通過刀架板下面安置的彈簧的預壓縮量來調整，確保蓮子獲得合適的壓力以保證既能夠切割蓮子又不會壓碎蓮子。同時，由于2個調節(jié)的彈簧，不僅可以保證蓮子在整個切割通道都可以獲得合適的切割力和切割空間，還可以保證切割通道內可以同時容納多個蓮子共同切割以提高效率。 蓮子進入切割通道后就在面1上滾動，最初的設計是將該面設計成平面，但考慮到蓮子在切割過程中可能沒有以垂直于蓮子長軸方向被切割，而是被斜著切開，說明蓮子在滾動和切割時的姿勢不夠穩(wěn)定，影響了蓮子剝殼的質量為了穩(wěn)定蓮子的切割姿勢，防止蓮子在切割時的晃動，保證切割質量，該面加工成略帶弧面，這樣就可以解決這一問題。 3.5切割刀片的選取設計 切割刀片是蓮子切割時最為重要的部件，要求刀片薄而鋒利，并且耐磨，刀片材料采用9CrWMn，厚度為1mm。刀片固定在U型臂上，由鎖緊螺母固定。刀刃高出0.8-1.0mm，刀刃相對槽輪的輪心形成一段圓漸開線連接一段圓弧，這樣蓮子通過切割通道時就能夠進行連續(xù)切割并能夠有效控制切入深度而不傷及蓮仁。 在蓮子割殼中，果肉上不留下刀痕，必須具備兩個必要條件：一、切割的深度不超過蓮殼的厚度；二、大小不同的蓮殼被切割的長度不能超過一周。切割刀片形狀設定可以同時滿足兩個條件。如圖中：A點為大顆粒蓮子N1的起始切割點，大顆粒蓮子從A點運動到刀刃末端時，正好被切割一周。N2為小顆粒的蓮子，當從A點運動到B點時，由于槽輪與刀刃之間的間隔大，刀架板不提供或提供的壓力達不到有效切割力度，只有當N2運動到B點時才開始被有效切割，N2從B點運動到刀刃末端時也正好被切割一周，因此保證了不同規(guī)格的蓮殼被切割的長度均不超過一周?？紤]到要很好的剝去蓮子的外殼，刀具的長度應該不應短于蓮子的中徑周長，這樣才能使蓮子在刀具上環(huán)切一周的距離，但也不能太長，這也可能會損傷到蓮仁。綜合上述的因素選取刀具的刀刃長為：L=45mm。 圖7蓮子切割示意圖 3.6刀架設計 刀架固定采用搖臂式設計，期結構簡單，工作靈活，輕松完成對刀具的清理、更換，配合彈簧能夠很好地完成刀片對蓮子的切割工作。 3.6.1支撐臂 支撐臂固定在機架上，由兩個六角螺栓固定在機架下方，為了便于順暢有效地接收、切割蓮子，臂傾斜一定角度， 兩條支撐臂與槽輪中心線重貼，臂為空心方形，材料選用45鋼。 圖8 刀架圖 3.6.2 U型臂 U型臂使用一個圓柱銷聯接在支撐臂上，以圓柱銷為軸心可實現上下擺動，在切割時通過彈簧固定，在彈簧拉力下，蓮子在切割通道中受到一個壓力，使得刀片能對蓮子進行有效地切割，刀片固定在U型臂上，由鎖緊螺母固定，U型臂固定刀片的平面必須與壓板縫隙平齊，U型臂刀片固定結構如圖所示。 圖9U型臂刀片組合圖 3.7皮帶輪的選擇 皮帶輪選取A型帶，頂端寬度13mm、厚度為8mm。皮帶傳動主要有：平皮帶、三角帶、同步齒型帶三種，三種皮帶都有國家標準，但是皮帶輪因傳動比、功率的變化較大，此次設計選取皮帶輪內徑8mm，外徑60mm。 第四章設計總結 4.1結論綜述 針對蓮子的物理特性和結構特點，設計了一種蓮子剝殼機，采用滾切原理，利用槽輪和刀架板的擠壓與摩擦，利用彈簧調節(jié)擠壓力，使得切割刀片能夠對蓮子的外殼進行順利、穩(wěn)定、高效地切割，從而脫離傳統的手工蓮子割殼效率低、工作量大的窘境。 在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在設計過程中，不斷發(fā)現錯誤，不斷改正，不斷領悟，不斷獲取。這次畢業(yè)設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在老師的幫助下，終于游逆而解。 今后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可！回顧起此次畢業(yè)設計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。 此次設計也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網查詢，只要認真鉆研，動腦思考，動手實踐，就沒有弄不懂的知識，收獲頗豐。 4.2存在的不足 1、不能實現自動化加工。雖然相對純手工加工，很大程度上降低了生產成本，提高了生產效率，但是如果要實現大規(guī)模的加工生產，其生產效益和自動化水平還有待進一步的提高。 2、通用性不強。我國幅員遼闊，各地區(qū)蓮子的顆粒質量水平和大小存在較大差別。且不同地區(qū)蓮子的加工工藝也不盡相同，鮮蓮子和干蓮子的差異性較大，干蓮子外殼非常堅硬，殼仁之間間隙小，蓮子抗壓強度較高，所以本機不適宜切割干蓮子。而且在蓮子選取時需要分級處理，不然個體差異過大的蓮子在切割時可能會造成切傷蓮仁或沒造成有效切割而影響切割效率與脫殼率。 3、達不到自動脫殼、去衣的效果。本機只能切割蓮殼而達不到自動脫殼、去衣的效果。 4.3蓮子剝殼機的技術發(fā)展趨勢 蓮子剝殼機的技術發(fā)展方向大致為：進一步提高可靠性和對不同蓮子的適應性；根據用戶要求設計相應機械的生產能力；更好的實現自動化，針對新技術研制新機型，提高機器的制造質量和可靠性；進一步完善標準。 發(fā)展蓮子剝殼機具有生產實際意義。應結合我國國情，在分析蓮子加工原理的基礎上，設計自動化蓮子剝殼設備，提高產量和剝殼質量，同時降低企業(yè)的生產成本，提高企業(yè)的效益，最終提升農產品競爭力。 參考文獻 ［1］魯運江．蓮子的營養(yǎng)價值與食療保健［J］．蔬菜，2001(6) :37－39． ［2］倪學明，吳彥紅．中國蓮［M］．北京: 科學出版社，1987． ［3］濮良貴，紀名剛.機械設計 [M].高等教育出版社，2006，5. ［4］鄭傳祥．蓮子脫殼機設計與試驗［J］．農業(yè)機械學報，2003，34(5) :106－108. 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