電動蓮子剝殼機的設計說明書

湘潭大學畢業(yè)論文 題 目： 蓮子剝殼機的設計 學 院： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： XXXXX 姓 名： XXXXX 指導教師： XXXXX 完成日期： 2014.5.21 摘要 . 1 第一章 緒論 . 3 1.1 課題背景 . 3 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 . 3 1.3 剝殼原理 . 5 1.3.1 擠壓式蓮子剝殼機 . 5 1.3.2 摩擦式蓮子剝殼機 . 5 1.3.3 撕搓式蓮子剝殼機 . 5 1.3.4 沖擊式蓮子剝殼機 . 6 1.3.5 切割式蓮子剝殼機 . 6 1.4 原有機構的缺點及發(fā)展趨勢 . 6 第二章 系統(tǒng)總體方案確定 . 8 2.1 設備布局 . 8 2.2 關鍵機構的設計 . 8 2.2.1. 下料機構 . 8 2.2.2 輸送機構 . 9 2.2.3 切割機構 . 9 2.2.4 傳動機構 . 9 第三章 蓮子剝殼機的詳細設計 . 10 3.1 蓮子外形特性實驗研究 . 10 3.1.1 蓮子三維尺寸 . 10 3.1.2 殼厚與殼仁間隙 . 10 3.1.3 百粒重 . 11 3.1.4 蓮殼含水率 . 12 3.2 蓮子物理性能的測定 . 12 3.2.1 蓮殼抗壓強度 . 12 3.2.2 蓮殼硬度 . 14 3.3 小結 . 15 第四章 蓮子剝殼機的整體設計 . 17 4.1 刀具的確定 . 17 4.2 皮帶的設計 . 18 4.3 下料機構的設計 . 19 4.4 電機的選擇 . 20 4.5 V 帶傳動設計 . 20 4.6 軸的選擇 . 21 結論與展望 . 23 參考文獻 . 24 致 謝 . 25 1 摘要 現(xiàn)在的蓮子剝殼技術有很多種，但有的效率太低也不太科學，遠遠不能滿足市場的需求，所以這項新技術的出現(xiàn)是非常有必要的。從古至今，我們都是通過手工來完成蓮子的剝殼，這樣費時費力，沒有效率。蓮子剝殼機的問世，是手工剝蓮子向機器剝蓮子的一個偉大發(fā)明。它使蓮子產區(qū)的的農民收入增加，還降低了他們的勞動強度，還可以將剝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達到殼仁分離 的目的，通過送料帶來進行送料。本設計工作原理清晰，結構較緊湊，有一定的實用價值。 關鍵詞 ：蓮子、剝殼機、刀具、送料 2 Abstract Nowadays, there are many kinds of lotus seed shell technology, but some efficiency is too low or too science, Far can not satisfy the demand of the market,so,this emergence of this new technology is necessary. Historically, all of us are done through manual lotus seed shell, this way is so laborious, inefficient. The coming of lotus seed sheller is manual peel lotus seed peel the lotus seeds to machine a great invention. It makes the lotus seed production areas of farmers income increase, and reduced their labour intensity, also be stripped lotus seed processing into a variety of lotus seed products, At the same time lotus seed shell can also processing feed and other uses. This design adopts the cutting tool to achieve the purpose of shell kernel separation, through feed to feed. The working principle of the design is clear, structure is compact, and has certain practical value. Keywords: lotus seed, sheller, cutter, feeding. 3 第一章 緒論 1.1 課題背景 蓮子又稱蓮實、蓮米、水之丹，是睡蓮科多年水生草本植物蓮的成熟種子。它生。在小巧玲瓏的蓮蓬之中，因為外殼堅硬，古人稱之為石蓮子。蓮子為蓮的副產品，也是我國的特產之一。以生產蓮子為主的蓮，稱子蓮，我國湖南、江西、福建、浙江等省，均是聞名的子蓮產區(qū)。蓮子大都以產地或其形狀命名，大體分為湘蓮、紅蓮、白蓮、通心蓮、殼蓮等，而湖南湘潭、安鄉(xiāng)等地出產的湘蓮，江西鄱陽湖沿岸生產的大白蓮，福建建陽、建寧生產的建蓮，為全國三大名蓮，在國內外享有盛譽。中的 “天廚 ”御宴、紅樓夢 中描寫的賈府盛宴，均有 “蓮子肉 ”、 “干蒸蓮子 ”，而 “蓮子湯 ”則是最后的壓席菜，尚有 “無蓮不成席 ”之勢。蓮子除作為珍貴的滋補食品外，還是一付妙藥。在中醫(yī)處方上，蓮子通常稱為蓮肉 、湘蓮肉。古人說，吃蓮子能返老還童、長生不老。這一點固不可信，但關于其在養(yǎng)心安神、健腦益智、消除疲勞等方面的藥用價值，歷代醫(yī)藥典籍多有記載。比如在神農本草、本草拾遺、本草綱目、本草備要中都有據(jù)可查。 蓮子是一種有較高食用和藥用價值的特色農副產品，具有較高的經濟價值，在中國尤其湖南、湖北產量比較大。蓮子中的鈣、鉀 的含量比較高，每公斤蓮子中含有蛋白質81.3 克，脂肪 9.8 克，糖 3.4 克，鈣 436 毫克，鐵 31.4 毫克，還含有和多維生素，微量元素等物質。除了對牙齒和骨骼有益外，還可以促進凝血，使酶活化， 具有養(yǎng)心益腎、健脾止瀉，治心悸、失眠、遺精、淋濁、久瀉、虛痢、崩漏、白帶的作用，主補中養(yǎng)神，益氣力，除百病，久服輕身耐勞，不饑延年；蓮心性味苦、寒，可清心去熱，清暑除煩，生津止渴，斂液止汗、清熱養(yǎng)神。具有平肝火、瀉脾火、降肺火，治目紅腫，高血壓等作用；荷葉具有生發(fā)元氣，助脾胃、澀精液、散瘀血、消水腫、降血脂等功效，對高血壓 、心臟病 18、肥胖癥有治療作用 還有維持肌肉的伸縮性和心率等作用 19。 蓮子是我國人民喜愛的滋補食品，年加工量和出口量都是相當?shù)木薮?。但大部分的都是通過手工進行去殼，這樣算來，僅僅剝殼就要耗費很大的時間和財力，隨著需求量的日益增加，就必須要有一個機械化的方法來代替人工來剝殼，提高生產效率。最初剝殼是采用人工刀砍的方法，到手搖去殼機，在到現(xiàn)在的全自動剝殼機，日加工量在不斷地提高，生產效率成倍增長，有效地推動的蓮子產業(yè)的發(fā)展。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 隨著人們生活水平的提高，蓮子成為了一種不 錯的滋補食品。我國的大部分地區(qū)都有出產，以湖南、湖北、江西較多。但蓮子的深加工領域還很落后，正是因為這樣，所 4 以我們要抓住這個機會來多開發(fā)些蓮子的深加工方法。從古至今，人們大都通過手工的方法或一些最簡單的工具來剝蓮子殼，相當?shù)馁M時費力。蓮子剝殼機是個偉大的發(fā)明，是人們期待已久的一個設備，為以后蓮子更好更快的加工帶來了信心。湘潭縣花石鎮(zhèn)是國內唯一具有規(guī)模的蓮子集散加工中心，目前，蓮子剝殼技術已日漸趨向成熟，生產效率大幅提高，有效地推動的湘蓮加工產業(yè)的快速發(fā)展。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，專利也有很多。在發(fā)達國家，蓮子的采收，剝殼等工序都已經實現(xiàn)了機械自動化 17。 農業(yè)物料 15是指農業(yè)生產和加工的對象，它包括植物和動物物料，以及它們?yōu)樵霞?工的半成品。農業(yè)物料物理特性，是運用近代物理學理論、技術和方法，研究農業(yè)物料物理特性及各個物理因子和生物物料相互作用的一門邊緣學科 。 農業(yè)物料物理特性的研究成果可以作為研究和設計具有先進性能機器設備的原始依據(jù)。 國內外學者對農業(yè)物料物理特性開展了大量的研究工作。袁巧霞、劉木華分別對銀杏、鮮蓮的外形尺寸、殼仁間隙、密度等物理參數(shù)進行了測試；周祖鍔、測定了杏核的物理特性；等對不同品種的秋葵的物理性質進行了測試；報道了松果的外形、尺寸、密度、空隙率、質量、摩擦力等物理參數(shù)。 農業(yè)物料的力學特性是設計收獲、分級和加工 系統(tǒng)的重要理論依據(jù)之一。物料力學特性的研究國內外報道較多，其中李小昱對整個蘋果進行了壓縮破壞實驗，王俊等對桃、梨的力學特性進行了實驗研究，曹國榮采用有限元法對松籽殼在不同方向外載作用下的應力場、位移場及其隨外載變化的規(guī)律進行了研究；華南理工大學的王靈軍等人通過有限元分析方法找出了銀杏最佳的施力方向與施力方式。發(fā)現(xiàn)了擠壓位置對堅果破殼力的影響，研究了壓縮破壞堅果殼所需要的力、變形和能量，測試了杏核和杏仁的力學特性，比較了壓縮載荷下三種不同杏核的力學特性。使用有限元和邊界元方法研究了水果的堅實度。探索了壓縮載荷 下堅果的破裂行為，華中農業(yè)大學研究生謝麗娟在對干殼蓮子物理參數(shù)試驗研究的基礎上，應用商用有限元受力分析軟件 ANSYS對在各種施力狀態(tài)下蓮子的應力應變分布進行了仿真分析。確定最佳脫殼的施力方式是沿蓮子短軸方向加載均布線載荷，這時蓮子的應力應變分布有一定方向性，有利于裂紋擴展，使蓮子有效脫殼。 5 1.3 剝殼原理 1.3.1 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(shù)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(xiàn)在機械化的道路上向前邁進了一大步。 1.3.2 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 70 kg，脫殼率平均為 75%以上，出蓮肉 完好率平均 9 5% 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。 1.3.3 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。 6 1.3.4 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。 1.3.5 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(xiàn)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(xiàn)對主要的切割參數(shù)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(lián)輥刀式蓮子剝殼機的處理量大于 100 kg/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(lián)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 。 1.4 原有機構的缺點及發(fā)展趨勢 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，比如福建多采用鮮蓮子加工，而湖南多采用干蓮子加工。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，而鮮蓮皮較為松軟，蓮子抗壓強度較低。目前尚沒有干鮮兩用的蓮子剝殼相關機械。 在目前已有的蓮子剝殼機中，很多都是采用手搖 驅動，或采用半手工半機械作業(yè)為主的加工方式。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(xiàn)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。 蓮子仁的外膜和芯一樣，均有苦味，在食用或者加工時都需要將其除去。而當前市場上很多的剝殼機或者沒有結合去膜功能，或者去膜成功率低，或者去膜的時候蓮子破損率很高。于是在去膜這道工藝上，為了減少蓮子的損耗率，保持蓮子完整的外觀，仍然要耗費大量的人力。由此滋生了個別黑心企業(yè)為降低成本，直接利用化學藥劑進行蓮子外膜脫落或者溶解的不 法行為。 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(jù)用戶要求設計相應機械的生產能力；更好的實現(xiàn)自動化，針對新技術研制新機型，提 7 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 。有許多其他的機械設備都是研究人員對多種農作物料的物理機械特征進行了深入的研究，但相比之下對于干蓮子特征的研究卻比較少。與之相應的， 干蓮子脫殼機械的研究不是建立在對于干蓮子物理機械特性的研究基礎之上，脫殼設備大多依據(jù)經驗進行開發(fā)設計，導致在一定程度上降低了干蓮子加工效率。所以只有在干蓮子物理機械特性的研究及脫殼設備開發(fā)的日益深入，才能在一定程度上解決干蓮子的深加工嚴重滯后于市場需求 ，蓮子脫殼以手工的脫殼方式才能淘汰，從根本上提高了干蓮子加工的質量和效率，提高了干蓮子的綜合利用。因此，為了解決我國干蓮子加工技術落后的現(xiàn)狀，更好的設計開發(fā)出高效干蓮子脫殼設備，就必須全面的掌握干蓮子的各種物理機械特性，為研制干蓮子脫殼機構及脫殼設備提供基礎 理論依據(jù)。 要解決這些問題關鍵所在是，必須對剝殼機的關鍵技術與工作部件進行重點攻關，改革傳統(tǒng)結構，優(yōu)化結構設計，研究新的脫殼機理；所以研究剝殼機的主要部件幾何參數(shù)、工藝參數(shù)、等基礎理論研究至關重要。 8 第二章 系統(tǒng)總體方案確定 2.1 設備布局 本蓮子脫殼機采用上述原理中的切割式蓮子剝殼。機械結構如圖所示，主要由蓮子進料器、蓮子切割剝殼系統(tǒng)、擠壓通道、傳動系統(tǒng)及支架等組成。該機器設有八條通道，可以有效地提高蓮子的加工效率。原料蓮子首先在外設的分選機內按直徑大小進行分類 ,然后分類后的蓮子進入蓮子去芯機的料斗 ，料斗下方是特別設計的蓮子下料機構和斜流槽，下料機構可以有效地控制蓮子以一定的速率落下，能夠有效地避免蓮子落下過快導致蓮子剝殼不干凈。然后在斜流槽上滾動進入剝殼系統(tǒng)，在剝殼系統(tǒng)中，通過蓮子在與皮帶上的滾動下來與刀具進行快速滾動，從而達到剝殼的目的。刀鋒高度為蓮子殼厚度，保證刀具破殼但不傷到仁，每把刀具對著皮帶的中間位置，蓮子進入后首先蓮子中間位置被切破，在隨后與刀具，皮帶之間被擠壓，從而去殼，然后被皮帶運送出剝殼裝置，完成剝殼。通過三維軟件 UG【 5】 得到的三維模型如下： 圖 2-1 2.2 關鍵機構的設計 2.2.1. 下料機構 蓮子的尺寸在一定范圍內變動，大小不一，這使不能讓同時存在于切割機構內的蓮子數(shù)量超過兩顆，否則必然會導致一些蓮子的蓮殼無法被切破 。該機構主要用來實現(xiàn)蓮 9 子能有連續(xù)且一粒一粒的落下，能有效地解決這個問題，原理如下。分級后的蓮子通過料斗進入滾輪中的孔中，在電機的驅動下，滾輪勻速轉動，轉過一段弧度后，通過限流機構的下料孔落下，從而實現(xiàn)蓮子的單個連續(xù)落下，落下速度可以通過滾輪的轉速來控制 。 2.2.2 輸送機構 該機構主要由皮帶輪和皮帶構成，皮帶輪的粗糙度適宜。在電機的帶動下皮帶輪旋轉帶動皮帶傳動，蓮子從限流機構出來后通過斜流槽滾入皮帶上，在進入切割機構。 2.2.3 切割機構 該機構是多排排列在一起的平行刀片，用來切開蓮子殼。蓮子在皮帶輪的驅動下載皮帶和刀具之間進行滾動運動，刀具在蓮子上切割來達到去殼的目的。 剝殼機的刀架都是直接固定在機架上的，使得切殼刀刃到托住蓮子的元件的表面的間距為一個定值 ，由于蓮子的尺寸又是在一定范圍內變動的，這就使得必須按蓮子的短軸直徑對蓮子進行分級 ， 不同級的蓮子通過不同的剝殼通道到相應尺寸的剝殼單元進行蓮殼切割，這樣就增加了剝殼機的復雜性并且這樣的設計把整仁率和蓮子分級的級數(shù)聯(lián)系起來了，要提高整仁率就必須增加蓮子分級數(shù)，因為如果蓮子分級數(shù)不夠，同級的蓮子尺寸變動范圍依就很大，那么短軸直徑較大的蓮子依就可能被切殼刀切破蓮仁，造成蓮仁破壞 。考慮到這個因素，本機設有八條通道，每條通道上的刀具與皮帶之間的距離不一樣，分八個級數(shù)。這樣可以有效地避免蓮子仁被破壞也可以提高生產效率。 2.2.4 傳動機構 該蓮子去芯機采用電動機提供動力，主要由齒輪傳動， 皮帶傳動。 10 第三章 蓮子剝殼機的詳細設計 我國的科研人員在幾十年間已經陸續(xù)開發(fā)出各種剝殼方式的蓮子剝殼機，但到現(xiàn)在為止蓮子剝殼任然存在剝殼率低、破碎率高、蓮仁表面質量差的問題，嚴重制約著整個蓮子加工產業(yè)的發(fā)展，尤其是蓮仁表面質量差的問題嚴重影響了蓮子產品的外觀質量和蓮子產業(yè)的經濟效益。本章旨在設計出一種新的蓮子剝殼方案，能夠達到更高的剝殼要求。 3.1 蓮子外形特性實驗研究 3.1.1 蓮子三維尺寸 從實驗樣本中隨機選出 100顆蓮子，用游標卡尺測量每個蓮子的長徑長度和和短徑直徑，測量多次取 平均值，得到如下數(shù)據(jù)。 表 3-1 蓮子三圍尺寸 縱徑分布范圍 mm 粒數(shù)百分比 % 平均中徑分布范圍 mm 粒數(shù)百分比 % 13.5 3 均值 16.03 均值 12.43 標 準差 0.15 標準差 0.53 蓮子的長度分布范圍在 15.00mm17.48之間，極差為 1.98mm。由上表可知，蓮子直徑分布在 15.0017.00mm之間的居多。平均中徑分布在 11.1813.47mm之間，極差為2.56mm，其中分布在 11.5013.50mm之間的居多。尺寸均勻，分布比較集中。通過對蓮子三維尺寸的分析，限流機構中滾輪孔的尺寸確定 D=16.00mm,B=15.00mm。 3.1.2 殼厚與殼仁間隙 用游標卡尺分別測量 8粒蓮子的短軸直徑，測量多次取平均值，再將蓮 子剝殼后分別測量蓮仁的短軸直徑和蓮殼的厚度，則得到了殼厚與殼仁間隙。 11 L=0.5（ D-D1-2d) 式中 L：蓮子殼仁間隙 D：蓮子短軸平均直徑 D1：蓮仁短軸平均直徑 d：蓮子殼厚度 通過上述測得的數(shù)據(jù)的到如下的表格： 表 3-2 蓮子殼厚及殼仁間隙 編號 蓮子短軸直徑 mm 蓮仁短軸直徑 mm 殼厚 mm 殼仁間隙 mm 1 13.12 11.30 0.56 0.35 2 14.28 12.48 0.62 0.28 3 13.94 12.2 0.60 0.27 4 14.98 13.08 0.66 0.29 5 15.22 13.36 0.68 0.25 6 15.18 13.24 0.70 0.27 7 14.12 12.32 0.62 0.28 8 15.38 13.38 0.68 0.32 9 14.78 13.04 0.62 0.25 10 15.64 13.56 0.72 0.32 殼厚平均值： 0.65mm 殼仁間隙平均值 ： 0.29mm 由測量的結果可得，蓮子殼的平均厚度為 0.65mm，殼仁平均間隙為 0.29mm。 3.1.3 百粒重 選定 100顆干殼蓮子、 100顆蓮仁和 100個蓮殼利用電子秤進行稱重，稱重結果如下所示 ： 表 3-3 蓮子百粒重 項目 質量 /g 數(shù)目 /粒 平均質量 /g 蓮子 146.24 100 1.46 蓮仁 102.32 100 1.02 半蓮殼 21.16 100 0.21 由上表可知，蓮子的百粒重為 146.24g，蓮仁的百粒重為 102.32g，一百粒蓮殼（半個）質量為 21.16g。蓮子的平 均質量略大于蓮仁，蓮子和蓮仁的平均質量遠大于蓮殼。 12 3.1.4 蓮殼含水率 將蓮子采摘以后晾干，這樣含水率下降，就成為了干蓮子，隨著含水率的下降，蓮仁和蓮殼的細胞組織機構發(fā)生了變化，其硬度和抗壓強度 等機械特性都發(fā)生了變化。為了找出 蓮殼 機械特性與含水率的關系，本節(jié)將對蓮殼的含水率進行測定。 蓮殼材質為纖維，和木材的相近，故采用稱量測定連科的含水率 【 16】 。準備三個干凈的容器，將一定質量的樣本分別放入容器中，再將容器加蓋并用電子天平稱重，記錄總質量。然后將裝有樣本的容器分別放入 103 2的電烤箱中加熱，每烘烤二到四小時后取出，干燥后分別稱其質量，當 前后兩次質量差 2mg時，認為該樣本質量恒定了。樣本含水率表達式為： X=（ m1 m2） /（ m2 m3） 100% 式中 X ： 樣本含水率； m1： 干燥前容器和樣本的質量； m2： 干燥后容器和樣本的質量； M3： 容器的質量。 蓮殼含水率測試結果如下表所示 。由測量結果可知，蓮子平均含水率約為 12.1% 表 3-4 蓮子平均含水率 組別 含水率 /% （ d.b） 1 12.118 2 12.116 3 12.120 3.2 蓮子物理性能的測定 3.2.1 蓮殼抗壓強度 蓮殼的抗壓強度是指在剝殼過程中蓮殼在滾刀壓力作用下破裂時的最大壓力。在高科的過程中，蓮殼的抗壓強度大小決定著能將蓮子剝開的壓力大小，關系到蓮子的剝殼效果。為了分析 蓮子剝殼所需要的壓力，將對蓮殼的抗壓強度進行測定。 蓮殼材質近似于木材，這里參考木材的抗壓強度的測定方法對蓮殼抗壓強度進行測定。將蓮殼剪成 33mm的小塊，放在測力儀上面，用尖端磨成一個小平面的壓桿對樣本進行均勻加載，在 210s內 使樣本破壞時的載荷大小。壓桿尖端面積通過 2020mm的面積試紙測定結果約為 1平方毫米，則蓮殼的抗壓強度公式如下： AP 13 式中 ：蓮殼抗壓強度 P ：加壓的最大載荷 A ：頂桿尖端面積 表 3-5 組別 含水率 /% (b.d) 1 12.1 2 17.3 3 20.7 將蓮殼樣本分為三組，其中第一，二組分別進行不同時間長短的加濕處理，第三組不作處理。加濕處理的一，二組選一部分出來按照前面蓮殼含水率的測定方法測定其含水率（其結果如上表所示），另外一部分和第三組一起在測力儀上進行蓮殼抗壓強度的測定。蓮殼抗壓強度測定結果如圖和表所示。由實驗結果可知，蓮殼抗壓強度隨蓮殼含水率的增大而減小，干蓮子的蓮殼的抗壓強度近似為 178MPa。 圖 3-1 蓮殼加載載荷 -時間曲線 蓮殼抗壓強度測定結果： 14 表 3-6 蓮殼抗壓強度 組別 壓力 P/N 壓桿面積 A/mm2 抗壓強度 /MPa 平均抗壓強度 /MPa 1 180 1 180 178 170 1 170 184 1 184 2 105 1 105 105 110 1 110 100 1 105 3 82 1 85 81 80 1 80 78 1 78 3.2.2 蓮殼硬度 干蓮子的蓮殼較為堅硬，蓮殼硬度反映了蓮子在剝殼過程中抵抗破裂的能力 【 14】 。蓮子剝殼研究的文獻中沒有涉及到蓮子殼硬度的相關研究，其他文獻雖然有對蓮殼硬度的測試研究，但其測定的是對蓮殼表面進行了打磨處理后的硬度值。為測定蓮殼真實狀況的硬度，本節(jié)將選擇干蓮殼進行蓮殼硬度的測試。 由于蓮殼呈弧狀，曲率大，蓮殼表面呈棕 褐色，反光性能差，并且蓮殼很薄，因此蓮殼硬度測試不能采用傳統(tǒng)的硬度測試方法，需要更加精密的納米壓痕儀 【 7】【 8】 進行硬度的測定。 為了反映蓮子剝殼過程中蓮殼的真實硬度，本實驗對連殼表面未進行拋光處理，同時由于蓮殼加濕后在空氣中會短時間內重新失去水分，因此本實驗只測定干蓮殼的硬度。測試結果如下圖，表所示。 15 載荷 -加載深度曲線 載荷 -加載時間曲線 圖 3-2 蓮殼硬度測試結果： 表 3-7 蓮殼壓痕硬度 組別 壓痕硬度 /GPa 1 0.241 2 0185 3 0.287 4 0.360 5 0.256 平均值 0.262GPa=262MPa 由實驗結果可知，干蓮殼的壓痕硬度 約為 0.262GPa。 壓痕硬度與維氏硬度的換算關系大致為： HV=0.0945 262=27.8 因此計算的維氏硬度約為 27.8HV。 3.3 小結 上面主要對蓮子及其蓮殼的物理特性參數(shù)和機械特性參數(shù)進行了實驗測定并進行了統(tǒng)計分析，獲得了以下 的數(shù)據(jù)： （ 1）蓮子的長度分布范圍在 15.00mm17.48 之間，極差為 1.98mm。蓮子直徑分布在15.0017.00mm 之間的居多。平均中徑分布在 11.1813.47mm 之間，極差為 2.56mm，其中分布在 11.5013.50mm之間的居多。尺寸均勻，分布比較集中。 16 （ 2）蓮子殼的平均厚度為 0.65mm，殼仁平均間隙為 0.29mm。 （ 3）蓮子的百粒重為 146.24g，蓮仁的百粒重為 102.32g，一百粒蓮殼（半個）質量為 21.16g。 （ 4）蓮殼抗壓強度隨蓮殼含水率的增大而減小 ，干蓮子的蓮殼的抗壓強度近似為178MPa。 17 第四章 蓮子剝殼機的整體設計 4.1 刀具的確定 通過實驗得到以下數(shù)據(jù)： 表 3-8 不同刀具剝凈率與破損率 刀具 試驗號 剝凈率 % 破損率 % 剝凈率均值 % 破損率均值 % 平行滾刀 1 91.98 4.75 90.06 7.32 2 88.29 8.06 3 89.04 8.55 4 90.92 7.94 螺紋滾刀 1 84.63 6.84 82.76 7.18 2 80.35 2.73 3 81.37 7.66 4 84.69 11.50 由上可見，無論是平行滾刀還是螺紋滾刀，對蓮子的破損率影響較小，為了方便加工刀具，選擇平行滾刀。 表 3-9 蓮子殼厚平均值分布百分比 蓮子的殼厚平均值分布 mm 粒數(shù)百分比 % 0.7 4 蓮子殼的厚度分布在 0.500.84之間，極差為 0.34mm。厚度在 0.500.70之間的占了96%，大部分的在 0.60mm左右，所以選擇剝殼刀具的刀刃為 1.0mm，這樣可以減少切傷蓮子的數(shù)量，過高則會傷到蓮仁。刀刃的刃距取 6m，采用多排刀刃。 考慮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。 刀具材料的選擇：刀具采用合金工具鋼 9SiCr，它的耐磨性比一般的碳素工具鋼高，淬透性也比較好，在油中淬火，熱處理變形比碳素工具鋼小，回火穩(wěn)定 性和切削速度也 18 比碳素工具鋼高，是較為理想的刀具材料。 820860有種淬火硬度 HRC=62能滿足刀具既鋒利又耐磨的要求。 4.2 皮帶的設計 皮帶設計的基本要求是保證蓮子在皮帶與刀具形成的通道上以正確的姿態(tài)和轉動速率在切割過程中的得到相應的支撐。由于本剝殼機主要工作對象是外殼堅硬的干蓮子，因此 ，蓮子在皮帶和刀具之間的距離要把握好。設計思想是讓落下的蓮子進入皮帶和刀具之間的間隙，然后在皮帶的帶動下蓮子在皮帶和刀具之間滾動，從而到達去殼的目的，所以皮帶要能保證蓮子能夠滾動。由于皮帶本身的延伸性，皮 帶會有一定的下垂，這樣會影響蓮子的去殼去凈率，所以在皮帶的和刀具對齊的下方安裝一排滾輪，用以支撐皮帶，保證更好的工作條件，達到更好的剝殼效果。 本機器設有 8 條剝殼通道，為了使機器在不占用太大空間且滿足加工要求的基礎上使每條皮帶的寬度 :B=100mm。 通過實驗得到如下數(shù)據(jù)： 表 3-10 剝殼干凈率與皮帶速度的關系 皮帶速度 mm/min 試驗號 剝凈率 % 破損率 % 剝凈率均值 % 破損率均值 % 40000 1 96.80 8.13 97 6 2 97.73 3.61 38000 1 97.07 4.20 97 6 2 97.70 7.13 36000 1 97.07 4.62 97 5 2 97.52 4.92 34000 1 97.11 7.85 96 6 2 95.62 4.58 32000 1 97.84 5.19 97 5 2 96.93 4.52 畫出曲線圖如下： 19 圖 3.3 剝凈率與皮帶速度關系圖 由上可以得，隨著皮帶速度的增加剝凈率和破殼 率 【 10】【 11】 沒有明顯的變化，但從安全的角度考慮速度不宜過快，但為了提高生產效率可以適當提高皮帶的速度。 初步確定皮帶的速度：要滿足 30Kg/h的生產效率，知到 1kg蓮子大約有 1000粒，則每小時要加工 30000個，即 500個每分鐘本機器有 8條加工通道，可得每條通道加工 62.5個每分鐘，大約每秒一個。由上面的實驗數(shù)據(jù)可以的到蓮子的平均中經大約為 12mm，所以蓮子滾一周走過的距離是 37.48mm，皮帶每秒鐘走過的距離不能小于這個距離。經過計算，初步取皮帶的速度 V=100mm/s。 4.3 下料機構的設計 本機器設有 8條通道，所以應該有 8個蓮子落下的路徑。其設計原理如下。在料斗的下方有擋板 ，即限流機構的上面板。擋板上方開有能夠讓蓮子通過的蓮孔，蓮孔的大小比蓮子大，這樣蓮子可以在重力的作用下向下落，下方有滾輪，滾輪上開了一個通孔，考慮到蓮子的平均大小通孔的 D=16mm。在傳動機構的帶動下， 8個滾輪開始轉動，滾輪孔中的蓮子也隨著滾輪轉動，當轉動的設定的位置時，滾輪孔中的蓮子會在重力的作用下通過限流機構下面板的孔下落出來，進入剝殼機構。 該機構有如下優(yōu)點：能夠很好的實現(xiàn)蓮子的連續(xù)、單個落下， 由前面敘述的可知，這是后續(xù)剝殼干凈所必須的條件，還能夠通過轉速控制下落的速度，能夠滿足不同的效率的加工要求，缺點就是轉速不能太快，太快將會導致蓮子不能下落。而且該機構比較緊促，能夠有效的節(jié)約空間。 20 根據(jù)蓮子的大小，設計每個滾輪的 模數(shù) m=2,、齒數(shù) z=60.直徑 D=mz【 1】 =120mm、寬度 B=15mm。 滾輪孔 直徑 d=16mm、寬度 b=15mm。（通孔） 由于該機構的下流速度也是可以變化的，所以可以通過轉速來滿足要求的生產效率要求?？紤]到要滿足 30Kg/h的生產效率，了解到 1kg蓮子大約有 1000粒，則每小時要加工30000個，即 500個每分鐘。本機器有 8條加工通道，可得每條通道加工 62.5個 /min，大約每秒一個，這就要求限流機構的每個通道每秒鐘能落下一個蓮子，即滾輪的的轉速為 n=1r/s 由于轉速很慢，所以是可以實現(xiàn)的。 下料機構示意圖如下： 圖 3.4 下料機構剖視圖 右邊第一個此輪是主動輪 ，通過它帶動其他的八個從動輪轉動，從而達到下料的功能。 4.4 電機的選擇 本機器有兩個機構需要動力，一個是蓮子的限流機構，另一個是皮帶輪的轉動。由上面的計算可得，該蓮子剝殼機轉速要求不是很高，所以可以相應的選擇功率較小的電動機。首先是限流機構，上面的計算得，滾輪的轉速為 N=1 r/s 的時候就可以滿足每小時 30kg的加工要求，通過查資料初步選擇 Y132S-8型號的電動機，該電動機的額定功率為 2.2kw，滿載轉速為 710r/min，然后通過減速裝置實現(xiàn)要求的轉速。 4.5 V 帶傳動設計 根據(jù)1 2 0 1 20 . 7 ( ) 2 ( )d d d dd d a d d ，初定中心距為 380mm。所需的基準長度 21 =1095.03mm 由表 8-21選擇帶的基準長度dL=1000mm 則實際中心距 =390mm 驗算小帶輪上的包角1 =166。 大于 120 包角合適。皮帶輪傳送如圖 圖 3.5 皮帶傳動 4.6 軸的選擇 根據(jù)文獻 1中公式 (15-1)可得軸的扭轉強度條件為： 式中： T 為扭轉切應力， aMP ； T 為軸所受的扭矩， mmN ； TW 為軸的抗扭截面系數(shù)， 3mm ； n 為軸的轉速， minr ； P 為軸傳遞的功率， KW； d 為計算截面處軸的直徑， mm； T 為許用扭轉切應力， aMP ； 由上式可得軸的直徑 : 電機軸 功率 P=2.2KW， 考慮帶傳動的效率為 0.98，還有電機一部分功率用來帶動下料機 2210 0 1 202+24 ddd d d ddL a d d a 395500000 . 2TTTPT nWd 30333 2.09 5 5 00 0 02.09 5 5 00 0 0 nPAnPn Pd TT 22 構，可知這部分功率相對較小，占電機功率的 70%，則 P 帶輪 =P 1 2=22000.980.7=1509w 電動機轉速為 710 minr ,電機輸出軸與傳送帶主軸連接，傳動比為 i1=2.5，則該主軸轉速為 n=i710 =284r/min。根據(jù)軸的材料為 45 號鋼，調質處理，根據(jù)表 15-31，取A0=110，將 P 和 n 代入上式可得： d min=19.2mm， 由于估算誤差的原因，最終確定取 d min=30mm。 選取鍵槽：通過查 2選取鍵：鍵寬 B鍵高 H=149， U 型鍵槽，與軸的配合選用。 選取軸承：因為該傳動方案沒有軸向力，載荷不大，選 擇深溝球軸承（ GB/T276-1994） ,軸承內徑為 30mm，代號為 6006。 軸的大致結構如下： 圖 3.6 送料輪主軸 3 3 3 309 5 5 0 0 0 0 9 5 5 0 0 0 00 . 2 0 . 2 TTP P PdAn n n 87Hh 23 結論與展望 現(xiàn)在市場上有很多蓮子剝殼機，其剝殼的原理也有很多種，但基本上都有剝凈率不高，蓮仁表面質量差等問題。本文在了解國內外關于脫殼技術的相關研究工作的基礎上，通過創(chuàng)新思維，給出了一套自己的剝殼方案。通過統(tǒng)計和查資料分析得到了以下的結論： （ 1）對蓮子樣本進行了觀 察和測定，了解到干蓮子長軸平均直徑約為 16mm，短軸平均直徑約為 12mm，蓮殼的平均厚度約為 0.65mm，殼仁間隙平均值約為 0.29mm