基于滾切原理的蓮子剝殼機設計與試驗

蓮花又名水芝丹，在中國有近3000年的種植歷史。江西省的廣昌縣、福建省的建寧縣、湖南省的湘潭縣和湖北省的洪武被稱為四大蓮花之鄉。蓮子是中國具有較高創匯價值的傳統出口商品,它營養豐富,是一種高級的滋補品,隨著人們生活水平的提高,人們對蓮子的需求也越來越大。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,手工去殼容易割傷手,還不衛生,而且容易損傷蓮仁,效率低,嚴重制約了蓮子的廣泛種植。近年來雖然有人對蓮子機械化剝殼進行了研究,也研制出了一些機型,但現有的剝殼機主要是通過對蓮子割殼和脫殼連續進行來實現蓮子殼仁分離,存在著剝凈率低、破碎率高、設備可靠性和穩定性差等問題。本試驗通過創新設計在剝殼工藝上解決剝凈率低、破碎率高,在設備性能上解決可靠性低、工作穩定性差等問題,形成成熟定型的剝殼機產品,以滿足蓮子剝殼的實用性需求。1殼厚為0.77.0蓮子形狀較規則,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切,切割深度為殼厚的1/3~1,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。2剝離機的主要結構和特點2.1蓮子環切過程整機結構如圖1所示,主要由機架、供料機構、輸送機構、切割機構、脫殼機構、傳動機構、電機等組成。搓輥嵌裝在輸送盤內部,通過鍵與搓輥軸聯接,槽輪安裝在搓輥軸上的軸承的外圈,隨撥銷一起作間歇運動,輸送輥與槽輪通過螺栓固接,在輸送輥圓周方向均勻地開有8個入蓮口。其工作原理:電機1通過鏈傳動帶動搓輥軸上的搓輥轉動,同時電機3通過鏈傳動帶動撥銷軸上的撥銷轉動,轉動的撥銷驅動槽輪帶動輸送輥作間歇運動,當入蓮口處于料斗溜槽底部時槽輪停歇以利于進蓮,當輸送輥將蓮子輸送到切割機構位置時停歇進行切蓮,當輸送輥將蓮子輸送到脫殼機構時再次停歇進行脫殼,最后實現殼仁分離,完成蓮子脫殼的過程。工作中,蓮子由溜槽溜入輸送機構,進入輸送機構的蓮子在搓輥轉動的帶動下受摩擦力作用完成沿長軸方向的取向,使其短徑最大處的截面與刀片在同一平面上,以保證切割部位在蓮子的短徑最大處;當蓮子被輸送到切割位置時,蓮子被限定在由輸送輥、搓輥和圓盤刀片組成的切割通道內,在圓盤刀片擠壓下受搓輥摩擦力作用而旋轉,同時旋轉的蓮子在高速旋轉的刀片切割下完成環切。然后,繼續旋轉的輸送機構把環切后的蓮子從切割位置輸送至脫殼位置暫停,這時蓮子被限定在由輸送輥、搓輥與脫殼輥組成的脫殼通道,在脫殼輥的擠壓下受搓輥的摩擦力作用而旋轉,旋轉的蓮子帶動脫殼輥旋轉,在脫殼輥旋轉的同時完成對蓮子的擠壓脫殼。2.2b研制了“推動車”、“連接板、套管”等組成輸送機構的結構如圖2所示,由輸送輥、搓輥(圓弧外表面車圓弧槽,便于包裹蓮子,同時增加與蓮子的接觸面積,增加摩擦力)、連接板、套筒等組成。輸送輥由兩片輸送盤組成,兩盤之間的距離稍大于蓮子長徑,并在外邊緣通過螺栓聯接,螺栓表面套裝套筒,便于蓮子滾動,較近兩套筒之間的距離稍大于蓮子短徑,較遠兩套筒之間的間隙通過在輸送盤外表面用連接板覆蓋,防止蓮子掉入。搓輥嵌裝在輸送輥內部與搓輥軸相聯接,由搓輥軸帶動旋轉,輸送輥與槽輪固接安裝隨槽輪一起旋轉。2.3低織構蓮子環切加工切割機構如圖3所示,由刀架桿、刀架支撐桿、調節彈簧、刀架、刀架軸、刀片副輪、圓盤刀片、支撐塊和調節螺母等構成。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,表面真空淬火處理,圓弧面開45°的刃口,通過嵌裝在兩刀片副輪來控制切入蓮殼的深度,防止傷及蓮仁。切割過程如圖4所示,當蓮子進入到切割通道時,在彈簧通過刀具施加的壓力作用下蓮子受搓輥摩擦作用而滾動,同理,滾動的蓮子使圓盤刀片在摩擦力作用下繞其軸作旋轉,旋轉的刀片完成對蓮子的環切,通過試驗發現,為了使刀片能夠更好的完成對蓮子的環切,使用一個小齒輪馬達通過軟軸與刀片軸相聯接帶動刀片高速旋轉,這樣剝殼效果更理想。脫殼機構與切割基本相同,只是在安裝刀片的位置上安裝脫殼輥。3試驗計劃3.1試驗材料和條件3.1.1蓮子的切割和脫殼蓮子:采摘自江西廣昌縣太空蓮,在采摘后24h內進行試驗,因為采摘后的蓮子放置久了后蓮殼變得硬而脆,不易切割和脫殼,影響脫殼效果;電機:61K200RGN-CF,淮安福斯特液壓科技有限公司。3.1.2實現極限極速試驗所用電機1、電機2、電機3都是齒輪馬達,能夠實現0~300r/min的無極調速。試驗時將切割力和脫殼力調整為70N,刀片刀刃凸出刀片副輪0.6mm,保證切割深度在0.6mm之內。3.2測試方法采用標準正交試驗、因素方差分析等試驗方法。3.3轉速對蓮子剝殼的影響結合滾切式蓮子剝殼機結構特點,對剝殼影響較大的因素有撥銷軸轉速、搓輥軸轉速以及刀具軸轉速。當撥銷軸轉速太小時,切割時槽輪停歇時間太長,刀片對蓮殼環切后還對蓮仁進行切割,影響蓮仁質量;轉速太大時,槽輪開始轉動時瞬時加速度太大,輸送過程中蓮子跳動太大,同時切割時槽輪停歇時間太短,蓮殼不能完全被環切使剝殼不完全。當搓輥軸轉速太小時,搓輥不能很好的對蓮子位姿進行調整,且切割時蓮子自轉太慢刀片不能完成對蓮殼的環切使剝殼不完全;轉速太大時,蓮子在輸送過程中跳動太大,同時在切割時蓮子自轉太快,在槽輪停歇的時間內刀片完成了對蓮殼環切后還對蓮仁進行了切割,影響蓮仁質量。當刀具軸轉速太小時,不能完成對蓮殼環切,使剝殼不完全;轉速太大時,不僅對蓮殼環切還對蓮仁進行切割,影響蓮仁質量。通過初步分析計算選取撥銷軸轉速、搓輥軸轉速、刀具軸轉速的因素水平見表1。3.4測試指標從剝凈率、破碎率為評價指標。計算公式如下:4試驗結果的分析根據因素和水平的選取,本試驗選擇標準正交表L9(34),試驗設計及結果見表2。4.1影響因素的對比由表2可知,兩個指標的各因素的主次順序依次都為A、C、B。A因素的三水平當中,剝凈率A2的指標均值最高,破碎率A3的指標均值最小,但A3與A2相差不大;B因素三水平當中,剝凈率B2的指標均值最高,破碎率B2的指標均值最小;C因素的三水平當中,剝凈率C2的指標均值最高,破碎率C1的指標均值最小,但C1和C2相差不大;綜合分析因素的結果,最優的因素水平組合是A2B2C2。根據分析結果在A2B2C2組合下再次進行實驗,測得剝凈率為91.23%,破碎率為2%,因此最優的因素水平組合是A2B2C2,現有剝殼機剝凈率一般為90%左右,破碎率為5%左右。4.2撥銷軸轉速影響采用SPSS統計分析軟件進行方差分析,結果見表3和表4。由表3可知,撥銷軸轉速對剝凈率影響顯著,搓輥軸轉速和刀具轉速影響不顯著。由表4可知,撥銷軸轉速、搓輥軸轉速、刀具轉速對指標的影響均不顯著。5滾切式蓮子剝殼機(1)針對蓮子的物理特性和結構特點,設計了一種新型蓮子剝殼機,采用滾切原理,利用槽輪機構使蓮子在切割和脫殼時獨立進行,使切割和脫殼更充分有效,該剝殼機每小時剝殼量為30kg。(