張日紅 朱立學(xué)

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225）

水平碾搓式銀杏脫殼機(jī)脫殼過程仿真研究

張日紅 朱立學(xué)

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225）

設(shè)計(jì)一種水平碾搓式銀杏脫殼機(jī)，對其結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行闡述，通過對基于SolidWorks的動力學(xué)模型的仿真研究，獲得單體銀杏脫殼過程中的運(yùn)動規(guī)律和受力特點(diǎn)，同時研究單體銀杏脫殼的能耗情況。

水平碾搓式；銀杏脫殼；仿真研究

銀杏俗稱白果，為藥食同源物品。由于果實(shí)外形不規(guī)則，且柔嫩的果仁緊貼于堅(jiān)硬的果殼內(nèi)，導(dǎo)致果殼難以剝離。近幾年來，中國有些科研院所已研制、開發(fā)出一些堅(jiān)果脫殼加工設(shè)備，但一次性脫殼率偏低，碎仁率偏高［1］。有的研究者［2］通過采取不同的脫殼方式從設(shè)備上改進(jìn)脫殼效果，但往往是脫殼率提高的同時，也增加了碎仁率。目前中國堅(jiān)果加工企業(yè)仍普遍采用以人工砸殼取仁的方法。

探討銀杏種核脫殼運(yùn)動規(guī)律和單體變形特征是研究銀杏脫殼設(shè)備的關(guān)鍵。袁巧霞等［3］對銀杏核的物性參數(shù)進(jìn)行了測定，通過對輥板式銀杏脫殼裝置的試驗(yàn)研究指出軋距過大、過小均不利于脫殼，但是沒有考慮銀杏施力方向?qū)ζ茪?、果仁破損的影響。王靈軍等［4］設(shè)計(jì)出了銀杏的幾何模型和破殼受力模型，通過有限元分析方法對銀杏在各種施力狀態(tài)下的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，但僅僅停留在靜態(tài)受力分析上。本試驗(yàn)提出一種水平碾搓式銀杏脫殼機(jī)，通過仿真研究探索銀杏單體在脫殼過程中的受力特點(diǎn)，同時研究銀杏脫殼過程的能耗情況。

1 水平碾搓式銀杏脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

水平碾搓式銀杏脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)圖見圖1。銀杏經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入定磨片和動磨的間隙中，在動磨片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力作用下籽粒沿徑向向外運(yùn)動，使銀杏與定磨間產(chǎn)生方向相反的摩擦力；同時動磨片與定磨片上的凸齒不斷對外殼進(jìn)行剪切，在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產(chǎn)生裂紋直至破裂，并與籽仁脫離，達(dá)到脫殼的目的。影響脫殼效果的因素有：銀杏的水分含量、圓盤的直經(jīng)、動磨片轉(zhuǎn)速、磨片之間工作間隙、磨片上槽紋的形狀和籽粒的均勻度等。該脫殼機(jī)的產(chǎn)量可以達(dá)到100～150kg/h。

圖1 水平碾搓式銀杏脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 1 The structure of horizontal extrusion－grind ginkgo decorticating equipment

1.2 定盤與動盤部件的結(jié)構(gòu)

定盤部件由定盤、定盤罩和間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成（見圖2）。間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過手動扭轉(zhuǎn)主調(diào)節(jié)軸和副調(diào)節(jié)軸來控制定盤的位置。主調(diào)節(jié)軸和副調(diào)節(jié)軸均與固定在定盤上的螺紋桿形成螺紋連接，在調(diào)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動下，螺紋桿帶著定盤上升或者下降，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)定動盤之間的間隙的大小，來適用于不同大小的銀杏的脫殼工作［5］。圖3為動盤部件，由電動機(jī)通過皮帶傳動驅(qū)動其進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，在動盤的傳動軸上裝有均料盤。

圖3 動盤部件圖Figure 3 Structure of rotating grinding wheel

2 銀杏脫殼過程仿真模型的建立

2.1 銀杏三維模型的建立

根據(jù)銀杏大小的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，并考慮到銀杏殼的外表面為近似的2次曲面，除了側(cè)棱之外，表面都較為光滑。根據(jù)銀杏的平均尺寸，采用圖4所示的參數(shù)進(jìn)行三維建模。

圖4 銀杏尺寸參數(shù)Figure 4 Ginkgo dimension parameters

2.2 銀杏脫殼過程的簡化分析模型

在建立銀杏脫殼過程的數(shù)學(xué)模型時，需抽取對銀杏破殼過程產(chǎn)生主要影響的幾何特征，對模型做一定的簡化，在保證求解精度的同時，減少求解所消耗的機(jī)器時數(shù)。簡化后的模型見圖5。

圖5 銀杏脫殼過程的簡化分析模型Figure 5 Simplified analysis model of ginkgo shelling process

3 銀杏脫殼過程的運(yùn)動規(guī)律及受力特點(diǎn)

3.1 銀杏脫殼過程中的運(yùn)動軌跡

在銀杏脫殼機(jī)脫殼過程中，銀杏未受到一個明確、穩(wěn)定的約束，屬于3D碰撞。3D碰撞與別的運(yùn)動不同，它由1個或者2個碰撞容器構(gòu)成。1個碰撞容器包括1個或多個運(yùn)動零部件。2個碰撞容器定義1個碰撞實(shí)體時，第1個容器和第2個容器中的每個零部件都會發(fā)生3D碰撞［6］。由于銀杏在脫殼運(yùn)動中，只有銀杏同落料斗、機(jī)架、定磨盤、動盤等發(fā)生碰撞，而其他零部件都未發(fā)生碰撞，所以對于銀杏脫殼的3D碰撞定義使用2個容器，即一個容器放置銀杏，與銀杏發(fā)生碰撞的其他零件放置在另一個容器中，之后程序?qū)⒆詣舆x定零件并進(jìn)行碰撞分析。圖6即為銀杏掉落到均料盤，直到發(fā)生干涉卡在定動盤碾磨區(qū)的運(yùn)動軌跡。這是因?yàn)椋赟olidworks中，系統(tǒng)認(rèn)為運(yùn)動模型中的零部件都是剛性實(shí)體，盡管在運(yùn)動過程中，零部件可能會由于受力而發(fā)生變形，系統(tǒng)都不會自動去識別零部件變形后對運(yùn)動模型的映像。因此，當(dāng)銀杏受到離心力和擠壓力等的作用時，運(yùn)動模型并不會認(rèn)為銀杏會變形，繼續(xù)認(rèn)為其為運(yùn)動模型，建立的形狀是在運(yùn)動模型中運(yùn)動著的；直到銀杏在定動盤碾磨區(qū)中處于過約束狀態(tài)為止。

圖6 銀杏進(jìn)入脫殼區(qū)域的運(yùn)動軌跡Figure 6 The motion trajectory of ginkgo entering into the shelling area

3.2 銀杏脫殼過程的受力特點(diǎn)

通過銀杏脫殼過程中的運(yùn)動軌跡可以判斷其卡在定、動盤時的位置狀態(tài)，進(jìn)一步分析得知此時銀杏的主要的受力方向?yàn)殂y杏寬厚交角45°處，如圖7所示。圖8和圖9分別為定盤、動盤和銀杏相互作用力的曲線圖，可以看出銀杏卡在定、動磨盤之間時，產(chǎn)生大小為565N的瞬間沖擊力。據(jù)文獻(xiàn)［6］可知，6.79%含水率下的銀杏在寬厚交角45°方向受力時破裂的強(qiáng)度為150N。瞬間沖擊力超過了銀杏的破裂強(qiáng)度，故銀杏破裂。

圖7 銀杏受力方向圖Figure 7 Stress direction of ginkgo

圖8 定盤和銀杏相互作用力Figure 8 Interaction force between stable grinding wheel and ginkgo

圖9 動盤和銀杏相互作用力Figure 9 Interaction force between rotating grinding wheel and ginkgo

4 銀杏脫殼過程的能耗分析

通過Solidworks的能量耗散查看功能可以得出動盤驅(qū)動軸的能耗情況［7］。如圖10所示，在銀杏被卡住的瞬間能耗產(chǎn)生較大的增幅，驅(qū)動軸的能耗瞬間最大值為0.98kW。以脫殼機(jī)產(chǎn)量為150kg/h，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000r/min進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果選擇0.5kW的電動機(jī)，很大程度上會發(fā)生電機(jī)停轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，如果采用1.5kW的電機(jī)則脫殼過程可以順利進(jìn)行。進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

圖10 驅(qū)動軸的能量耗散Figure 10 The energy dissipation of drive shaft

5 結(jié)論

通過研究基于SolidWorks的水平碾搓式銀杏脫殼機(jī)簡化動力學(xué)模型，得出了銀杏脫殼過程中的運(yùn)動軌跡，進(jìn)一步得知當(dāng)銀杏卡在定、動磨盤之間時，瞬間沖擊力主要在寬厚交角45°方向上使銀杏殼破裂，同時得出銀杏破殼時的瞬間能耗為0.98kW。

1 張麟.油菜籽脫殼與仁殼分離設(shè)備研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（1）：140～143.

2 那雪姣，劉明國，張文，等.機(jī)械脫殼時花生仁損傷特征及規(guī)律［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：127～131.

3 袁巧霞，陳紅，劉清生.銀杏果核物性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21（5）：471～473.

4 王靈軍，金燕鳴，鄧文君.銀杏脫殼的有限元受力分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（4）：58～61.

5 朱立學(xué).碾搓式銀杏脫殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.食品與機(jī)械，2008，24（4）：86～88.

6 王新忠，王敏.銀杏種核力學(xué)特性試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（8）：84～88.

7 葉修梓，陳超祥.COSMOS高級教程：COSMOSMotion［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

Simulation study on shelling process with horizontal extrusion－grind ginkgo decorticating equipment

ZHANG Ri－h(huán)ongZHU Li－xue

（Department of Mechanical ＆ Electrical Engineering，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou，Guangdong510225，China）

A horizontal extrusion－grind ginkgo decorticating equipment was offered，and the structure and working principle was illuminated.Through the simulation study on dynamic model based on Solid－Works，obtained the motion law and force characteristics of the monomer ginkgo during decortication，apreliminary study was made on the energy consumption in the decortication process of ginkgo.

horizontal extrusion－grind；ginkgo decorticating；simulation study

10.3969/j.issn.1003－5788.2011.03.032

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：9151802904000012）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：51075406）

張日紅（1980－），男，仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院講師，華南理工大學(xué)在讀博士。Email：zrh－neu＠163.com

朱立學(xué)

2011－03－05