文懷興 李新博 史鵬濤 王寧俠

WEN Huai－xing LI Xin－bo SHI Peng－taoWANG Ning－xia

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an，Shaanxi 710021，China）

在大棗深加工中，去核、切片是重要的加工工序［1，2］。目前，大棗去核、切片主要采用的是人工去核、切制，或人工去核機(jī)器輔助切片。該方式生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)操作者易造成傷害，同時(shí)衛(wèi)生條件差。

目前，中國(guó)已有科研院所、企業(yè)對(duì)大棗去核機(jī)、切片機(jī)進(jìn)行了研究并取得了一些成果。中國(guó)專利 ZL 01229251.6［3］提出半自動(dòng)硬棗去核劃皮機(jī)，但其需手工對(duì)大棗排隊(duì)、上料和去核，生產(chǎn)效率較低。中國(guó)專利200610107231.8［4］提出去核機(jī)，采用水平轉(zhuǎn)位上料，容易將棗擠扁、壓碎，且主要適用于加工半干棗。泊頭市博屹機(jī)械有限公司生產(chǎn)規(guī)格為GJDZQH的大棗去核機(jī)，該去核機(jī)控制核心由PLC編程器和人機(jī)界面組成，其中大棗定位由機(jī)械手完成［5］。該設(shè)備定位好、去核率高，但產(chǎn)品造價(jià)高、結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。中國(guó)專利200920033989.0［6］提出了一種大棗自動(dòng)切片機(jī)，采用鋸齒形動(dòng)刀機(jī)構(gòu)送料，定刀機(jī)構(gòu)切片。該動(dòng)刀送料機(jī)構(gòu)為鋸齒形刀具，易對(duì)棗肉造成損傷，切片造碎率大。本試驗(yàn)提出一種雙排滾鏈?zhǔn)饺ズ饲衅稍O(shè)備設(shè)計(jì)方案，該方案有效解決了自動(dòng)排隊(duì)上料、定位去核和快速切片等技術(shù)難點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)雙排去核、切片機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，生產(chǎn)效率高，實(shí)現(xiàn)了大棗去核與切片的有效集成。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

本試驗(yàn)在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)與資料分析［7－11］，和對(duì)中國(guó)現(xiàn)有去核、切片設(shè)備存在問題研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮中國(guó)大棗本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及大棗加工工藝，提出了如圖1所示設(shè)計(jì)方案。

該設(shè)備主要由一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩對(duì)自動(dòng)上料排序機(jī)構(gòu)、定位夾緊機(jī)構(gòu)、去核機(jī)構(gòu)和切片機(jī)構(gòu)組成。上料排序機(jī)構(gòu)主要由料斗1、輥?zhàn)?、定向傳送鏈5和毛刷2組成。定位夾緊機(jī)構(gòu)由分別帶有輥?zhàn)?的定向傳送鏈5和夾緊傳送鏈6組成。去核機(jī)構(gòu)主要由曲柄輪22、沖頭13組成。其中沖頭13部分由插桿27、頂桿28和導(dǎo)向桿30組成。切片機(jī)構(gòu)主要由可調(diào)護(hù)板8、刀槽式送料輪9和刀片10組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由減速電機(jī)12、主帶輪20、錐齒輪19、槽輪機(jī)構(gòu)14、增速齒輪傳動(dòng)15、主動(dòng)軸21、從動(dòng)軸25構(gòu)成。

如圖1減速電機(jī)12將動(dòng)力傳送給主皮帶輪20、錐齒輪19、槽輪機(jī)構(gòu)14、增速齒輪傳動(dòng)15等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又將動(dòng)力分別傳遞給上料排序機(jī)構(gòu)、定位夾緊機(jī)構(gòu)、去核機(jī)構(gòu)和切片機(jī)構(gòu)。槽輪機(jī)構(gòu)14的間歇運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上料、夾緊、切片三大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間歇式運(yùn)動(dòng)。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of equipment

其主要工作過程：大棗由料斗1上料，經(jīng)毛刷2成單排排列，位于兩輥?zhàn)?間；輥?zhàn)釉谀Σ涟?作用下，產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)大棗一同旋轉(zhuǎn)使大棗軸線與輥?zhàn)虞S線一致，實(shí)現(xiàn)大棗自動(dòng)定向排序；重疊棗則被毛刷2掃回料斗1重新排序［12，13］。然后大棗由定位夾緊機(jī)構(gòu)的輥?zhàn)?定位夾緊。在傳送鏈停歇間歇，去核機(jī)構(gòu)的插桿27由曲柄輪22帶動(dòng)沖核，再由固定于導(dǎo)向桿30上的頂桿28將棗核頂出，實(shí)現(xiàn)棗與核的分離并保證果肉盡可能完整。去核后棗在可調(diào)護(hù)板8和輥?zhàn)?夾持下輸送到刀槽式送料輪9完成快速橫向切片，并保證切片薄厚均勻，造碎率不大于5%。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)大棗加工企業(yè)的要求，確定去核切片集成設(shè)備生產(chǎn)率為250 kg／h，綜合考慮大棗本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工工藝，去核、切片過程中的受力，以及設(shè)備所需承受載荷等因素，確定本設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical Parameters

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 定位夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示夾緊機(jī)構(gòu)是由兩排垂直放置的鏈完成，下面一排長(zhǎng)鏈?zhǔn)嵌ㄏ騻魉玩?，用來輸送大棗，并使大棗橫向定位；上面一排短鏈?zhǔn)菉A緊傳送鏈6，用來配合長(zhǎng)鏈把棗夾緊。兩鏈中間都用輥?zhàn)?連接。如圖2，大棗定位由4個(gè)柱形輥?zhàn)?相切夾緊，輥?zhàn)?直徑取d＝30 mm，相鄰兩輥?zhàn)?中心距為鏈節(jié)距的2倍，即a＝2P＝38.1 mm。由于沖核的時(shí)候鏈條會(huì)受到擠壓，棗的軸線會(huì)稍偏離沖頭軸線，為解決這一問題，可在沖核部位加一托板，將鏈條托住。托板設(shè)置為可上下調(diào)節(jié)的，當(dāng)棗直徑過大時(shí)，將上托板上調(diào)，下托板下調(diào)；當(dāng)棗直徑過小時(shí)，分別將上下托板反向調(diào)節(jié)即可。此設(shè)計(jì)適合加工大棗直徑范圍為18～35 mm。

圖2 大棗定位夾緊機(jī)構(gòu)Figure 2 Positioning clamping mechanism of jujube

2.2 去核機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

快速去核要求大棗在輸送工位的停歇位置，即如圖2所示，夾緊機(jī)構(gòu)定位夾緊停歇期間，大棗軸線與去核機(jī)構(gòu)沖頭的軸線一致，實(shí)現(xiàn)1次沖核動(dòng)作完成多個(gè)大棗的去核作業(yè)。要求去核效率高而且果肉完整性好。

2.2.1 去核原理 去核刀具的設(shè)計(jì)是決定去核機(jī)構(gòu)能否成功去核的關(guān)鍵。另外，一定范圍內(nèi)，刀刃越鋒利，切口越整齊，果肉的完整性就越好［14，15］。為此，本設(shè)備采用叼核原理（刀具為空心圓筒）去核。如圖3（a）所示，沖頭部分由插桿和頂桿構(gòu)成，其中插桿為空心薄圓筒（刀頭僅磨薄開刃），大小與棗核大小相當(dāng)，頂桿為實(shí)心體。去核時(shí)，插桿從大棗一端快速插入，切斷棗核與棗肉之間的連接組織，并給棗核施加足夠的夾持力，使棗核隨插桿一塊退出。如圖3（b）所示，當(dāng)棗核隨插桿退出棗肉時(shí)，棗核由頂桿頂出插桿，至此，完成整個(gè)去核過程。

圖3 去核原理Figure 3 Pitting principle

2.2.2 去核機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及循環(huán)周期計(jì)算 如圖4，去核機(jī)構(gòu)采用雙對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)集成設(shè)備對(duì)去核的要求。插桿27由6個(gè)圓筒形刀具組成，由連桿29帶動(dòng)在導(dǎo)向桿30上作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)叼核過程。頂桿28由6根對(duì)應(yīng)實(shí)體桿組成，一端伸入插桿27中，一端固定于導(dǎo)向桿30上，完成頂核過程。

圖4 去核機(jī)構(gòu)Figure 4 Pitting mechanism

沖頭屬于易損壞關(guān)鍵零件。為了使機(jī)器不因沖頭損壞而停止工作，遵循零件互換性原則，將沖頭設(shè)計(jì)為單個(gè)零件。這樣既節(jié)約成本，又便于受損時(shí)更換。

曲柄輪每轉(zhuǎn)一周為一個(gè)循環(huán)周期T，則該集成設(shè)備可實(shí)現(xiàn)每回12顆棗沖核。以陜北大棗為原料，若平均每顆新鮮大棗重11.6 g，則去核機(jī)構(gòu)生產(chǎn)率Q：

式中：

n—— 曲柄輪轉(zhuǎn)速，r／min；

m——每顆棗的平均重量，g；

N——每個(gè)生產(chǎn)周期去核棗的個(gè)數(shù)。

則循環(huán)周期T＝2.00 4 s≈2 s。由于本設(shè)備去核與切片協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，整個(gè)集成設(shè)備循環(huán)周期也為2 s。

2.3 切片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 主體結(jié)構(gòu)與原理 如圖5所示切片機(jī)構(gòu)由可調(diào)護(hù)板1、刀槽式送料輪5、刀片6和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)四部分組成。設(shè)備工作時(shí)，動(dòng)力由主動(dòng)軸9輸入，主動(dòng)軸帶動(dòng)定向輸送鏈2向前輸送大棗的同時(shí)帶動(dòng)送料輪齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，送料輪齒輪通過送料軸10帶動(dòng)刀槽式送料輪5旋轉(zhuǎn)。

圖5 切片機(jī)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of slicing mechanism

可調(diào)護(hù)板1固定于機(jī)架12，設(shè)備工作時(shí)，大棗在護(hù)板1與定向輸送鏈輥?zhàn)?共同夾持下，有序掉入刀槽式送料輪5U型刀槽內(nèi)，大棗隨著刀槽式送料輪5的旋轉(zhuǎn)被快速、橫向切置成環(huán)片狀，實(shí)現(xiàn)該設(shè)備快速、橫向切片功能。

2.3.2 主要部件設(shè)計(jì) 如圖5可調(diào)護(hù)板1采用PVC彈性塑料材料制成，由彈簧、螺釘固定于機(jī)架12，其大小根據(jù)所加工大棗大小調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍約為0～8 mm。

刀槽式送料輪5由等厚度輪片疊夾而成，輪片層與層間由墊片11隔開。由于棗片厚度要求為5～6 mm，因而輪片與墊片均用3 mm不銹鋼材料制成。

刀片組件由刀片6與夾刀片7組成。夾刀片厚度6 mm，刀片厚度0.5 mm，刀片一端由夾刀片固定于機(jī)架，刀片另一端則伸入刀槽式送料輪5層與層的間隙。

為了使送料鏈輪8與刀槽式送料輪5精確協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證大棗能順利進(jìn)入刀槽式送料輪5刀槽，該設(shè)備采用齒輪傳動(dòng)，即一對(duì)送料輪齒輪4。兩齒輪齒數(shù)相等且送料鏈輪8與刀槽式送料輪5的轉(zhuǎn)速、大小、輥?zhàn)?間距和槽口節(jié)距大小都相同。

3 機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性分析

由該設(shè)備去核、上料夾緊、切片機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，繪制工作循環(huán)圖如圖6所示。該設(shè)備工作循環(huán)周期為Tp。去核機(jī)構(gòu)由A點(diǎn)到C點(diǎn)完成其沖核動(dòng)作，在C點(diǎn)達(dá)到?jīng)_頭最遠(yuǎn)極限位置；由C點(diǎn)到E點(diǎn)完成其頂核過程。由A點(diǎn)到B點(diǎn)，上料夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行上料而切片機(jī)構(gòu)正進(jìn)行切片過程；由B點(diǎn)到D點(diǎn)上料夾緊機(jī)構(gòu)正處于定位夾緊狀態(tài)，而切片機(jī)構(gòu)處于停歇狀態(tài)。

圖6 設(shè)備工作循環(huán)圖Figure 6 Working cycle diagram of equipment

去核機(jī)構(gòu)采用對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其沖核行程圖與頂核行程圖對(duì)稱。BD段上料夾緊機(jī)構(gòu)處于夾緊狀態(tài)，在該段時(shí)間沖頭能安全進(jìn)出料夾運(yùn)動(dòng)區(qū)域（沖頭從接近夾緊機(jī)構(gòu)到伸入夾緊機(jī)構(gòu)內(nèi)部達(dá)到最遠(yuǎn)極限位置），而在BD段以外，刀具不能進(jìn)入該區(qū)域，否則會(huì)發(fā)生干涉。顯然上料夾緊機(jī)構(gòu)最佳上料時(shí)間是沖頭從A點(diǎn)出發(fā)，到?jīng)_頭快要接近料夾運(yùn)動(dòng)區(qū)時(shí)，上料夾緊機(jī)構(gòu)恰好完成上料正處于夾緊狀態(tài)，這時(shí)兩者間運(yùn)動(dòng)不會(huì)干涉，同時(shí)沖頭有足夠時(shí)間完成沖核動(dòng)作。

圖6可清楚表明本集成設(shè)備特點(diǎn)：間歇式上料、夾緊、切片，連續(xù)式去核。由圖6知上料夾緊機(jī)構(gòu)與切片機(jī)構(gòu)每一個(gè)動(dòng)作所用時(shí)間相同，說明二者協(xié)調(diào)性很好，即大棗去完核后，能順利完成切片工作。

4 樣機(jī)效果試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方案

為了考量設(shè)備自動(dòng)排序上料、去核、切片等綜合性能，本試驗(yàn)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行兩項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)所用大棗皆為當(dāng)天采摘，長(zhǎng)度為40 mm左右，直徑26 mm同品種大棗；所用秤為上海友聲電子計(jì)重秤3 kg／0.1 g電子臺(tái)秤。

試驗(yàn)一：以60顆棗為一組，共8組。測(cè)試自動(dòng)排序性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

試驗(yàn)二：以1 kg棗為一組，共8組。測(cè)試去核切片性能。為減少誤差，每組試驗(yàn)，稱量完整棗片質(zhì)量（每次稱3次求平均值），則碎渣質(zhì)量為樣本質(zhì)量與棗片質(zhì)量之差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)

自動(dòng)排序率≥95%；

切片造碎率≤5%。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

自動(dòng)排序包括去核前的上料排序和去核后大棗有序進(jìn)入刀槽式送料輪。由表2可知，在測(cè)試自動(dòng)排序性能中，8組試驗(yàn)，平均每組自動(dòng)排序個(gè)數(shù)59.1，平均每組成功自動(dòng)排序率（自動(dòng)排序個(gè)數(shù)與每組總數(shù)之比）達(dá)98.5%，其自動(dòng)排序成功率遠(yuǎn)高于試驗(yàn)指標(biāo)95%，說明該設(shè)備自動(dòng)排序性能優(yōu)良。

表2 試驗(yàn)一數(shù)據(jù)Table 2 Experiment 1 data

表3 試驗(yàn)二數(shù)據(jù)Table 3 Experiment 2 data

造碎率為切片后大棗碎渣質(zhì)量與樣本質(zhì)量百分比。切片后大棗碎渣既包括去核所致碎渣，又包括切片過程所致碎渣，所以用造碎率能綜合反映設(shè)備去核與切片性能。由表3可知，在測(cè)試去核切片性能中，8組試驗(yàn)，平均每組成品質(zhì)量為0.958 4 kg，造碎率為4.16%。其中第2組造碎率為4.64%，遠(yuǎn)高于其它組數(shù)據(jù)。經(jīng)調(diào)查分析，該組樣本中含有2顆蟲棗，因此在去核過程中造成過多碎渣，進(jìn)而使整組造碎率偏高。但該設(shè)備平均造碎率依然低于試驗(yàn)指標(biāo)5%，說明該設(shè)備去核切片性能良好。

5 總結(jié)

（1）本設(shè)計(jì)方案成功實(shí)現(xiàn)了去核、切片動(dòng)作的集成，自動(dòng)化程度高。經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)，其自動(dòng)排序、去核、切片性能良好，切片厚度均勻。

（2）本集成設(shè)備，僅適用于長(zhǎng)圓形棗。加工前，最好將大棗按大小提前分級(jí)，再根據(jù)棗大小調(diào)節(jié)托板與護(hù)板位置，確保去核、切片效果。

（3）本方案經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)生產(chǎn)率可達(dá)250 kg／h，與現(xiàn)有先去核再切片設(shè)備相比優(yōu)勢(shì)明顯。

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