蔡耿健 管 珣 李佳玲 陳亦開

0 引言

隨著我國人口數(shù)量的不斷增多以及農產品產量的不斷提高，人們對大豆的食用量越來越大。但獲取大豆之前卻存在一個棘手的問題，那就是大豆的剝出。傳統(tǒng)的手工剝豆雖然可以剝出質量較好的豆粒，但是效率低，用時長。如果可以實現(xiàn)剝豆機械化、自動化，那么既可以提高生產效率，又可以節(jié)省大量勞動力。市場上現(xiàn)有的一些毛豆剝殼設備，功能不夠完善，技術不夠成熟，剝出來的豆粒多半已經(jīng)破損、壓癟或還未完全從豆莢殼中剝出。而且現(xiàn)存的剝豆機結構單一，基本上為大型剝豆機，只適合批發(fā)市場使用，不適合在一些單次剝豆量較小的家庭、飯店中使用。

為提高剝豆效率，使豆完全從豆莢中剝出，且不被破壞，研發(fā)了一種便攜式小型剝豆機。該機具有體積小、重量輕、工作可靠、外形美觀、成本低等優(yōu)點。

1 便攜式小型剝豆機原理

便攜式小型剝豆機主要由振動電機、進料板、軋輥、大帶輪、分離板、小型電機、收集槽及支架組成。圖1、圖2為該機的結構簡圖和總裝圖。

將毛豆放在進料板上，由于重力，毛豆將沿著進料板掉落；在進料板下部放著一個振動電機，帶動進料板上下抖動，毛豆嵌入進料板的凹槽中（一個槽的寬度正好是一個毛豆的寬度），進而卷入軋輥中。為防止毛豆在夾緊過程中被夾壞，在進料軸上需加上橡膠組織，由脫殼軸將毛豆擠壓出豆殼。

圖1 便攜式小型剝豆機結構簡圖

便攜式毛豆剝殼機主要依靠兩軋輥擠壓剝豆和凸輪的旋轉使進料板上下抖動。毛豆豆莢為扁長條狀，中間厚，兩頭扁平，長度在40～50 mm，籽粒在殼內縱向排列，籽粒之間存在一定的間隙。兩軋輥之間存在一定的間隙，只允許空的豆莢通過，而帶有豆粒的毛豆是無法通過的。兩軋輥反向旋轉，當毛豆的扁平端被軋輥夾持移動時，由于毛豆中間含豆粒部分無法通過軋輥，豆粒受到擠壓與豆莢產生相對運動，向后移動的籽粒將莢殼撐開，脫離豆殼。此時莢殼在軋輥的前側，籽粒在后側，達到了粒殼分離效果。

圖2 便攜式小型剝豆機總裝圖

2 脫殼機構的參數(shù)計算

2.1 脫殼軸轉速

以一個長度為5～6 cm的青豆為研究對象。假設脫殼機構中脫殼軸的直徑D=3 cm，脫殼兩軸的距離為青豆殼的厚度（大約為0.2 cm），脫一次豆的時長為4.5 s，則脫殼軸的轉速為：

驗算在4.5 s內能否將5～6 cm的青豆脫殼：

脫殼軸的周長：

豆殼長度6 cm，所以取值合理。

2.2 給料軸轉速

因給料軸上附有橡膠組織，若給料軸的直徑D=2 cm，加上橡膠組織后直徑為3 cm，青豆的長度按6 cm計算，由 n1= 8.9 r/min，算出脫殼軸的轉速：

由脫殼設計原理可知，給料軸與脫殼軸的距離應小于青豆的長度，這里取4.5 cm，給料軸兩軸的距離應為青豆未脫殼前的厚度，大約為0.8 cm，脫殼軸脫一次需要4.5 s，那么給料軸應在4.5 s后將下一次料送上，故給料軸的轉速為：

驗算：

脫殼4.5 s后，豆移動距離是：

s1= v1×4.5= 6.3（cm）

而進料軸豆移動距離為：

s2= v2×4.5= 4.5（cm）

v2＜v1

當脫殼軸將豆脫完后，送料軸正好將下一次料送上。

2.3 青豆脫殼機所消耗的功率

脫殼機所消耗的功率可以用下式計算：

式中：T —脫殼軸的轉矩（N·m），T = 2GR，其中R為摩擦臂矩R=0.4D（D脫殼軸直徑）；

n —脫殼軸轉速為 8.9 r/min；

η—傳動效率，滾動軸承的效率值為0.86。

一次脫殼的個數(shù)為：

單個青豆的重量為8 g，則脫殼機所消耗的總功率為：

3 軸的結構設計

3.1 軸的材料選用

軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋鋼圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。

由于碳鋼比合金鋼廉價，同時也可以用熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故被廣泛應用于制造軸，其中最為常用的是45號鋼。

3.2 軸的結構設計

軸的結構設計主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式，軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸連接的方法，載荷的性質、大小、方向及分布情況，軸的加工工藝等。軸的結構應滿足以下要求：

（1）軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；

（2）軸上的零件應便于裝拆和調整；

（3）軸應該具有良好的制造工藝性。

因此，可以先根據(jù)軸的不同要求，將軸的各部分分開考慮，然后再根據(jù)相互關系和加工、安裝、拆卸、維修等的要求綜合考慮，并相應地調整各部分的結構和尺寸。

4 關鍵部件設計

4.1 軋輥的布置角度

兩軋輥軸心連線與水平面夾角γ稱為軋輥布置角度。當γ＝45°時，毛豆能順利進入兩軋輥之間。軋輥的表面采用麻花設計，這樣有利于增加軋輥與豆莢之間的摩擦力，防止豆莢還未被軋輥夾住就掉落下去。

4.2 軋輥之間的間隙

當豆莢卷入兩軋輥之間時，豆殼沿軋輥移出，豆粒則反方向被擠出。經(jīng)對市場上豆殼實物的多次測量，豆殼的厚度在1.5 mm左右。當軋輥之間的間隙為2.2 mm時，豆殼能很好地沿著軋輥移出，且豆莢出豆效果好。

4.3 振動進料板的設計（見圖3）

進料板內邊為鋸齒形的管材，里面有一個個的小凹槽，板下部安裝一臺振動電機。當進料板上下振動時，毛豆被一個個地嵌入小凹槽之中。進料管的前邊被削去上半部分，方便人們將毛豆放在進料板；而進料板的后半部分是全封閉的，防止毛豆震動時跳出進料板。

5 結論

經(jīng)改進設計后的小型高效剝豆機可以滿足家庭用戶的需求，還可以經(jīng)過拼裝變成大型剝豆機。如：取消常規(guī)的剝豆機內的輸送機，將軋輥的間隙改為可調節(jié)的，使剝豆機本身變成一個部件，就可將多臺剝豆機組合成一個更高效的大型剝豆機。

圖3 振動進料板結構簡圖

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社,2002.

[2]黃平,劉建素等.常用機械零件及機構圖冊[M].北京：化學工業(yè)出版社,1999.

[3]朱莉學,羅錫文,劉少達.軋輥－軋板式銀杏脫殼機構的優(yōu)化設計與試驗[J].農業(yè)工程學報，2008.

[4]何春薇,錢仔健,顧雄磊.全自動青毛豆殼剝殼機的研制[J].農機化研究,2010.