汝紹鋒，王居飛，樊軍慶

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螻蛄爪趾特性仿生鋼絲輥刷除椰衣裝置設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化

汝紹鋒，王居飛，樊軍慶※

（海南大學(xué)機電工程學(xué)院，?？?570228）

針對手工剝除椰子纖維外衣中存在的加工效率低、易造成人員受傷等問題，設(shè)計了一種基于螻蛄爪趾特性的仿生鋼絲輥刷除椰衣裝置。該裝置主要由鋼絲輥刷、椰子夾緊機構(gòu)和進給機構(gòu)組成，其工作時依靠鋼絲斷面刃口勾刷椰衣纖維，結(jié)合鋼絲的彈韌性實現(xiàn)除衣后不損壞椰殼。利用除椰衣裝置開展參數(shù)優(yōu)化試驗，并運用Design Expert軟件進行試驗方案設(shè)計和結(jié)果數(shù)據(jù)分析。試驗結(jié)果表明，輥刷轉(zhuǎn)動速度對除椰衣厚度影響最大，刷毛栽植間距影響次之，刷毛直徑影響最??；在輥刷轉(zhuǎn)動速度一定時，隨著刷毛栽植間距的增加，除椰衣厚度呈先增大再減小的變化趨勢，但當(dāng)輥刷轉(zhuǎn)動速度增大時，除椰衣厚度的變化量不明顯；當(dāng)刷毛栽植間距一定時，隨著輥刷轉(zhuǎn)動速度的增大，椰衣去除的厚度會逐漸上升，刷毛直徑的大小對除椰衣厚度的影響較為顯著（<0.05）。試驗數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果表明，除衣裝置的最優(yōu)組合參數(shù)為輥刷轉(zhuǎn)動速度是970 rad/min，刷毛直徑是6 mm，刷毛栽植間距是10 mm，預(yù)測在最優(yōu)參數(shù)組合下的除衣厚度為31.24 mm，通過重復(fù)試驗證明最優(yōu)組合參數(shù)可以到達規(guī)定的除衣厚度，且不損傷內(nèi)部椰殼，滿足椰子深加工需要。

機械化；仿生；設(shè)計；椰子；椰衣去除；鋼絲輥刷

0 引 言

椰子樹是棕櫚科大型喬木植物，海南島的椰子種植面積及產(chǎn)量占中國的90%以上[1]。中國海南和其他亞熱帶地區(qū)椰子加工產(chǎn)業(yè)鏈相對發(fā)達，椰子加工處理的副產(chǎn)品主要囊括食品領(lǐng)域、化妝品領(lǐng)域、醫(yī)藥品及壓合木質(zhì)板材等幾大類[2-7]。為獲取椰汁和椰肉，剝除椰衣是第一道工序，目前椰子加工主要通過人工將椰衣纖維從椰殼上撕扯下來，加工效率低，而且極易造成人員工傷[8-10]，從而制約椰子加工行業(yè)的發(fā)展，因此研制科學(xué)的剝椰衣方法是提高椰子加工效率的重要環(huán)節(jié)。

國內(nèi)外學(xué)者針對椰子除衣方法及相應(yīng)機具研發(fā)進行了一定研究，如Jarimopas 等[11-12]研發(fā)的用于椰子幼果外層椰衣剝除的除衣機和泰國農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的一款仿形椰青加工設(shè)備[13]，二者原理都是類似于機床中的車削加工，即通過旋轉(zhuǎn)椰子并使剝衣刀具與椰衣不斷接近從而達到剔除椰衣的效果，但工作中易破壞椰肉；由吳迪等[14]設(shè)計的利用電氣控制和絲杠傳動配合作業(yè)的椰子除衣機，該機采用PLC作為控制系統(tǒng)，適用于不同含水率的椰子除衣加工，但成本過高經(jīng)濟性較差；王旺平等[15]提出的采用布滿除衣刺的雙輥進行除椰衣作業(yè)，但容易損傷內(nèi)部木質(zhì)椰殼；肖仁鵬等[16]設(shè)計了絲桿螺母聯(lián)動驅(qū)動方式除衣機，帶動刀具刺入椰子后撐開椰衣完成剝除，屬于半自動化除椰衣設(shè)備，目前該設(shè)備除衣效率較低。

椰子除衣機械裝置的作業(yè)性能，一方面受到機械結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，另一方面受到椰子不規(guī)則外形的影響，本研究基于椰衣去除工藝要求以及椰子天然特性，提出一種螻蛄爪趾特性仿生鋼絲輥刷剝除椰衣纖維的方案，并研制了一臺鋼絲輥刷除椰衣裝置。本文對裝置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和受力分析，探究仿生鋼絲輥刷除椰衣方法的可行性；運用裝置進行參數(shù)優(yōu)化試驗，分析不同輥刷參數(shù)對除椰衣性能的影響規(guī)律，為椰衣剝除機理研究提供理論和試驗依據(jù)，并可拓寬現(xiàn)有除椰衣研究方法的思路。

1 鋼絲輥刷除衣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 除衣裝置整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

除椰衣裝置主要由輥刷電機、鋼絲輥刷、椰衣纖維清理器、椰子夾緊機構(gòu)、椰子進給機構(gòu)及機架等組成。夾緊托盤和爪趾可通過椰子旋轉(zhuǎn)手輪帶動椰子旋轉(zhuǎn)；料臺擺動機構(gòu)上的操作手柄控制料臺擺動軸，完成椰子的進給作業(yè)。本研究設(shè)計的除椰衣裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，鋼絲輥刷、椰子夾緊機構(gòu)和進給機構(gòu)為該裝置的主要工作部件，三者均豎直平行安裝。工作時，先通過夾緊機構(gòu)固定椰子，再通過擺動進給機構(gòu)完成椰子的喂入，與高速旋轉(zhuǎn)的鋼絲輥刷接觸，實現(xiàn)椰衣纖維的去除。除衣過程中通過轉(zhuǎn)動手輪完成椰子周向除衣，其中可通過進給機構(gòu)中卡銷檔位的變換，從而改變椰子和鋼絲輥刷之間的摩擦力，除衣結(jié)束后通過扳動進給手柄實現(xiàn)椰子與輥刷脫離。該裝置應(yīng)選用易于啟動的動力元件，且能保證具有一定的啟動扭矩，因此選用YC型三相電容啟動異步電動機[17]，結(jié)合除衣裝置對電機轉(zhuǎn)速的要求，選取的電機型號為，三相YS-8014功率為750 W，額定轉(zhuǎn)速為1 400 rad，變速器傳動比=2～4。

1.機架 2.電機 3.提升手輪 4.升降絲母 5.鋼絲刷毛 6.尼龍輥子 7.鋼絲輥刷軸 8.轉(zhuǎn)動手輪 9.進給上懸臂 10.椰子進給軸 11.固定爪 12.進給擺動手柄 13.制動卡銷及卡銷孔 14.椰子 15.夾緊托盤 16.支撐絲桿 17.進給下懸臂

1.2 鋼絲輥刷仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿生學(xué)研究表明，自然界中許多動物經(jīng)長時間進化后，具有非常完善的土壤挖掘和剝脫果實器官，逐步形成了優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的力學(xué)性能，使其在挖掘和采食過程中能夠獲得較大切削力[18-22]，且不損傷自己，如螻蛄爪趾可輕松刨動土壤地面及協(xié)助口器完成進食[23-29]，其爪趾外緣表現(xiàn)為弧形刃口結(jié)構(gòu)，并具有一定彈韌性，螻蛄爪趾形態(tài)如圖2所示。由于椰衣纖維去除過程與螻蛄爪趾挖掘土壤具有相似之處，因此本研究以螻蛄爪趾為仿生原型，設(shè)計一種利用鋼絲輥刷實現(xiàn)機械式除椰衣的方法。

1.螻蛄 2.螻蛄爪趾

運用機械方法除椰衣的關(guān)鍵在于，增大椰衣纖維和作業(yè)部件的接觸力，在短時間內(nèi)盡量剝除較厚的椰衣，且不破壞纖維內(nèi)部的木質(zhì)椰殼。為滿足除衣作業(yè)的生產(chǎn)要求，并獲取具有螻蛄爪趾特性的除衣結(jié)構(gòu)，可通過剪切機切斷柔性鋼絲，獲得輥刷執(zhí)行末端刃口。由于剪切刀具對鋼絲的擠壓作用，會導(dǎo)致鋼絲切口處產(chǎn)生銳邊刃口，該剪切刃口可用于勾除和刷擦椰衣纖維，結(jié)合鋼絲自身優(yōu)良的韌性，在剝除椰衣后不容易損壞內(nèi)部椰殼，所以鋼絲輥刷適用于椰衣纖維的去除，如圖3所示，為切斷鋼絲獲得輥刷刃口。

1.鋼絲刷毛 2.鋼絲刷毛刃口

工作時將彈性鋼絲植于尼龍輥筒上，再將尼龍輥筒套裝于金屬輥軸上，電機帶動金屬輥軸旋轉(zhuǎn)，靠椰子與輥刷之間的摩擦力勾除椰衣纖維，除去的椰衣及雜質(zhì)通過離心力排除。椰子在除衣前通常呈橢球體，其中赤道外徑介于160～200 mm，兩極外徑介于180～220 mm，而除衣后的椰子通常呈球體，球體外徑介于100～140 mm?；谝映虑昂蟮膸缀翁卣?，本研究設(shè)計了如圖4所示的彈性椰子除衣輥刷。

1.鋼絲輥刷軸 2.鋼絲刷毛 3.尼龍輥子

該除衣輥刷的刷毛頂端仿照螻蛄爪趾結(jié)構(gòu)，設(shè)計有弧形結(jié)構(gòu)單元，該單元的弧度為50°。欲使椰子和除衣輥刷之間具有更大的接觸面積，將輥刷軸向截面設(shè)計為圓弧形，弧度為45°。參考試驗選用椰子大小，尼龍輥子直徑設(shè)計為120 mm，圓弧形鋼絲刷毛最大直徑為320 mm，最小直徑為220 mm，軸向長度為360 mm。

除衣輥刷作為除衣裝置的重要工作部件，其運動和受力情況決定了裝置的除衣效果。根據(jù)鋼絲輥刷除椰衣過程和運動規(guī)律，將椰衣去除簡化為如圖5所示的二維模型。

1.鋼絲輥刷 2.未除衣的椰子

1.Steel wire roller brush 2.Dressed coconut

注：為椰衣與鋼絲輥刷之間的摩擦力，N；為椰子所受的擠壓支持力，N；'為椰子受到的反作用力，N。

Note:is the friction between the coconut fiber and the steel wire roller brush, N;is the support force of the coconut, N;' is reaction force to the coconut, N.

圖5 椰子受力分析示意圖

Fig.5 Stress analysis of coconut

設(shè)椰子在某一瞬間為固定夾持狀態(tài)，鋼絲輥刷給予椰子的擠壓支持力，椰子受到一個反作用力′，則椰衣與鋼絲輥刷工作表面的摩擦力為

式中為鋼絲輥刷表面對椰衣的動摩擦系數(shù)；為椰子橫截面與鋼絲輥刷橫截面中心連線所成的夾角,（°）。

為保證除衣過程中摩擦力最大，使椰子橫截面與鋼絲輥刷橫截面中心連線所成的夾角為0，則有cos=1；=′，由式（1）可知，椰子所受的支持力，以及椰衣與鋼絲輥刷之間的動摩擦系數(shù)，決定了椰子所受到摩擦力的大小。為了使得椰衣能順利地從椰子上去除，要保證＞，其中為椰衣纖維的拉應(yīng)力。因此在設(shè)計除衣輥刷時，應(yīng)盡可能保證除衣輥刷表面和椰衣表面緊密接觸，以產(chǎn)生較大的摩擦力，配合輥刷鋼絲刃口單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)勾除椰衣纖維的目的。

1.3 椰子夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

椰子夾緊機構(gòu)作業(yè)時，將椰子置于托盤上，通過旋轉(zhuǎn)托盤下端的提升手輪，使椰子升高靠近固定爪，并與固定爪之間產(chǎn)生壓緊力，實現(xiàn)椰子的軸向固定，同時依靠固定爪齒牙的作用，實現(xiàn)椰子圓周方向的固定。旋轉(zhuǎn)安裝在固定爪上端的轉(zhuǎn)動手輪，可實現(xiàn)椰子在一定轉(zhuǎn)動范圍之內(nèi)的轉(zhuǎn)動，便于椰子的多角度除衣。如圖6所示，為椰子夾緊機構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖。

1.椰子轉(zhuǎn)動手輪 2.軸承組 3.椰子固定爪 4.椰子托盤5.絲杠 6.止動螺母7.升降絲母 8.提升手輪1.Turning hand wheel of coconut2.Bearing group 3.Fixed claw of coconut 4. Coconut tray 5.Lead screw 6. Arresting nut 7.Ascending-descending nut 8.Lifting hand wheel

根據(jù)夾緊機構(gòu)的實際工作情況，椰子托盤主要受到椰子重力1以及絲桿螺母副和托盤的自身重力2和固定爪給予的壓緊力3，由力的平衡可得夾緊機構(gòu)下懸臂受力如下

式中是螺桿絲杠受到的載荷力，N；′是椰子托盤的支反力，0通過測量計算可知

可得絲杠承受載荷力≈800 N，結(jié)合夾緊機構(gòu)實際工作情況計算絲杠螺紋中徑為

式中2為絲杠螺紋中徑，mm；為螺距，mm；為螺母長徑比；[]為許用壓強，MPa；為螺距內(nèi)有效工作高度，mm。由于螺母為整體車制，其磨損后間隙不能二次調(diào)整，因此取=1.2；同時該絲杠機構(gòu)為人力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，因此材料的許用壓力[]提高20%，所以[]=10 MPa。設(shè)計中螺距=4 mm，有效工作高度=0.5=2 mm。按照梯形螺紋和轉(zhuǎn)動軸的校核計算方法[30]，對絲杠和螺母的強度、穩(wěn)定性進行校核使其滿足工作要求，并計算選取適合的深溝球軸承組，經(jīng)計算可得，椰子夾緊機構(gòu)各零件主要參數(shù)如表1所示。

1.4 椰子進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

椰子進給機構(gòu)作業(yè)時，椰子夾緊機構(gòu)安裝在椰子進給軸的上下懸臂上。椰子進給軸通過軸承安裝于機架內(nèi)。當(dāng)椰子被夾緊機構(gòu)固定后，通過扳動進給擺動手柄，實現(xiàn)椰子的裝卡和卸載工作，且可變換不同檔位，實現(xiàn)控制椰子對鋼絲輥刷的喂入量，防止出現(xiàn)椰子和鋼絲輥刷之間的摩擦力過大導(dǎo)致電機抱死的情況。當(dāng)擺動手柄置于合適檔位后，將椰子制動卡銷橫跨在擺動手柄之上，插入卡銷孔，固定椰子進給機構(gòu)。如圖7所示，為椰子進給機構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖。

表1 夾緊機構(gòu)關(guān)鍵部件參數(shù)

Table 1 Key parts parameter of clamping mechanism

零件名稱Part name主要參數(shù)/選用型號Main parameters/selected model材料Material 椰子轉(zhuǎn)動手輪Turning hand wheel ofcoconut直徑d=20 mm尼龍 提升手輪Lifting hand wheel直徑d=18 mm尼龍 椰子固定爪Fixed claw of coconut直徑d=10 mm錐度1:545#鋼 絲杠Lead screw公稱直徑d=20 mm螺距p=4 mm螺紋升角=4°45#鋼 止動螺母Arresting nut公稱直徑d=20 mm35#鋼 升降絲母Ascending-descending nut公稱直徑d=20 mm35#鋼 軸承組Bearing groupUCFL204GCR15

1.進給上懸臂 2.軸承組 3.機架 4.椰子進給軸 5.制動卡銷6.進給擺動手柄 7.卡銷孔8.進給下懸臂 9.軸承組
1.Top feeding suspension beam2.Bearing group 3.Frame 4.Coconut feeding shaft 5.Brake pin 6.Swing handle of feeding 7.Pin hole 8.Bottom feeding suspension beam9.Bearing group

圖7 進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

Fig.7 Structure diagram of feeding mechanism

結(jié)合椰子進給機構(gòu)實際工作情況，依據(jù)有外延懸臂轉(zhuǎn)軸的設(shè)計和校核方法，并計算選取適當(dāng)?shù)妮S承組。經(jīng)計算可得，椰子進給機構(gòu)各零件主要參數(shù)如表2所示。

表2 進給機構(gòu)各零件主要參數(shù)

1.5 除椰衣裝置工作狀態(tài)受力分析

為保證在除椰衣過程中，鋼絲輥刷和椰子之間的摩擦力能保持在一個相對固定的范圍內(nèi)，就要求夾緊機構(gòu)對椰子始終保持夾緊狀態(tài)，即夾緊機構(gòu)能夠承受輥刷通過椰子傳遞的橫向擠壓合力h，為了便于工作狀態(tài)分析，將除衣過程分為除衣前期、除衣中期和除衣后期3個過程。如圖8所示，在除椰衣過程，輥刷和椰子的接觸面寬度始終保持不變，由于接觸面較窄，可近似為線接觸，且該接觸線會隨著椰子外衣的剝除過程延展，從而使輥刷通過椰子傳遞給夾緊機構(gòu)的橫向擠壓合力h線性增大。

通過萬能材料試驗機對椰子纖維進行拉伸試驗，所有試樣直至斷裂為止，測量得到椰衣纖維拉伸強度如表3所示，求其拉伸強度的平均值為≈1.559 Pa。

注：L為鋼絲刷毛栽植間距，mm；f1為椰衣纖維沿垂直于鋼絲軸線對夾緊機構(gòu)固定爪的作用力，N；f2為椰衣纖維沿垂直于鋼絲軸線對鋼絲刷毛的摩擦力，N；Fhq為除衣前期橫向擠壓合力，N；Fhh為除衣后期橫向擠壓合力，N；RD為除椰衣厚度，mm。

表3 椰衣纖維拉伸強度統(tǒng)計

因此，假設(shè)在進給機構(gòu)的調(diào)節(jié)下使輥刷與椰子之間的夾緊力保持不變，為滿足順利勾除椰衣纖維的工作要求，則椰衣纖維在1 mm2單位面積上，至少受到的摩擦力d應(yīng)為8.97 N。

式中鋼絲輥刷表面對椰衣的動摩擦系數(shù)=0.18，椰子橫截面與鋼絲輥刷橫截面中心連線所成的夾角=0°。由于鋼絲輥刷的刷毛栽植間距不同，選取最大栽植間距max=15 mm，則可估算除衣前期、除衣中期和除衣后期夾緊機構(gòu)受到的橫向擠壓合力分別為：hq≈1 200 N，hz≈2 000 N，hh≈3 000 N。

在工作過程中，夾緊機構(gòu)固定爪受到的主要集中載荷為鋼絲輥刷和椰果之間的摩擦力，且在除衣后期將達到最大值max，取鋼絲和椰衣纖維之間的動摩擦系數(shù)=0.18，可得椰衣纖維沿垂直于鋼絲軸線對夾緊機構(gòu)固定爪的作用力1為540 N。

夾緊機構(gòu)固定爪在集中載荷的作用下，不發(fā)生失效斷裂的前提是最大正應(yīng)力max

又因夾緊機構(gòu)固定爪軸截面為實心圓，且截面直徑j(luò)=20 mm，則夾緊機構(gòu)抗彎截面系數(shù)z為0.79。

由式（7）和（8）得夾緊機構(gòu)固定爪受到的最大正應(yīng)力max為85.44 MPa。

由式（9）可知max＜b=200 MPa，所以椰子夾緊機構(gòu)固定爪不會在除衣過程中發(fā)生斷裂危險，可長時間夾持椰子穩(wěn)定工作。

在工作過程中，由于除衣前、中和后期夾緊機構(gòu)受到的橫向擠壓合力分別為：hq≈1 200 N，hz≈2 000 N，hh≈3 000 N，且在3個時期參與工作的鋼絲刷毛有效面積依次約為：hq≈24 mm2，hz≈40 mm2，hh≈60 mm2，則可得鋼絲刷毛在單位面積上受到夾緊機構(gòu)對其作用的壓緊力s≈55.6 N，鋼絲和椰衣纖維之間的摩擦系數(shù)=0.18，則在單位面積上，椰衣纖維沿垂直于鋼絲軸線對鋼絲刷毛的摩擦力2為10 N。

由式（10）和（5）可知，2＞d=8.97 N，所以鋼絲刷毛滿足順利勾除椰衣纖維的工作要求。由于鋼絲刷毛的最小長度s=50 mm，為保證鋼絲刷毛可有效地勾除椰衣纖維，則要求其具有一定的彎曲強度，參照式（7）的計算方法，可得鋼絲刷毛在工作狀態(tài)下的最大彎矩′max=250 N·mm，又因單位面積鋼絲刷毛截面可近似看作直徑s=0.56 mm的實心圓，參照式（8）計算方法可得鋼絲刷毛抗彎截面系數(shù)′=0.02，從而可計算得鋼絲刷毛的最大正應(yīng)力max=12 500 Pa，由于max

2 除椰衣試驗方案設(shè)計

參考課題前期對除衣過程中力學(xué)數(shù)據(jù)測試分析可知，影響椰子除衣性能的因素較多，如椰子含水率、除衣執(zhí)行端材質(zhì)和外徑尺寸等，本研究針對含水率在一定范圍內(nèi)的同質(zhì)量椰子進行除衣，重點分析除衣裝置對除衣性能的影響規(guī)律，以輥刷轉(zhuǎn)動速度（因素）、鋼絲刷毛直徑（因素）、鋼絲刷毛栽植間距（因素）3個因素作為對象，進行試驗分析和研究。選取同期生椰子為試驗原材料，赤道外徑范圍控制在為175～185 mm，且為非椰青的成熟椰子，輥刷轉(zhuǎn)動速度要保證單位時間內(nèi)除椰衣厚度達到實際生產(chǎn)需要，又需滿足除衣后期輥刷和椰子之間的摩擦力要求；刷毛直徑的選取要求刷毛具有一定的彎曲強度，即刷毛和椰衣纖維摩擦撕扯的過程中，不發(fā)生斷裂和塑性變形；刷毛栽植間距要避免刷毛過于密集或過于稀疏，從而導(dǎo)致椰衣纖維堵塞鋼絲輥刷或無法順利進行纖維剝除工作，同時結(jié)合多次前期探索試驗，獲得試驗因素水平的選取范圍如表4所示。

表4 試驗因素選取范圍

研究采用Design Expert軟件的試驗設(shè)計方法，進行試驗方案設(shè)計。即將表3中3個因素的上下限值輸入軟件中，設(shè)定二次方計算方法，生成17組試驗方案[31]，如表5所示。研究以除椰衣厚度為試驗指標，同時參考木質(zhì)椰殼破損情況，綜合分析不同試驗參數(shù)的除衣性能。當(dāng)要改變方案參數(shù)時，只需重新安裝相應(yīng)參數(shù)的輥刷盤即可，試驗中通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)輥刷轉(zhuǎn)動速度的調(diào)節(jié)，如圖9所示為鋼絲輥刷除衣裝置實物。

表5 除衣試驗方案

1.進給上懸臂 2.椰子固定爪 3.鋼絲輥刷 4.椰子 5.椰子托盤 6.絲桿 7.進給下懸臂 8.提升手輪 9.電機

1.Top feeding suspension beam 2.Fixed claw of coconut 3.Steel wire roller brush 4.Coconut 5.Coconut tray 6.Lead screw 7. Bottom feeding suspension beam 8.Lifting hand wheel 9.Motor

圖9 仿生鋼絲輥刷除椰衣裝置

Fig.9 Removing coconut fiber device by bionic steel wire roller brush

3 除椰衣試驗結(jié)果及分析

3.1 除衣試驗結(jié)果

分別將方案中鋼絲輥刷安裝在輥軸上，并將輥刷組合體固定在機架工位上，為獲得良好除衣效果，每組試驗進行1 min。試驗開始前測量初始椰子外徑值max，試驗結(jié)束后再測量除衣后椰子外徑值min，計算除椰衣厚度D為

為提高試驗結(jié)果精度，每組安排2個大小相近的椰子進行試驗，除衣前后對每個椰子均進行3次等精度外徑測量，取初始外徑max和除衣后外徑min的6次測量結(jié)果平均值作為最后統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按方案參數(shù)依次進行試驗，并記錄試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 試驗結(jié)果統(tǒng)計

注：Y=是，N=否。

Note: Y=yes, N=no.

由于試驗選用的是成熟椰子，椰衣纖維厚度一般在26～32 mm之間，椰衣內(nèi)部包括著木質(zhì)椰殼，為滿足椰子深加工要求，只有當(dāng)除衣厚度D≥25 mm時才可視為除椰衣裝置達到工作效果，且保證不能損傷內(nèi)部木質(zhì)椰殼。

由表6試驗結(jié)果可知，除椰衣厚度平均值在21～31 mm之間，其中7號試驗（輥刷轉(zhuǎn)動速度800 rad/min、刷毛直徑6 mm、刷毛栽植間距15 mm）除衣厚度最小，其值為21.10 mm；13號試驗（輥刷轉(zhuǎn)動速度1 050 rad/min、刷毛直徑6 mm、刷毛栽植間距10 mm）除衣厚度最大，其值為31.02 mm。為分析試驗參數(shù)是否滿足椰子加工要求，需統(tǒng)計椰衣去除厚度和木質(zhì)椰殼是否破損兩項指標，由試驗統(tǒng)計結(jié)果可知，1、3和7號試驗除衣厚度小于25 mm沒有達到除衣工作效果，而4和10號試驗除衣厚度雖大于25 mm，但已經(jīng)造成木質(zhì)椰殼破壞，不能滿足椰子加工要求。

3.2 試驗結(jié)果處理分析

分析采用Design Expert軟件中的Box-Benhnken Design（BBD）模塊進行數(shù)據(jù)處理，對除椰衣試驗結(jié)果進行方差分析和試驗因素的參數(shù)優(yōu)化。利用試驗方案和試驗結(jié)果進行多元回歸擬合計算，得到除椰衣厚度D與試驗因素之間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系為

式中為輥刷轉(zhuǎn)動速度，rad/min；為刷毛直徑，mm；為刷毛栽植間距，mm。此數(shù)學(xué)模型可用于鋼絲輥刷不同參數(shù)組合對除衣厚度影響的分析和預(yù)測。由式（12）和方差分析計算可得試驗分析結(jié)果，如表7所示，由方差分析結(jié)果可知，除椰衣厚度D的模型顯著性值小于0.000 1，說明該模型顯著，具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表7 試驗結(jié)果方差分析

注：<0.01，極顯著；<0.05，顯著。

Note:<0.01: Very significant;<0.05: Significant.

在試驗設(shè)計中，所得模型與試驗的擬合程度高且可信，就要求方差分析結(jié)果中失擬項的值要大于0.05。由表7結(jié)果可得，目標函數(shù)D的模型失擬項值是0.1269，大于0.05，說明失擬項不顯著，無需考慮失擬因素存在，同時由分析結(jié)果還可計算出模型的2值為0.905 3，表明分析的模型具有較好的擬合性，可用該回歸方程表示真實試驗點，并對試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析處理。

通過方差分析結(jié)果可知，對于目標函數(shù)D的影響，因素和極顯著，、、和2顯著，試驗中3個因素對除椰衣厚度的顯著性順序為：輥刷轉(zhuǎn)動速度>刷毛栽植間距＞刷毛直徑；結(jié)果中1、3和7號試驗除衣厚度較小，沒有滿足除衣效果，說明輥刷轉(zhuǎn)速較低對作業(yè)影響較大，4和10號試驗除衣厚度雖較大，但均導(dǎo)致內(nèi)部椰殼破壞，說明在輥刷速度較高時，刷毛直徑過大會損傷椰殼；考慮交互作用對試驗結(jié)果的影響，刷毛直徑和刷毛栽植間距的交互作用最為顯著。

為分析交互作用對除椰衣厚度的影響規(guī)律，選擇、2組交互因素，進行差異極顯著的交互項分析，分析中采用控制變量的方法，使某一因素的中間值固定，分析其他2個因素對除椰衣厚度的影響，各個因素的中間值為：輥刷轉(zhuǎn)動速度為1 050 rad/min，刷毛直徑為6 mm。以式（12）模型為依據(jù)，利用試驗設(shè)計軟件可得除椰衣厚度隨各因素變化規(guī)律的曲面圖，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同因素間交互作用響應(yīng)面圖

由圖10a可知，在輥刷轉(zhuǎn)動速度一定時，隨著刷毛栽植間距的增加，除椰衣厚度呈先增大再減小的變化趨勢，但當(dāng)輥刷轉(zhuǎn)動速度增大時，除椰衣厚度的變化量不明顯；當(dāng)刷毛栽植間距一定時，隨著輥刷轉(zhuǎn)動速度的增大，椰衣去除的厚度會逐漸上升。由圖10b可知，當(dāng)刷毛栽植間距一定時，刷毛直徑的大小對除椰衣厚度的影響較為顯著，且二者之間呈拋物線關(guān)系變化；在刷毛直徑不變時，刷毛栽植間距對除椰衣厚度的影響較小。

運用試驗設(shè)計軟件中的Optimization Numerical模塊，對除衣試驗結(jié)果回歸方程計算最優(yōu)組合參數(shù)為：輥刷轉(zhuǎn)動速度是969.11 rad/min，刷毛直徑是6.01 mm，刷毛栽植間距是9.82 mm；預(yù)測在最優(yōu)參數(shù)組合下的除衣厚度△為31.24 mm，能夠滿足椰子深加工生產(chǎn)要求。

3.3 最優(yōu)試驗參數(shù)組合驗證試驗

為進一步驗證參數(shù)的可靠性，對最優(yōu)組合參數(shù)進行重復(fù)性試驗。選取最優(yōu)組合參數(shù)圓整值，輥刷轉(zhuǎn)動速度（因素）取970 rad/min，刷毛直徑（因素）取6 mm，刷毛栽植間距（因素）取10 mm，進行3次平行除椰衣試驗，每次試驗結(jié)果等精度測量3次，取平均值作為試驗數(shù)據(jù)，3次試驗的除衣厚度依次為：32.56、31.16、32.07 mm，得其平均除椰衣厚度為31.93 mm，且木質(zhì)椰殼均未破損。試驗結(jié)果滿足椰子深加工生產(chǎn)需要，誤差為0.69 mm。由重復(fù)試驗結(jié)果可進一步驗證鋼絲輥刷除衣裝置最優(yōu)組合參數(shù)的正確性。

4 結(jié) 論

1）針對椰衣纖維剝除多采用手工作業(yè)完成，易導(dǎo)致人員受傷且效率低，提出一種仿生鋼絲輥刷進行除椰衣的方法，并設(shè)計了除衣裝置。該裝置主要由鋼絲輥刷、椰子夾緊機構(gòu)和進給機構(gòu)組成，其工作關(guān)鍵是依靠鋼絲切口斷面的銳邊刃口，勾除和刷擦椰衣纖維。結(jié)合鋼絲優(yōu)良的彈韌性，實現(xiàn)剝除椰衣后不易損壞內(nèi)部椰殼，滿足椰子深加工需要。

2）除衣裝置試驗結(jié)果表明，影響除椰衣厚度的主次因素為，輥刷轉(zhuǎn)動速度>刷毛栽植間距＞刷毛直徑，其中刷毛直徑和刷毛栽植間距的交互作用最為顯著。方案中7號試驗除衣厚度最小，13號試驗除衣厚度最大，4和10號試驗除衣厚度雖較大，但已造成椰殼破壞。

3）通過試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，獲得除衣裝置的最優(yōu)組合參數(shù)為：輥刷轉(zhuǎn)動速度為970 rad/min，刷毛直徑為6 mm，刷毛栽植間距為10 mm，預(yù)測在最優(yōu)參數(shù)組合下的除衣厚度為31.24 mm。通過重復(fù)試驗驗證最優(yōu)組合參數(shù)可以到達規(guī)定的除衣厚度且不損傷內(nèi)部椰殼，滿足椰子深加工生產(chǎn)要求。

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Design and parameter optimization of removing coconut fiber device by bionic steel wire roller brushbased on characteristics of claw-toe

Ru Shaofeng, Wang Jufei, Fan Junqing※

(,,570228,)

In order to solve the problems such as low processing efficiency and vulnerable to injury in the manual peeling of coconut fiber, a device for removing coconut by bionic steel wire roller brush based on the characteristics of claw-toe was designed. Bionics studies show that many animals in nature have very perfect soil excavation and nut peeling organs after a long period of evolution, and gradually form an optimized geometric structure and excellent mechanical properties, so that they can obtain large cutting force during the digging and feeding process without damaging themselves. For example, the claw-toe can plane the soil surface easily, and the outer edge of claw-toe is curved blade structure and has certain elastic toughness. Because of the similarity between the removal process of coconut fiber and the action of digging soil and gnawing nuts, a mechanical method of removing coconut fiber by using steel wire roller brush was designed with claw-toe as the bionic prototype in this study. On the one hand, the working performance of coconut fiber removal mechanism is affected by the mechanical structure parameters, on the other hand, it is influenced by the irregular shape of coconut. The study was based on the technological requirements of coconut fiber removal and the natural characteristics of coconut. In this paper, a scheme of removing coconut fiber by bionic steel wire roller brush was put forward, and a device for removing coconut fiber was developed. The device was mainly composed of a steel wire roller brush, a coconut clamping mechanism and a feeding mechanism, which can realize the removal, clamping, fixing and feeding of the coconut. In the work, it relied on the cutting edge of steel wire section to brush the coconut fiber, and combined the elastic toughness of the steel wire to achieve no damage to the coconut shell after removing the coconut fiber.According to the preliminary test and analysis of mechanical data in the process of coconut fiber removal in the reference project, there were many factors affecting the performance of coconut fiber removal, such as moisture content of coconut, material of the executive end of coconut fiber removal and outer diameter size, etc. In this study, clothes removal was carried out for coconut of the same quality within a certain range of moisture content, and the influence law of coconut fiber removal device on removal performance was emphatically analyzed. Three factors including the rotational speed of the roller brush, the diameter of the bristles and the spacing of the bristles were taken as the objects for experimental analysis and research. The synchronous coconut was selected as the experimental raw material, and the equatorial outer diameter range was controlled at 175 to 185 mm, and it was a matured coconut of non-coconut green. The parameter optimization experiment was carried out by using the bionic steel wire roller brush device to remove the coconut fiber, and the Design Expert software was used to carry out the test plan design and the result data analysis. The test results showed that the rotational speed of the roller brush had the greatest influence on the thickness of the coconut fiber, the influence of the spacing of the bristles was second, and the influence of the diameter of the bristles was the smallest. When the rotational speed of the roller brush was constant, the thickness of the coconut fiber increases first and then decreases with the increase of the spacing of the bristles. However, when the rotational speed of the roller brush increased, the variation of the thickness of the coconut fiber was not obvious. When the spacing of the bristles was fixed, the thickness of the coconut fiber removal would gradually increase with the increase of the rotational speed of the roller brush. The influence of the diameter of the bristles on the thickness of the coconut fiber is significant; when the diameter of the bristles was constant, the bristles were planted. The spacing had little effect on the thickness of the coconut fiber. The regression analysis results of the test data showed that the optimal combination parameters of the device were as follows: the rotational speed of the roller brush was 970 rad/min, the bristles diameter was 6 mm, the bristles planting distance was 10 mm, and the optimal combination parameters were predicted to be 31.24 mm. Repeated tests proved that the optimal combination parameters can reach the specified thickness of the undressing, and did not damage the inner coconut shell, which met the needs of deep processing of coconut.

mechanization; bionic; design; coconut; coconut fiber removal; steel wire roller brush

汝紹鋒，王居飛，樊軍慶.螻蛄爪趾特性仿生鋼絲輥刷除椰衣裝置設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(22)：27－35. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.004 http://www.tcsae.org

Ru Shaofeng, Wang Jufei, Fan Junqing. Design and parameter optimization of removing coconut fiberdevice by bionic steel wire roller brushbased on characteristics of claw-toe[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 27－35. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.004 http://www.tcsae.org

2018-06-29

2018-09-18

海南省自然科學(xué)基金項目（517075）；?？谑兄攸c項目（2014-027）

汝紹鋒，講師，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)機械及工程仿生設(shè)計。 Email：ru.shaofeng@163.com

樊軍慶，教授，研究方向為農(nóng)業(yè)機械及工程仿生設(shè)計。 Email：junqing666@139.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.004

S226; TH122

A

1002-6819(2018)-22-0027-09