王亮 易湘斌 梁澤芬

摘要 對(duì)設(shè)計(jì)的雞蛋剝皮機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)沖擊力模擬仿真和簡(jiǎn)化模型試驗(yàn)。在SolidWorks中建立剝皮機(jī)的三維模型，運(yùn)用Motion模塊，模擬雞蛋沖擊力大小，并通過(guò)設(shè)置不同的破碎輥轉(zhuǎn)速，分析沖擊力大小變化趨勢(shì)，然后根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)定簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ推扑檩伒乃俣龋?yàn)證沖擊力對(duì)雞蛋殼的破壞情況，試驗(yàn)?zāi)Σ凛亴?duì)破碎蛋殼的剝皮效果。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明：隨著破碎輥轉(zhuǎn)速的提高，雞蛋所受沖擊力也隨之增加，當(dāng)破碎輥轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，達(dá)到了破碎蛋殼所需力的大小。簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證了計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的正確性以及剝皮機(jī)要取得較好的效果，需要對(duì)雞蛋施加10 N左右的壓力。采用破碎輥破碎蛋殼及橡膠摩擦輥去皮的方法是可行的，可為相關(guān)企業(yè)開發(fā)新的設(shè)備提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 雞蛋剝皮機(jī);破碎輥;沖擊力; Motion

中圖分類號(hào) TB472文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）10-0185-02

Abstract The computerized impact simulation and simplified model experiments were carried out on the designed egg peeling machine. The 3D model of the peeling machine was built in SolidWorks， and the Motion module was used to simulate the impact force of the egg. By setting different crushing roller speeds， the impact force trend was analyzed， and then the speed of the experimental model crushing roller was set according to the simulation result. Verify the damage of the egg shell by the impact force， and test the peeling effect of the friction roller on the broken egg shell. The computer simulation results show that with the increase of the speed of the crushing roller， the impact force of the egg also increases. When the speed of the crushing roller is 150r/min， the force required to break the eggshell is reached. The simplified experimental model verifies the correctness of the computer simulation results and the skinning mechanism needs to achieve better results. It is necessary to apply a pressure of about 10N to the eggs. It is feasible to use the crushing roller to break the eggshell and the rubber friction roller to peel the skin， and provide technical reference for the related enterprises to develop new equipment.

Key words Egg peeling machine;Crushing roll;Impact force;Motion

隨著生活水平的提高，人們外出就餐的機(jī)會(huì)大大增加，隨之而來(lái)的飲食安全問(wèn)題已不可忽視。雞蛋營(yíng)養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)的氨基酸比例很適合人體生理需要，易為機(jī)體吸收，利用率在98%以上，是人類經(jīng)常食用的食物之一[1-2]。但是在特定情況下，自己動(dòng)手剝雞蛋很不衛(wèi)生，也影響健康。目前市面上已經(jīng)有雞蛋剝皮機(jī)產(chǎn)品問(wèn)世，但這類產(chǎn)品主要采用類似振動(dòng)篩的方式實(shí)現(xiàn)雞蛋殼的破碎，機(jī)器噪聲比較高，整機(jī)功率較大。為此，筆者針對(duì)日常生活中的飲食健康問(wèn)題，參照現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了雞蛋殼破碎裝置，旨在減小機(jī)器噪聲、降低整機(jī)功率、減小機(jī)器體積，方便餐飲店使用。

1 雞蛋剝皮流程分析

機(jī)器要完成雞蛋剝皮有3個(gè)過(guò)程。

1.1 雞蛋入料數(shù)量控制 為了保證在剝皮過(guò)程中，不出現(xiàn)雞蛋堆積的問(wèn)題，從漏斗中流出的雞蛋數(shù)量要通過(guò)機(jī)械方式進(jìn)行控制，確定雞蛋進(jìn)入的順序和數(shù)量，避免在蛋殼破碎時(shí)雞蛋發(fā)生堆積。

1.2 蛋殼破碎過(guò)程 雞蛋進(jìn)入蛋殼破碎裝置中，要求破碎裝置既能完成蛋殼的破碎，又不能對(duì)雞蛋造成損傷，還要保證裝置工作時(shí)噪聲小。

1.3 剝皮過(guò)程 經(jīng)過(guò)破碎裝置破碎蛋殼后，雞蛋被輸送到剝皮裝置中，剝皮裝置采用摩擦去皮方式，即2個(gè)圓柱摩擦輥反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠摩擦輥與雞蛋殼之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)雞蛋去皮。

通過(guò)對(duì)3個(gè)流程的分析，結(jié)合機(jī)械原理知識(shí)完成了雞蛋剝皮機(jī)三維模型的建立，如圖1所示。雞蛋數(shù)量控制由凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，蛋殼破碎由破碎輥實(shí)現(xiàn)，雞蛋的輸送由螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)[3-4]，剝皮過(guò)程由橡膠摩擦輥實(shí)現(xiàn)。

2 雞蛋殼破碎理論分析

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，當(dāng)物體所受應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時(shí)，材料即發(fā)生永久變形。由赫茲理論得出最大接觸應(yīng)力公式[5]：

σH=36π3ρ1+ρ2ρ1ρ2Fn

1-μ21E1+1-μ22E2（1）

式（1）中，ρ1、ρ2為兩物體接觸點(diǎn)處的曲率半徑（mm）;μ1、μ2為兩物體的泊松比;E1、E2為兩物體的彈性模量（MPa）;Fn為接觸力（N）。

分析公式發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2個(gè)物體形狀尺寸、材料參數(shù)不變時(shí)，最大接觸應(yīng)力與接觸力大小有關(guān)系。

由彈性力學(xué)可知，沖擊力的大小與2個(gè)碰撞物體的材料屬性、距離、速度有關(guān)系。而雞蛋的材料屬性難以準(zhǔn)確確定，故采用計(jì)算機(jī)模擬的方法，近似計(jì)算沖擊力，計(jì)算沖擊力的三維模型如圖2所示。

3 雞蛋沖擊模型仿真

在SolidWorks中建立雞蛋剝皮機(jī)的三維模型，給電機(jī)加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于實(shí)際中，破碎輥通常用腰背按摩棍制作，雞蛋殼的主要成分是碳酸鈣[6]，碳酸鈣是一種比較脆的物質(zhì)，因此為簡(jiǎn)化模型，近似選擇雞蛋殼材料是尼龍，破碎輥的材料是橡膠，其余參數(shù)默認(rèn)。

在SolidWorks中，有2種模型（泊松模型和沖擊模型[7-8]）來(lái)定義接觸參數(shù)，計(jì)算接觸力。

泊松模型基于對(duì)恢復(fù)系數(shù)的使用，關(guān)系式定義如下：

v′2-v′1=e（v1-v2）? （2）

式（2）中，v1和v2為碰撞前的速度（mm/s）;v′1和v′2為碰撞后的速度（mm/s）;e為恢復(fù)系數(shù)。

該模型適用于計(jì)算碰撞時(shí)系統(tǒng)能量損失的模擬。所以在模擬雞蛋破碎時(shí)不采用該計(jì)算模型，選用沖擊模型。

沖擊模型中，計(jì)算沖擊力的表達(dá)式如下：

Fn=k（x0-x）e-cv（3）

式（3）中，F(xiàn)n為接觸力（N）;x0 為接觸前位移（mm）;x 為接觸后位移（mm）;k為接觸剛度（N/mm）;e為彈力指數(shù);c為阻尼系數(shù)（N·sec/mm）;v為法向相對(duì)速度（mm/s）。

由于雞蛋的材料屬性難以確定，故選擇SolidWorks預(yù)定義的材料尼龍和橡膠（非潤(rùn)滑），近似模擬沖擊力的大小。

物體所受沖擊力的大小與沖擊物體的速度有關(guān)，因此給破碎輥設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速，模擬破碎輥在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)雞蛋沖擊力大小的變化趨勢(shì)，模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)出整理后得圖3。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 破碎試驗(yàn) 為降低試驗(yàn)成本，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，破碎輥部?/p>

選用常見的室外健身用的腰背按摩棍，制作的簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4.2 摩擦剝皮試驗(yàn) 將蛋殼均勻破碎的雞蛋放在橡膠摩擦輥上，然后給橡膠摩擦輥施加一定轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)剝皮效果不是特別理想，分析原因發(fā)現(xiàn)：由于雞蛋質(zhì)量較輕，造成蛋殼與摩擦輥的摩擦力過(guò)小。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，給雞蛋施加10 N左右的壓力，重新進(jìn)行試驗(yàn)，效果較好。

5 結(jié)論

通過(guò)SolidWorks模擬仿真破碎輥對(duì)雞蛋沖擊力的大小，

設(shè)定不同轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)雞蛋所受沖擊力是不同的，隨著轉(zhuǎn)速的提高，沖擊力增大，最后通過(guò)簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證破碎輥轉(zhuǎn)速達(dá)到150 r/min時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)雞蛋殼的破碎。摩擦去皮試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)雞蛋施加10 N左右壓力，才能取得較好的剝皮效果。因此，通過(guò)破碎輥與螺旋機(jī)組合機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以完成雞蛋殼破碎和雞蛋輸送，利用橡膠輥摩擦實(shí)現(xiàn)蛋殼去除。該研究可以為企業(yè)開發(fā)類似產(chǎn)品提供技術(shù)參考。

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