王旺平 何 流 王義權(quán) 張永林 余南輝

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430024)

蓮子是中國(guó)江南地區(qū)，特別是兩湖兩廣地區(qū)一種非常重要的特色農(nóng)產(chǎn)品，具有很高的食用及藥用價(jià)值[1]。干殼蓮子由于其耐存儲(chǔ)的特性，在蓮子的精深加工中的地位越來越重要[2]。去殼后的干蓮主要由兩瓣蓮仁和蓮心組成，由于蓮心微苦，食用時(shí)會(huì)影響蓮肉的口感，因此在蓮子的加工中一般要去除蓮心。

傳統(tǒng)的手工或半機(jī)械化(采用鋼針并輔助簡(jiǎn)單的夾具)的穿心方法，穿心效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且蓮子穿心質(zhì)量無法保證。隨著蓮子的精深加工向機(jī)械化、自動(dòng)化方向發(fā)展，市面上也出現(xiàn)了多種類型的蓮子穿心機(jī)[3-5]。劉木華等[6]設(shè)計(jì)了一種鮮蓮子氣動(dòng)去芯機(jī)，該去芯機(jī)主要利用高壓水流對(duì)鮮蓮進(jìn)行去心。邱昕洋等[7]設(shè)計(jì)了一種半自動(dòng)小型鮮蓮子去芯機(jī)。這兩種機(jī)械主要是對(duì)鮮蓮進(jìn)行去心，不適用于干殼蓮子。馬秋成等[8]設(shè)計(jì)的全自動(dòng)蓮子去芯機(jī)，能對(duì)干殼蓮子進(jìn)行穿心，但由于采用鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，蓮子的定位不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致穿心率不高。張永林團(tuán)隊(duì)[9-10]研發(fā)的自動(dòng)對(duì)心功能的蓮子穿心機(jī)、轉(zhuǎn)盤式蓮子穿心機(jī)能對(duì)干殼蓮子進(jìn)行穿心，前者只能對(duì)單顆蓮子進(jìn)行加工，產(chǎn)量較低，后者雖產(chǎn)量較大，但工作時(shí)穿心鉆頭由于切削速度不夠，容易折斷，導(dǎo)致生產(chǎn)時(shí)連續(xù)性與可靠性較差。

基于對(duì)干殼蓮子的幾何、物理機(jī)械性能的研究，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種立式多工位蓮子穿心機(jī)。擬通過穿心轉(zhuǎn)盤與穿心機(jī)構(gòu)及落料機(jī)構(gòu)的共同配合，實(shí)現(xiàn)干殼蓮子的連續(xù)穿心、落料作業(yè)，以簡(jiǎn)化操作，提高穿心效率，降低蓮仁破損率，增強(qiáng)適應(yīng)性。

1 主體結(jié)構(gòu)與工作原理

要實(shí)現(xiàn)干殼蓮子的穿心，一般包括對(duì)蓮子的定位、夾緊、穿心、落料等環(huán)節(jié)。所設(shè)計(jì)的立式多工位蓮子穿心機(jī)主要由槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、定位夾緊機(jī)構(gòu)、穿心機(jī)構(gòu)、落料機(jī)構(gòu)、減速電機(jī)和機(jī)架等組成。

槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由主動(dòng)撥盤和從動(dòng)槽輪組成，主動(dòng)撥盤和從動(dòng)槽輪分別安裝在立式布置的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸上。定位夾緊機(jī)構(gòu)主要由穿心轉(zhuǎn)盤，以及布置在其上的4組定位夾緊機(jī)構(gòu)組成，每組定位夾緊機(jī)構(gòu)都能對(duì)蓮子進(jìn)行定位和夾緊。在穿心轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，定位夾緊機(jī)構(gòu)先后到達(dá)穿心工位及落料工位處。穿心裝置包括可被上下驅(qū)動(dòng)控制且對(duì)應(yīng)設(shè)于穿心工位處的穿心鉆頭。落料機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)架上且位于穿心轉(zhuǎn)盤的上方，落料機(jī)構(gòu)包括可被上下驅(qū)動(dòng)控制且對(duì)應(yīng)設(shè)于落料工位處的落料桿。該機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

工作原理：剝殼后的干殼蓮子，以長(zhǎng)軸垂直于工作臺(tái)的姿態(tài)放置在定位夾緊機(jī)構(gòu)的定位夾緊槽中；減速電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)主動(dòng)撥盤連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并在槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下帶動(dòng)從動(dòng)槽輪做間歇運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)撥盤每旋轉(zhuǎn)1圈，從動(dòng)槽輪和穿心轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)1/4圈；置于定位夾緊機(jī)構(gòu)中的蓮子，依次經(jīng)過準(zhǔn)備工位、穿心工位、落料工位；當(dāng)蓮子運(yùn)動(dòng)至穿心工位時(shí)，穿心機(jī)構(gòu)在空間凸輪的作用下，從上至下運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)蓮子的鉆削穿心，穿心后的蓮心粉末落入蓮心收集抽屜中；同時(shí)，位于第4工位上的已穿心蓮子，在落料桿的推動(dòng)下，從定位夾緊槽中跌落，并通過出料管排出機(jī)外，完成蓮子的穿心。穿心轉(zhuǎn)盤與穿心機(jī)構(gòu)及落料機(jī)構(gòu)共同配合，實(shí)現(xiàn)了干殼蓮子的連續(xù)穿心、落料作業(yè)，提高了蓮子穿心的效率。

1.定位夾緊機(jī)構(gòu) 2.落料機(jī)構(gòu) 3.蓮心收集抽屜 4.穿心機(jī)構(gòu) 5.槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 6.機(jī)架 7.減速電機(jī)
圖1 立式多工位蓮子穿心機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖
Figure 1 The structure of a vertical multi-station lotus core puncher

2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)蓮子的連續(xù)穿心，且在穿心鉆頭工作時(shí)，蓮子保持靜止?fàn)顟B(tài)。本設(shè)計(jì)采用了槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了蓮子在轉(zhuǎn)盤上的間歇運(yùn)動(dòng)。槽輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

工作時(shí)，撥盤在主傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下連續(xù)運(yùn)動(dòng)，固定在撥盤上的連桿通過圓柱銷帶動(dòng)槽輪做間歇運(yùn)動(dòng)。當(dāng)圓柱銷位于輪槽中時(shí)，槽輪處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)圓柱銷離開輪槽時(shí)，槽輪處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)圓柱銷進(jìn)入或離開輪槽時(shí)，槽輪中心和圓柱銷的連線垂直于撥盤和圓柱銷的連線。根據(jù)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)量，確定了槽輪槽數(shù)為4，撥盤圓柱銷數(shù)為1，根據(jù)轉(zhuǎn)盤直徑，確定槽輪和撥盤中心距為300 mm，根據(jù)槽輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)相關(guān)步驟，計(jì)算槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的其他參數(shù)如表1所示。

1.槽輪 2.圓柱銷 3.撥盤 4.連桿圖2 槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Figure 2 The structure of maltese mechanism

表1 槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)Table 1 The correlation parameters of maltese mechanism

2.2 定位夾緊機(jī)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的蓮子定位夾緊機(jī)構(gòu)安裝于轉(zhuǎn)盤上，共設(shè)置有4組定位夾緊機(jī)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)蓮子加工中的4個(gè)工位，即上料工位(第1工位)、準(zhǔn)備工位(第2工位)、穿心工位(第3工位)和落料工位(第4工位)，其結(jié)構(gòu)圖見圖3。每組定位夾緊機(jī)構(gòu)包含2個(gè)外滑塊、2個(gè)內(nèi)滑塊、彈簧。其中內(nèi)滑塊沿穿心轉(zhuǎn)盤的徑向方向安裝在安裝槽中，且其內(nèi)端限位安裝于內(nèi)環(huán)形限位槽內(nèi)，外滑塊沿穿心轉(zhuǎn)盤的徑向方向安裝于安裝槽，且位于內(nèi)滑塊的外側(cè)，外滑塊的外端限位安裝于外環(huán)形限位槽內(nèi)。當(dāng)穿心轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每一夾緊機(jī)構(gòu)先后到達(dá)對(duì)應(yīng)的上料工位、準(zhǔn)備工位、穿心工位及落料工位處，且在槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合下，4個(gè)夾持機(jī)構(gòu)停滯于對(duì)應(yīng)工位處。

1.外滑塊 2.彈簧 3.內(nèi)滑塊 4.定位桿 5.轉(zhuǎn)盤 6.從動(dòng)軸 7.凸輪盤 8.蓮子
圖3 定位夾緊機(jī)構(gòu)
Figure 3 The structure of positioning and clamping mechanism

為了保證不同工位對(duì)蓮子夾緊力的需求，從上料工位、準(zhǔn)備工位至穿心工位時(shí)，內(nèi)環(huán)形限位槽與外環(huán)形限位槽之間的間距逐漸減??；從穿心工位、落料工位至上料工位處，內(nèi)環(huán)形限位槽與外環(huán)形限位槽之間的間距逐漸增大。這種間距的變化通過改變置于轉(zhuǎn)盤下方的凸輪盤上的凸輪槽的形狀來實(shí)現(xiàn)。不同工位所需的夾緊力通過彈簧的壓縮量來控制，進(jìn)料工位彈簧變形量1 mm，夾緊力20 N，準(zhǔn)備工位和穿心工位彈簧變形量10 mm，夾緊力200 N，落料工位彈簧變形量0 mm，無夾緊力。

2.3 空間凸輪機(jī)構(gòu)

空間凸輪機(jī)構(gòu)安裝在主傳動(dòng)軸的上方，空間凸輪的外圓柱側(cè)表面上開設(shè)有環(huán)形導(dǎo)引凹槽。當(dāng)空間凸輪隨主動(dòng)軸同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過固定在穿心機(jī)構(gòu)上的導(dǎo)引桿的作用，使穿心機(jī)構(gòu)及落料機(jī)構(gòu)做上下方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓮子的鉆削穿心工作?？臻g凸輪的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及其展開圖如圖4所示。

所設(shè)計(jì)的空間凸輪導(dǎo)引凹槽為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)引桿處于前3/4周期時(shí)，空間凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)穿心機(jī)構(gòu)及穿心鉆頭緩慢向下運(yùn)動(dòng)，完成蓮子的穿心，滿足干殼蓮子穿心時(shí)的鉆削要求。當(dāng)穿心完成后，為了提高蓮子穿心機(jī)的工作效率，穿心機(jī)構(gòu)及穿心鉆頭向上運(yùn)動(dòng)時(shí)間為1/4周期。根據(jù)穿心機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)量，確定空間凸輪的進(jìn)程時(shí)間0.825 s，回程時(shí)間0.275 s，進(jìn)程平均速度30.3 mm/s，回程平均速度90.9 mm/s。

圖4 空間凸輪結(jié)構(gòu)及其展開圖Figure 4 The structure of space cam and its stretch out view

3 主要參數(shù)與性能指標(biāo)

該機(jī)的主要參數(shù)與性能指標(biāo)如表2所示。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)研制了一種立式多工位蓮子穿心機(jī)，通過穿心轉(zhuǎn)盤與穿心機(jī)構(gòu)及落料機(jī)構(gòu)的共同配合，實(shí)現(xiàn)了干殼蓮子的連續(xù)穿心、落料作業(yè)。設(shè)計(jì)中采用槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了蓮子加工過程的間歇運(yùn)動(dòng)，保證了蓮子鉆削穿心過程的穩(wěn)定性與可靠性，一次穿心率高，蓮仁破損率低。采用雙V型滑塊和彈簧組合的蓮子定位夾緊機(jī)構(gòu)，使蓮子進(jìn)料時(shí)阻力較小，提高了進(jìn)料速度；在穿心工位時(shí)能提供較大的夾緊力，進(jìn)一步保證了蓮子的穩(wěn)定性，提高了蓮子穿心率與穿凈率。采用非對(duì)稱凹槽的空間凸輪設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了穿心鉆頭的急回特性，提高了整機(jī)的工作效率。所設(shè)計(jì)的蓮子穿心機(jī)操作簡(jiǎn)單，穿心效率高，蓮仁破損率低，適應(yīng)性強(qiáng)，為干殼蓮子機(jī)械加工中的穿心工序提供了重要保證。但由于采用手工供料方式，該機(jī)產(chǎn)量提高受到限制，后續(xù)可研究蓮子穿心機(jī)的自動(dòng)供料系統(tǒng)，提高其產(chǎn)量。

表2 主要參數(shù)與性能指標(biāo)Table 2 The main parameters and performance indexs