王志龍，鄭偉，劉世豪*

1.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司（北京 100120）；2.海南大學機電工程學院（?？?570228）

芒果是一種著名的熱帶水果，海南地區(qū)的居民幾乎每天都會食用芒果，全國范圍內(nèi)對芒果的需求量也在逐年上升。這些年，全球芒果種植面積在不斷擴大，其產(chǎn)量也在快速增長。目前，世界種植芒果的國家和地區(qū)超過80個，主要分布在熱帶和亞熱帶。

芒果可以直接削皮食用或者榨汁飲用，由于其皮厚而且堅硬，給食用者帶來諸多不便。針對市場的需求，很多企業(yè)開始對芒果進行加工，很多大學、企業(yè)也研究芒果的生產(chǎn)、加工。隨著我國的經(jīng)濟發(fā)展，人們對芒果的需求也不僅僅限于其基本的營養(yǎng)需求，并且要求綠色環(huán)保。當前，大部分家庭仍使用最原始的芒果食用方式，即徒手削皮。然而，也有一部分家庭利用高速旋轉(zhuǎn)的刀片來榨汁，這樣在超高的離心作用力下會破壞瓜果的營養(yǎng)價值，也不是很合理。

目前市場上芒果榨汁的機器單一，專門的芒果削皮機械也比較少見，主要包括企業(yè)使用的大型榨汁機械和家庭使用的小型高速旋轉(zhuǎn)榨汁機。企業(yè)使用的大型機械由于區(qū)域和需求的限制，不便銷售。家庭小型的高速旋轉(zhuǎn)榨汁機操作復雜，營養(yǎng)被破壞嚴重，效率低。榨汁的前一道工序是削皮，然而芒果削皮機械少見且還不成熟，這嚴重阻礙了芒果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

綜上所述，為了加快芒果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及排除上述的尷尬局面，提出設計一種新型芒果削皮榨汁一體機，并且能實現(xiàn)榨現(xiàn)賣的銷售模式，進而促進我國熱帶農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化進程。所設計的新型芒果削皮榨汁一體機主要包括削皮機構(gòu)和榨汁機構(gòu)，具體設計包括果皮果肉分離設計和運輸設計[1]。

1 削皮機構(gòu)部分的設計與分析

1.1 芒果的物理性質(zhì)

芒果的品類繁多，形狀主要是橢圓形，瓜皮包括青芒的綠硬皮和成熟黃芒的軟皮。芒果的尺寸長度一般在10～15 mm之間，直徑一般在8～10 mm之間，質(zhì)量一般在200～500 g之間，果皮厚4 mm以上。

1.2 削皮機構(gòu)的設計

削皮機構(gòu)設計為單刀式臥式削皮機構(gòu)，如圖1所示。芒果削皮機構(gòu)由絲桿齒輪、絲桿、外殼、升降臺、仿行彈簧、下爪齒輪、導向桿、氣壓缸、上刀爪、下刀爪等組成。削刀裝在刀桿上，而刀桿裝在升降臺上，升降臺隨著絲桿的轉(zhuǎn)動而上下移動。絲桿與絲桿齒輪剛接，下爪盤與下爪盤齒輪剛結(jié)，兩個齒輪嚙合，產(chǎn)生一定的傳動比，實現(xiàn)削皮刀合理的削皮。上爪盤由氣缸控制，起到夾緊芒果的作用。絲桿軸外接減速電動機，實現(xiàn)動力的輸入[2]。

圖1 芒果削皮機構(gòu)示意圖

1.2.1 芒果的受力分析

芒果在工作狀態(tài)下受到刀具的切削力和上下卡爪的擠壓力。為了確定刀具、刀型以及仿形力F0大小（F0決定彈簧的選擇），必須對工作狀態(tài)下的削皮機構(gòu)進行受力分析。

仿形機構(gòu)是根據(jù)杠桿原理設計的[2-3]。由圖2可得，工作狀態(tài)下的芒果與刀具受力平衡，滿足式（1）。

圖2 芒果切削受力圖

式中：F0為彈簧力，N；L1為刀桿動力臂長度，mm；FA為切削力（阻力），N；L2為刀桿阻力臂長度，mm；h0為待削果皮厚度，mm；FB是B點處的仿形力，N。

芒果皮在切削力FA的作用下與果肉分開，刀具的設計還可以實現(xiàn)果皮厚度均勻的目的，仿形塊2在仿形力的作用下可以保持與果肉的始終接觸，因此凸臺AB的距離則是果皮的厚度。由于果皮厚度很小，根據(jù)實際情況，這個厚度相對于刀桿的長度可以不計，則式（1）變成：

1.2.2 削皮刀的設計與入切角的選擇

圖2中的α角為入切角，最佳的范圍在20°～40°[4]，這樣可以保證削刀不至于切到過多果肉，也可以保證削刀緊貼芒果果皮。

刀型的選擇是為了保證每一處瓜皮的厚度相同，故選擇弧形削皮刀。其大小為r=15 mm的圓弧形。對于刀具的選擇還需考慮以下因素：

1) 材料：芒果為高維生素、高糖、多汁水的水果，在削皮的過程中會流出大量的汁水，則削皮刀應該選擇不容易生銹的材料，由于削皮有時沖擊比較大，還要滿足剛度要求和強度要求，要求耐用，故選擇1Cr13材質(zhì)的不銹鋼。

2) 可靠性：削皮過程要保證削皮刀的穩(wěn)定，不能受到機械振動、芒果表面不均勻等因素的影響，還要保持果皮的厚度均勻。

3) 調(diào)節(jié)方便：要滿足不同厚度的削皮要求。

1.2.3 刀桿及彈簧的設計

選擇仿形彈簧為拉伸彈簧，其工作載荷在80～100 N之間，實際情況中彈簧的工作原理圖如圖3所示[5]。

圖3 彈簧工作原理圖

由實際經(jīng)驗可知，芒果最大橫截面的長軸徑為100 mm，由于不同的芒果大小不一致，故取最大芒果的最大橫截面的長軸半徑為Rmax=50 mm，下卡爪的半徑Rmin=10 mm。圖3中的θ是指仿形刀具可以自動仿形而調(diào)節(jié)的角度，削刀可以一直緊貼芒果果皮并且沿著AB運動。A0是刀桿的起始位置，此時擺動角為0，當θ最大時，即削刀位于B點，A、B兩點是削刀的兩個極限位置，為了保證削刀道口恰好從下卡盤開始工作（即恰好接觸到下卡盤），工作時要求θ＞0°[6-8]，以保證削刀不會與其他機構(gòu)發(fā)生干涉從而破壞削刀。而彈簧的最大壓拉長度h應該滿足等式：

所以：

設計還要在滿足使用要求的前提下盡可能地縮小整機大小，因此還需要滿足：

綜合上述關(guān)系可知，所需切削力的大小由芒果自身的物理性質(zhì)確定，不同的芒果其需要的切削力差異不大，而彈簧的壓拉長度則由刀桿的動力臂和阻力臂決定，所以設計刀桿的動力臂為20 mm，阻力臂端為40 mm，所以彈簧的壓拉長度為20 mm。

2 榨汁機構(gòu)的設計與分析

2.1 芒果榨汁的受力分析

所設計的榨汁方法主要是將去皮的芒果擠壓，將芒果果汁與果肉分開。為方便分析，將擠壓芒果幾乎呈橢圓形，芒果擠出工藝簡單。假設構(gòu)建擠壓力模型（圖4），根據(jù)分析，芒果受力相對簡單，向壓力凸輪施加正向壓力F0，于是芒果受到壓力也為F0，擠壓凹輪的反作用力也是F0。

而將芒果可以擠壓成渣，盡可能地榨汁出更多芒果汁的擠壓力F0，由芒果的物理性質(zhì)確定[9-10]。根據(jù)實際經(jīng)驗記錄可知，F(xiàn)0可以取1 000 N，選取安全系數(shù)1.5，即以1 500 N為設計這部分機構(gòu)提供設計參數(shù)。

圖4 芒果擠壓的受力分析示意圖

2.2 榨汁機構(gòu)的進料設計

榨汁機構(gòu)位于削皮機構(gòu)的下方，則進料方式可以通過一個曲形管道連接到擠壓凹輪處。曲形彎管形狀如圖5所示，其尺寸大小要通過其他機構(gòu)的位置確定。

圖5 進料管外形

2.3 榨汁機構(gòu)具體設計

芒果的榨汁工作過程如圖6所示，具體的工作原理如下：

1) 輸送裝置工作原理：芒果從削皮機構(gòu)部分完成削皮后落入導管中，在重力的作用下沿著管壁向下滑動，直到遇到凹輪的壁被擋住。當榨汁結(jié)構(gòu)開始運轉(zhuǎn)時，凹輪也開始轉(zhuǎn)動，而凹輪的壁上面開有足夠容納芒果的凹槽，則芒果會滑入凹輪的凹槽中。凹輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則相繼的芒果也會落入位于凹輪上面相鄰的槽中，填補上一個空缺位，由此重復還可以實現(xiàn)重復旋轉(zhuǎn)進料。補充：由于芒果的最大短軸直徑為100 mm，最小短軸直徑為60 mm，則取凹輪的直徑為180 mm。

2) 榨汁裝置的工作原理：裝置運轉(zhuǎn)起來，位于凹輪2中的芒果跟隨凸輪2一起轉(zhuǎn)動，隨后跟凸輪1配合，凸輪1中的半球擠壓芒果，將芒果果汁逐漸從果肉中榨出，芒果汁在重力的作用下向下流出，此時在榨汁裝置的下面有個集汁料漏斗，中間是個網(wǎng)狀擋板，通過漏斗實現(xiàn)果汁的收集。

3) 排渣裝置的工作原理：榨汁后的芒果渣的表面摩擦因數(shù)很小，并且凹輪和凸輪都在旋轉(zhuǎn)。故果渣不會粘連在凹輪或者凸輪上面。位于果汁收集漏斗上面有個傾斜的網(wǎng)狀擋板，果渣會在重力的作用下滑至底邊，方便排渣。

圖6 榨汁工作原理圖

3 整機結(jié)構(gòu)設計及工作原理

3.1 總機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

傳動系統(tǒng)通過齒輪的傳動，絲桿、下爪盤、凹輪和凸輪有個合理且固定的傳動比，使削刀可以合理地切削果皮；通過凹輪和凸輪的準確配合，對芒果進行榨汁，由于齒輪的傳動需要準確的中心距，因此會有固定的軸承位置，使得每次機器清洗之后更加容易安裝，更加準確地定位。

外殼采取不銹鋼材料，這可以對機構(gòu)的其他部分起到保護作用，防止飛濺的果汁濺入傳動系統(tǒng)中形成腐蝕而減少機構(gòu)的壽命，也可以防止裸露的機構(gòu)對操作人形成危險。

輸送裝置包括削皮后進入榨汁部分的彎管，凹輪和凸輪不僅僅是榨汁機構(gòu)，也是運輸果渣的裝置，運輸裝置可以使得削皮后的芒果準確進入到凹輪中。

榨汁裝置包括凹輪、凸輪、集汁料斗、傳動軸等部件，使得削皮后的芒果可以順利榨汁，合理地收集果汁。

各種傳動機構(gòu)中最常見的就是齒輪傳動。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精確、傳動穩(wěn)定、傳動效率高、組合可以實現(xiàn)很大的傳動比、使用壽命長等優(yōu)點。設計要求傳動準確、結(jié)構(gòu)緊湊，則選擇齒輪傳動。

根據(jù)前文第1和第2節(jié)的內(nèi)容以及實際經(jīng)驗，整機齒輪傳動結(jié)構(gòu)如圖7所示。電動機通過聯(lián)軸器帶動圓柱錐齒輪主動輪旋轉(zhuǎn)，圓柱錐齒輪主動輪帶動圓柱錐齒輪從動輪旋轉(zhuǎn)，圓柱錐齒輪從動輪與絲桿主動輪齒輪以及凸輪固定于同一軸上，傳動主動輪帶動直齒傳動從動輪旋轉(zhuǎn)，直齒傳動從動輪和凹輪位于軸上，形成一級傳動，下爪盤從動輪齒輪、下爪盤固定于軸上，減速電機帶動傳動軸4，絲桿主動輪齒輪帶動下爪盤從動輪齒輪旋轉(zhuǎn)。

圖7 整體機器傳動示意圖

3.2 整機工作過程分析

結(jié)合設計結(jié)果和方法，最終設計得到的芒果削皮榨汁一體機的整機結(jié)構(gòu)如圖8所示。在整機的工作過程中，將芒果放入進料管（9）中，上爪盤在氣缸控制器（6）的控制下將芒果加緊，交流電動機1帶動絲桿的轉(zhuǎn)動，位于升降臺上的刀具（5）可以左右移動，同時位于絲桿傳動軸（4）上的絲桿齒輪帶動下爪盤轉(zhuǎn)動，下爪盤旋轉(zhuǎn)從而芒果旋轉(zhuǎn)，在刀具的作用下完成削皮，被削皮后的芒果進入輸料管中。

圖8 整機三維結(jié)構(gòu)

芒果在進行第一步的切削工作之后開始通過輸料管進入到下一道工序。在榨汁系統(tǒng)中，減速電動機（15）帶動主動錐齒輪轉(zhuǎn)動，從動錐齒輪（14）與主動錐齒輪因為相互嚙合而轉(zhuǎn)動，則凸輪傳動軸會帶著凸輪（11）轉(zhuǎn)動，同時與凸輪齒輪嚙合的凹輪齒輪（13）轉(zhuǎn)動，帶動凹輪（12）轉(zhuǎn)動。芒果通過輸料管時在重力的作用下會進入凹輪槽，芒果在凹輪和凸輪的作用下完成榨汁工作。果汁會在重力的作用下流入到果汁的收集桶中。經(jīng)過以上工序完成芒果的削皮、榨汁、收集等加工。

4 結(jié)論

市場缺乏對于芒果的集削皮榨汁于一體的機器，目前市場上芒果還多為人工削皮，少有機器操作。針對以上問題，設計了一種小型的、高效的、合理的、可以完成自動削皮榨汁的新型芒果削皮榨汁機，具體分析與設計總結(jié)如下：

1) 通過芒果削皮的受力分析，得出了合理的削皮仿形刀具，得出了所設計彈簧的壓拉長度。

2) 通過芒果榨汁受力分析，計算出了榨汁芒果的擠壓力，從而可以設計其它部件的尺寸。

3) 參考市場上瓜果的削皮方式，合理地得出了設計的削皮方式以及部分的大致位置，參考市場的榨汁方式，合理地得出了該設計特色擠壓榨汁方式。