曹海雲(yún)，李百成，李聲元，吳勁鋒，黃曉鵬*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅奧凱農(nóng)產(chǎn)品干燥裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070)

籽瓜俗稱“打瓜”或“打籽西瓜”，是葫蘆科普通西瓜亞種的一個(gè)栽培變種，屬低糖瓜類[1，2]，廣泛種植于我國(guó)西北干旱、半干旱地區(qū)，是一種適合于粗放型管理的經(jīng)濟(jì)作物[3，4]。其瓜籽即為我們所熟知的“大板黑瓜子”，常食其籽可起到穩(wěn)定血壓、預(yù)防動(dòng)脈硬化、烏發(fā)養(yǎng)發(fā)的作用[5，6]。

目前，籽瓜產(chǎn)后加工機(jī)械方面的研究較多。楊海濤[7]等設(shè)計(jì)了一種籽瓜撿拾脫籽機(jī)，該機(jī)器集撿拾、破碎、脫籽功能于一體，并利用螺旋葉片與碎瓜刀相結(jié)合對(duì)籽瓜進(jìn)行破碎分離，但是破碎后瓜籽損傷率較高；閻洪山[8]等發(fā)明設(shè)計(jì)了一種背負(fù)式打瓜聯(lián)合收獲機(jī)，可高效地完成打瓜的收集、破碎、取籽、裝袋工作，大大地提高了收獲效率，但因其成本較高，故不能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。鄧身康[9]等設(shè)計(jì)了一種籽瓜脫粒機(jī)，該機(jī)雖然實(shí)現(xiàn)了破碎取籽的機(jī)械化作業(yè)，但其篩網(wǎng)容易堵塞，工作效率低，且主要用于田間定點(diǎn)作業(yè)，因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用較少。張鋒偉[10]等設(shè)計(jì)的籽瓜籽汁分離機(jī)，可以一次性將籽瓜的皮、瓤、籽分離，但分離效果不好，在實(shí)際使用中效果不佳。黃曉鵬[11]等設(shè)計(jì)了一種籽瓜挖瓤機(jī)，該機(jī)器只實(shí)現(xiàn)了籽瓜的皮、瓤分離，沒(méi)有達(dá)到取籽的目的，且該機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合籽瓜的大規(guī)模加工生產(chǎn)。

針對(duì)現(xiàn)有籽瓜綜合加工利用的要求，課題組設(shè)計(jì)研制了一種籽瓜破碎機(jī)，為提高籽瓜破碎效率和機(jī)器使用壽命，本文利用EDEM.2020對(duì)籽瓜破碎過(guò)程進(jìn)行仿真分析。確定工作時(shí)破碎齒輥和壓碎輥的最佳轉(zhuǎn)速，以期為整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 籽瓜破碎機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

課題組自主設(shè)計(jì)的可調(diào)式籽瓜破碎機(jī)如圖1所示，可實(shí)現(xiàn)破碎齒輥、壓碎輥轉(zhuǎn)速、間距按需調(diào)整的功能。整機(jī)主要由入料口、壓碎輥、出料口、機(jī)架、破碎齒輥等部件組成，籽瓜破碎機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。破碎齒輥和壓碎輥由YE2-90L-4電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)與破碎齒輥之間裝有RV63-10-Y1.5-4P減速器，由Goodrive20變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速大小，以便滿足不同工作狀態(tài)下破碎齒輥與壓碎輥的轉(zhuǎn)速要求。工作時(shí)，籽瓜由入料口喂入后在高速旋轉(zhuǎn)的破碎齒輥?zhàn)饔孟率艿骄薮蟮臎_擊力[12-15]，實(shí)現(xiàn)整瓜的初步破碎，然后初步破碎的籽瓜混合物經(jīng)壓碎輥進(jìn)一步破碎，并將混合物中皮、瓤、籽分離，由出料口排出，整機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 籽瓜破碎機(jī)實(shí)物圖

圖2 籽瓜破碎機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)1.入料口；2.壓碎輥；3.出料口；4.機(jī)架；5.破碎齒輥

表1 技術(shù)參數(shù)

破碎齒輥和壓碎輥組成的破碎裝置是整個(gè)機(jī)器的核心部件，結(jié)構(gòu)如圖3所示，其轉(zhuǎn)速大小將直接影響機(jī)器的破碎效率，因此，本文主要對(duì)壓碎輥與破碎齒輥在不同轉(zhuǎn)速下籽瓜的破碎情況進(jìn)行模擬仿真分析。

圖3 破碎裝置三維結(jié)構(gòu)1.入料口；2.破碎齒輥；3.壓碎輥；4.出料口

2 籽瓜破碎過(guò)程仿真分析

2.1 研究方法

在SolidWorks2019軟件中建立籽瓜破碎分離機(jī)的三維模型，以壓碎輥轉(zhuǎn)速、破碎齒輥轉(zhuǎn)速為影響因素，以瓜皮粒度、作業(yè)時(shí)間為指標(biāo)，利用EDEM2020對(duì)籽瓜破碎過(guò)程進(jìn)行模擬仿真分析，試驗(yàn)因素見(jiàn)表2。在EDEM后處理界面的出料口部位建立網(wǎng)格箱組，仿真完成后經(jīng)計(jì)算可得瓜皮粒度，作業(yè)時(shí)間即為仿真完成時(shí)間。將瓜皮顆粒設(shè)置為紅色，瓜瓤顆粒設(shè)置為藍(lán)色，皮瓤破碎裝置為默認(rèn)顏色，籽瓜破碎分離仿真過(guò)程如圖4所示。

表2 試驗(yàn)因素

圖4 籽瓜破碎分離仿真過(guò)程

由圖4(a)可知，當(dāng)仿真時(shí)間為0.2 s時(shí)，籽瓜由入料口進(jìn)入籽瓜破碎裝置后在破碎齒輥?zhàn)饔孟卤黄扑?，此時(shí)瓜皮已經(jīng)開(kāi)始破碎；由圖4(b)可知，當(dāng)仿真時(shí)間為0.5 s時(shí)，籽瓜在破碎齒輥的帶動(dòng)下進(jìn)入壓碎輥，在壓碎輥的作用下使得瓜皮和瓜瓤發(fā)生初步分離；由圖4(c)可知，當(dāng)仿真時(shí)間為1 s時(shí)，此時(shí)分離過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，瓜瓤與瓜皮已完成分離，但仍有部分瓜皮顆粒與瓜瓤顆粒粘結(jié)在一起，已破碎的瓜皮和瓜瓤通過(guò)出料口完成分離過(guò)程；由圖4(d)可知，當(dāng)仿真時(shí)間為3 s時(shí)，皮、瓤分離過(guò)程已基本完成。在仿真完成后通過(guò)出料口的顆粒中，只有少量瓜皮顆粒仍與瓜瓤顆粒黏連在一起，這與籽瓜破碎裝置樣機(jī)實(shí)際工作情況一致，因此，仿真結(jié)果與實(shí)際破碎結(jié)果基本相符。

2.2 結(jié)果和討論

2.2.1 壓碎輥轉(zhuǎn)速對(duì)籽瓜破碎分離效果的影響

固定籽瓜喂入量為10 kg/min，破碎齒輥轉(zhuǎn)速為110 r/min，對(duì)壓碎輥轉(zhuǎn)速為70 r/min、90 r/min、110 r/min、130 r/min和150 r/min五個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可知，壓碎輥轉(zhuǎn)速對(duì)瓜皮粒度的分布影響較大，當(dāng)壓碎輥轉(zhuǎn)速為70 r/min時(shí)，籽瓜破碎效果不佳，瓜皮粒度在0～20 mm之間的比例僅為9.4%，20～40 mm之間的比例為11.9%，40～60 mm之間的比例為17.9%，60～80 mm之間的比例為23.2%，80～100 mm之間的比例為37.6%；當(dāng)壓碎輥轉(zhuǎn)速為90 r/min時(shí)，情況與70 r/min類似，瓜皮粒度的平均值較轉(zhuǎn)速為70 r/min時(shí)略微增大；當(dāng)壓碎輥轉(zhuǎn)速為110r/min時(shí)，經(jīng)出料口的瓜皮粒度較為平均，瓜皮粒度分別為23.6%、23.5%、22.2%、15.4%、15.3%；當(dāng)壓碎輥轉(zhuǎn)速為130 r/min與150 r/min時(shí)情況類似，籽瓜的破碎效果較好，以壓碎輥轉(zhuǎn)速為130 r/min為例，瓜皮粒度在0～20 mm之間的比例(29.5%)最大，在80～100 mm之間的比例(9.4%)最小。由圖5(b)可知，隨著壓碎輥轉(zhuǎn)速增大，工作時(shí)間呈先急劇下降后緩慢減小的變化趨勢(shì)，并且當(dāng)壓碎輥轉(zhuǎn)速為150 r/min，工作時(shí)間達(dá)到最小值1.3 s。綜合考慮瓜皮粒度和工作時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)，壓碎輥?zhàn)罴艳D(zhuǎn)速為130 r/min。

圖5 壓碎輥轉(zhuǎn)速仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 破碎齒輥轉(zhuǎn)速對(duì)籽瓜破碎分離效果的影響

固定籽瓜喂入量為10 kg/min，壓碎輥轉(zhuǎn)速為110 r/min，對(duì)破碎齒輥轉(zhuǎn)速為70 r/min、90 r/min、110 r/min、130 r/min和150 r/min五個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)可知，當(dāng)破碎齒輥轉(zhuǎn)速為70 r/min與90 r/min時(shí)情況類似，籽瓜破碎效果不佳。以破碎齒輥轉(zhuǎn)速為70 r/min為例，瓜皮粒度在0～20 mm之間的比例僅為11.3%，在20～40 mm之間內(nèi)的比例為14.0%，40～60 mm之間的比例為19.8%，60～80 mm之間的比例為25.2%，80～100 mm之間的比例為29.7%；當(dāng)破碎齒輥轉(zhuǎn)速為110 r/min與130 r/min時(shí)，籽瓜破碎效果提升顯著，經(jīng)出料口的瓜皮粒度較為平均。以破碎齒輥轉(zhuǎn)速為110 r/min為例，瓜皮粒度分別為18.6%、18.7%、32.2%、32.2%、19.8%、10.7%；當(dāng)破碎齒輥轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，瓜皮破碎效果變化不顯著，瓜皮粒度在0～20 mm之間的比例(31.8%)最大，在80～100 mm之間的比例(5.6%)最小。由圖6(b)可知，隨著破碎齒輥轉(zhuǎn)速增大，工作時(shí)間呈先迅速減小后緩慢減小的變化趨勢(shì)，在破碎齒輥轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min改變至110 r/min時(shí)，工作時(shí)間變化最為明顯，并且當(dāng)破碎齒輥轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，工作時(shí)間達(dá)到最小值1.7 s。綜合考慮瓜皮粒度和工作時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)，破碎齒輥?zhàn)罴艳D(zhuǎn)速為110 r/min。

圖6 破碎齒輥轉(zhuǎn)速仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 小結(jié)

基于EDEM軟件對(duì)自主研制的籽瓜破碎機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：

(1)壓碎輥與破碎齒輥轉(zhuǎn)速對(duì)瓜皮粒度分布影響較大，當(dāng)兩者轉(zhuǎn)速均為70 r/min或90 r/min時(shí)，籽瓜破碎效果不佳；當(dāng)壓碎輥轉(zhuǎn)速為110 r/min時(shí)，瓜皮粒度較為平均，但未達(dá)到預(yù)期破碎效果；當(dāng)破碎齒輥轉(zhuǎn)速為110 r/min與130 r/min時(shí)，籽瓜破碎效果提升顯著；當(dāng)壓碎輥轉(zhuǎn)速為130 r/min與150 r/min時(shí)，籽瓜的破碎效果較好；當(dāng)破碎齒輥轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，瓜皮破碎效果變化不顯著。

(2)隨著壓碎輥轉(zhuǎn)速增大，工作時(shí)間呈先迅速降低后緩慢減小的變化趨勢(shì)，破碎齒輥表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。破碎齒輥轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min提高至110 r/min，工作時(shí)間變化最為明顯。綜合考慮瓜皮粒度和工作時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)，壓碎輥和破碎齒輥?zhàn)顑?yōu)轉(zhuǎn)速分別為130 r/min和110 r/min，在此種工況下，機(jī)器可以滿足作業(yè)需求。

本研究可為籽瓜破碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。