李 強，劉俊鳳，汪 卓，田志杰

(1.宿州學院 機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000；2.宿州學院 化學化工學院，安徽 宿州 234000)

我國板栗年產(chǎn)量高且品質(zhì)優(yōu)良，有著群栗之首的稱號，同時板栗的營養(yǎng)價值、藥用價值和食用價值極高[1]，享有“東方珍珠”美稱[2-3]。然而，成熟的板栗仁被包裹在殼內(nèi)，殼較硬且與栗仁緊密貼合[4]，難以去除，去殼成了最大的難題。傳統(tǒng)的方法是手工去除板栗殼，這種方法效率低下，需要消耗大量勞動力，且容易造成作業(yè)人員的手部損傷。目前板栗去殼的方法除了手工方法之外[5-6]有以下幾種：烘烤法、化學法、真空脫殼法[7]、機械法。隨著科技的發(fā)展和進步，近幾年，國內(nèi)的企業(yè)和科研人員也研究制作了一些板栗去殼設(shè)備，但這些設(shè)備存在著去殼不完全、栗仁損傷較大或者設(shè)備體積大笨重等問題[8]。國內(nèi)的部分大型去殼設(shè)備一次性投資較大，只有一些大型企業(yè)有實力購買，一些小型企業(yè)望塵莫及。另一方面，家庭食用板栗也越來越多，為了設(shè)計出滿足小企業(yè)和家庭使用要求的設(shè)備，不僅要考慮到成本的問題，還要考慮到去殼是否完全和損傷率的問題[9]。

為解決上述問題，設(shè)計了一款擠壓旋轉(zhuǎn)切削式板栗去殼機，且對關(guān)鍵零部件進行了優(yōu)化設(shè)計及仿真分析，基于優(yōu)化結(jié)果制作了實驗樣機，并進行了相關(guān)實驗研究，驗證了相關(guān)功能符合設(shè)計要求。

1 板栗去殼機組成及工作原理

由于傳統(tǒng)的機械法采用揉搓擠壓、切削的方法，對于板栗的損傷較大[10-12]，本研究設(shè)計了一款擠壓旋轉(zhuǎn)切削式板栗去殼機，采用旋轉(zhuǎn)切削的方法，刀具固定在轉(zhuǎn)盤上，在壓板的作用下，電機帶動轉(zhuǎn)盤高速地旋轉(zhuǎn)帶動板栗滾動，刀具刀尖切削板栗外殼，實現(xiàn)對板栗的去殼。

設(shè)計流程如下：根據(jù)板栗的外殼尺寸設(shè)計刀具參數(shù)，使刀具對板栗仁的損傷達到最小。再根據(jù)刀具尺寸設(shè)計轉(zhuǎn)盤，設(shè)計了有一定旋轉(zhuǎn)角的刀槽，用于安裝刀具。根據(jù)所需轉(zhuǎn)速選擇合適的電機，最后設(shè)計板栗去殼機整機外殼及其他輔助零部件。

所設(shè)計的板栗去殼機主要由上蓋板、壓板、外殼、刀盤、電機和底座組成，如圖1所示。利用三維設(shè)計及仿真綜合軟件Creo按1∶1的比例建模和設(shè)計。

圖1 板栗去殼機三維圖(局部剖視)

去殼工作原理：該板栗去殼機為擠壓旋轉(zhuǎn)切削式去殼。將未脫殼的板栗從投料口投入，蓋上上蓋板，在壓板的擠壓下，板栗和刀盤緊密貼合；刀盤由轉(zhuǎn)盤和刀具組成，刀具刀尖從轉(zhuǎn)盤橢圓形長槽伸出，伸出高度略大于板栗殼的厚度。當投放板栗后，蓋上上蓋板，壓板在彈簧的作用下，壓住板栗，刀盤在電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，刀具刀尖與板栗密切接觸切削板栗外殼。去掉的殼通過預留孔洞進入下一層并排出，脫殼的板栗仁在刀盤旋轉(zhuǎn)帶動下在出料口收集，從刀盤側(cè)面的出料口排出，即完成了板栗脫殼全過程。重新投入板栗，重復上述過程，進行下一次板栗脫殼。

2 基于Creo的板栗去殼機關(guān)鍵零部件詳細設(shè)計

刀盤和外殼在板栗去殼機中直接作用于板栗，刀盤性能的好壞直接影響板栗去殼機的去殼效果、可靠性及使用壽命，外殼能保障去殼機安全工作。刀盤和外殼是板栗去殼機的關(guān)鍵零部件。

2.1 刀盤詳細設(shè)計

刀盤由刀具和轉(zhuǎn)盤兩個部分組成。刀盤的三維設(shè)計如圖2所示。轉(zhuǎn)盤上開有斜橢圓形長孔，方便刀具安裝。兩側(cè)的槽是為了方便對轉(zhuǎn)盤拆卸和清理，轉(zhuǎn)盤中間還開有圓孔，用于固定安裝電機。刀具固定在轉(zhuǎn)盤上，刀尖從橢圓形長槽伸出，伸出高度略大于板栗殼的厚度。當投放板栗后，蓋上上蓋板，壓板在彈簧的作用下，壓住板栗，刀盤在電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，刀具刀尖切削板栗外殼。刀尖高出轉(zhuǎn)盤三維圖，如圖3所示。

圖2 刀盤三維模型 圖3 刀尖高出轉(zhuǎn)盤

考慮到本設(shè)計為家用和小型商用，要便于移動，整體尺寸不宜過大，初定轉(zhuǎn)盤直徑為400 mm。刀盤在長時間工作后，會有外殼殘渣殘留在刀具上，考慮到需要拆卸，轉(zhuǎn)盤厚度不宜過厚，設(shè)定為5 mm。市場上賣的常見板栗尺寸范圍一般在30 mm左右，外殼厚度一般為0.8-1.5 mm，橢圓槽寬應小于其最小值，考慮到后期方便清理，設(shè)計槽寬為20 mm。刀尖伸出的高度要略大于外殼的厚度，設(shè)計刀尖伸出原始長度為1.5 mm。最終確定了刀盤的主要參數(shù)，刀盤參數(shù)如表1所示。

表1 刀盤參數(shù) mm

刀具由兩個部分組成：刀片和刀片固定板。刀具的三維結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。刀片固定板上設(shè)計U型槽，用螺栓固定在轉(zhuǎn)盤上，方便調(diào)節(jié)刀具在轉(zhuǎn)盤平面的位置。

圖4 刀具的三維圖

刀具需要長時間地對板栗殼進行切削工作，選材時，著重選擇耐磨性、硬度較好的材料，選擇馬氏體型不銹鋼，其含碳量高，硬度高，刀具比較堅硬鋒利，耐磨損。

刀片及刀片固定板具體設(shè)計如圖5、圖6所示。固定刀片的U型槽選用M3的粗牙普通螺紋，采用精配裝。兩槽間距d1=70 mm，槽寬d2=3.2 mm，槽長d3=4.1 mm。固定刀盤的U型槽選用M6的粗牙普通螺紋，采用精配裝。兩槽間距d4=70 mm，槽寬d2=6.4 mm，槽長d4=19.2 mm。

如圖6所示，刀片固定板長50 mm，寬7.5 mm的凹槽可以很好地將去除的板栗殼漏到刀盤下面的出殼口內(nèi)。

圖5 刀片詳細設(shè)計

圖6 刀片固定板詳細設(shè)計

2.2 外殼詳細設(shè)計

外殼由出料口、出殼口和電機安裝孔三個主要部分組成。外殼的三維模型及詳細設(shè)計如圖7所示。

出料口用于排出脫殼的板栗仁，其高度大于板栗直徑，高取60 mm，寬取80 mm，確保板栗可以順利從出料口排出，出料口邊緣與外殼相切。出料口內(nèi)側(cè)開有弧形槽，可以安裝擋板，用于阻擋板栗溢出?；⌒尾蹆?nèi)徑γ1=210 mm，外徑γ2=215 mm，長度拉伸到出料口兩側(cè)內(nèi)壁。出殼口用于排出板栗殼，板栗殼結(jié)構(gòu)較小，因此，出殼口相對較小。高取30 mm，寬取70 mm，出殼口與外殼相切。電機安裝孔的直徑d1大于等于電機伸出直徑d2，取d1=d2=80 mm。

圖7 外殼設(shè)計圖

3 基于Creo Simulate的刀盤優(yōu)化設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)盤優(yōu)化設(shè)計

對轉(zhuǎn)盤進行分析，根據(jù)電機的選擇，得到電機轉(zhuǎn)矩T=3.78 N·m，電機安裝孔處受力516 N。在Creo Simulate環(huán)境中，對轉(zhuǎn)盤進行載荷定義，然后對電機軸安裝孔進行約束定義，對轉(zhuǎn)盤進行網(wǎng)格劃分(即對轉(zhuǎn)盤進行離散化處理，將復雜的零件劃分成多個簡單的零件，劃分得越多，得到的結(jié)果越精確)。本文對轉(zhuǎn)盤總共創(chuàng)建了5722個元素和2226個節(jié)點。轉(zhuǎn)盤的網(wǎng)格劃分如圖8所示，運行仿真分析，得到應力分布如圖9所示。

圖8 轉(zhuǎn)盤的網(wǎng)格劃分圖

圖9 轉(zhuǎn)盤的應力分布圖

根據(jù)圖9分析可知，可得刀盤最大應力值為133.228 MPa，位移0.129 mm。刀盤最大應力雖然在材料許可范圍內(nèi)，但其值較大，存在不耐用的風險。為了進一步增加轉(zhuǎn)盤可靠性和使用壽命，增加刀盤厚度至8 mm，優(yōu)化后轉(zhuǎn)盤的應力分布圖如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后轉(zhuǎn)盤的應力分布圖

由圖9、圖10可知，優(yōu)化后轉(zhuǎn)盤最大應力值為103.526 MPa，比較圖9和圖10可知，優(yōu)化后與優(yōu)化前相比最大應力減少了22.3%。

3.2 刀具優(yōu)化設(shè)計

對刀具進行分析，刀具在旋轉(zhuǎn)切削時所受的平均作用力為18.8 N，對刀尖進行載荷定義，并建立約束，對刀具進行網(wǎng)格劃分。刀具網(wǎng)格劃分圖如圖11所示，運行仿真分析，得到刀具應力分布圖如圖12所示。

圖11 刀具的網(wǎng)格劃分圖

圖12 刀具應力分布圖

由圖12可以得到，最大應力為199 MPa。最大應力值雖然在材料許可范圍內(nèi)，但其值較大，存在不耐用風險。為了進一步增加刀具可靠性和使用壽命，對刀具進行優(yōu)化處理，加厚刀寬至4.5 mm，重新進行仿真分析，得到優(yōu)化后的刀具應力分布如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的刀具應力分布圖

由圖12、圖13可知，優(yōu)化后的最大應力為99 Mpa，比優(yōu)化前最大應力減小了50%，優(yōu)化效果明顯。

4 實驗驗證

為了驗證上述設(shè)計及優(yōu)化結(jié)果是否可靠，制作了實驗樣機，并進行了驗證實驗。

根據(jù)上述三維設(shè)計和優(yōu)化后的結(jié)果進行下料、組裝、焊接等加工制作過程，做出實物樣機，進行相關(guān)功能試驗，驗證其各項功能是否滿足設(shè)計要求。板栗去殼機實驗樣機如圖14所示。

圖14 實驗樣機

所設(shè)計的板栗去殼機打開開關(guān)后，刀盤在電機帶動下轉(zhuǎn)動，刀具對板栗殼進行切削工作，板栗仁能順利從出料口排出，板栗殼能從出殼口排出，相關(guān)設(shè)計功能得到了實驗驗證，能滿足設(shè)計要求，經(jīng)脫殼后的板栗如圖15所示。

圖15 去殼后的板栗仁

從上述板栗去殼機設(shè)計、優(yōu)化與實驗的全流程可以看到，上述流程簡單，節(jié)省了模具設(shè)計開發(fā)制造成本。該設(shè)計解決了板栗脫殼成本高，能滿足家庭和小型企業(yè)使用要求。

5 結(jié)論

設(shè)計了一款擠壓旋轉(zhuǎn)切削式板栗去殼機，刀具固定在轉(zhuǎn)盤上，在壓板的擠壓下，能通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)切削的方法對板栗去殼，去掉的殼通過預留孔洞進入下一層并排出，脫殼的板栗仁能在出料口收集。

對去殼機中的關(guān)鍵零部件轉(zhuǎn)盤和刀具進行了詳細設(shè)計，并基于Creo軟件進行了優(yōu)化設(shè)計和仿真分析，優(yōu)化后轉(zhuǎn)盤工作時的最大應力降低了22.3%，刀具工作時的最大應力降低了50%。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果設(shè)計制作了板栗去殼機實驗樣機，并進行了板栗去殼試驗，驗證了該板栗去殼機能較好地完成板栗去殼，能為其他堅果去殼設(shè)備設(shè)計及實驗研究提供參考。