水平碾搓式银杏脱壳机脱壳过程仿真研究

张日红 朱立学

（仲恺农业工程学院机电工程学院，广东 广州 510225）

水平碾搓式银杏脱壳机脱壳过程仿真研究

张日红 朱立学

（仲恺农业工程学院机电工程学院，广东 广州 510225）

设计一种水平碾搓式银杏脱壳机，对其结构及工作原理进行阐述，通过对基于SolidWorks的动力学模型的仿真研究，获得单体银杏脱壳过程中的运动规律和受力特点，同时研究单体银杏脱壳的能耗情况。

水平碾搓式；银杏脱壳；仿真研究

银杏俗称白果，为药食同源物品。由于果实外形不规则，且柔嫩的果仁紧贴于坚硬的果壳内，导致果壳难以剥离。近几年来，中国有些科研院所已研制、开发出一些坚果脱壳加工设备，但一次性脱壳率偏低，碎仁率偏高［1］。有的研究者［2］通过采取不同的脱壳方式从设备上改进脱壳效果，但往往是脱壳率提高的同时，也增加了碎仁率。目前中国坚果加工企业仍普遍采用以人工砸壳取仁的方法。

探讨银杏种核脱壳运动规律和单体变形特征是研究银杏脱壳设备的关键。袁巧霞等［3］对银杏核的物性参数进行了测定，通过对辊板式银杏脱壳装置的试验研究指出轧距过大、过小均不利于脱壳，但是没有考虑银杏施力方向对破壳、果仁破损的影响。王灵军等［4］设计出了银杏的几何模型和破壳受力模型，通过有限元分析方法对银杏在各种施力状态下的应力分布进行了分析，但仅仅停留在静态受力分析上。本试验提出一种水平碾搓式银杏脱壳机，通过仿真研究探索银杏单体在脱壳过程中的受力特点，同时研究银杏脱壳过程的能耗情况。

1 水平碾搓式银杏脱壳机结构

1.1 整体结构与工作原理

水平碾搓式银杏脱壳机结构图见图1。银杏经进料口进入定磨片和动磨的间隙中，在动磨片转动产生的离心力作用下籽粒沿径向向外运动，使银杏与定磨间产生方向相反的摩擦力；同时动磨片与定磨片上的凸齿不断对外壳进行剪切，在摩擦力与剪切力的共同作用下使外壳产生裂纹直至破裂，并与籽仁脱离，达到脱壳的目的。影响脱壳效果的因素有：银杏的水分含量、圆盘的直经、动磨片转速、磨片之间工作间隙、磨片上槽纹的形状和籽粒的均匀度等。该脱壳机的产量可以达到100～150kg/h。

图1 水平碾搓式银杏脱壳机结构Figure 1 The structure of horizontal extrusion－grind ginkgo decorticating equipment

1.2 定盘与动盘部件的结构

定盘部件由定盘、定盘罩和间隙调节机构等组成（见图2）。间隙调节机构通过手动扭转主调节轴和副调节轴来控制定盘的位置。主调节轴和副调节轴均与固定在定盘上的螺纹杆形成螺纹连接，在调节轴的转动下，螺纹杆带着定盘上升或者下降，从而实现调节定动盘之间的间隙的大小，来适用于不同大小的银杏的脱壳工作［5］。图3为动盘部件，由电动机通过皮带传动驱动其进行高速旋转，在动盘的传动轴上装有均料盘。

图3 动盘部件图Figure 3 Structure of rotating grinding wheel

2 银杏脱壳过程仿真模型的建立

2.1 银杏三维模型的建立

根据银杏大小的统计分布规律，并考虑到银杏壳的外表面为近似的2次曲面，除了侧棱之外，表面都较为光滑。根据银杏的平均尺寸，采用图4所示的参数进行三维建模。

图4 银杏尺寸参数Figure 4 Ginkgo dimension parameters

2.2 银杏脱壳过程的简化分析模型

在建立银杏脱壳过程的数学模型时，需抽取对银杏破壳过程产生主要影响的几何特征，对模型做一定的简化，在保证求解精度的同时，减少求解所消耗的机器时数。简化后的模型见图5。

图5 银杏脱壳过程的简化分析模型Figure 5 Simplified analysis model of ginkgo shelling process

3 银杏脱壳过程的运动规律及受力特点

3.1 银杏脱壳过程中的运动轨迹

在银杏脱壳机脱壳过程中，银杏未受到一个明确、稳定的约束，属于3D碰撞。3D碰撞与别的运动不同，它由1个或者2个碰撞容器构成。1个碰撞容器包括1个或多个运动零部件。2个碰撞容器定义1个碰撞实体时，第1个容器和第2个容器中的每个零部件都会发生3D碰撞［6］。由于银杏在脱壳运动中，只有银杏同落料斗、机架、定磨盘、动盘等发生碰撞，而其他零部件都未发生碰撞，所以对于银杏脱壳的3D碰撞定义使用2个容器，即一个容器放置银杏，与银杏发生碰撞的其他零件放置在另一个容器中，之后程序将自动选定零件并进行碰撞分析。图6即为银杏掉落到均料盘，直到发生干涉卡在定动盘碾磨区的运动轨迹。这是因为，在Solidworks中，系统认为运动模型中的零部件都是刚性实体，尽管在运动过程中，零部件可能会由于受力而发生变形，系统都不会自动去识别零部件变形后对运动模型的映像。因此，当银杏受到离心力和挤压力等的作用时，运动模型并不会认为银杏会变形，继续认为其为运动模型，建立的形状是在运动模型中运动着的；直到银杏在定动盘碾磨区中处于过约束状态为止。

图6 银杏进入脱壳区域的运动轨迹Figure 6 The motion trajectory of ginkgo entering into the shelling area

3.2 银杏脱壳过程的受力特点

通过银杏脱壳过程中的运动轨迹可以判断其卡在定、动盘时的位置状态，进一步分析得知此时银杏的主要的受力方向为银杏宽厚交角45°处，如图7所示。图8和图9分别为定盘、动盘和银杏相互作用力的曲线图，可以看出银杏卡在定、动磨盘之间时，产生大小为565N的瞬间冲击力。据文献［6］可知，6.79%含水率下的银杏在宽厚交角45°方向受力时破裂的强度为150N。瞬间冲击力超过了银杏的破裂强度，故银杏破裂。

图7 银杏受力方向图Figure 7 Stress direction of ginkgo

图8 定盘和银杏相互作用力Figure 8 Interaction force between stable grinding wheel and ginkgo

图9 动盘和银杏相互作用力Figure 9 Interaction force between rotating grinding wheel and ginkgo

4 银杏脱壳过程的能耗分析

通过Solidworks的能量耗散查看功能可以得出动盘驱动轴的能耗情况［7］。如图10所示，在银杏被卡住的瞬间能耗产生较大的增幅，驱动轴的能耗瞬间最大值为0.98kW。以脱壳机产量为150kg/h，电机转速为1 000r/min进行试验，发现如果选择0.5kW的电动机，很大程度上会发生电机停转的现象，如果采用1.5kW的电机则脱壳过程可以顺利进行。进一步验证了仿真结果的正确性。

图10 驱动轴的能量耗散Figure 10 The energy dissipation of drive shaft

5 结论

通过研究基于SolidWorks的水平碾搓式银杏脱壳机简化动力学模型，得出了银杏脱壳过程中的运动轨迹，进一步得知当银杏卡在定、动磨盘之间时，瞬间冲击力主要在宽厚交角45°方向上使银杏壳破裂，同时得出银杏破壳时的瞬间能耗为0.98kW。

1 张麟.油菜籽脱壳与仁壳分离设备研究［J］.农业工程学报，2004，20（1）：140～143.

2 那雪姣，刘明国，张文，等.机械脱壳时花生仁损伤特征及规律［J］.农业工程学报，2010，26（5）：127～131.

3 袁巧霞，陈红，刘清生.银杏果核物性参数的实验研究［J］.华中农业大学学报，2002，21（5）：471～473.

4 王灵军，金燕鸣，邓文君.银杏脱壳的有限元受力分析［J］.农业工程学报，2003，19（4）：58～61.

5 朱立学.碾搓式银杏脱壳机的设计与试验［J］.食品与机械，2008，24（4）：86～88.

6 王新忠，王敏.银杏种核力学特性试验［J］.农业机械学报，2008，39（8）：84～88.

7 叶修梓，陈超祥.COSMOS高级教程：COSMOSMotion［M］.北京：机械工业出版社，2008.

Simulation study on shelling process with horizontal extrusion－grind ginkgo decorticating equipment

ZHANG Ri－hongZHU Li－xue

（Department of Mechanical ＆ Electrical Engineering，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou，Guangdong510225，China）

A horizontal extrusion－grind ginkgo decorticating equipment was offered，and the structure and working principle was illuminated.Through the simulation study on dynamic model based on Solid－Works，obtained the motion law and force characteristics of the monomer ginkgo during decortication，apreliminary study was made on the energy consumption in the decortication process of ginkgo.

horizontal extrusion－grind；ginkgo decorticating；simulation study

10.3969/j.issn.1003－5788.2011.03.032

广东省自然科学基金项目（编号：9151802904000012）；国家自然科学基金项目（编号：51075406）

张日红（1980－），男，仲恺农业工程学院讲师，华南理工大学在读博士。Email：zrh－neu＠163.com

朱立学

2011－03－05