大枣自动去核切片设备的研制

2015-12-20文怀兴周改梅史鹏涛陕西科技大学机电工程学院陕西西安710021

食品与机械 2015年5期

文怀兴周改梅史鹏涛（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021）

据预计，2015年世界红枣需求量将达到527万t［1］，发展前景巨大。基于大枣深加工过程中存在劳动强度高、造碎率大等问题，很多企业和科研机构已着手对大枣深加工设备的研究，并且取得了很好的成绩。彭三河等［2］设计的大枣去核装置，采用上下两个凸轮来带动上下工作头运动，实现大枣的定位、夹持、切削、去核，合理运用定位弹簧和复位弹簧使上工作头和上定位夹持块协调运动，但其定位夹紧机构和去核之间的协调用弹簧实现，稳定性差。文怀兴等［3］设计一种大枣自动去核切片机，采用滚子链输送，并由2排链4个滚子实现枣的定位夹紧，由曲柄滑块机构实现去核作业，实现了大枣的定向、去核、切片的一体化，但由于滚子链传动本身存在的一些问题，比如松弛现象，易导致大枣去核时定位精度降低。张鹏霞等［4］设计的大枣自动切片机包括料斗、定向整理装置和切片装置，结构简单、操作简便，但其利用动刀片抓取的方式使该设备加工时对大枣的外形要求较高，加工效率较低。郑正足［5］设计的切片机加工效率高、使用安全且切出来的切片厚薄均匀，但其导向槽内设有用于推动原料的挤压装置，造成设备切片造碎率较大。现有的大枣深加工设备都是单一的去核或切片设备，本研究拟提供一种由曲柄滑块机构和槽型凸轮机构配合来完成大枣的快速去核的装置，并且把去核和切片进行集成，最后用实验验证该设备的去核切片性能。

1 总体方案设计及分析

1.1 方案设计

大枣自动去核切片机的主要功能是实现大枣的有序上料、定位夹紧、枣肉与枣核的有效分离，以及快速切制成环状的薄片。根据这一基本要求，设计了如图1所示的设计方案，该装置的去核机构运用叼核［6］的原理，采用曲柄滑块机构实现去核，用槽型凸轮机构实现快速顶核，去核盘、切片盘的间歇转动均由同一个槽轮机构实现，以保持整机的运动协调性。

图1 设备结构示意图Figure 1 Schematic diagram of equipment

具体实施方式：大枣倒入上料机构的2个毛刷16之间，通过步进电机带动毛刷带轮19间歇运动，固定于毛刷带轮19上的毛刷16将大枣带到振动底板18的前端，在振动底板18的前端开有对应于去核盘24上枣孔25的枣孔17。上料电机21通过对心曲柄滑块机构20带动振动盘18做行程为20mm的往复运动，振动盘内的大枣将会被有序地送入去核盘枣孔25中，完成上料。去核电机1通过去核带轮3带动凸轮盘5转动，凸轮盘5通过曲柄滑块机构带动连接在插刀连接滑块12上的插刀13、扶正杆14、下料杆15沿导向柱10做上下往复运动实现去核，同时凸轮盘5通过凸轮顶杆机构带动连接在顶杆连接滑块8上的顶杆11沿着导向柱10做上下往复运动实现顶核。大枣落入由弹簧31、内支撑座32和外支撑座33组成的大枣定位夹紧机构中，再经过扶正使冲核杆中心线与大枣中心线在同一条线上，接着大枣在去核工位完成去核，枣核通过机架上面板23上的枣核孔34落入枣核收集斗，去完核的大枣在下料工位通过下料杆15推入切片盘，此时，也相当于切片机构的上料。切片机构主要由切刀27和切片盘26组成，切片盘26由一定厚度的圆形转盘片层层叠加而成，切刀27固定于切片盘层与层之间的缝隙中，切片时，切刀组件固定不动，槽轮机构28带动切片盘25间歇转动从而大枣被切刀切制成环状薄片。

1.2 主要技术参数

根据大枣加工企业的要求，确定该设备的生产效率为250kg/h，综合考虑大枣加工工艺要求、受力状况和企业要求等各方面的因素，确定该设备的主要技术参数见表1。

2 主要部件设计

2.1 上料机构的设计

上料机构采用专利 201420698152.9［7］，其示意图见图2。该装置采用对心曲柄滑块机构22带动振动底板18做小范围内的往复直线运动来实现上料。振动底板上开有若干个与去核盘上料工位位置对应的枣孔17，振动侧面板20上开有滑槽，振动底板18在滑槽内运动，大枣倒入两个毛刷16之间，调节毛刷带轮电机36正转，则可以带动毛刷运动进而将大枣带到振动底板的枣孔17处，在对心曲柄滑块机构22的作用下，大枣顺着振动盘上的枣孔17掉入去核盘上的枣孔，上料完成后，此时毛刷带轮电机36反转，未掉入去核盘内的大枣被毛刷刷回，大枣挡板37可防止大枣乱滚。如此重复动作，可以完成大枣的上料。

表1 技术参数Table 1 Technical Parameters

图2 上料机构示意图Figure 2 Diagram of feed mechanism

设计曲柄滑块机构的行程H＝20mm，则对于对心曲柄滑块机构，其曲柄长为10mm，考虑到滑块的大小、安装问题及避免出现自锁［8］的现象，曲柄滑块机构的连杆长为69mm，见图3，其在两个极限位置均不会出现自锁现象。

图3 曲柄滑块机构示意图Figure 3 Diagram of slider－crank mechanism

2.2 定位夹紧机构设计

该设备的定位夹紧机构采用专利201420685125.8［9］，见图4，两个半圆形内支撑座32的内部结构为上锥下柱的形式，其上下都开有高5mm，深3mm的凹槽，用于连接弹簧31。

当大枣尚未落入定位夹紧机构时，两个内支撑座32在弹簧31的作用下保持最小直径20mm，如图5（a）所示，当大枣落入定位夹紧机构中时，两个内支撑座32在弹簧31的作用下撑开到合适的直径达到夹紧大枣的目的，再经过扶正杆14扶正，使大枣中心线与冲核杆中心线一致。此设计能够准确定位和包容所加工大枣的直径范围为20～32mm。

图4 大枣定位夹紧机构Figure 4 Positioning clamping mechanism of jujube

图5 大枣的定位夹紧状态Figure 5 Positioning clamping state of jujube

2.3 去核机构设计

2.3.1 去核盘工位分布如图6所示，在工位1完成定位夹紧的大枣经过工位2进行扶正，然后进入工位3进行去核，去核盘上的去核工位开有多个枣孔，可以实现一次冲核动作完成多个大枣的去核作业。该设备的去核机构利用叼核的原理，由曲柄滑块机构带动的空心冲核杆完成去核，空心冲核杆的直径与枣核直径相当为6mm，凸轮机构带动的实心顶核杆完成快速顶核，要求去核效率高且果肉的完整性好。

图6 去核工位分布Figure 6 The distribution of pitting station for jujube

2.3.2 去核机构的协调性分析综合考虑大枣的最大长度、机架上面板的厚度及去核盘与切片盘转位所需要的时间等因素，为了使插杆在大枣去核过程中完全穿透大枣，并且枣核与枣肉能顺利分离且掉入指定出核口，顶核机构即凸轮机构的行程H取68mm，插核机构即曲柄滑块机构的行程S也取68mm。以顶杆最远推程位置为坐标原点，以顶杆回程方向为位移正方向，以垂直于顶杆位移方向水平向右为时间方向，建立位移时间坐标系，利用Matlab软件进行仿真编程，绘制出插刀和顶杆的位移曲线见图7，分析可知该机构可以满足去核工艺的要求，顶杆刚开始没有位移，插刀向下运行，插刀到达大枣上表面即s1＝40～50mm时，顶杆始终处于最高位置，当插刀完成插核作业，运行到最远距离即s1＝1mm时，顶杆位移s2≈53.6mm，离大枣上表面的距离＞3mm处；当顶杆推程到其最大行程位移即顶杆位移s2＝0mm时，插刀回程位移s1≈20.8mm，即插杆回程行至大约1/2大枣位置处，如此作业可以保证去核效率高且果肉的完整性也好。

图7 插刀顶杆位移时间曲线Figure 7 The time displacement curve of blades slide and cam follower

2.4 切片机构设计

如图8所示该设备的切片机构主要由切刀27和切片盘26组成。切片盘26由一定厚度的圆形转盘片层层叠加而成，每层切片盘上根据所加工级别的大枣直径开有枣孔，根据需要，所切制的大枣薄片的厚度为6mm，所以切片盘每层的厚度设计为3mm，层与层之间间隔3mm即安装切片盘垫片厚度也为3mm。切刀27交错一定距离固定于切片盘层与层之间的缝隙中，每片切刀厚度为0.5mm，每片夹刀层加工0.5mm的刀槽用于安装切刀，切刀组件安装见图8（b）。

图8 切片机构示意图Figure 8 Schematic diagram of slicing mechanism

切片时，采用滑切的方式，滑切角为50°，槽轮机构28带动切片盘26转动从而大枣被切刀切制成薄片环状。

3 实验验证

3.1 实验目的

为了测试该设备间歇有序上料、去核、切片等综合性能，设计实验验证该设备的有序上料率和造碎率。当该设备的有序上料率≥95%，造碎率≤5%，则说明该设备满足大枣生产指标，综合性能良好。

3.2 实验方案

实验所用的大枣为放置一段时间后的同品种大枣，直径为26～28mm，长度为40～45mm。实验所用的计量仪器为南京凯德计量仪器有限公司的科威牌电子天平3kg/0.1g。

实验一：验证有序上料率。将5kg大枣倒入振动盘中，查看每次去核盘间歇转动时，落入去核孔的大枣个数。记录实验数据见表2。

实验二：验证造碎率。选27kg大枣，分为27组，实验过程中根据经验凸轮盘的转速固定为30r/min，通过ACS401000432变频器调节切片速度，每个速度下做3组实验，每次切片完后再计量完整枣片的质量，每次称3次取平均值来减小误差，根据式（1）计算造碎率。记录实验数据见表3。

3.3 结果与分析

大枣有序上料是实现大枣去核切片的前提条件，由表2可知，对于去核盘上料工位的10个去核枣孔，实际平均上料个数为9.8个，平均有序上料率为98%，高于实验要求的95%的指标，该设备虽不能保证每次插杆运行都能完成10个大枣的冲核作业，但也基本满足要求，所以该设备的有序上料性能良好。

由表3可知，当速度在20～40r/min时，其平均造碎率均＜5%，满足性能指标要求，当速度≤15r/min或≥45r/min，造碎率比较大，当速度为32r/min时，其造碎率可达2.074%。实验中计算造碎率的碎渣质量既包括去核过程所致的碎渣，又包括切片过程所致碎渣，所以此造碎率可以综合反映该设备的去核切片性能，说明该设备的去核切片性能良好。