橡胶果碾搓式脱壳试验机设计

范海燕

王 涛

吴 迪

何晓帆

(海南大学机电工程学院，海南 海口 570228)



橡胶果碾搓式脱壳试验机设计

范海燕

王 涛

吴 迪

何晓帆

(海南大学机电工程学院，海南 海口 570228)

试验机装置主要由驱动传动、碾搓单元、控制电机自动正反转的电器元件、机架等组成。采用往复式摩擦、挤压的原理使橡胶果在摩擦力和挤压力的双重作用下实现壳仁分离。试验结果表明：该机工作性能良好，操作简便，脱壳率可达到78.3%，可进行橡胶果脱壳效果试验和破壳机理的研究。该装置可为研制高效率低损伤的橡胶果脱壳机提供技术基础。

橡胶果；脱壳装置；碾搓

橡胶树广泛种植于海南、广东、广西、福建、云南和台湾[1]。橡胶果为橡胶树的果实，属坚果类，呈卵圆形， 壳硬且圆滑，褐色并带有银灰色斑纹，是天然橡胶种植业的副产品之一[2]。其果仁压榨取油后的饼粕中粗蛋白含量可达25%～30%，是一种高品质饲料蛋白源。此外，Ramadhas等[3]还发现橡胶果中的油与柴油机混合后可形成一种新的内燃机燃料，对燃料短缺问题的解决有所帮助。K.N.Unni等[4]发现廉价的橡胶籽粉可以有效地用于生产一种昂贵的脂肪酶，其效果超过椰子与花生仁。中国橡胶果资源来源广泛且价格低廉，为充分利用橡胶果作为农副产品的价值，对其进行高效脱壳便是挖掘其价值的关键一步。

常见的坚果机械脱壳方法包括撞击法、搓擦法、剪切法、碾搓法等。国内外学者曾运用这些方法设计过许多坚果脱壳机械。如唐湘等[5]采用撞击、搓擦原理设计出油茶果脱壳机，该机运用立式甩盘对油茶果进行撞击，使其果壳破裂，然后使用脱壳室内齿圈对果子进行搓擦脱壳；但由于立式甩盘对油茶果的撞击力较大，油茶果果仁破损率也较高。Bundit Jarimopas等[6]设计了一种槟榔剥壳机械，该机包含有上下并联的两个脱壳辊子机构，当坚果通过第一个脱壳辊子机构的时候，坚果壳破裂；通过第二个脱壳辊子机构果壳和果实进一步分离。试验表明此机可以达到较好的分离效果，但是当槟榔的含水率大于6.31%时脱壳效果不佳。朱立学等[7]曾定义碾搓法是通过物料子粒在运动摩片和固定摩片之间受到强烈的碾搓作用，使子粒的外壳被撕裂而脱壳的方法。并设计一款碾搓式银杏脱壳机，其碾搓部分由传动装置带动的动碾搓盘和固定的定碾搓盘组成。试验表明其脱壳效果较好，整仁率高。刘平等[8]曾设计一种碾搓式葵花籽脱壳机，碾搓部分由转动的齿辊和固定的齿板构成，试验表明经此装置脱壳后坚果整仁率较高。但由于碾搓间隙不能连续调整而无法对所有尺寸的葵花籽进行脱壳。

综上所述，国内外对坚果脱壳机械的研究多采用碾搓原理，但是缺乏对碾搓式脱壳过程及破壳机理的试验研究，尤其缺少针对橡胶果的碾搓式脱壳机理的讨论。本研究拟设计一种碾搓式橡胶果单体脱壳试验机，该装置可用于研究摩擦板面材料、挤压压力和摩擦速度等因素对其脱壳效率的影响。

1 试验机的组成与工作原理

1.1 试验机的结构

橡胶果脱壳试验机的总体结构见图1。其电机驱动齿轮齿条机构，使安装于齿条座13上的摩擦板10做直线运动，通过行程开关5、接触器等元件可控制摩擦板10自动进行左右往复直线运动，使得摩擦板10可以对放置于摩擦槽7中的橡胶果进行碾搓。

碾搓单元由摩擦板10和摩擦槽7组成。摩擦板10通过两个角码11固定在齿条座13上，使得摩擦板10可以较容易地被拆卸，方便后续试验对摩擦板面材料的更换。液压千斤顶8顶在与摩擦槽7连接的压力传感器17上。显示器14用于显示千斤顶8对摩擦槽7施加的压力数值。电机2配有的带指示数值的调速器3，可对电机2转速进行调节。配电箱1中则安装有接触器、空气开关等控制元件。

机架16包括三根与底板螺栓连接的槽钢和焊接在底板上的两根摩擦槽导柱9以及支撑电机的电机架板。摩擦槽导柱9主要用于限制摩擦槽的自由度，使其仅能够沿竖直方向运动。该导柱可保证在摩擦过程中摩擦板10不发生倾斜，使得摩擦板10对橡胶果壳施加的力更加均匀。

1. 配电箱 2. 单相电机 3. 电机调速器 4. 导轨 5. 行程开关 6. 止推环 7. 摩擦槽 8. 液压千金顶 9. 摩擦槽导柱 10. 摩擦板 11. 角码 12. 齿条 13. 齿条座 14. 压力数值显示器 15. 滑块 16. 机架 17. 压力传感器 18. 齿轮 19. 凸缘联轴器

图1 橡胶果脱壳试验机三维图

Figure 1 Three-dimensional drawing of rubber fruit

test sheller

1.2 工作原理

该装置对橡胶果进行脱壳前先将千斤顶降到最低点，将橡胶果放进摩擦槽7里。之后升起千斤顶8活塞，使摩擦槽沿着导柱9上升。千斤顶8活塞顶端与压力传感器14相接触，传感器可以实时测出摩擦板10对橡胶果的正压力，可方便地监测和调整正压力数值。当橡胶果所受正压力达到预定值后拧紧止推环6顶丝。此步骤的作用是避免碾搓过程中摩擦槽7和导柱9间因存在配合间隙而晃动。最后通过调速器3调节电机转速，启动电机2，机器开始运行并对果壳进行碾搓。

由于脱壳试验多采用干燥后的橡胶果，受力分析时可将其近似看成是刚性材料，橡胶果两端分别受到摩擦板的挤压力F1和摩擦槽的支持力F2，若挤压应力超过橡胶果壳破裂的强度极限时，果壳会产生裂纹甚至破碎。橡胶果在摩擦板平动的作用下，其顶部接触处受到一个向前的摩擦力f1,其底部受到摩擦槽作用的向后的摩擦力f2，产生力矩T使得橡胶果向前做纯滚动运动。同时受力F1、F2的作用使橡胶果壳破碎。橡胶果被碾搓时的受力分析见图2。

1. 摩擦板 2. 橡胶果 3. 摩擦槽图2 橡胶果受力分析Figure 2 Stress analysis of rubber fruit

2 关键部件的选取与设计

2.1 控制电路的设计

本控制系统由主电路和控制电路组成，其设计使得试验机器的自动化程度大大提高。KM1的常开触点接入单相电机的正转回路，KM2的常开触点接入电机的反转回路。工作原理是：当空气开关闭合后按压启动按钮SB1，接触器KM1线圈得电并吸合，电机正转。同时，KM1自锁触点闭合。当行程开关SQ2被触动后，KM2线圈及其自锁触点得电，电机反转。在按动停止按钮SB3后，电机停止运行。本电路中配有正反转互锁机制用于保证电机不会发生因正反转回路同时被接通所导致的短路的危险。此外，该控制电路还装有温度保护开关WK1。此种常闭开关安装在电机的机壳上。当电机机壳温度过高时开关断开，从而保证电机不会因温度过高而损坏。

主电路图见图4，CM为正转回路输入端，CCW为反转回路输入端，COM为正转、反转回路输出端。当KM1接触器的常开触点闭合后，电机正转。同理，当KM2接触器的常开触点闭合后，电机反转。

图3 控制电路图Figure 3 Control circuit diagram

图4 主电路图Figure 4 Main circuit diagram

2.2 电机型号的选取

碾搓式橡胶果脱壳机在运行时的主要消耗功率为摩擦板对橡胶果外壳所施加的摩擦力做的功率。因此，电机所提供的功率应大于该摩擦力所做的功。由此可知，需计算摩擦力相对于齿轮轴转动中心的力矩才可确定所需电机的功率。

根据研究可知橡胶果果壳的破碎力约为800 N，橡胶果壳的摩擦系数最大约为0.4[9]。因此可确定磨碎果壳所需的摩擦力大约为320 N。则该摩擦力相对于齿轮轴转动中心的力矩为：

T=f×L，

(1)

式中：

T——摩擦力相对于齿轮轴转动中心的力矩，N·m；

f——橡胶果壳对摩擦板的摩擦力，N；

L——橡胶果对摩擦板的摩擦点与齿轮轴转动中心的距离，L=100 mm。

将数据代入式(1)，得：T=32 N·m。

根据式(1)估算出电机所需提供的功率为：

(2)

式中 ：

P——电机所需功率，W；

T——摩擦力相对于齿轮轴转动中心的力矩，N·m；

n——电动机输出轴转速，n=35 r/min。

将数据代入式(2)，得：P≈117 W。

考虑到导轨滑块机构在运动时产生的摩擦力以及电机减速器的机械损耗，选择额定功率为200 W的单相交流减速电机。电机型号为7GU-40K，具体参数为：额定功率200 W；额定电压220 V；电动机转速1 400 r/min；减速器减速比1∶40；调速方式为无极调速。

2.3 齿轮齿条参数的选取

齿轮齿条机构主要用于传递电机输出的扭矩，并将其输出轴的定轴转动转换为直线运动。齿轮齿条机构运动的主要阻力为橡胶果对摩擦板的摩擦力320 N，根据齿根弯曲疲劳强度以及齿面磨损疲劳强度可确定齿轮与齿条的模数m=2.5，齿宽D=25 mm，齿轮齿数z=40。

2.4 导轨滑块机构参数的选取

导轨滑块机构所受载荷主要是橡胶果对摩擦板的压力F和零件重力G所产生的力矩，其受力分析见图5。摩擦板6所受最大正压力Fmax=800 N，齿条3、齿条座4、摩擦板6和角码5的重力之和G=50 N(假设重心在摩擦板处)，因此滑块1所受的最大扭矩Mr为：

Mr=∑F×L1=(Fmax+G)×L1，

(3)

式中:

Mr——滑块所受的最大扭矩，N·m；

∑F——摩擦板所受最大正压力与各零件重力的矢量和，N；

Fmax——摩擦板所受最大正压力,N；

G——齿条、齿条座、摩擦板和角码的重力之和,N；

L1——摩擦板在摩擦橡胶果过程中的受力点与导轨间的距离，L1=180 mm。

1. 滑块 2. 导轨 3. 齿条 4. 齿条座 5. 角码 6. 摩擦板 7. 橡胶果

图5 导轨滑块机构受力分析图

Figure 5 The stress of the guide rail slider mechanism analysis diagram

将数据代入式(3)，得：Mr=135 N·m。

根据式(3)可确定导轨滑块机构的型号为HGH-30CA。主要参数：额定动载荷38.74 kN；额定静载荷52.19 kN；额定力矩Mr为660 N·m。

2.5 碾搓单元的设计

摩擦板3与摩擦槽4组成的碾搓单元，是为了碾搓橡胶果使其脱壳，实现壳仁分离。将橡胶果放入摩擦槽4后启动机器。摩擦板3在电机的驱动下做左右往复直线运动，橡胶果被脱壳。碾搓过程示意图见图6。该机的摩擦板通过两个角码2与摩擦板架1相连，可随时更换不同材质的摩擦板以研究不同摩擦系数的摩擦材料对橡胶果脱壳率的影响。

1. 摩擦板架 2. 角码 3. 摩擦板 4. 摩擦槽图6 碾搓过程示意图Figure 6 Extrusion-grind process diagram

3 样机性能试验

3.1 试验材料与方法

2016年3月于海南大学进行脱壳试验样机的运行试验研究。橡胶果：经过自然风干1年，含水率约为12.5%，宽为19.2～20.2 mm，高为18.0～19.0 mm。分成4组进行试验，每组试验重复5次，结果取其平均值，每次试验样本为10个橡胶果。

3.2 试验指标

根据试验目的和实际生产的需要，将橡胶果的脱壳率作为试验结果的主要评价指标。脱壳率[10]：

(4)

式中：

T——橡胶果的脱壳率，%；

M1——放入的橡胶果总质量，g；

M2——未脱壳橡胶果质量，g；

3.3 试验结果

表1试验结果表明：运用碾搓法对橡胶果脱壳是可行的，该试验机可以对橡胶果的脱壳率进行测试，并对碾搓式脱壳机机理深入研究起到帮助。

4 结论

(1) 该试验机是机电一体化试验机器，制造成本较低，结构简单，碾搓部分由传动装置带动的摩擦板和仅能够沿垂直方向运动的摩擦槽组成。其间隙可以通过千斤顶实现连续可变，满足对所有尺寸的橡胶果的碾搓脱壳。工作性能良好，可为高效碾搓式脱壳机械的研制提供参考。

(2) 试验证明该机可以通过更换不同材料的摩擦板，调节调速器和千斤顶而选择不同的摩擦速度和挤压压力，研究橡胶果的脱壳试验效果。为后续更深层次的研究碾搓式脱壳机理奠定基础。

表1 性能试验结果Table 1 The performance test results

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Design of extrusion-grind rubber fruit test sheller

FAN Hai-yan

WANGTao

WUDi

HEXiao-fan

(InstituteofElectricalandMechanicalEngineering,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China)

A test sheller for rubber fruit was designed and manufactured according to the principle of extrusion-grind, and it consisted of units of driving and extrusion-grind, the lectrical elements for realizing automatic clockwise and anti-clockwise running of motors, and the frame, etc. Adopting the principle of reciprocating friction and extrusion, the fruit shells were separated under the dual of friction and extrusion pressure. Our results showed that the device could perform well and was, easy to operate, especially, the hulling rate could reach 78.3% by using it. Thus this sheller could be utilized in researches on effects and the mechanism of rubber fruit shelling. The device provides the technological base for the research of high efficiency and low damage rubber fruit sheller.

rubber fruit; shelling device; extrusion-grind

国家自然科学基金项目(编号：51465015)

范海燕，女，海南大学在读本科生。

王涛(1980—)，男，海南大学副教授，硕士。 E-mail：gxdxyjs@163.com

2016—10—31

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.014