嫩板栗脱蒲试验台的设计与试验

范雅魁，曹成茂，毕海军，胡梦柯，娄帅帅

(安徽农业大学 工学院，合肥 230036)



嫩板栗脱蒲试验台的设计与试验

范雅魁，曹成茂，毕海军，胡梦柯，娄帅帅

(安徽农业大学 工学院，合肥 230036)

基于国内板栗脱蒲机，针对六至八成熟的嫩板栗存在的机器脱蒲分离率低、适应性差、容易损伤及嫩板栗成熟周期短等问题，设计了一种嫩板栗脱蒲试验台。该试验台选用柔性挤压的脱蒲方法，利用旋转的脱蒲滚子与栅栏挤压杆相互揉搓挤压作用对嫩板栗进行脱蒲。该试验台的脱蒲滚子及栅栏挤压杆均可更换。通过试验对比，可以分析出不同类型的脱蒲滚子与挤压杆对板栗脱蒲的影响。此外，本试验台配备了变频器，可以在不更换电动机的前提下，将电动机的转速进行随意调节。测试结果表明：该试验台不同的脱蒲滚子、栅栏挤压杆及主轴的旋转速度都会对嫩板栗的脱蒲造成不同的影响，根据不同的数据可以为嫩板栗脱蒲机械提供不同的改善方案及理论依据。

嫩板栗;脱蒲滚子;栅栏挤压杆;柔性挤压

0 引言

板栗是一种价廉物美、营养丰富的营养品，具有养胃健脾、补肾强身、活血、止血的功效。在临床上，板栗用于治疗反胃、泄泻、腰腿软弱、吐血及便血金创等症状[1-2]。近年来，六至八成熟的嫩板栗被用来加工罐头出口 ，其经济效益为成熟板栗的2～3倍，且市场需求不断增加。这种嫩板栗脱蒲一直是用剪刀或其它辅助工具将板栗刺球剥开，取出栗果，效率低、劳动力成本高。市场现有的板栗脱蒲机仅适用于成熟的老栗子，尚没有合适嫩板栗脱蒲机械。板栗为一年生果实，提供给板栗样机试验时间约在每年的七月初至八月初，仅一个月时间。如果设计出的样机试验效果不理想，就没有充足的时间对样机改进，从而会错过嫩板栗的收获时期，试验将无法继续。本文就目前市场上现有的板栗脱蒲设备进行系统的调查[3-9]，总结设计出一种嫩脱蒲机试验台，该试验台可以提供不同脱蒲原理的关键部件结构参数，为快速设计出适合六至八成熟的嫩板栗脱蒲机提供设计依据。

1 设计思路

本设计的嫩板栗脱蒲试验台拟采用柔性挤压的脱蒲方法，利用旋转的脱蒲滚子与栅栏挤压杆相互揉搓挤压作用将嫩板栗的板栗蒲与板栗籽分开。初步拟定的结构简图如图1所示[4,10]。

1.进料口 2.脱蒲室 3.机架 4.电动机 5.脱蒲滚子 6.可调节式套筒螺栓 7.脱蒲栅栏

该试验台工作之前，工作人员根据嫩板栗球的大小来实际调整脱蒲滚子与栅栏之间的间距。工作时，嫩板栗球从进料口中喂入，在重力的作用下板栗球进入脱蒲室，在脱蒲滚子转动的作用下，使板栗球进入脱蒲滚子与栅栏之间的间距中，在滚子与栅栏的相互挤压下，将嫩板栗球的板栗子与板栗蒲相互分离；最后，收集分离后的板栗蒲与板栗籽，通过计算得出试验数据。

2 挤压式脱蒲方法的设计

2.1 建立模型

众所周知，板栗的大概形状为球形，为了有利于分析解释，忽略极少数板栗球形状的不规则，将板栗球的外形简化为一个球体模型。模型大致可以分为两个部分外层的板栗蒲与内部的板栗仁，如图2所示。

图2 板栗球挤压模型

当作用力作用于板栗球两端时，板栗球受到外界施加的一对法向载荷F的作用，板栗内壁的任何一点都受到板栗子滑移和变形产生的作用力，在板栗截面上的分布如图3所示。

F—法向压力 N1、N2—内力 Q—横向剪力 M1、M2—弯曲力矩

在距集中力作用点较远的区域，主要受到的板栗的阻力，其弯曲力距很小。在球心角为φ的圆截面上，内力与外力相等，值为F，则

(1)

(2)

其中，F为外界施加的力；φ为球心角；N1、N2为板栗总苞的内力；r为板栗球半径。

由于板栗球被理想化为球体，所以包含直径的截面上没有剪应力，3个主应力为σ1=σ2=σ3=0,所以板栗球是一个二向应力状态。

2.2 挤压方向的讨论

板栗脱蒲的过程中，首先就是对板栗球进行挤压。在球体模型的基础上，挤压的方向有两种：①沿板栗子排列缝隙方向，参见图2(a)；②垂直于板栗子排列缝隙方向，参见图2(b)。

通过模拟挤压试验，可以观察到沿板栗子排列缝隙方向进行挤压时，板栗的开裂情况明显优于垂直于板栗子排列缝隙方向的挤压。由模拟试验可知：当对板栗球进行挤压时，应沿板栗子排列缝隙方向挤压。

3 关键部件结构设计

3.1 脱蒲室

3.1.1 脱蒲室的结构设计

在板栗的脱蒲过程中，板栗球会随着脱蒲滚子的转动而飞溅，为了保证试验的安全，必须将板栗球与外界相互隔离，脱蒲室起到了上述功能。除此之外，脱蒲室还起到固定支撑脱蒲滚子与栅栏的作用。因为脱蒲滚子的转速较高，为了保证脱蒲室的强度足够，故选用3mm后的钢板作为脱蒲室的材料。剥苞室的设计结构简图如图4所示。

图4 剥苞室结构图

3.1.2 脱蒲室的模态分析

为了验证脱蒲室的结构是否符合工艺要求，现对脱蒲室进行模态分析，以判断结构是否满足避开固有频率的条件。本文利用ANSYS对脱蒲室进行模态分析求脱蒲室的固有频率，从而分析脱蒲室的振动特性，以便减少脱蒲室在工作过程中的振动和避免共振，将Pro/E建立的脱蒲室模型导入ANSYS 12.1中，对其添加材料属性，材料的属性如下表1所示，划分有限元网格，做约束模态分析，约束模态频率分析结果如图5所示。

表1 材料属性

因为低阶固有振型对结构振动影响较大，故在这对振型的前6阶分析。剥苞室的振型图如图6～图11所示。

图5 约束模态频率

分析结果：由于脱蒲室的底端两侧被固定在机架上，所以脱蒲室的振动较大的位置在脱蒲室的上端面。其中，第1、2、5、6阶的振幅较大的位置在左右两板面上，其余各阶在前后两板上。找到脱蒲室的固有频率和振型，可以避免设计过程中使其产生共振。根据分析结果可知，对脱蒲室结构进行改进是十分有必要的。

3.2 脱蒲滚子

脱蒲滚子是嫩板栗脱蒲试验台的关键部件，该试验台设计了4种结构不同的滚子，具体如图12～图15所示。

为了分析脱蒲滚子对嫩板栗脱蒲的影响，该嫩板栗脱蒲试验台设计了4种不同类型的脱蒲滚子，包括圆柱体滚子、三角体滚子、螺旋体滚子和锯齿体滚子。4种不同类型的脱蒲滚子具有不同的脱蒲原理。通过对比试验，分析数据可以得出不同类型的脱蒲滚子对嫩板栗脱蒲的不同影响,为以后快速设计嫩板栗脱蒲机提供准确的设计依据。

图6 第1阶振型图 图7 第2阶振型图 图8 第3阶振型图

图9 第4阶振型图 图10 第5阶振型图 图11 第6阶振型图

图12 圆柱体滚子结构图

图13 三角体滚子结构图

图14 螺旋体滚子结构图

图15 锯齿体滚子结构图

3.3 栅栏的设计

3.3.1 栅栏间隙的设计

栅栏间隙必须根据板栗球的大小与形状确定，板栗球的剖面结构图如图16所示。

d—板栗果直径 D—板栗球直径 a—板栗蒲厚度

当板栗球到达柔性栅栏时，分离的板栗果和板栗蒲将从栅栏间隙之间落出，而未破裂的板栗球则继续留在剥苞室内，故栅栏间隙f因满足d/3

3.3.2 可更换性栅栏的设计

为了探究栅栏下部不同材料的挤压杆对嫩板栗脱蒲的影响，所以设计了可更换性栅栏，如图18所示。

图17 栅栏的结构简图

1.挤压杆 2.固定销 3.定位杆 4.圆锥销

脱蒲栅栏包括挤压杆、固定销、圆锥销和定位杆，固定销通过与可调节式套筒螺栓相互连接，确定脱蒲栅栏的位置；定位杆上开有孔槽，用于更换不同材料的挤压杆 ；挤压杆通过定位杆上的孔槽与定位杆相互连接，其一端用圆锥销进行固定。其中，挤压杆的材料为螺纹钢、铝合金、橡胶或塑料，根据试验需要，更换不同材料的挤压杆，从而找到不同材料挤压杆对板栗脱蒲试验的影响。

4 嫩板栗脱蒲试验台的试验

1)试验时间：2015年7月2日至7月4日。

2)试验地点：安徽省六安市金寨县黄林乡和安徽农业大学机电工程院。

3)试验安排：给定4个因素分别为A脱蒲滚子种类、B挤压杆材料、C主轴的转速、D揉搓间隙。进行正交分解试验，如图19～图21所示。

4.1 脱蒲性能指标的正交试验分析

对板栗脱蒲性能的指标的影响规律进行正交试验。板栗脱蒲性能正交试验中设计有4个因素，每个因素给定4个水平，根据试验因素与水平，设计选用L16(45)正交试验表进行试验，如表2所示。

图19 嫩板栗脱蒲试验台试验

图20 试验前

图21 试验后

水平A脱蒲滚子种类B挤压杆材料C主轴转速/r·min-1D揉搓间隙/mm1三角体螺纹钢200302螺旋体铝合金250353圆柱体橡胶300404锯齿体塑料35045

此试验为4因素4水平试验，不考虑交互作用，4因素共占4列，选择L16(45)正交试验表最为合适，并有一列空列，可以作为试验误差以衡量试验的可靠性。正交试验安排与结果如表3所示。

表3 正交试验安排与结果

续表3

表中数据处理中斜线上下分别为剥净率和损伤率处理数据。

4.2 试验结果与分析

通过表3可以看出：对于试验号为11这组，即当脱蒲滚子选用圆柱体滚子、挤压杆材料选用橡胶、主轴转速为350r/min和揉搓间隙为30mm时，脱蒲的脱净率最高。试验号为10这组，即当脱蒲滚子选用螺旋体滚子、挤压杆为橡胶、主轴转速为250r/min和揉搓间隙为40mm时，脱蒲的破损率最低。这两组试验仅仅是这16组中的最优组合，并不是所有试验中的最优组合。求出各因子相同水平的试验反映变量指标和，将各因子最好的水平组合在一起，即为预测的最优组合。从表3可以得出：只考虑脱净率的情况下，最优组合为A3B2C4D1；只考虑破损率的情况下，最优组合为A2B1C1D3。由极差R分析可知：因素对剥净率指标的影响顺序为：A脱蒲滚子种类>D揉搓间隙>C主轴转速>B挤压杆材料。该试验的最终目的是综合脱净率和破损率，找出最合适嫩板栗脱蒲的影响因素。通过表3中的k值分析，可以比较出符合脱净率和破损率两种指标要求的影响因子分别为A4、B2、C3、D2。所以，可以初步得出适合嫩板栗脱蒲的影响因子为：锯齿体脱蒲滚子、铝合金挤压杆、主轴速度为300r/min和揉搓间隙35mm。通过正交分解试验，该嫩板栗脱蒲试验台基本找到了适合嫩板栗脱蒲的各个影响因子。

5 结论

1)嫩板栗脱蒲试验台很好地解决了嫩板栗季节性短的实际问题，为嫩板栗脱蒲机提供不同脱蒲原理的关键部件结构参数。

2)通过正交试验分析，找到了适合嫩板栗脱蒲的各个影响因子，为快速设计出适合六至八成熟的嫩板栗脱蒲机提供设计依据。

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Abstract： Based on the problems of the low separation rate, the poor adaptability, the easiness of injury and the short mature period of the tender chestnuts of inland Chestnut Taking off the Pu Machine to the tender chestnuts medium rare to medium well, we have designed a experiment table for taking off the Pu of the tender chestnuts. This table chooses the method of flexible extrusion and uses the mutual functions like squeezing and kneading by revolving roller of taking off the Pu and fence pressure stem which can be changed. Through the comparison of experiments, the effects of different types of rollers and pressure stems to the chestnut of taking off the Pu can be analyzed. In addition, the table is equipped with frequency changer and can adjust revolving speed of motor at random on the premise of unchanging the motor. The results of the contrast experiments test indicate that different rollers, pressure stems and revolving speeds of principal axis of the table will give different effects on the taking off the Pu of the tender chestnuts. It can provide the tender chestnut machines of taking off the Pu with various improvement plans and theoretical foundations according to the diverse datum.

ID:1003-188X(2017)08-0121-EA

Design and Test of Tender Chestnut Testing Table

Fan Yakui, Cao Chengmao, Bi Haijun, Hu Mengke, Lou Shuaishuai

(Anhui Agricultural University,School of Technology, Hefei 23003, China)

tender chestnut; running pulley; pressure stem; Flexible extrusion

2016-08-04

国家自然科学资金面上项目(51475002)；安徽省农业机械管理局富民工程科技攻关项目(2016)

范雅魁(1992-)，男，安徽淮北人，硕士研究生，(E-mail)463111297@qq.com。

曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，博士生导师，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

S226.4

A

1003-188X(2017)08-0121-06