基于欠成熟的板栗脱蒲机设计与试验

毕海军，曹成茂，周 敏，范雅魁

(安徽农业大学 工学院,合肥 230036)



基于欠成熟的板栗脱蒲机设计与试验

毕海军，曹成茂，周 敏，范雅魁

(安徽农业大学 工学院,合肥 230036)

采摘的新鲜板栗需要及时脱蒲，然后将栗果送人冷藏室保鲜储藏，否则容易发生霉烂、生虫、发芽，从而失去其应有的经济价值。为此，针对目前市场上板栗脱蒲机存在损伤率、未脱率高等问题，设计了一款基于欠成熟的板栗脱蒲和往复运动筛分的板栗脱蒲机。文中介绍了基于Pro/E方法的柔性挤压脱蒲装置、往复筛分部件及传动机构的三维建模和三维设计，详细给出了该板栗脱蒲机的具体生产工艺过程。该板栗脱蒲机结构简单、传动效率高，通过栅栏与可调式螺栓，对不同大小的的板栗刺球脱蒲适应性好。通过对不同成熟度、含水率的板栗刺球进行试验验证和用户使用，证明该机对板栗脱蒲的损伤率、未脱率低，分离清洁度、作业效率高。

板栗；三维设计；柔性挤压脱蒲；往复筛分

0 引言

近年来，随着市场对欠成熟板栗的需求，其价格远远高于成熟度较高的板栗，但国内基于欠成熟板栗脱蒲机械的研究还很少，技术还不完善[1-2]。欧洲地区多采用高温灼烧法脱蒲，日本多采用高速辊刀法脱蒲。针对欠成熟板栗脱蒲的机械，国外尚无类似机械可供借鉴[3]。国内现有的撞击法脱蒲、揉搓法脱蒲、剪切法脱蒲、搓撕法脱蒲，及混合法脱蒲对成熟度高的板栗脱蒲效果明显；但对于欠成熟的板栗脱蒲时存在分离率低、板栗果肉破损率高、机器适应性差等问题[4-8]。为了满足安徽省大别山地区对欠成熟板栗收获要求，设计了可实现分离、清选与收集为一体的板栗脱蒲机。

1 整机结构设计与工作原理

根据板栗的物理特性，欠成熟的板栗果仁与板栗蒲粘结紧密度较高，脱蒲时容易损伤栗果，降低栗果的品质，影响栗果的价格。针对现有机械不能满足欠成熟板栗的生产需求，设计一款基于欠成熟板栗脱蒲机，整机结构如图1所示。整机主要由进料斗、柔性挤压脱蒲部件、可调式螺栓、机架、双层分离筛、导轨、电动机、可拆卸式电动机机架、曲柄连杆机构和栅栏等组成。工作原理：脱蒲作业时，启动三相电动机，电机带动各作业部件，将欠成熟板栗刺球从进料斗口喂入脱蒲室。在脱蒲室内，欠成熟的板栗刺球受到柔性锯齿形叶片辊子的锯齿和橡胶板的撕扯与挤压的作用，在锯齿和橡胶板的重复撕扯和挤压作用下，板栗蒲开裂，板栗果与板栗蒲分离。板栗蒲与板栗果仁在自身重力和柔性锯齿形辊子挤压作用下，穿过可调式栅栏的间隙落入双向筛分装置。其中，较大的板栗蒲在双向筛分装置上层被筛分去除，较小板栗果从上层筛底的圆孔中落到下层筛进行收集。

1.进料斗 2.柔性挤压脱蒲部件 3.可调式螺栓 4.机架 5.双层分离筛 6.导轨 7.电动机 8.可拆卸式电动机机架

该机结构特点：双层筛对板栗果与板栗蒲进行双向分离，采用柔性挤压方式降低板栗果仁的损伤率，提高板栗脱净率。

2 关键部件结构设计

2.1 柔性挤压脱蒲装置

柔性脱蒲装置是板栗脱蒲机的重要部件之一。脱蒲过程的柔性揉搓既要保证板栗苞的开裂，又要最大程度地降低板栗果实的损伤。柔性挤压脱蒲部件主要由锯齿形叶片和柔性栅栏组成。板栗蒲进入脱蒲室内，与锯齿形叶片上的橡胶板相遇，在脱蒲室内板栗球受到安装在锯齿形叶片上的橡胶皮与柔性栅栏的共同作用(单个板栗球在工作区受力情况如图2所示)，沿柔性栅栏径向受挤压力F1、F1′作用；沿柔性栅栏切线方向受剪切力F2、F2′的作用[7-8]。

图2 揉性挤压脱蒲原理1

挤压力F1、F1′数值应当在合适的范围内，在保证板栗子不受破坏的前提下，使板栗苞开裂，同时剪切力F2、F2′也应在合适的范围内，能使板栗苞开裂加剧，但又不会导致挤压力过大。因此，脱蒲应满足的条件为

其中，Fm、Fn分别为板栗蒲和板栗子的抗压强度；Fr为板栗蒲的剪切强度。

各个力之间的函数关系为

其中，f、f′分别为板栗蒲与挤压板表面、柔性栅栏表面的摩擦因数；R为柔性栅栏的半径；r为单个板栗蒲的最大半径。

因为r≤R，mgsinθ≤F，所以忽略mgsinθ、r得

F2=f·F1

由此可知：影响板栗脱蒲效果取决于锯齿形叶片与柔性栅栏之间的相对转动速度ω，锯齿形叶片施加的压力F1，板栗蒲与锯齿形叶片和栅栏之间的摩擦因数f、f′。为了增大F2、F2′，在锯齿形叶片表面加上橡胶皮，栅栏表面套上硅胶以增加摩擦因数f、f′。

实际工作时，可能出现由于板栗球体受力，板栗球的大小发生变化而导致板栗球脱蒲不彻底或者不能剥苞。为了避免这种情况的发生，在设计时，将叶片设计成锯齿状并在圆弧板外表面加上厚橡胶皮，从而使锯齿形叶片与柔性栅栏之间形成一个有利于板栗脱蒲的渐变空间。

如图3所示。板栗球所处的A点距离主轴为a，柔性栅栏的半径为R，R>a,且锯齿形叶片为曲率半径为r的圆弧[9-10]，A点空间的径向间隙d为

e=L/cosβ

板栗球压缩量S为

式中 D—板栗球直径；

R—柔性栅栏直径；

L—调节臂长度；

α、β—位置角。

图3 揉性挤压脱蒲原理2

在剥苞室内，随着锯齿形辊子的转动，板栗球所承受的压缩量相对锯齿形叶片的位置改变而不断变化，以适应板栗球在剥苞时尺寸的变化。

柔性栅栏间隙的确定，板栗球的剖面结构如图4所示。

图4 板栗球形状图

图4中，d为板栗子直径；D为板栗球直径；a为板栗蒲厚度。

当板栗球到达柔性栅栏时，分离的板栗子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e因满足d/3﹤e﹤D。

综合效率与结构等因素，设计了柔性剥苞部件。板栗柔性挤压脱蒲部件结构如图5所示。锯齿形叶片辊子与主轴连接，主轴通过轴承座固定在机架上。考虑到板栗蒲大小及品种的不同，对锯齿形叶片辊子与栅栏间的间隙设计有可调式螺栓，根据嫩板栗大小及品种的不同通过调整可调式螺栓的高度，改变锯齿形叶片辊子与栅栏之间的距离。

1.锯齿形叶片 2.橡胶皮 3.可调式螺栓 4.栅栏

在实际工作时，可能出现板栗球体受力后大小发生变化而导致板栗球脱蒲不彻底或者不能脱蒲。为了避免这种情况的发生，将辊子叶片的前端设计成锯齿形。由于欠成熟的板栗栗仁比较鲜嫩，很容易受到损伤，所以在锯齿形叶片的一侧安装有缓冲的橡胶板，橡胶板与锯齿形叶片的安装位置如图2所示。分离后的嫩板栗果与板栗蒲从栅栏间隙之间落下，而未破裂的板栗球则继续留在脱蒲室内进行脱蒲，故栅栏间隙不宜过大或过小，综合考虑欠成熟板栗球的物理性状和脱蒲效率，弧形可调式栅栏直径为320mm，长度为520mm，栅栏的间隙为40mm。

在板栗脱蒲机试验台上进行试验，通过调节SIMENSmm440变频器来控制三相电动机根据脱蒲效果获得最佳转速，从而确定柔性挤压锯齿形辊子的转速。试验可知：调节SIMENSmm440变频器频率10～20Hz范围内时，脱蒲效果最佳，柔性锯齿形辊子的转速为280～560r/min。在保证最佳脱蒲效果和效率的前提下，设计取额定转速为560r/min[11]。

2.2 双向筛分部件

双向筛分部件是板栗脱蒲机的清选重要部件。分离筛上层分布着很多筛孔，板栗物料由于筛面的振动激励作用使其在筛面上产生运动，通过筛孔进行分离。双向筛分部件结构如图6所示，主要由双层筛、可调式导轨及曲柄连杆机构组成。可调式导轨可以通过调节连接机架的螺栓来调整相对于机架一侧两根角钢的高度，使其达到合适的倾斜角度，保证了分层筛最佳的筛分效果。双层筛位于导轨的4个滑轮上，底端与曲柄连杆机构连接，曲柄连杆机构通过轴承座固定在机架上。

1.机架 2.轴承座 3.曲柄连杆 4.可调式导轨 5.双层筛

工作时，启动电动机，动力通过V型传动带带动锯齿形辊子主轴和曲柄连杆转动；双层筛在曲柄连杆的带动下，在可调式轨道上作往复运动，板栗果和板栗蒲在双层筛内进行筛分，板栗果通过上层筛子“口”字格落入下层筛，而板栗蒲继续留在上层筛上；板栗蒲从上层筛一端送出，板栗果和碎蒲从下层另一端送出，最终实现板栗果和板栗蒲的分离、收集。

2.3 可拆卸式电动机机架

板栗放置不同的时间时，板栗蒲的物理特性会发生变化，所以欠成熟板栗在采摘过后要及时地进行脱蒲。为了适应欠成熟板栗在安徽省大别山地区的采摘特性，设计放置电动机的机架为可拆卸式，便于栗农将板栗脱蒲机运输到山上，让栗农在山上就可以及时地采摘及脱蒲。可拆卸式电动机机架如图7所示。

1.电机调节底座 2.可拆卸式电动机机架

2.4 传动系统

板栗脱蒲机的传动系统如图8所示。

图8 传动系统结构图

三相电动机安装有单槽皮带轮，当三相电动机启动后，传动带将动力传送到连接着锯齿形辊子主轴的双槽皮带轮；曲柄连杆机构的带轮通过皮带与转动主轴的双槽皮带轮相连，将动力传给分离筛。

传动系统的参数和各机构转速如表1所示。

表1 传动系统参数

3 基于欠成熟板栗脱蒲机的性能实验

研制的板栗脱蒲机的主要参数如表2所示。

表2 基于欠成熟板栗脱蒲机配置的参数

板栗脱蒲机的性能试验于2015年8月15-31日在安徽农业大学机电工程园进行。

试验主要检验板栗脱蒲机各个主要部件的工艺及整机工作性能，包括：板栗果损伤率、板栗球脱净率、分离清洁度、作业效率和动力配备等。试验板种为安徽省金寨县地区出产的欠成熟的板栗。一般情况下，板栗成熟度越低板栗蒲与板栗果的黏力就越大，在脱蒲过程中欠成熟板栗球不易开裂且板栗果容易受到损伤，板栗损伤率高。进行4次试验，欠成熟板栗分为刚采摘的、采摘过后放置1天的、采摘过后放置两天的及采摘过后放置1周的。试验时，板栗球的喂入速度3～4kg/min。试验前后的欠成熟板栗样品如图9所示。

(a) 脱蒲前刚采摘的 (b) 脱蒲前放置 (c) 脱蒲前放置

欠成熟板栗 一天后的欠成熟板栗 两天后的欠成熟板栗

(d) 脱蒲前放置 (e) 刚采摘的欠成熟 (f) 放置一天后的

一周后的欠成熟板栗 板栗脱蒲后 欠成熟板栗脱蒲后

(g) 放置两天后的 (h) 放置一周后的欠成熟

板栗脱蒲机性能试验以欠成熟板栗脱净率和板栗果损伤率为试验指标，试验过程中实测并记录脱蒲部件实际转速及其试验指标，试验结果如表3所示。

表3 性能考核技术参数

试验结果表明：刚采摘过后的欠成熟板栗的脱净率随着放置天数的增加而增加；刚采摘过后的欠成熟的板栗脱净率达到了97.88%，分别放置1天、2天后的脱净率更高，且放置1周后的欠成熟板栗脱净率达到了99.98%，板栗果仁的损伤率也在0.49%以下。作业

效果达到预期的程度，完全满足生产的要求。

4 结论

1)基于欠成熟的板栗脱蒲机，脱蒲是通过锯齿形辊子上的锯齿和柔性橡胶板的重复撕扯与挤压使板栗蒲开裂，板栗果与板栗蒲分离，采用柔性挤压方式可有效降低板栗的损伤率。

2)基于欠成熟板栗的柔性挤压脱蒲和往复筛分的板栗脱蒲机通过试验验证和用户使用，证明该机对板栗脱蒲的损伤率、未脱率低，分离清洁度、作业效率高，具有结构简单、传动效率高的特点。

3)欠成熟板栗球采用机械化脱蒲，不仅能显著提高工作效率，而且还能大大降低生产成本，效益十分可观。

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Design and Test of Chestnut Husker Based on the Seven or Eight Maturity

Bi Haijun, Cao Chengmao, Zhou Min, Fan Yakui

(Anhui Agricultural University school of technology, Hefei 230036，China)

Picked fresh chestnut need to be timely removed Po and sent to refrigerator to preserve, otherwise they easily get mildew, vermin, germination, and thus lose their economic value. In this paper, to solve the high damage rate and fail to remove Po in current chestnt po off market,we designed a chestnut po machine based on less mature chestnut po off and reciprocation sieved off po chestnut machine.The paper introduced flexible squeezing po off based on Proe, reciprocating screening unit and three-dimensional modeling and three-dimensional design of the transmission gear,we detailly gave the process of production. The structure of the chestnut po is simple, transmission efficiency is high. The machine is adaptive for different size of chestnut by using fences and adjustable bolt.By comparing the experimental results and verification of users for different mature and rate of containing water, we proved the chestnut po off has low damage rate,fail to po off rate, and high seperation cleanliness, high operating efficiency.

chestnut; three-dimensional design; flexible squeezing po off; reciprocating screening unit

2016-05-23

国家自然科学资金面上项目(51475002)

毕海军(1989-)，男，合肥人，硕士研究生，(E-mail)839985020@qq.com。

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

S225.93

A

1003-188X(2017)07-0107-05