黄瓜皮插孔装置的设计与仿真

任晓智，王文杰

（广西大学机械工程学院，南宁 530004）

0 前言

黄瓜皮是广西钦州市著名的地方特产。黄瓜皮的加工工艺流程大致分为原料选择、插孔、烫瓜、压榨、切碎、调味、杀菌、冷却、包装至成品[1]。为了使黄瓜在热水中更快吸热变软，压榨更易排水，在压榨之前安排有插孔工艺，但目前插孔方法一般是使用锥子、竹签等传统工具人工插孔，插孔工艺劳动强度大、生产效率低且有一定的安全风险。

为解决上述人工插孔的弊端，作者提出了一种黄瓜皮插孔工艺装置。该装置在设计过程中以实际工艺需求为导向，以自动化为要求，经历反复的结构优化，实现黄瓜的插孔和运输自动化，为黄瓜皮插孔工艺提供了一种新的解决方案。

1 设计原理及机构

1.1 设计原理

该装置以液压为主要动力，液压以液体为媒介，易实现直线运动和自动化，反应迅速，污染小；由电控系统控制，通过机械系统对黄瓜皮进行插孔，机械系统主要作用有：一是在保证黄瓜固定可靠的前提下对黄瓜进行插孔；二是利用两次插孔的间歇时间即插孔机构回程时间完成运输机构的工位切换。采用齿条与单向齿轮将运输机构和插孔机构联系起来，实现流水作业，加以收集。整个过程无需依靠人力，提高了生产效率，减轻人工劳动强度，且本装置设计简便，适用范围广泛，可靠性高。

1.2 总体设计

黄瓜皮插孔工艺装置由电控系统及液压驱动装置、传动机构和执行机构等组成。其中传动机构包括链轮链条机构和齿条单向传动齿轮联动机构，执行机构包括定位插孔板及固定托盘。结构示意图如图1所示。

图1 黄瓜皮插孔装置结构图

机架和工作平台支撑电控、液压装置、传动机构等。整个装置由液压缸提供驱动力，为插孔板下落提供动力。液压缸后的机架上挂有电控装置控制液压缸在特定时间提供动力。电路板设有开关，开关有弹簧复位装置，可以自动归位，通过开关可以控制液压阀的工位，从而控制液压推杆的上升下降。

两个定位杆保证定位平台及插孔板能保持竖直平稳下落。当黄瓜传送到预期位置时液压装置启动，通过液压推杆将运动传递到定位平台，驱动定位平台带动插孔板下落，同时，固定在定位平台后的齿条向下运动，此时单向传动齿轮空转，不带动主轴转动，从而达到插孔板下落而托盘（盛装黄瓜）不会向前移动的目的。

完成黄瓜插孔后电控装置转换液压阀工位，使液压缸复位，带动插孔板竖直向上运动，齿条随之向上运动。通过齿条带动单向齿轮转动，此时单向传动齿轮带动链轮转动，从而带动链条进行传动，将插好孔的黄瓜送离，传递下一份未插孔黄瓜，实现了固定托盘工位切换，达到自动插孔及自动传输黄瓜的目的。

2 动力学仿真分析

为验证黄瓜皮插孔装置的机械系统运行可行性，将UG 中的关键部件模型导入Adams 中进行仿真分析。

2.1 插孔板仿真分析

对于插孔板，在液压缸的输出推力54.058 N 和输出拉力13.986 N 的情况下，取时间为9 s、步长为500 mm 的仿真方案，通过Adams 后处理模块Post-Processor 进行处理，可以得到其位移曲线图和运动曲线图。

图2 Y 方向位移曲线图（插孔板仿真）

图3 Y 方向速度曲线图（插孔板仿真）

通过仿真分析可知所设计机构运动合理，各部件之间不存在干涉。插孔板在液压缸的稳定压力作用下，做以3 s 为一个周期的周期运动，下行插孔过程和上行拔孔过程分别是加速度不同的匀加速直线运动。

考虑到液压缸设有背压阀，故不计入插孔板重力，由力的传递特性可知插孔力即为液压缸推力54.058 N，大于黄瓜穿刺所需最大力[2]，装置可以完成黄瓜插孔工艺，并保证插孔的流畅性。

2.2 运输机构仿真分析

在Adams 中建立齿条与单向齿轮的齿轮副的运动仿真，设置仿真时长9 s，步长300 mm，从后处理模块观察单向齿轮旋转过程中的角位移随时间变化曲线，如图4 所示。

图4 单向齿轮的角位移随时间变化曲线图

从图5 可以看出，单向齿轮和插孔板的运动具有一致性，以3 s 为一个周期。0～1 s，插孔板向下做插孔动作，此时单向齿轮顺时针空转，不起传动作用，链条上的固定托盘保持工位不变，接受插孔板插孔工艺；1～3 s，插孔板向上运动做拔孔动作，此时单向齿轮逆时针转动，与传动轴配合，带动链轮链条转动，固定托盘依次向前运动一个工位。1～3 s 内单向齿轮角位移为θ=136°，在上述标准转动角度134.86°的误差允许范围内，满足传动机构运行即工位转换要求。

2.3 插孔工艺过程仿真

通过Adams 的柔性体建模，建立黄瓜的柔性体模型，将仿真黄瓜模型放置在插孔板下方的固定托盘上，从初始位置开始仿真，设置仿真时间为3 s，步长100 mm 的仿真方案，通过后处理模块中的碰撞约束分析，得到插孔板与黄瓜的穿透力学曲线图，如图5 所示。

图5 Y 方向受力曲线图（一个周期）

通过受力曲线可知：当插孔板接触黄瓜做插孔工艺时，黄瓜所受最大力为53.960 N，而液压缸产生的推杆推力为54.058 N，考虑到机械损耗，符合实际情况。穿刺所用最大力就是所测果实的坚实度[3]，而黄瓜在不同贮藏条件下的坚实度都在30 N 以下，所以该机构可以满足黄瓜插孔力的实际要求。

3 结论

根据黄瓜皮插孔实际工艺要求，利用三维建模软件设计模型，导入Adams 进行仿真分析，验证了装置合理性和可行性。该黄瓜皮插孔装置以插孔板和传输机构及其联动机构为核心设计，整体机构运行合理，本机构可显著提高插孔工作效率，可大大降低人工劳动强度，具有实用性高、自动化程度高等特点，可以满足黄瓜皮插孔工艺需求。