籽瓜破碎机工作过程仿真分析

曹海雲，李百成，李声元，吴劲锋，黄晓鹏*

(1.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃奥凯农产品干燥装备工程研究院有限公司，甘肃 兰州 730070)

籽瓜俗称“打瓜”或“打籽西瓜”，是葫芦科普通西瓜亚种的一个栽培变种，属低糖瓜类[1，2]，广泛种植于我国西北干旱、半干旱地区，是一种适合于粗放型管理的经济作物[3，4]。其瓜籽即为我们所熟知的“大板黑瓜子”，常食其籽可起到稳定血压、预防动脉硬化、乌发养发的作用[5，6]。

目前，籽瓜产后加工机械方面的研究较多。杨海涛[7]等设计了一种籽瓜捡拾脱籽机，该机器集捡拾、破碎、脱籽功能于一体，并利用螺旋叶片与碎瓜刀相结合对籽瓜进行破碎分离，但是破碎后瓜籽损伤率较高；阎洪山[8]等发明设计了一种背负式打瓜联合收获机，可高效地完成打瓜的收集、破碎、取籽、装袋工作，大大地提高了收获效率，但因其成本较高，故不能实现规模化生产。邓身康[9]等设计了一种籽瓜脱粒机，该机虽然实现了破碎取籽的机械化作业，但其筛网容易堵塞，工作效率低，且主要用于田间定点作业，因此，在生产实践中应用较少。张锋伟[10]等设计的籽瓜籽汁分离机，可以一次性将籽瓜的皮、瓤、籽分离，但分离效果不好，在实际使用中效果不佳。黄晓鹏[11]等设计了一种籽瓜挖瓤机，该机器只实现了籽瓜的皮、瓤分离，没有达到取籽的目的，且该机器结构复杂，不适合籽瓜的大规模加工生产。

针对现有籽瓜综合加工利用的要求，课题组设计研制了一种籽瓜破碎机，为提高籽瓜破碎效率和机器使用寿命，本文利用EDEM.2020对籽瓜破碎过程进行仿真分析。确定工作时破碎齿辊和压碎辊的最佳转速，以期为整机结构优化提供理论依据。

1 籽瓜破碎机整机结构及工作原理

课题组自主设计的可调式籽瓜破碎机如图1所示，可实现破碎齿辊、压碎辊转速、间距按需调整的功能。整机主要由入料口、压碎辊、出料口、机架、破碎齿辊等部件组成，籽瓜破碎机整机结构如图2所示。破碎齿辊和压碎辊由YE2-90L-4电机驱动，在电机与破碎齿辊之间装有RV63-10-Y1.5-4P减速器，由Goodrive20变频器调节转速大小，以便满足不同工作状态下破碎齿辊与压碎辊的转速要求。工作时，籽瓜由入料口喂入后在高速旋转的破碎齿辊作用下受到巨大的冲击力[12-15]，实现整瓜的初步破碎，然后初步破碎的籽瓜混合物经压碎辊进一步破碎，并将混合物中皮、瓤、籽分离，由出料口排出，整机技术参数见表1。

图1 籽瓜破碎机实物图

图2 籽瓜破碎机整机结构1.入料口；2.压碎辊；3.出料口；4.机架；5.破碎齿辊

表1 技术参数

破碎齿辊和压碎辊组成的破碎装置是整个机器的核心部件，结构如图3所示，其转速大小将直接影响机器的破碎效率，因此，本文主要对压碎辊与破碎齿辊在不同转速下籽瓜的破碎情况进行模拟仿真分析。

图3 破碎装置三维结构1.入料口；2.破碎齿辊；3.压碎辊；4.出料口

2 籽瓜破碎过程仿真分析

2.1 研究方法

在SolidWorks2019软件中建立籽瓜破碎分离机的三维模型，以压碎辊转速、破碎齿辊转速为影响因素，以瓜皮粒度、作业时间为指标，利用EDEM2020对籽瓜破碎过程进行模拟仿真分析，试验因素见表2。在EDEM后处理界面的出料口部位建立网格箱组，仿真完成后经计算可得瓜皮粒度，作业时间即为仿真完成时间。将瓜皮颗粒设置为红色，瓜瓤颗粒设置为蓝色，皮瓤破碎装置为默认颜色，籽瓜破碎分离仿真过程如图4所示。

表2 试验因素

图4 籽瓜破碎分离仿真过程

由图4(a)可知，当仿真时间为0.2 s时，籽瓜由入料口进入籽瓜破碎装置后在破碎齿辊作用下被破碎，此时瓜皮已经开始破碎；由图4(b)可知，当仿真时间为0.5 s时，籽瓜在破碎齿辊的带动下进入压碎辊，在压碎辊的作用下使得瓜皮和瓜瓤发生初步分离；由图4(c)可知，当仿真时间为1 s时，此时分离过程进入稳定状态，瓜瓤与瓜皮已完成分离，但仍有部分瓜皮颗粒与瓜瓤颗粒粘结在一起，已破碎的瓜皮和瓜瓤通过出料口完成分离过程；由图4(d)可知，当仿真时间为3 s时，皮、瓤分离过程已基本完成。在仿真完成后通过出料口的颗粒中，只有少量瓜皮颗粒仍与瓜瓤颗粒黏连在一起，这与籽瓜破碎装置样机实际工作情况一致，因此，仿真结果与实际破碎结果基本相符。

2.2 结果和讨论

2.2.1 压碎辊转速对籽瓜破碎分离效果的影响

固定籽瓜喂入量为10 kg/min，破碎齿辊转速为110 r/min，对压碎辊转速为70 r/min、90 r/min、110 r/min、130 r/min和150 r/min五个水平进行试验，试验结果如图5所示。

由图5(a)可知，压碎辊转速对瓜皮粒度的分布影响较大，当压碎辊转速为70 r/min时，籽瓜破碎效果不佳，瓜皮粒度在0～20 mm之间的比例仅为9.4%，20～40 mm之间的比例为11.9%，40～60 mm之间的比例为17.9%，60～80 mm之间的比例为23.2%，80～100 mm之间的比例为37.6%；当压碎辊转速为90 r/min时，情况与70 r/min类似，瓜皮粒度的平均值较转速为70 r/min时略微增大；当压碎辊转速为110r/min时，经出料口的瓜皮粒度较为平均，瓜皮粒度分别为23.6%、23.5%、22.2%、15.4%、15.3%；当压碎辊转速为130 r/min与150 r/min时情况类似，籽瓜的破碎效果较好，以压碎辊转速为130 r/min为例，瓜皮粒度在0～20 mm之间的比例(29.5%)最大，在80～100 mm之间的比例(9.4%)最小。由图5(b)可知，随着压碎辊转速增大，工作时间呈先急剧下降后缓慢减小的变化趋势，并且当压碎辊转速为150 r/min，工作时间达到最小值1.3 s。综合考虑瓜皮粒度和工作时间两个指标，压碎辊最佳转速为130 r/min。

图5 压碎辊转速仿真实验结果

2.2.2 破碎齿辊转速对籽瓜破碎分离效果的影响

固定籽瓜喂入量为10 kg/min，压碎辊转速为110 r/min，对破碎齿辊转速为70 r/min、90 r/min、110 r/min、130 r/min和150 r/min五个水平进行试验，试验结果如图6所示。

由图6(a)可知，当破碎齿辊转速为70 r/min与90 r/min时情况类似，籽瓜破碎效果不佳。以破碎齿辊转速为70 r/min为例，瓜皮粒度在0～20 mm之间的比例仅为11.3%，在20～40 mm之间内的比例为14.0%，40～60 mm之间的比例为19.8%，60～80 mm之间的比例为25.2%，80～100 mm之间的比例为29.7%；当破碎齿辊转速为110 r/min与130 r/min时，籽瓜破碎效果提升显著，经出料口的瓜皮粒度较为平均。以破碎齿辊转速为110 r/min为例，瓜皮粒度分别为18.6%、18.7%、32.2%、32.2%、19.8%、10.7%；当破碎齿辊转速为150 r/min时，瓜皮破碎效果变化不显著，瓜皮粒度在0～20 mm之间的比例(31.8%)最大，在80～100 mm之间的比例(5.6%)最小。由图6(b)可知，随着破碎齿辊转速增大，工作时间呈先迅速减小后缓慢减小的变化趋势，在破碎齿辊转速从90 r/min改变至110 r/min时，工作时间变化最为明显，并且当破碎齿辊转速为150 r/min时，工作时间达到最小值1.7 s。综合考虑瓜皮粒度和工作时间两个指标，破碎齿辊最佳转速为110 r/min。

图6 破碎齿辊转速仿真实验结果

3 小结

基于EDEM软件对自主研制的籽瓜破碎机工作过程进行了仿真分析，结果表明：

(1)压碎辊与破碎齿辊转速对瓜皮粒度分布影响较大，当两者转速均为70 r/min或90 r/min时，籽瓜破碎效果不佳；当压碎辊转速为110 r/min时，瓜皮粒度较为平均，但未达到预期破碎效果；当破碎齿辊转速为110 r/min与130 r/min时，籽瓜破碎效果提升显著；当压碎辊转速为130 r/min与150 r/min时，籽瓜的破碎效果较好；当破碎齿辊转速为150 r/min时，瓜皮破碎效果变化不显著。

(2)随着压碎辊转速增大，工作时间呈先迅速降低后缓慢减小的变化趋势，破碎齿辊表现出相同的变化趋势。破碎齿辊转速从90 r/min提高至110 r/min，工作时间变化最为明显。综合考虑瓜皮粒度和工作时间两个指标，压碎辊和破碎齿辊最优转速分别为130 r/min和110 r/min，在此种工况下，机器可以满足作业需求。

本研究可为籽瓜破碎机结构优化提供理论依据。