荔枝去核剥壳机的设计

1摘 要荔枝产于我国南部，是亚热带水果，其果肉鲜甜而且富含营养价值，世界上只有中国、越南、泰国等少数几个亚洲国家能种植荔枝。我国是荔枝的生产大国，每年的产量巨大，而且产期相对集中，大约是每年的 6,7 月份。荔枝大多以内销为主，只有极少部分用于出口，而其果肉保鲜难度大，不适宜长距离运输。此外，荔枝的产后加工现状也不甚理想，主要以荔枝罐头、荔枝干、荔枝果酒等传统食品为主，远不能满足经济和社会的发展需求。对于目前荔枝的生产状况，我们要充分发挥荔枝高产量的经济效益，就必须提高荔枝的产后加工能力，从多方面，多渠道开发荔枝的经济价值。为此，本人设计了一部荔枝的产后加工机器荔枝去核剥壳机。该机器主要有两个功能，一是去核，二是剥壳，同时把分离的果核，果肉和果壳分别收入各自的收集器中，用于以后的生产加工需要。要实现上述两个功能，为该机器设计了三个机构，从上到下分别为：定向机构、去核机构、剥壳机构。定向机构是用于给荔枝定向，让荔枝以一定的方向落入料夹中，方便去核功能的实现；去核机构位于机器的中部，去核刀在去核刀轴的控制下完成去核；剥壳机构则位于整部机器的下部，利用三个棍之间的相互作用，简单快捷地实现果壳分离。本研究设计有助于提高荔枝的产后加工能力，减少果肉，果汁的损失率，可以用于荔枝加工生产企业，提高其自动化程度，节省人力，提高生产效率和产品质量。关键字：荔枝 果肉去核 果肉剥壳 荔枝果肉剥取技术 荔枝生产现状2Litchi to Nuclear Sheller Design SpecificationZeng Guoxin(College of Engineering,South China Agricultural University Guangzhou 510642,China)Abstract: Litchi produced in southern China, is subtropical fruits, its pulp fresh sweet and rich in nutrition value, the world only China, Vietnam, Thailand and a few Asian countries can cultivate the lychee. Our country is litchi giant in production, the annual output is huge, and maternity leave relative concentration, it is about the six or seven months a year. Litchi mostly mainly, very few for export, and the difficulty of keeping fresh fruit, not suitable for long distance transportation. In addition, litchi of processing now also not very postpartum ideal, mainly with lychee cans, litchi dry wine, litchi of traditional food products mainly, far cannot satisfy the economic and social development demand. For the present litchi production situation, we must improve the processing ability after litchi and in many aspects, multi-channel development litchi economic value. For this reason, I design a postpartum processing machine-the lychee litchi to nuclear sheller.This machine is mainly has two functions, it is to go nuclear, but shell, but at the same time, the separation of the core, pulp and nut shell income of their respective respectively collector, used for the production and processing of later need. To realize the above two functions, for the machine designed three institutions, from top to bottom are: the directional institutions, to nuclear agency, shell institutions. Directional institutions is used to give litchi directional, let litchi to certain direction fall into material clip, convenient to the realization of the function of nuclear; To nuclear agency is located in the central part of the machine, to go nuclear in nuclear knife knife shaft under the control of a complete to nuclear; Shell institution is located in the lower part of the whole machine, using the three stick the interaction between the, simple and quick to achieve the nut shell separation.This research is designed to help improve the processing ability of litchi postpartum, reduce pulp, fruit juice loss rates, and can be used in the lychee processing production enterprise, to enhance the automation degree, save manpower, improve the production efficiency and product quality.Key words: Litchi Pulp to nuclear Pulp shell Litchi production status3目 录1 绪论 .11.1 研究背景 .11.1.1 荔枝生产现状 .11.1.2 荔枝产后加工现状 .11.2 研究的目的和意义 .11.3 国内外研究现状 .21.3.1 国内外荔枝物理机械特性的研究现状 .21.3.2 国内外荔枝果肉机械剥取技术的研究现状 .31.3.3 国内外荔枝果肉定向技术的研究现状 .41.4 本章小结 .42 荔枝去核剥壳装置的设计 .42.1 总体方案的设计 .52.1.1 设计目标 .52.1.2 去核剥壳装置结构及其工作原理 .52.2 定向机构设计 .62.2.1.定向机构结构 .62.2.2 关键部件设计 .72.3 去核机构设计 .72.3.1 去核机构的结构及工作原理 .72.3.2 凸轮机构的设计 .82.3.3 料盘机构的设计 .222.4 剥壳机构设计 .252.4.1 剥壳机构结构及工作原理 .262.4.2 剥壳机构关键部件设计 .272.5 传动机构设计 .282.5.1 动力传动方案 .282.5.2 传动机构设计 .282.6 本章小结 .294参考文献致谢成绩评定表51 绪论1.1 研究背景1.1.1 荔枝生产现状荔枝原产于我国，是我国岭南佳果，色、香、味皆美，驰名中外，有果王之称。其营养价值和经济价值极高，目前世界上只有中国，越南，泰国等少数国家能种植荔枝，而我国的荔枝产量这尤其庞大，其种植区主要分布在广东，广西，海南等地区。尽管我国的荔枝产量非常可观，产量最高达 155.84 万吨，占世界总产量的7080%（刘燕群等，2008；马艳辉，2004） 。但是目前我国的荔枝仍主要用于对内供应，出口量不足中国荔枝总产量的 0.5%（舒肇甦，2006） 。销售方式也是以鲜售为主，只有非常少数对外销售和用于加工成别的产品。荔枝大面积上市期集中在 6,7 月，日上市量在 2.5 万吨左右，荔枝采摘后极易腐烂，变质（常温下为 1 周左右，低温下能保存 30天） ，因此不适宜长距离运输（许道钊，2007） ，这就使大量的荔枝销售不出去，造成大量的浪费。另外，随着国际上荔枝行业竞争的日趋激烈，造成荔枝价格下降，是荔枝行业的经济收益受损。荔枝产业存在产季集中，产量大，保鲜难，产品单一，销售不畅等特点和问题，而这些都造成我国荔枝产业的经济收益和规模不能令人满意。1.1.2 荔枝的后加工现状荔枝后加工指的是以荔枝为原料的工业生产活动，是解决我国目前荔枝产业经济效益低下的重要途径。目前，我国荔枝产后加工处理能力低下，加工规模小，且加工产品种类少，只有荔枝干，荔枝类饮料，酒等少数食品，远不能满足经济和社会发展的需求。因此，研究和发展荔枝的后加工技术，提高加工产品的科技含量和附加价值，满足国内外的需求，增加荔枝行业的经济收益，是荔枝行业产业化的必走之路。荔枝后加工的核心工序是：去核，剥壳，而这些工序的设计直接影响了加工后荔枝的果肉完整性以及果汁的损失率！为此，我们设计的加工机械必须做到优质，高效，同时也做到低耗，安全，无污染！1.2 研究的目的和意义研究主要分三大模块，分别为：（1）设计该机器的定向机构，并详细阐述去原理以及其可行性。（2）设计该机器的去核机构，包括圆柱凸轮，去核刀，料夹，料盘的设计说明（3）设计该机器的剥壳机构，包括各种锟的设计说明6开展对荔枝去核剥壳机得研究，可大力推动荔枝产业化的发展，解决大生产与小市场之间的矛盾。我国目前的经济政策实行加强自主创新，提高科学技术，实现产业转型升级，若该机械能投入生产，既响应了国家的号召，同时又能增加更多的就业岗位，还能增加农民收入，因此该研究非常有价值。1.3 国内外研究现状通过到图书馆的翻阅，包括 CNKI 等学术论文系统,以及百度，谷歌等网络搜索工具，发现，现金国外对荔枝去核剥壳机的设计和研究很少，国内对于该机械的研究也不多，而且设计并不是很完善。1.3.1 国内外荔枝物理机械特性的研究现状目前，关于荔枝物理机械特性的研究比较少，研究内容主要集中在荔枝的基本物理特性和力学特性两方面，研究方法包括传统检测方法和现代检测技术。1.3.1.1 荔枝的基本物理特性农业物料的基本物理特性主要包括物料的单元素尺寸，综合尺寸，外观形状和颜色、密度、表面特征、宏观和微观结构等。通过对其基本参数的测定，建立物料的物料模型，为去核、剥壳装置的设计提供依据。国外研究了荔枝颜色与 PH 值之间的关系，即当 PH=0 的环境下，荔枝能保存其颜色。国内，根据网上和图书馆的资料查阅，得出以下 3 点（1）荔枝的细胞外壁和角质层很薄，且向外作半球形突出，易受机械损伤，易腐烂。（2）荔枝的果面有峰谷组成，峰谷有许多小突起构成，受到破坏后，形成蜂窝状凹陷。依据突起表面结构将荔枝分为 3 中类型龟裂片尖突、龟裂片隆起、龟裂片平坦。（3）近球度系数达 0.95 以上，密度略大于 1105kg/m3 1.3.1.2 荔枝的力学特性物料的力学特性包括物料的应力-应变规律、冲击、振动、倔强强度、硬度、蠕变、松弛和流变特性，是设计收获、加工、储运等系统的重要理论依据之一。 通过翻查资料，根据王旭东教授对荔枝的力学实验得到以下数据：“荔枝整果的弹性模量在 0.011060.1310 6Pa，荔枝未破裂前的弹性模量随载荷的变化关系为非线性曲线，在泊松比分别为 0.20.4 间，引起的初始弹性模量误差为 2.1%，在最大弹性模量时误差为 12.5%，荔枝尺寸、结构体构成、成熟度对弹性模量有一定影响，对初始7弹性模量影响小于最大弹性模量，但无明显的变化规律。余恺等教授对荔枝的实验得到以下数据：测定时探头速率在 20100 mm/min 和 200500 mm/min 组内差异不显著（王旭东，2007） ，但组间差异显著，荔枝的质量对果肉的单位硬度无显著影响，荔枝的摆放方向对测定结果有显著影响，利用设定的参数测定淮枝、黑叶和白腊 3 个品种荔枝果肉的硬度，其中白腊品种的果肉硬度显著高于淮枝和黑叶品种，荔枝罐藏后在 30下贮藏 30 天，果肉硬度明显下降。 ”1.3.2 国内外荔枝果肉机械剥取技术的研究现状由于在机器设计上大多采用类比和仿造的方法，目前国内关于荔枝果肉剥出机理及理论方面的研究较少，主要集中在对未去核的荔枝剥壳或对未剥壳的荔枝去核，针对去核后的荔枝剥壳或剥壳后的荔枝去核的研究更少。1.3.2.1 国内外荔枝剥壳技术的研究现状目前，国内外的剥壳技术主要包括碾搓法、剪切法、搓撕法、挤压法、刀切法（杜文华，2003；张林泉，2006） 。碾搓法的工作原理是荔枝在固定磨片和运动磨片间受到强烈的碾搓、剪切作用，使荔枝的外壳破碎并与果肉分离，从而实现脱壳目的。剪切法脱壳原理是荔枝在固定刀架和转鼓间受到相对运动着的刀板的剪切力的作用，外壳被切裂并打开，实现外壳与果肉的分离。搓撕法脱壳原理是利用同向转动的摩擦轮对开口后的物料进行搓撕，果壳在与摩擦轮的切向摩擦力作用下，沿开口处被撕裂并被摩擦轮带走，实现壳肉分离。挤压法脱壳原理是通过对辊挤压荔枝使其外壳破裂，与果肉分离，达到脱壳目的。刀切法脱壳原理是利用刀片绕果壳旋切一周将果壳完全切开，去除果壳。其典型设备有小型荔枝剥壳机。1.3.2.2 国内外荔枝去核技术的研究现状根据去核方法不同，现有的核果类水果机械去核装置大体上可分为挤压式、撞击式、抓剥式、捅杆式、剖分式、取核式等（李恩山，1994；王旭东，2008） 。挤压式去核原理是荔枝在两个辊子的挤压下，果肉被挤入齿辊的齿间间隙，而果核则使橡胶辊子的橡胶层变形而凹入橡胶层内，实现核肉分离。刮板式去核原理是果肉在刮板、圆筒筛网和搓板之间的移动过程中受离心力和摩擦力作用而变成小碎块，穿过筛网孔流入果肉收集斗，而果核则从圆筒筛出口端排出，达到核、肉自动分离的目的。8抓剥式去核原理是利用转动滚筒上的凸齿对果肉连续剪切，抓撕，将果肉从果核上剥离下来。捅杆式去核原理是通过粗细与果核基本相同的捅杆把果核捅出。主要影响因数是：捅杆的直径。适用于大小一致、核易脱离的水果的去核作业，去核过后的果肉完整性较好，但存在工作效率低和果肉损失率高等问题。剖分式去核原理是先对水果定向，然后利用剖分刀将水果沿结合缝剖成两半，再通过振动筛或手工辅助脱核。去核过后的果肉呈两瓣，适合于加工罐头、果脯，但对于粘核类果品存在去核率不高且果肉损失率大以及人工劳动强度大等特点。取核式去核原理是利用爪形活动刀组成挖核机械手，切入果肉，将果核抱住，从蒂部取出。去核过后的果肉形态较完整，呈灯笼状，符合荔枝深加工需求。但存在机构复杂，去核效率低等问题。1.3.3 国内外荔枝定向技术的研究现状目前，关于水果定向技术的研究主要存在两个方向， （1）机电一体化发展方向，以电脑自控为主，借助于电子眼和机械手，控制水果在去核、剥壳过程中的位置，以达到自动定向的目的。这种方法是水果深加工的发展方向，目前还存在技术不成熟、设备成本高等问题。 （2）依据水果本身的物理特性，运用某些物理学或力学原理完成自动定向。这种方法比较简单，容易实现，设备成本低，受物料外形不规则影响，定向精度不高。常见的定向方法有：利用物料某一方向上的外形尺寸与其它方向上的几何尺寸差异定向，如长轴与短轴、高度与长度方向差异，如白瓜籽、杏核等。利用物料局部表面特征差异进行定向，如表面凹陷、种毛方向、粗糙度等，如苹果、梨、桃、水稻的定向。利用物料在一定结构、表面特征、运动状态下的物体表面按特点运动状态运动进行定向，如斜面辊式核桃定向装置、电磁振动式自动定向装置。这种方法适用于在特定环境中具有明显运动特征的水果定向，如核桃、杏等。1.4 本章小结首先，介绍荔枝的生产，加工现状，指出开放和改进荔枝加工技术的必要性，能提高荔枝的经济效益，走荔枝产业化发展的道路。其次，确定荔枝的研究方向，分别为三大模块：定向机构、去核机构、以及剥壳机构，并大概明确每个模块研究的内容。最好，总结分析前人的理论成果，了解荔枝的物理机械特性，以及国内外的定向技术研究现状、国内外去核技术研究现状、国内外剥壳技术研究现状。以此为基础，展开9对该机器的设计研究。102 荔枝去核剥壳机装置的设计根据荔枝的物理特性和力学特性，再借鉴已有的去核，剥壳技术，设计出一种具备同时去核与剥壳两个功能的机械装置，并对该装置的原理进行说明以及对关键零部件进行动力学分析和动力分析，确定其参数。2.1 总体方案设计2.1.1 设计目标该荔枝去核剥壳装置应该具备以下性能：（1） 准确性：能够准确地进行定向，去核，剥壳三道工序（2） 适用性：对不同种类的荔枝都能进行良好的操作（3） 操作便捷性：安全可靠，清洁卫生，操作简单（4） 扩展性：能根据生产要求，自由配置定向，去核，剥壳的组个数。2.1.2 荔枝去核剥壳装置结构及其工作原理2.1.2.1 装置结构图 1：荔枝去核剥壳机左视图1.送料辊传动齿轮 2.拨盘 a 3.槽轮 a 4.排料轮 5.定向对辊 6.导向槽 7.万向节 8.锥11齿轮传动 1 9.顶核杆 10.锥齿轮传动 2 11.去核刀轴 12.拨销 13.支撑轴承 14.刀套 15.去核刀 16.料夹 17.开料凸轮 18.料盘 b 19.槽轮 b 20.导料槽 21.压壳辊 22.压辊轴 23.剥壳辊 24.剥壳辊轴 2.1.2.2 工作原理送料过程：荔枝放在导向槽上，受到重力的作用，落在一对同向转动的定向棍表面，该荔枝与定向棍表面接触，受到定向棍表面的切向力作用，在旋转力矩的作用下不断翻转，不断调整自身位置至长轴方向与两定向棍的轴向一致，同时荔枝在沿果顶方向移动至出料侧，受到排料轮的阻挡，停在排料轮的凹槽内，排料轮在槽轮的驱动下，旋转900，旋转过程中将凹槽内的荔枝拨出定向棍，在重力作用下，荔枝沿果顶朝下方向，通过导管定时准确地落入取料夹中，完成取料过程。去核过程：荔枝在料夹中随料盘旋转 900后停留，此时水平正对去核刀的位置，去核刀旋转一周同时往返一次运动，实现进刀和退刀过程。进刀过程中，去核到从荔枝蒂部旋转切入果体，切断果核与果肉，果壳与果肉之间的连接组织，并将果核套入刀管，将果核抓牢；退刀过程中，受果核以及顶部海绵组织与导管、刀刃摩擦力的共同作用下，果核随去核刀一起向后运动，运动到末期，果核受到悬伸在刀轴内的顶杆作用，停止运动，而去核刀还在后移，相对运动下，果核被顶出去核刀管，落入果核收集装置。剥壳过程：去核后，料盘再旋转 900，即装有荔枝的取料夹处在垂直向下的位置，在顶夹板的作用下，料夹打开，荔枝受重力从料夹中掉落，通过导料槽落在剥壳棍和压辊的间隙间，受到两棍表面摩擦力的作用被喂入剥壳棍组成的剥壳单元，在喂入过程中受到剥壳棍和压辊的侧向挤压作用，果壳沿去核口生长结合线或裂纹处裂开，进入剥壳单元的荔枝受到剥壳棍的摩擦挤压力作用，在挤压变形力和果肉膨压力下果壳沿裂缝处进一步裂开，果肉顺势从果壳中挤出，落在压棍表面，随压辊的转动从卸料单元排出，落在果肉收集器，果壳则被剥壳棍夹持，从剥壳棍上方排出，落入果壳收集器。2.2 定向机构的设计2.2.1 定向机构结构定向机构结构如下图所示，该装置有定向辊，排料轮，导向管等组成。两定向辊平行装在机架上，通过一对齿轮传动，作同向转动。排料轮安装在定向辊的上端出口处，通过外槽轮机构完成间歇的喂料动作。导向管安装在排料轮的上侧，安装高度与定向辊一致。121.送料对辊 2.排料轮 3. 送料辊轴 4.传动齿轮 5.外槽轮机构 6.导向管 图 2 定向机构简图2.2.2 关键部件设计2.2.2.1 定向辊的设计选择安全无毒的“尼龙”作为定向辊的材料。根据喂料的要求和整机的结构协调性，初步选择定向辊的直径为 80mm，长 120mm，对辊间隙 5mm。为增加摩擦力，增强喂料效果，在棍子表面加印斜纹，且两定向辊斜纹方向相同。2.2.2.2 排料轮的设计 如图 3 所示，排料轮的功能是对荔枝进行定时，逐个定向取料，保证后续去核剥壳操作的顺利进行。圆盘上均有拨齿，相邻拨齿间有圆弧槽。排料轮每转过 900，拨一个荔枝到料夹。图 3 排料轮排料轮的设计要求： （1） 为保证料夹每次转动至垂直位置时都能有荔枝落入，拨齿的个数应与料夹个数相同，本次设计中，料夹个数为 4，拨齿个数也为 4。（2） 为保证每次有且只有一个荔枝拨过，所以圆弧凹槽的大小应只能容纳一个荔枝，13而荔枝果径参数最大不超过 40mm，故选择圆弧凹槽直径为 40mm。2.2.2.3 导向管机构的设计图 4：排料管设计图当荔枝从定向辊上拨落后，由于定向辊和料夹之间存有一定的高度差，为了是荔枝能顺利的按照果顶朝下的方向送到料夹，所以在料夹和定向辊之间按照一个定向管。初步设计内径为 40mm，长 120mm，并有圆槽弧（如图 4）的有机玻璃作为定向管。2.3 去核机构的设计2.3.1 去核机构的结构及工作原理2.3.1.1 去核机构的结构去核机构位于整部机构的中部，他主要由去核机构和料盘机构组成。其组成部分如上树形图所示，机构简图如图 4 所示。1.传动锥齿轮 2.去核刀轴 3.去核刀 4.顶夹板 5.料夹 6.外槽轮机构 7.料盘图 5 去核机构简图142.3.1.2 去核机构的工作原理当去核刀开始前进时，料夹在外槽轮的驱动下，夹持着荔枝旋转 900后停留，此时的位置刚好水平正对去核刀的位置，去核刀轴在锥齿轮的驱动下，旋转一周同时完成反复运动一次，实现进刀和退刀过程。进刀过程，去核刀从蒂部旋转切入荔枝果体，切断果体与海绵组织之间的联系，将果核套入刀管，将果核抓牢。退刀过程，果核受到刀壁管的摩擦力作用，随核刀一起向后运动。到退刀行程末期时，果核受到悬伸在去核刀轴内的顶核杆作用，停止向后运动，而去核刀继续后退，相对作用下，果核用去核刀管顶出，落入果核收集器，实现去核。2.3.2 凸轮机构的设计2.3.2.1 刀轴的设计2.3.2.1.1 刀轴的结构刀轴是用来固定去核刀，控制去核刀的运动轨迹，为去核刀提供去核动力的，它的结构设计如图 6 所示。1.左端支承轴 2.圆柱凸轮 3.右端支承轴 图6 刀轴结构图刀轴有三部分组成，包括左端的支撑轴、右端的支撑轴和圆柱凸轮。圆柱凸轮由螺旋升角为 的左右螺旋槽和过渡圆弧槽连接成的封闭滑槽，刀轴轴心部钻有通孔，右端支撑轴端部上钻有刀套孔，左端支撑轴上铣有键槽。2.3.2.1.2 刀轴的运动分析15图7 凸轮展开图首先，要保证拨销能在螺旋槽内自由滑动，那么拨销的直径应小于螺旋槽的宽度。其次，为了方便分析，把圆柱凸轮在坐标Y-O-Z内展开（如图7所示） ，为了方便描述凸轮轴的运动状态，假定凸轮轴不动，拨销做往复直线运动，则凸轮轴的状态参数与拨销的状态参数大小相等，方向相反。 当凸轮轴做顺时针转动，拨销依次经过ABCDE,与拨销的接触点依次为abcde。A到B的过程中，凸轮轴以速度V y沿Y轴方向匀速运动，受到支反力N的作用，又以速度V Z沿Z轴方向匀速运动。B到C的过程中，凸轮轴与拨销分离，凸轮轴失去了拨销的支反力作用，Z轴方向只收到轴承的摩擦力和去核阻力作用，沿Z轴方向做减速运动。在C点E点位置时，凸轮轴与拨销碰撞，运动方向发生改变。把凸轮轴上任意一点 m 的运动轨迹方程可以分为 eb、cd 段和 bc、de 段两部分，如图 8 所示。16图8在 cd，be 段，m 点任意时刻的轨迹方程为：（1）cosintaxrtyzb式中： 接触点到轴线的距离，m；rm 点到坐标平面 XOY 的距离，m；螺旋槽的升角，；轴的转动角速度，rad/s ；轴的转动时间，s。t对（1）式求导，可以得到 m 点任意时刻的速度方程：（2） sincotaxyzvrt对（2）式求导，可以得到 m 点任意时刻的加速度方程：(3) 2cosin0xyzart在 bc、de 段，受到摩擦力和去核阻力助力作用下，产生加速度 ，由牛顿第二定律，a得：12Fa去 核m（4）17式中： 轴承对轴的摩擦阻力， ；1FN传动齿轮对轴的摩擦阻力， ；2刀具去核时受到的去核阻力， 。去 核则 bc、de 段，任意时刻 m 点的轨迹方程为：（5） 2cosin1tatanxrtyzbr对（5）式求导，可以得到下列速度方程：（6） sincotataxyzvrtr对（6）式求导，得到 m 点任意时刻的加速度方程：（7） 2cosintaxyzrt凸轮轴上任一点 m 的速度和加速度的大小分别为 和22mxyzvv。22mxyzaa2.3.2.1.3 凸轮刀轴的动力学分析对凸轮机构进行动力学特性分析，对凸轮机构与拨销之间的接触力进行分析，在螺旋槽 cd，eb 段，凸轮轴做匀速直线运动，所以此时凸轮轴的运动处于平衡状态，其受力如图 9 所示：18图9 凸轮轴受力分析图可得 xF0yz 0zxyM（8）代入各个分力可得：12121212121212cosin()sin0+()co0isxNpxNxxyyp Nyyz NzzpFtFtGF （9）以右端轴承与凸轮接触面为基准，列弯矩方程，得：22222213120cossin0()xyNyxNxz PMbGFbaaFbrrrL （10） 式中： 拨销对凸轮轴的支反力， ；N锥齿轮对键 1 的压力， ；1p N19锥齿轮对键 2 的压力， ；2pNN右端轴承对凸轮轴的支撑力， ；1左端轴承对凸轮轴的支撑力， ；2去核刀对刀轴的作用力， ；FN拨销与凸轮轴之间的摩擦力， ；N右端轴承对凸轮轴的摩擦力， ；1左轴承对凸轮轴的摩擦力， ；2NFN键与锥轮之间的摩擦力， ；p螺旋槽螺旋升角，。凸轮轴某时刻的转角，rad；t凸轮左端轴半径，m；1r凸轮中间轴半径，m；2凸轮右端轴半径，m；3r分别表示拨销与右端接触面距离、左端接触面距右端接触面距离、cba,凸轮轴重心距右端接触面距离，m。又 ， ， ，NF12122NFpp3而 ， ， ， 为与凸轮轴相互作用的材料间的滑动摩擦系数。考虑到各接触123部件均为钢与钢之间的接触，材料相同，故有：（ 为钢与钢之间的滑动摩擦系数）321联立上式，得：（11）abNx)cos(sin2由（11）可知，在摩擦系数，支撑力，螺旋升角，支撑轴和拨销位置一定的情况下，拨销也凸轮间的支反力 主要由左轴承对凸轮轴的支撑力 决定。 2xN20B 到 c 和 d 到 e 运动过程中，凸轮轴与拨销没有接触，所以不受拨销的作用力，此过程凸轮轴做轴向的减速运动。当凸轮轴与拨销接触时，发生碰撞，为了方便计算，假顶凸轮轴与拨销的碰撞为弹性碰撞，则根据能量守恒定理，满足：（12）22221 1mvmvv由动量守恒定理，得（13） 1212vv式中： 凸轮轴质量，kg；m拨销质量，kg；2为凸轮轴碰撞前后的速度，m/s；1,v为拨销碰撞前后的速度，m/s。2又由于拨销与机架相连，故可以认为其质量相对于凸轮轴为无限大，设凸轮轴的质量为 ，与拨销碰撞前后的速度为： ，则由冲量定理，得：1m1,v（14）1Ntv联立（13） ， （14） ，得：（15）12=t由（11） ， （15）可知，凸轮轴在任意路径受到拨销的作用力：（16）21()sincos0xNbamvt2.3.2.1.4 圆柱凸轮的设计2.3.2.1.4.1 螺旋槽导程的设计 导程：同一螺旋线上，相邻两牙对应的轴向距离，用S表示。螺距：螺纹上相邻两牙对应点的轴向距离，用P表示。螺距与导程的关系：S=NP (N为螺纹的头数)eb，cd 段bc,ed 段c,e 点位置21通过对凸轮机构的运动分析可知：去核刀的进刀和退刀由刀轴运动轨迹决定，刀轴的运动轨迹由圆柱凸轮决定，因此，要保证核刀能够可靠地取出果核，必须选择合适的螺旋导程，图10为凸轮螺旋槽的展开图：图 10由图 10 可知， ,而 , ,所以 其中 为螺旋升角，2tanPrSNP24tanSr为圆柱凸轮半径。r由此可知，螺旋槽导程的值取决于螺旋升角 以及圆柱凸轮半径 r。圆柱凸轮的主要作用是控制去核刀轴的运动轨迹，凸轮由作用螺旋槽组成，每个螺旋槽各转 1800。去核刀轴往复运动一次，料盘转动 900，拨盘转动 3600。刀轴转动一周的同时，往复运动一次，即完成圆周运动 AMBNA 的同时，完成了AOBBOA 的往复运动一次，在此过程中往复运动的路程即为螺旋槽的导程。如图 11 所示。2Lb12H12Lb1H1 图 11 机构的运动协调的螺旋槽展开图22由上述可知，螺旋槽的导程主要取决于去核刀进刀深度 PB 和退核间距 PA,设设 PB 长为，PA 长为 ，凸轮往复运动行程为 ，左右螺旋槽导程为 。则：1L2 SH(17)12HL （ ）根据凸轮机构与槽轮机构的运动特点，（1）要保证刀具与料夹不运动干涉，则刀具切入荔枝果肉过程中，料夹不发生转动，由于料夹只在拨盘转动一圈过程中的 1/4 圈发生转动，即转动角度只有 900。由三角形边角关系知， 须满足 。由实验数据表明，去核刀要切入到果核纵径长1LS8312/3 处，约为 24mm，才能较好地实现去核。考虑到进刀过程中的弹性形变，核刀的切入深度最好为 30mm，即 L1=30， 。 0m（2）要保证刀具退核过程中果核不与料夹运动干涉，则必须满足退核间距L2d， （d 为果核纵径） 。根据荔枝物性试验测定，荔枝果核纵径最大不超过 24mm，综合考虑安全可靠问题，选择 L230mm。为此螺纹导程应满 S120mm。综合（1） 、 （2）两点，考虑到整机运行的安全、可靠性，适应性，选择螺旋导程为 160mm。2.3.2.1.4.2 螺旋升角的确定螺旋升角的选择应该首先注意一个问题避免凸轮自锁。要避免自锁，则凸轮轴在轴上受到支反力必须大于轴向上的摩擦力：即： cosin=vNFf所以： （式中 为当量摩擦系数）1arctvfvf查表，可知 =0.15，通过实验表明， 的取值应该在 30到 55间比较好，实际v 选择螺旋升级为 32.40。2.3.2.1.4.3 圆柱直径的选择圆柱表面有左右螺旋槽相交组成的闭合回路，通过对圆柱凸轮柱面展开图分析，可知：凸轮行程与螺旋升角及直径的关系 ，由前面分析可知 ，4tanHrmH160，所以 r=40mm。 4.322.3.2.1.4.4 滑键的设计23滑键的主要作用是将锥齿轮上得动力传递给凸轮轴，并与锥齿轮之间做相对滑动运动。因此，滑键必须具备足够的强度，保证传动效果，且需具备足够的长度，保证在相对滑动过程中不与锥齿轮脱落。滑键的装配图如图 13 所示。按凸轮轴的动力学模型分析中得出在位置 C 和 E 中滑键受到的负荷最大。滑键的失效形式主要是工作面被压溃，除非有严重的过载，否则不会出现滑键的剪断。对于导向平键和滑键联接，其失效形式主要是工作面的过渡磨损。为了保证机器能够正常工作，按工作面上挤压应力进行强度校核计算。假定载荷在滑键的工作面上均匀分布，滑键链接的强度条件为：（18）pkldT式中： 传递的转矩，N/m；滑键和轮毂键槽的接触高度，mm;滑键的工作长度，mm;l安装滑键的那部分轴的直径，mm;dp为滑键、轴、齿轮三者最弱材料的许用压力，MPa。 图 13 滑键装配图综合考虑，在本文中选择双键传动，既可以保证键的强度，又可以保证轴的受力均衡，滑键长度选择为120mm，保证传动锥齿轮不会脱离滑键。2.3.2.2 拨销的设计2.3.2.2.1 拨销的结构设计拨销的作用是利用拨销对凸轮刀轴的联接反作用力，驱动凸轮刀轴沿轴向运动，完成进刀和退刀过程，为保证机器能正常运动，拨销的设计应该满足一下几点要求：（1）拨销应具有足够的强度，保证传动可靠。（2）拨销材料应具有好的耐磨性，保证拨销不会快速磨损以致失效；（3）拨销材料与凸轮槽壁之间的摩擦系数应尽可能小，减小凸轮轴运动阻力。通过对拨销的受力和运动分析可知：（1）刀轴每次换向时，拨销受力点从A点不连续性过渡到B点，致使拨销受到一次瞬时撞击，该撞击导致拨销极易发生弯曲变形，机构运行稳定性变差。24（2）在拨销的截面上，由于始终只有两个点承受工作载荷，导致不均匀磨损，如图14所示，最终导致刀轴去核阻力增大，甚至整个机构自锁，直至去核失败。图 14 推杆磨损图Figure 为此设计了一种如图15所示的拨销装置，该装置主要由滑套轴、铜套、支架组成。铜套在拨销轴顶端，与螺旋槽接触；拨销轴下端固定在支架上。该装置主要优点是：（1）利用铜套实现拨销和螺旋槽壁之间的间接接触，补偿拨销磨损；（2）利用铜套与螺旋槽壁之间的滚动接触，代替拨销与槽壁的滑动接触，减小摩擦阻力和销轴偏磨；（3）利用铜与钢之间的磨擦系数不同，选用磨擦系数比较小的铜代替钢材，减缓磨损；（4）增加拨销的直径，提高拨销的受力性能。2.3.2.2.2 拨销的强度校核拨销在螺旋槽运动过程中受到凸轮轴的支反力N作用，拨销上得最大弯曲应力满足：(19) maxaxMyI式中： 拨销上的最大弯矩， N.m；ax拨销横截面上的点到中心轴 Z的最远距离，即接触点处的拨销截面半径，mymm； 横截面对Z轴的惯性矩, m.kg.s 2。zI又因为：(20) maxaxTMNL图 15拨销装置滑套轴 支架 铜套套 25式中： 轴对拨销的最大支反力，N；max推力作用点的力臂长度，mm。TL将式（19）代入式（20）得：（21）maxaaxTLyI因此在设计推杆结构的时候，应使材料的许用弯曲应力 大于 max。2.3.2.3 去核刀的设计2.3.2.3.1 去核刀的结构去核刀的作用是在进刀过程中，旋转切入荔枝果肉中，将果壳切开，切断果肉与海绵组织之间的连接，并将果核套入刀管；退刀过程中，夹持果核，将果核取出。通过对去核原理的研究，要保证果核能顺利被取出，并减小去核过程中的果肉损失，去核刀应该满足一下要求。（1）刀刃应锋利，能够快速切入果壳，切断果肉、果壳与果核之间的连接组织；（2）刀管内径应合适，既保证能够切断果核与果壳、果肉之间的连接组织，抓牢果核，又能降低去核过程中的果肉、果汁损失率；（3）刀具应具有一定的柔性，能够适应对不同大小果核去核；（4）刀具应保证果核能够被顺利排出；（5）刀具应能够尽可能降低去核过程中的果肉果汁损失，保证果汁不会流入去核刀轴内部。通过前期的试验和文献查阅表明，采用圆筒齿刃刀具具有较好的去核效果，为此设计了一种如图 16 所示的荔枝去核刀。1.刀头 2.螺纹 3.切槽 4.刀身 5.刀柄 6.键槽图 16 去核刀结构简图该刀主要由刀头、刀身、刀柄三部分组成，整刀由尼龙材料加工而成，既具有足够的刚性又保持了较好的柔韧性。切槽位于两个刀齿条刀刃之间，沿刀刃背部直线延伸至刀身，与刀齿的数量相同，决定刀齿的高度。刀柄主要起固定、传动作用，通过键或销钉联接将刀具固定在去核刀轴上。其关键部位的结构设计如下：262.3.2.3.2 刀头刀头是管形刀身的前端部分，刀刃由一定齿形和齿数的刀齿组成，其作用是在去核的时候划破果壳，切断果肉与海绵状组织之间的连接，取出果核。根据滑切理论，在刀具相同的情况下，滑切时刀齿对物料的正压力比正切时小，刀具对果肉的挤压较弱，果肉的完整性较好，去核阻力较小。前期研究表明采用弧齿形刀具具有较好的去核效果，考虑刀具加工的方便性以及刀具工作时的刚性和方向选择性，将刀齿的结构设计成三角齿形，如图 17 所示，斜边为刀刃部分， Vtn图 17 刀齿结构图刀齿的滑切角 ：（其中 为螺旋升角， 为刃倾角）2滑切系数：（其中 为瞬时切向速度， 为瞬时法向速度）tantvt nv在刀具转速和进刀速度相同的情况下，齿形不同，刀具对果核的滑切角也不同。由此可见，三角斜齿刀具的滑切角 除了与螺旋升角 有关外，还跟刃倾角 的大小有关，刃倾角越小，滑切角越大，滑切效果越显著，但刀齿的刚度会同时降低，对果核的夹持力也相应减小，实验表明采用倾角 为 44 的刀刃去核效果比较好。当刀具直径确定后，齿数越多，齿的高度和宽度就越小，反之亦然。高度和宽度较27小的齿，刚度较大，切入果核时的变形小，果核不易套入刀管，导致去核阻力较大，对果肉的挤压损伤较严重，对果核的夹持作用也弱，所以齿形刀的齿数不宜过多，但齿数少于 3 时就不能发挥斜齿轮的滑切优势，坚固两者，选择刀具的齿数为 4 齿。2.3.2.3.3 刀齿高度刀齿高度指刀尖刀切槽底部的长度，由切槽深度决定。切槽越深，齿高越大，刀齿悬伸越长，齿的刚度越小，去核时越易发生变形，则对果核的抓取效果越好，但抓取力减小，反之则相反。实验表明切槽深 24mm 时去核效果最好。2.3.2.3.4 刀身刀身是由两段不同内径和壁厚的刀管构成，主要起支撑刀头和顶核杆，协助刀头完成去核动作，防止果汁流入刀轴的作用。在本设计中，为便于制作，将刀头部分与刀身部分合为一体，前端刀管内劲是决定去核效果的关键因素。不同直径的刀具去核示意图，如图 18 所示。刀管内劲和果核等效直径相差不大时，刀具能完全切断果核与果肉，果壳之间的连接组织，并给果核施加足够的夹持力，保证果核顺利退出，果肉损失较少；小直径去核刀对果壳和果肉的切口太小，不能完全切断连接组织，还容易切碎果核，导致去核阻力增大，取核力减小，去核成功率降低，果肉品质变差。（a） （b） （c）（a）刀具直径与果核相近 （b）刀具直径大于果核 （c）刀具直径小于果核图 18 不同直径刀具去核示意图后端刀管主要起支撑顶杆和防止果汁倒流入刀轴的作用，为保证密封效果，将其内径设定与顶杆直径基本相同，但有一定间隙。前端壁厚直接影响刀齿的刚性和去核过程中果肉损失大小，壁厚越大，刀齿刚性越好，对果核的夹持力越大，越有利于果核取出，但去核过程中的损失率增大，反之亦然，28综合考