电动莲子剥壳机的设计说明书

湘潭大学毕业论文 题 目： 莲子剥壳机的设计 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： XXXXX 姓 名： XXXXX 指导教师： XXXXX 完成日期： 2014.5.21 摘要 . 1 第一章 绪论 . 3 1.1 课题背景 . 3 1.2 国内外研究现状 . 3 1.3 剥壳原理 . 5 1.3.1 挤压式莲子剥壳机 . 5 1.3.2 摩擦式莲子剥壳机 . 5 1.3.3 撕搓式莲子剥壳机 . 5 1.3.4 冲击式莲子剥壳机 . 6 1.3.5 切割式莲子剥壳机 . 6 1.4 原有机构的缺点及发展趋势 . 6 第二章 系统总体方案确定 . 8 2.1 设备布局 . 8 2.2 关键机构的设计 . 8 2.2.1. 下料机构 . 8 2.2.2 输送机构 . 9 2.2.3 切割机构 . 9 2.2.4 传动机构 . 9 第三章 莲子剥壳机的详细设计 . 10 3.1 莲子外形特性实验研究 . 10 3.1.1 莲子三维尺寸 . 10 3.1.2 壳厚与壳仁间隙 . 10 3.1.3 百粒重 . 11 3.1.4 莲壳含水率 . 12 3.2 莲子物理性能的测定 . 12 3.2.1 莲壳抗压强度 . 12 3.2.2 莲壳硬度 . 14 3.3 小结 . 15 第四章 莲子剥壳机的整体设计 . 17 4.1 刀具的确定 . 17 4.2 皮带的设计 . 18 4.3 下料机构的设计 . 19 4.4 电机的选择 . 20 4.5 V 带传动设计 . 20 4.6 轴的选择 . 21 结论与展望 . 23 参考文献 . 24 致 谢 . 25 1 摘要 现在的莲子剥壳技术有很多种，但有的效率太低也不太科学，远远不能满足市场的需求，所以这项新技术的出现是非常有必要的。从古至今，我们都是通过手工来完成莲子的剥壳，这样费时费力，没有效率。莲子剥壳机的问世，是手工剥莲子向机器剥莲子的一个伟大发明。它使莲子产区的的农民收入增加，还降低了他们的劳动强度，还可以将剥好的莲子加工成各种莲子产品，同时莲子壳也可以加工饲料等用处。本设计采用刀具切割来达到壳仁分离 的目的，通过送料带来进行送料。本设计工作原理清晰，结构较紧凑，有一定的实用价值。 关键词 ：莲子、剥壳机、刀具、送料 2 Abstract Nowadays, there are many kinds of lotus seed shell technology, but some efficiency is too low or too science, Far can not satisfy the demand of the market,so,this emergence of this new technology is necessary. Historically, all of us are done through manual lotus seed shell, this way is so laborious, inefficient. The coming of lotus seed sheller is manual peel lotus seed peel the lotus seeds to machine a great invention. It makes the lotus seed production areas of farmers income increase, and reduced their labour intensity, also be stripped lotus seed processing into a variety of lotus seed products, At the same time lotus seed shell can also processing feed and other uses. This design adopts the cutting tool to achieve the purpose of shell kernel separation, through feed to feed. The working principle of the design is clear, structure is compact, and has certain practical value. Keywords: lotus seed, sheller, cutter, feeding. 3 第一章 绪论 1.1 课题背景 莲子又称莲实、莲米、水之丹，是睡莲科多年水生草本植物莲的成熟种子。它生。在小巧玲珑的莲蓬之中，因为外壳坚硬，古人称之为石莲子。莲子为莲的副产品，也是我国的特产之一。以生产莲子为主的莲，称子莲，我国湖南、江西、福建、浙江等省，均是闻名的子莲产区。莲子大都以产地或其形状命名，大体分为湘莲、红莲、白莲、通心莲、壳莲等，而湖南湘潭、安乡等地出产的湘莲，江西鄱阳湖沿岸生产的大白莲，福建建阳、建宁生产的建莲，为全国三大名莲，在国内外享有盛誉。中的 “天厨 ”御宴、红楼梦 中描写的贾府盛宴，均有 “莲子肉 ”、 “干蒸莲子 ”，而 “莲子汤 ”则是最后的压席菜，尚有 “无莲不成席 ”之势。莲子除作为珍贵的滋补食品外，还是一付妙药。在中医处方上，莲子通常称为莲肉 、湘莲肉。古人说，吃莲子能返老还童、长生不老。这一点固不可信，但关于其在养心安神、健脑益智、消除疲劳等方面的药用价值，历代医药典籍多有记载。比如在神农本草、本草拾遗、本草纲目、本草备要中都有据可查。 莲子是一种有较高食用和药用价值的特色农副产品，具有较高的经济价值，在中国尤其湖南、湖北产量比较大。莲子中的钙、钾 的含量比较高，每公斤莲子中含有蛋白质81.3 克，脂肪 9.8 克，糖 3.4 克，钙 436 毫克，铁 31.4 毫克，还含有和多维生素，微量元素等物质。除了对牙齿和骨骼有益外，还可以促进凝血，使酶活化， 具有养心益肾、健脾止泻，治心悸、失眠、遗精、淋浊、久泻、虚痢、崩漏、白带的作用，主补中养神，益气力，除百病，久服轻身耐劳，不饥延年；莲心性味苦、寒，可清心去热，清暑除烦，生津止渴，敛液止汗、清热养神。具有平肝火、泻脾火、降肺火，治目红肿，高血压等作用；荷叶具有生发元气，助脾胃、涩精液、散瘀血、消水肿、降血脂等功效，对高血压 、心脏病 18、肥胖症有治疗作用 还有维持肌肉的伸缩性和心率等作用 19。 莲子是我国人民喜爱的滋补食品，年加工量和出口量都是相当的巨大。但大部分的都是通过手工进行去壳，这样算来，仅仅剥壳就要耗费很大的时间和财力，随着需求量的日益增加，就必须要有一个机械化的方法来代替人工来剥壳，提高生产效率。最初剥壳是采用人工刀砍的方法，到手摇去壳机，在到现在的全自动剥壳机，日加工量在不断地提高，生产效率成倍增长，有效地推动的莲子产业的发展。 1.2 国内外研究现状 随着人们生活水平的提高，莲子成为了一种不 错的滋补食品。我国的大部分地区都有出产，以湖南、湖北、江西较多。但莲子的深加工领域还很落后，正是因为这样，所 4 以我们要抓住这个机会来多开发些莲子的深加工方法。从古至今，人们大都通过手工的方法或一些最简单的工具来剥莲子壳，相当的费时费力。莲子剥壳机是个伟大的发明，是人们期待已久的一个设备，为以后莲子更好更快的加工带来了信心。湘潭县花石镇是国内唯一具有规模的莲子集散加工中心，目前，莲子剥壳技术已日渐趋向成熟，生产效率大幅提高，有效地推动的湘莲加工产业的快速发展。我国研究莲子剥壳机从 20 世纪 60 年代就已经开 始，湖南省农机所率先于 1981 年开始对莲子剥壳机进行了试验研究，并于 1983 年 6 月鉴定且小批生产了 6BR-1 型莲子剥壳机。与些同时，一些院校和科研单位也开始理论研究、实施试验、编写教程。直到 20 世纪 80 年代，莲子剥壳机在我国还处于孕育期。从 20 世纪 90 年代开始，许多单位研制了多种莲子剥壳机，型号达 10 多种，专利也有很多。在发达国家，莲子的采收，剥壳等工序都已经实现了机械自动化 17。 农业物料 15是指农业生产和加工的对象，它包括植物和动物物料，以及它们为原料加 工的半成品。农业物料物理特性，是运用近代物理学理论、技术和方法，研究农业物料物理特性及各个物理因子和生物物料相互作用的一门边缘学科 。 农业物料物理特性的研究成果可以作为研究和设计具有先进性能机器设备的原始依据。 国内外学者对农业物料物理特性开展了大量的研究工作。袁巧霞、刘木华分别对银杏、鲜莲的外形尺寸、壳仁间隙、密度等物理参数进行了测试；周祖锷、测定了杏核的物理特性；等对不同品种的秋葵的物理性质进行了测试；报道了松果的外形、尺寸、密度、空隙率、质量、摩擦力等物理参数。 农业物料的力学特性是设计收获、分级和加工 系统的重要理论依据之一。物料力学特性的研究国内外报道较多，其中李小昱对整个苹果进行了压缩破坏实验，王俊等对桃、梨的力学特性进行了实验研究，曹国荣采用有限元法对松籽壳在不同方向外载作用下的应力场、位移场及其随外载变化的规律进行了研究；华南理工大学的王灵军等人通过有限元分析方法找出了银杏最佳的施力方向与施力方式。发现了挤压位置对坚果破壳力的影响，研究了压缩破坏坚果壳所需要的力、变形和能量，测试了杏核和杏仁的力学特性，比较了压缩载荷下三种不同杏核的力学特性。使用有限元和边界元方法研究了水果的坚实度。探索了压缩载荷 下坚果的破裂行为，华中农业大学研究生谢丽娟在对干壳莲子物理参数试验研究的基础上，应用商用有限元受力分析软件 ANSYS对在各种施力状态下莲子的应力应变分布进行了仿真分析。确定最佳脱壳的施力方式是沿莲子短轴方向加载均布线载荷，这时莲子的应力应变分布有一定方向性，有利于裂纹扩展，使莲子有效脱壳。 5 1.3 剥壳原理 1.3.1 挤压式莲子剥壳机 挤压式莲子剥壳机最早的模型为双辊式莲子剥壳设备。设备中一辊为带有橡胶层的旋转圆柱体，另一与之相对转动的辊上带有三角形刀刃的多个盘形圆片组成。使莲子通过两辊的中缝时，切开 莲壳。然而几经实验，莲子仅被刀刃划破了部分外壳。由于在两辊之间的加工区较短，莲子不可能在其中滚上一两圈，因而使莲壳的切破率大大降低。 浙江大学的郑传祥教授，对于前人提出的挤压式莲子剥壳机原理进行了进一步的改进，从而在此基础上设计了一种更能适应生产实际的高效莲子剥壳机。完善了挤压式的双辊技术。利用高速刀具对莲子外壳进行切割、挤压使其脱壳，同时增加了脱壳切割的刀具数量，使其更适合机械化生产。该机型可以将莲子按照其颗粒大小分类后进行脱壳，使莲子生产实现在机械化的道路上向前迈进了一大步。 1.3.2 摩擦式莲子剥 壳机 旋转圆桶式脱壳机是比较早期的摩擦式剥壳机，其在中部旋转轴上装有盘形刀片，外桶固定在机架上，其内壁上衬有适当厚度的橡胶层。莲子进入后，随旋转轴的带动，在内壁与转轴的刀片中滚动，莲壳在橡胶层的衬垫下被转动的盘形刀片切破，然后从其夹缝中掉出。但是由于被切破的莲壳均牢牢的粘附在莲肉上，为使莲壳与莲肉分离， 还得专门设计一个搓壳机。为了克服旋转圆桶式莲子脱壳机固有缺陷，在其基础上，6JD-400 型莲子剥壳机设计成三个加工段 破壳段、搓壳段及软搓壳段。每小时每台可加工 70 kg，脱壳率平均为 75%以上，出莲肉 完好率平均 9 5% 以上，且筛分率大于90 %，莲子损害率小于 4 % 以下，但每副刀片使用 5- 6班需重磨一次。经生产实践表明， 6JD-400 型莲子剥壳机性能稳定可靠，自动化程度高，便于操作，清洁安全且经济效益比较显。 1.3.3 撕搓式莲子剥壳机 代表机型以湖南省农机所研究的 6BR-1 型莲子剥壳机为例。为了保证剥壳质量，提高功效和对不同形状莲子的适应性，该机采用了自动送料、自动定位和组合刀头等装置，其结构独特，且机子小巧轻便、使用方便、安全可靠，适于 白 莲、红莲、东瓜莲等多种莲子的剥壳作业。 该机采用一对刀头从一长径方向两端同时切入莲壳后再适当旋转一定角度，撕搓莲壳使其扭碎从而完成剥壳的方法，不仅脱壳率大为提高，而且破碎率仅在 5%左右。 6 1.3.4 冲击式莲子剥壳机 台湾嘉义大学与中兴大学的黄文禄、盛中德教授研发的莲子剥壳脱膜机子主要由供料机构、同向差速滚筒磨擦、拨杆及四只水刀喷嘴组成。该机剥壳脱膜工作原理：莲子在同向且具差速的滚筒间滚动，并在喷嘴高压喷头产生的水刀作用下破膜。 1.3.5 切割式莲子剥壳机 在切割式莲子剥壳机的研制中，武汉工业学院机械工程系的张永林、易启伟等设计了一种基于 辊刀切割原理的莲子剥壳机。辊刀式莲子剥壳机采用供送螺杆对壳莲进行分粒供送并使莲子按照一致的位形排序上料，采用由双托辊和剥壳辊构成的剥壳通道实现莲子剥壳。同时，为了适应不同品种，不同颗粒大小、形状莲子的剥壳，设计上采用了集总式的调节机构，以实现对主要的切割参数如切割深度、切割压力、偏置角度和螺旋辊刀空间斜置的调节。通过基于物理样机的剥壳试验，多联辊刀式莲子剥壳机的处理量大于 100 kg/h，剥壳率大于 90%，仁壳分离率达 92%，籽仁破损率小于 3%。相对于其他剥壳机，多联辊刀式莲子剥壳机通用性较强，性能相 对稳定，在设计上有所突破，同时调节维护相对于其他莲子剥壳机来说更方便快捷，基本能够满足莲子机械化剥壳的实用性需求 。 1.4 原有机构的缺点及发展趋势 我国幅员辽阔，各地区莲子的颗粒质量水平和大小存在较大差别。且不同地区莲子的加工工艺也不尽相同，比如福建多采用鲜莲子加工，而湖南多采用干莲子加工。鲜莲子和干莲子的差异性较大，干莲子外壳非常坚硬，壳仁之间间隙小，莲子抗压强度较高，而鲜莲皮较为松软，莲子抗压强度较低。目前尚没有干鲜两用的莲子剥壳相关机械。 在目前已有的莲子剥壳机中，很多都是采用手摇 驱动，或采用半手工半机械作业为主的加工方式。虽然相对纯手工加工，很大程度上降低了生产成本，提高了生产效率，但是如果要实现大规模的加工生产，其生产效益和自动化水平还有待进一步的提高。 莲子仁的外膜和芯一样，均有苦味，在食用或者加工时都需要将其除去。而当前市场上很多的剥壳机或者没有结合去膜功能，或者去膜成功率低，或者去膜的时候莲子破损率很高。于是在去膜这道工艺上，为了减少莲子的损耗率，保持莲子完整的外观，仍然要耗费大量的人力。由此滋生了个别黑心企业为降低成本，直接利用化学药剂进行莲子外膜脱落或者溶解的不 法行为。 莲子剥壳机的技术发展方向大致为：进一步提高可靠性和对不同莲子的适应性；根据用户要求设计相应机械的生产能力；更好的实现自动化，针对新技术研制新机型，提 7 高机器的制造质量和可靠性；进一步完善标准。发展莲子剥壳机具有生产实际意义。应结合我国国情，在分析莲子加工原理的基础上，设计自动化莲子剥壳设备，提高产量和剥壳质量，同时降低企业的生产成本，提高企业的效益，最终提升农产品竞争力 。有许多其他的机械设备都是研究人员对多种农作物料的物理机械特征进行了深入的研究，但相比之下对于干莲子特征的研究却比较少。与之相应的， 干莲子脱壳机械的研究不是建立在对于干莲子物理机械特性的研究基础之上，脱壳设备大多依据经验进行开发设计，导致在一定程度上降低了干莲子加工效率。所以只有在干莲子物理机械特性的研究及脱壳设备开发的日益深入，才能在一定程度上解决干莲子的深加工严重滞后于市场需求 ，莲子脱壳以手工的脱壳方式才能淘汰，从根本上提高了干莲子加工的质量和效率，提高了干莲子的综合利用。因此，为了解决我国干莲子加工技术落后的现状，更好的设计开发出高效干莲子脱壳设备，就必须全面的掌握干莲子的各种物理机械特性，为研制干莲子脱壳机构及脱壳设备提供基础 理论依据。 要解决这些问题关键所在是，必须对剥壳机的关键技术与工作部件进行重点攻关，改革传统结构，优化结构设计，研究新的脱壳机理；所以研究剥壳机的主要部件几何参数、工艺参数、等基础理论研究至关重要。 8 第二章 系统总体方案确定 2.1 设备布局 本莲子脱壳机采用上述原理中的切割式莲子剥壳。机械结构如图所示，主要由莲子进料器、莲子切割剥壳系统、挤压通道、传动系统及支架等组成。该机器设有八条通道，可以有效地提高莲子的加工效率。原料莲子首先在外设的分选机内按直径大小进行分类 ,然后分类后的莲子进入莲子去芯机的料斗 ，料斗下方是特别设计的莲子下料机构和斜流槽，下料机构可以有效地控制莲子以一定的速率落下，能够有效地避免莲子落下过快导致莲子剥壳不干净。然后在斜流槽上滚动进入剥壳系统，在剥壳系统中，通过莲子在与皮带上的滚动下来与刀具进行快速滚动，从而达到剥壳的目的。刀锋高度为莲子壳厚度，保证刀具破壳但不伤到仁，每把刀具对着皮带的中间位置，莲子进入后首先莲子中间位置被切破，在随后与刀具，皮带之间被挤压，从而去壳，然后被皮带运送出剥壳装置，完成剥壳。通过三维软件 UG【 5】 得到的三维模型如下： 图 2-1 2.2 关键机构的设计 2.2.1. 下料机构 莲子的尺寸在一定范围内变动，大小不一，这使不能让同时存在于切割机构内的莲子数量超过两颗，否则必然会导致一些莲子的莲壳无法被切破 。该机构主要用来实现莲 9 子能有连续且一粒一粒的落下，能有效地解决这个问题，原理如下。分级后的莲子通过料斗进入滚轮中的孔中，在电机的驱动下，滚轮匀速转动，转过一段弧度后，通过限流机构的下料孔落下，从而实现莲子的单个连续落下，落下速度可以通过滚轮的转速来控制 。 2.2.2 输送机构 该机构主要由皮带轮和皮带构成，皮带轮的粗糙度适宜。在电机的带动下皮带轮旋转带动皮带传动，莲子从限流机构出来后通过斜流槽滚入皮带上，在进入切割机构。 2.2.3 切割机构 该机构是多排排列在一起的平行刀片，用来切开莲子壳。莲子在皮带轮的驱动下载皮带和刀具之间进行滚动运动，刀具在莲子上切割来达到去壳的目的。 剥壳机的刀架都是直接固定在机架上的，使得切壳刀刃到托住莲子的元件的表面的间距为一个定值 ，由于莲子的尺寸又是在一定范围内变动的，这就使得必须按莲子的短轴直径对莲子进行分级 ， 不同级的莲子通过不同的剥壳通道到相应尺寸的剥壳单元进行莲壳切割，这样就增加了剥壳机的复杂性并且这样的设计把整仁率和莲子分级的级数联系起来了，要提高整仁率就必须增加莲子分级数，因为如果莲子分级数不够，同级的莲子尺寸变动范围依就很大，那么短轴直径较大的莲子依就可能被切壳刀切破莲仁，造成莲仁破坏 。考虑到这个因素，本机设有八条通道，每条通道上的刀具与皮带之间的距离不一样，分八个级数。这样可以有效地避免莲子仁被破坏也可以提高生产效率。 2.2.4 传动机构 该莲子去芯机采用电动机提供动力，主要由齿轮传动， 皮带传动。 10 第三章 莲子剥壳机的详细设计 我国的科研人员在几十年间已经陆续开发出各种剥壳方式的莲子剥壳机，但到现在为止莲子剥壳任然存在剥壳率低、破碎率高、莲仁表面质量差的问题，严重制约着整个莲子加工产业的发展，尤其是莲仁表面质量差的问题严重影响了莲子产品的外观质量和莲子产业的经济效益。本章旨在设计出一种新的莲子剥壳方案，能够达到更高的剥壳要求。 3.1 莲子外形特性实验研究 3.1.1 莲子三维尺寸 从实验样本中随机选出 100颗莲子，用游标卡尺测量每个莲子的长径长度和和短径直径，测量多次取 平均值，得到如下数据。 表 3-1 莲子三围尺寸 纵径分布范围 mm 粒数百分比 % 平均中径分布范围 mm 粒数百分比 % 13.5 3 均值 16.03 均值 12.43 标 准差 0.15 标准差 0.53 莲子的长度分布范围在 15.00mm17.48之间，极差为 1.98mm。由上表可知，莲子直径分布在 15.0017.00mm之间的居多。平均中径分布在 11.1813.47mm之间，极差为2.56mm，其中分布在 11.5013.50mm之间的居多。尺寸均匀，分布比较集中。通过对莲子三维尺寸的分析，限流机构中滚轮孔的尺寸确定 D=16.00mm,B=15.00mm。 3.1.2 壳厚与壳仁间隙 用游标卡尺分别测量 8粒莲子的短轴直径，测量多次取平均值，再将莲 子剥壳后分别测量莲仁的短轴直径和莲壳的厚度，则得到了壳厚与壳仁间隙。 11 L=0.5（ D-D1-2d) 式中 L：莲子壳仁间隙 D：莲子短轴平均直径 D1：莲仁短轴平均直径 d：莲子壳厚度 通过上述测得的数据的到如下的表格： 表 3-2 莲子壳厚及壳仁间隙 编号 莲子短轴直径 mm 莲仁短轴直径 mm 壳厚 mm 壳仁间隙 mm 1 13.12 11.30 0.56 0.35 2 14.28 12.48 0.62 0.28 3 13.94 12.2 0.60 0.27 4 14.98 13.08 0.66 0.29 5 15.22 13.36 0.68 0.25 6 15.18 13.24 0.70 0.27 7 14.12 12.32 0.62 0.28 8 15.38 13.38 0.68 0.32 9 14.78 13.04 0.62 0.25 10 15.64 13.56 0.72 0.32 壳厚平均值： 0.65mm 壳仁间隙平均值 ： 0.29mm 由测量的结果可得，莲子壳的平均厚度为 0.65mm，壳仁平均间隙为 0.29mm。 3.1.3 百粒重 选定 100颗干壳莲子、 100颗莲仁和 100个莲壳利用电子秤进行称重，称重结果如下所示 ： 表 3-3 莲子百粒重 项目 质量 /g 数目 /粒 平均质量 /g 莲子 146.24 100 1.46 莲仁 102.32 100 1.02 半莲壳 21.16 100 0.21 由上表可知，莲子的百粒重为 146.24g，莲仁的百粒重为 102.32g，一百粒莲壳（半个）质量为 21.16g。莲子的平 均质量略大于莲仁，莲子和莲仁的平均质量远大于莲壳。 12 3.1.4 莲壳含水率 将莲子采摘以后晾干，这样含水率下降，就成为了干莲子，随着含水率的下降，莲仁和莲壳的细胞组织机构发生了变化，其硬度和抗压强度 等机械特性都发生了变化。为了找出 莲壳 机械特性与含水率的关系，本节将对莲壳的含水率进行测定。 莲壳材质为纤维，和木材的相近，故采用称量测定连科的含水率 【 16】 。准备三个干净的容器，将一定质量的样本分别放入容器中，再将容器加盖并用电子天平称重，记录总质量。然后将装有样本的容器分别放入 103 2的电烤箱中加热，每烘烤二到四小时后取出，干燥后分别称其质量，当 前后两次质量差 2mg时，认为该样本质量恒定了。样本含水率表达式为： X=（ m1 m2） /（ m2 m3） 100% 式中 X ： 样本含水率； m1： 干燥前容器和样本的质量； m2： 干燥后容器和样本的质量； M3： 容器的质量。 莲壳含水率测试结果如下表所示 。由测量结果可知，莲子平均含水率约为 12.1% 表 3-4 莲子平均含水率 组别 含水率 /% （ d.b） 1 12.118 2 12.116 3 12.120 3.2 莲子物理性能的测定 3.2.1 莲壳抗压强度 莲壳的抗压强度是指在剥壳过程中莲壳在滚刀压力作用下破裂时的最大压力。在高科的过程中，莲壳的抗压强度大小决定着能将莲子剥开的压力大小，关系到莲子的剥壳效果。为了分析 莲子剥壳所需要的压力，将对莲壳的抗压强度进行测定。 莲壳材质近似于木材，这里参考木材的抗压强度的测定方法对莲壳抗压强度进行测定。将莲壳剪成 33mm的小块，放在测力仪上面，用尖端磨成一个小平面的压杆对样本进行均匀加载，在 210s内 使样本破坏时的载荷大小。压杆尖端面积通过 2020mm的面积试纸测定结果约为 1平方毫米，则莲壳的抗压强度公式如下： AP 13 式中 ：莲壳抗压强度 P ：加压的最大载荷 A ：顶杆尖端面积 表 3-5 组别 含水率 /% (b.d) 1 12.1 2 17.3 3 20.7 将莲壳样本分为三组，其中第一，二组分别进行不同时间长短的加湿处理，第三组不作处理。加湿处理的一，二组选一部分出来按照前面莲壳含水率的测定方法测定其含水率（其结果如上表所示），另外一部分和第三组一起在测力仪上进行莲壳抗压强度的测定。莲壳抗压强度测定结果如图和表所示。由实验结果可知，莲壳抗压强度随莲壳含水率的增大而减小，干莲子的莲壳的抗压强度近似为 178MPa。 图 3-1 莲壳加载载荷 -时间曲线 莲壳抗压强度测定结果： 14 表 3-6 莲壳抗压强度 组别 压力 P/N 压杆面积 A/mm2 抗压强度 /MPa 平均抗压强度 /MPa 1 180 1 180 178 170 1 170 184 1 184 2 105 1 105 105 110 1 110 100 1 105 3 82 1 85 81 80 1 80 78 1 78 3.2.2 莲壳硬度 干莲子的莲壳较为坚硬，莲壳硬度反映了莲子在剥壳过程中抵抗破裂的能力 【 14】 。莲子剥壳研究的文献中没有涉及到莲子壳硬度的相关研究，其他文献虽然有对莲壳硬度的测试研究，但其测定的是对莲壳表面进行了打磨处理后的硬度值。为测定莲壳真实状况的硬度，本节将选择干莲壳进行莲壳硬度的测试。 由于莲壳呈弧状，曲率大，莲壳表面呈棕 褐色，反光性能差，并且莲壳很薄，因此莲壳硬度测试不能采用传统的硬度测试方法，需要更加精密的纳米压痕仪 【 7】【 8】 进行硬度的测定。 为了反映莲子剥壳过程中莲壳的真实硬度，本实验对连壳表面未进行抛光处理，同时由于莲壳加湿后在空气中会短时间内重新失去水分，因此本实验只测定干莲壳的硬度。测试结果如下图，表所示。 15 载荷 -加载深度曲线 载荷 -加载时间曲线 图 3-2 莲壳硬度测试结果： 表 3-7 莲壳压痕硬度 组别 压痕硬度 /GPa 1 0.241 2 0185 3 0.287 4 0.360 5 0.256 平均值 0.262GPa=262MPa 由实验结果可知，干莲壳的压痕硬度 约为 0.262GPa。 压痕硬度与维氏硬度的换算关系大致为： HV=0.0945 262=27.8 因此计算的维氏硬度约为 27.8HV。 3.3 小结 上面主要对莲子及其莲壳的物理特性参数和机械特性参数进行了实验测定并进行了统计分析，获得了以下 的数据： （ 1）莲子的长度分布范围在 15.00mm17.48 之间，极差为 1.98mm。莲子直径分布在15.0017.00mm 之间的居多。平均中径分布在 11.1813.47mm 之间，极差为 2.56mm，其中分布在 11.5013.50mm之间的居多。尺寸均匀，分布比较集中。 16 （ 2）莲子壳的平均厚度为 0.65mm，壳仁平均间隙为 0.29mm。 （ 3）莲子的百粒重为 146.24g，莲仁的百粒重为 102.32g，一百粒莲壳（半个）质量为 21.16g。 （ 4）莲壳抗压强度随莲壳含水率的增大而减小 ，干莲子的莲壳的抗压强度近似为178MPa。 17 第四章 莲子剥壳机的整体设计 4.1 刀具的确定 通过实验得到以下数据： 表 3-8 不同刀具剥净率与破损率 刀具 试验号 剥净率 % 破损率 % 剥净率均值 % 破损率均值 % 平行滚刀 1 91.98 4.75 90.06 7.32 2 88.29 8.06 3 89.04 8.55 4 90.92 7.94 螺纹滚刀 1 84.63 6.84 82.76 7.18 2 80.35 2.73 3 81.37 7.66 4 84.69 11.50 由上可见，无论是平行滚刀还是螺纹滚刀，对莲子的破损率影响较小，为了方便加工刀具，选择平行滚刀。 表 3-9 莲子壳厚平均值分布百分比 莲子的壳厚平均值分布 mm 粒数百分比 % 0.7 4 莲子壳的厚度分布在 0.500.84之间，极差为 0.34mm。厚度在 0.500.70之间的占了96%，大部分的在 0.60mm左右，所以选择剥壳刀具的刀刃为 1.0mm，这样可以减少切伤莲子的数量，过高则会伤到莲仁。刀刃的刃距取 6m，采用多排刀刃。 考虑到要很好的剥去莲子的外壳，刀具的长度应该不应短于莲子的中径周长，这样才能使莲子在刀具上环切一周的距离，但也不能太长，这也可能会损伤到莲仁。综合上述的因素选取刀具的刀刃长为： L=45mm。 刀具材料的选择：刀具采用合金工具钢 9SiCr，它的耐磨性比一般的碳素工具钢高，淬透性也比较好，在油中淬火，热处理变形比碳素工具钢小，回火稳定 性和切削速度也 18 比碳素工具钢高，是较为理想的刀具材料。 820860有种淬火硬度 HRC=62能满足刀具既锋利又耐磨的要求。 4.2 皮带的设计 皮带设计的基本要求是保证莲子在皮带与刀具形成的通道上以正确的姿态和转动速率在切割过程中的得到相应的支撑。由于本剥壳机主要工作对象是外壳坚硬的干莲子，因此 ，莲子在皮带和刀具之间的距离要把握好。设计思想是让落下的莲子进入皮带和刀具之间的间隙，然后在皮带的带动下莲子在皮带和刀具之间滚动，从而到达去壳的目的，所以皮带要能保证莲子能够滚动。由于皮带本身的延伸性，皮 带会有一定的下垂，这样会影响莲子的去壳去净率，所以在皮带的和刀具对齐的下方安装一排滚轮，用以支撑皮带，保证更好的工作条件，达到更好的剥壳效果。 本机器设有 8 条剥壳通道，为了使机器在不占用太大空间且满足加工要求的基础上使每条皮带的宽度 :B=100mm。 通过实验得到如下数据： 表 3-10 剥壳干净率与皮带速度的关系 皮带速度 mm/min 试验号 剥净率 % 破损率 % 剥净率均值 % 破损率均值 % 40000 1 96.80 8.13 97 6 2 97.73 3.61 38000 1 97.07 4.20 97 6 2 97.70 7.13 36000 1 97.07 4.62 97 5 2 97.52 4.92 34000 1 97.11 7.85 96 6 2 95.62 4.58 32000 1 97.84 5.19 97 5 2 96.93 4.52 画出曲线图如下： 19 图 3.3 剥净率与皮带速度关系图 由上可以得，随着皮带速度的增加剥净率和破壳 率 【 10】【 11】 没有明显的变化，但从安全的角度考虑速度不宜过快，但为了提高生产效率可以适当提高皮带的速度。 初步确定皮带的速度：要满足 30Kg/h的生产效率，知到 1kg莲子大约有 1000粒，则每小时要加工 30000个，即 500个每分钟本机器有 8条加工通道，可得每条通道加工 62.5个每分钟，大约每秒一个。由上面的实验数据可以的到莲子的平均中经大约为 12mm，所以莲子滚一周走过的距离是 37.48mm，皮带每秒钟走过的距离不能小于这个距离。经过计算，初步取皮带的速度 V=100mm/s。 4.3 下料机构的设计 本机器设有 8条通道，所以应该有 8个莲子落下的路径。其设计原理如下。在料斗的下方有挡板 ，即限流机构的上面板。挡板上方开有能够让莲子通过的莲孔，莲孔的大小比莲子大，这样莲子可以在重力的作用下向下落，下方有滚轮，滚轮上开了一个通孔，考虑到莲子的平均大小通孔的 D=16mm。在传动机构的带动下， 8个滚轮开始转动，滚轮孔中的莲子也随着滚轮转动，当转动的设定的位置时，滚轮孔中的莲子会在重力的作用下通过限流机构下面板的孔下落出来，进入剥壳机构。 该机构有如下优点：能够很好的实现莲子的连续、单个落下， 由前面叙述的可知，这是后续剥壳干净所必须的条件，还能够通过转速控制下落的速度，能够满足不同的效率的加工要求，缺点就是转速不能太快，太快将会导致莲子不能下落。而且该机构比较紧促，能够有效的节约空间。 20 根据莲子的大小，设计每个滚轮的 模数 m=2,、齿数 z=60.直径 D=mz【 1】 =120mm、宽度 B=15mm。 滚轮孔 直径 d=16mm、宽度 b=15mm。（通孔） 由于该机构的下流速度也是可以变化的，所以可以通过转速来满足要求的生产效率要求。考虑到要满足 30Kg/h的生产效率，了解到 1kg莲子大约有 1000粒，则每小时要加工30000个，即 500个每分钟。本机器有 8条加工通道，可得每条通道加工 62.5个 /min，大约每秒一个，这就要求限流机构的每个通道每秒钟能落下一个莲子，即滚轮的的转速为 n=1r/s 由于转速很慢，所以是可以实现的。 下料机构示意图如下： 图 3.4 下料机构剖视图 右边第一个此轮是主动轮 ，通过它带动其他的八个从动轮转动，从而达到下料的功能。 4.4 电机的选择 本机器有两个机构需要动力，一个是莲子的限流机构，另一个是皮带轮的转动。由上面的计算可得，该莲子剥壳机转速要求不是很高，所以可以相应的选择功率较小的电动机。首先是限流机构，上面的计算得，滚轮的转速为 N=1 r/s 的时候就可以满足每小时 30kg的加工要求，通过查资料初步选择 Y132S-8型号的电动机，该电动机的额定功率为 2.2kw，满载转速为 710r/min，然后通过减速装置实现要求的转速。 4.5 V 带传动设计 根据1 2 0 1 20 . 7 ( ) 2 ( )d d d dd d a d d ，初定中心距为 380mm。所需的基准长度 21 =1095.03mm 由表 8-21选择带的基准长度dL=1000mm 则实际中心距 =390mm 验算小带轮上的包角1 =166。 大于 120 包角合适。皮带轮传送如图 图 3.5 皮带传动 4.6 轴的选择 根据文献 1中公式 (15-1)可得轴的扭转强度条件为： 式中： T 为扭转切应力， aMP ； T 为轴所受的扭矩， mmN ； TW 为轴的抗扭截面系数， 3mm ； n 为轴的转速， minr ； P 为轴传递的功率， KW； d 为计算截面处轴的直径， mm； T 为许用扭转切应力， aMP ； 由上式可得轴的直径 : 电机轴 功率 P=2.2KW， 考虑带传动的效率为 0.98，还有电机一部分功率用来带动下料机 2210 0 1 202+24 ddd d d ddL a d d a 395500000 . 2TTTPT nWd 30333 2.09 5 5 00 0 02.09 5 5 00 0 0 nPAnPn Pd TT 22 构，可知这部分功率相对较小，占电机功率的 70%，则 P 带轮 =P 1 2=22000.980.7=1509w 电动机转速为 710 minr ,电机输出轴与传送带主轴连接，传动比为 i1=2.5，则该主轴转速为 n=i710 =284r/min。根据轴的材料为 45 号钢，调质处理，根据表 15-31，取A0=110，将 P 和 n 代入上式可得： d min=19.2mm， 由于估算误差的原因，最终确定取 d min=30mm。 选取键槽：通过查 2选取键：键宽 B键高 H=149， U 型键槽，与轴的配合选用。 选取轴承：因为该传动方案没有轴向力，载荷不大，选 择深沟球轴承（ GB/T276-1994） ,轴承内径为 30mm，代号为 6006。 轴的大致结构如下： 图 3.6 送料轮主轴 3 3 3 309 5 5 0 0 0 0 9 5 5 0 0 0 00 . 2 0 . 2 TTP P PdAn n n 87Hh 23 结论与展望 现在市场上有很多莲子剥壳机，其剥壳的原理也有很多种，但基本上都有剥净率不高，莲仁表面质量差等问题。本文在了解国内外关于脱壳技术的相关研究工作的基础上，通过创新思维，给出了一套自己的剥壳方案。通过统计和查资料分析得到了以下的结论： （ 1）对莲子样本进行了观 察和测定，了解到干莲子长轴平均直径约为 16mm，短轴平均直径约为 12mm，莲壳的平均厚度约为 0.65mm，壳仁间隙平均值约为 0.29mm