椰子剝衣機(jī)的設(shè)計(jì)

張志強(qiáng) 樊軍慶 王 濤

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228）

椰子是中國(guó)熱帶地區(qū)一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，其中海南是中國(guó)椰子主產(chǎn)區(qū)，每年總產(chǎn)量近24億個(gè)，而全省每年椰子需求量卻高達(dá)26億個(gè)［1，2］，但中國(guó)大部分企業(yè)僅僅是在椰子加工的后續(xù)工序采用了機(jī)械化加工，而前期工序如椰衣的剝離、椰殼的開口等均為人工操作。手工剝除椰衣效率低，危險(xiǎn)性大，工人傷手事件不斷發(fā)生，嚴(yán)重影響到工人的人身安全［3，4］。

目前國(guó)內(nèi)外的椰子剝衣機(jī)有多種類型，例如，曾憲君［5］設(shè)計(jì)的BYY型液壓式椰子剝衣機(jī)，這是一種利用液壓傳動(dòng)和電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的椰子剝衣機(jī)，適用于各種形狀、尺寸和濕度的椰子的加工，對(duì)椰子形狀和大小沒有要求，能夠隨著椰子的體積的變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)支座加緊椰子，從而完成剝衣；肖仁鵬等［6］設(shè)計(jì)的椰子剝衣機(jī)，提出刀具刺入式剝衣方案。其工作原理是：椰子放置在托盤上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)升降螺母，使椰子和六角刀具相向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)毒咔腥胍雍?，切割刀具向外展開，完成對(duì)椰子的剝衣；Bundit Janrimopas等［7］研發(fā)的主要用于椰子幼果外層椰衣剝除的機(jī)器，其主要結(jié)構(gòu)包括一個(gè)剝椰衣刀、一個(gè)切割刀和一些夾緊機(jī)構(gòu)，原理類似于車床的車削加工：通過(guò)旋轉(zhuǎn)椰子并使剝衣刀具與椰衣接觸起到剝除椰衣的作用。上述椰子剝衣機(jī)，盡管可以脫除椰子的青衣，但普遍存在自動(dòng)化程度不高、操作復(fù)雜、剝衣效果不理想等問(wèn)題，故推廣十分困難。

本設(shè)計(jì)采用輥齒對(duì)椰子進(jìn)行剝殼。該椰子剝衣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是椰子可以隨意地放進(jìn)機(jī)械入口，在機(jī)械中可以無(wú)序化的對(duì)其剝殼，從而克服了椰子纖維方向問(wèn)題；該機(jī)械輥齒采用斜軸分布，對(duì)椰子體積變化無(wú)要求，讓椰子殼剝落更有效率，椰衣能剝落干凈；同時(shí)保持了椰子外殼纖維的完整性，可以用于后續(xù)的利用與加工。增加了椰子價(jià)值的利用率，提高了其經(jīng)濟(jì)效益。

1 椰子剝衣機(jī)的整體設(shè)計(jì)

椰子外層是由纖維殼組成，纖維縱向分布，能承受較大的撕扯力而不斷裂，能夠用于工業(yè)生產(chǎn)加工利用。設(shè)計(jì)中兩輥齒軸采用斜軸的布置，采用齒釘扎入椰子外殼，然后齒釘固定在軸上，隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，椰子的運(yùn)動(dòng)從大間隔運(yùn)動(dòng)到小的間隔，完成椰衣脫落而引起的體積變化，將椰衣從椰子上撕扯下來(lái)。輥齒的布置沿軸的方向有一定的偏角，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)椰子產(chǎn)生軸向力，讓椰子在剝衣的過(guò)程中順著方向向出口運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，高速輥齒軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速180r/min；低速輥齒軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速120r/min。其原理圖見圖1。

圖1 椰子剝衣機(jī)原理圖Figure 1 Diagram of coconut shell press

椰子剝衣機(jī)總體結(jié)構(gòu)采用輥筒軸斜軸布置，其兩軸之間夾角采用7°，兩軸大間隔段距離為320mm，考慮到未剝衣的椰子平均大小直徑而設(shè)計(jì)；小間距距離為220mm，考慮到剝衣完成后的椰子大小而設(shè)計(jì)；輥筒總長(zhǎng)800mm。機(jī)器大端總寬度為980mm，總高980mm，總長(zhǎng)為1 100mm。椰子剝衣機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖見圖2。

2 帶輪的設(shè)計(jì)

圖2 椰子剝衣機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Architecture diagram of coconut shell washing machine

帶輪質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時(shí)要經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡；輪槽工作面要精細(xì)加工（表面粗糙度一般應(yīng)為3.2），以減小帶的磨損；各槽的尺寸和角度應(yīng)保持一定的精度，以使載荷分布較為均勻。帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號(hào)為HT150或HT200。因帶輪基準(zhǔn)軸徑小于300mm，故采用孔板式結(jié)構(gòu)，為安裝方便，低速輥齒帶輪也采用同樣結(jié)構(gòu)。為使帶傳動(dòng)外廓尺寸不至過(guò)大，初步取高速帶傳動(dòng)比2.5，低速帶傳動(dòng)比3。查詢參考文獻(xiàn)［8］選擇帶型號(hào)為A型，兩根，大帶輪中心距234.1mm，小帶輪中心距216.8mm。

3 輥齒軸的設(shè)計(jì)

如圖3所示，輥齒軸采用拼裝式，由輥齒筒、軸頭和定位銷組成。軸頭與輥齒筒采用錐形定位銷定位，起限制上下兩個(gè)自由度的定心作用和便于找正，再用電弧焊焊接在一起，保證聯(lián)接強(qiáng)度。輥齒筒用Q235-A加工而成，齒釘采用45鋼，采用焊接的形式焊接到輥筒上。為了節(jié)省材料和減少加工難度，所以采用軸頭連接輥齒筒。軸頭分兩部分，一部分是安裝齒輪和軸承的軸頭，另一部分是為安裝軸承的軸頭，兩軸頭采用45鋼加工而成。

圖3 輥軸結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structure diagram of roll shaft

輥筒為椰子剝衣的核心部件，由于其強(qiáng)度不是太高，和經(jīng)濟(jì)性考慮輥齒筒用Q235-A加工而成，齒釘采用45鋼。兩輥筒的布置采用傾斜布置，中心線最大距離為320mm，最小距離為220mm。中心線角度為7°。輥筒布置分析：①輥筒類零件有需做受力分析，分析滾筒間的椰子不至于受輥筒的旋轉(zhuǎn)而被絞破和椰子不被輥筒而帶入輥筒中心線一下而卡死；② 椰子體積變化，通過(guò)調(diào)差知大部分椰子的外徑不低于200mm，最大的椰子也在300mm左右，所以輥筒中心線分布距離相距320mm，齒釘間距離為160mm左右（見圖4），椰子在完成椰子剝衣后平均大小在200mm左右，所以輥筒最小距離為220mm，齒釘之間距離為70mm。滿足椰子不至于從輥筒間掉落。

圖4 齒釘分布圖Figure 4 Distribution map of tooth nail

齒釘采用焊接的形式焊接到輥筒上，安裝時(shí)應(yīng)先把齒釘頂尖磨頓。軸向兩齒釘?shù)难刂行木€方向旋轉(zhuǎn)8°，軸向相距40mm。輥筒總長(zhǎng)為800mm，外徑為D＝130mm，內(nèi)徑為d＝90mm。齒釘長(zhǎng)28mm，嵌入輥齒筒，然后用電焊點(diǎn)焊連接。

4 椰衣脫落擋板設(shè)計(jì)

椰子外衣是纖維結(jié)構(gòu)，不易撕扯斷裂，利用齒釘剝開椰子外衣時(shí)，椰衣很容易穿插在齒釘上，這對(duì)后續(xù)的剝衣工作和機(jī)器都是不利的，同時(shí)還會(huì)存在機(jī)器卡住而不能轉(zhuǎn)動(dòng)，損壞機(jī)器部件。為了讓剝衣工作順利流暢的進(jìn)行，機(jī)器安全工作，所以設(shè)計(jì)擋板（圖5），其目的就是讓剝落的椰子外衣從齒釘上脫落。

圖5 椰衣?lián)醢錐igure 5 Coconut baffle

椰衣脫落擋板的安裝（圖6）方法采用沉頭螺栓將其與機(jī)殼連接，在連接時(shí)同時(shí)固定椰衣出口斜擋板。螺栓尺寸為M 8×30，螺栓受力不大和受力不均勻，故不要將其校核。

圖6 椰衣脫落擋板安裝Figure 6 Installation of coconut off baffle

5 本設(shè)計(jì)解決的問(wèn)題

5.1 椰子剝衣和體積的變化

設(shè)計(jì)采用輥齒的方式剝落椰衣，輥齒的齒扎入椰子外衣，隨著輥齒的轉(zhuǎn)動(dòng)將椰衣剝落。本設(shè)計(jì)采用雙輥齒結(jié)構(gòu)，兩輥齒的轉(zhuǎn)速存在轉(zhuǎn)速差，其目的是讓椰子旋轉(zhuǎn)，讓椰衣更好地脫落，同時(shí)對(duì)纖維的方向沒有要求。對(duì)于體積的變化，設(shè)計(jì)中兩輥齒軸采用斜軸的布置，椰子的運(yùn)動(dòng)從大間隔運(yùn)動(dòng)到小的間隔，完成椰子脫落而引起的體積變化。輥齒的布置沿軸的方向有一定的偏角，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)椰子產(chǎn)生軸向力，讓椰子在剝衣的過(guò)程中順著方向向出口運(yùn)動(dòng)。在剝衣結(jié)束后，椰子順利的從機(jī)器中掉出。

5.2 驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)方式

由于輥齒在斜軸布置，不能直接采用齒輪、皮帶或者鏈條完成兩輥齒軸的傳動(dòng)，所用使用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。單個(gè)輥齒軸傳動(dòng)方式采用典型的齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)。帶傳動(dòng)有過(guò)載保護(hù)功能，讓機(jī)械工作更加安全可靠，使用皮帶傳動(dòng)，在滿足要求的前提下其成本較低；齒輪傳動(dòng)有精確的傳動(dòng)比和大的傳動(dòng)功率，讓機(jī)械能穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)椰子剝衣。

5.3 椰子出入及椰衣的脫落

設(shè)計(jì)中使用斜軸的分布，輥齒的齒采用螺旋線分布，所以對(duì)于椰子的入口沒有特定的要求，輥齒能讓椰子自動(dòng)順著齒釘方向旋轉(zhuǎn)。椰子完成剝衣后從輥齒小口端落出。椰衣由長(zhǎng)纖維組成，易黏在齒釘上。需設(shè)計(jì)擋板和突齒讓椰衣從齒釘上脫落。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)現(xiàn)階段處于試驗(yàn)完善階段。該椰子剝衣機(jī)設(shè)計(jì)獨(dú)特，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉，大大有利于推廣試用。還有，本設(shè)計(jì)目前是為小型加工而設(shè)計(jì)，電機(jī)額定功率1.5kW，椰子需用人一個(gè)一個(gè)的投入，其生產(chǎn)效率大概為500個(gè)/h，一次剝殼率≥90%；內(nèi)殼破損率≤5%。這足以滿足小型生產(chǎn)加工和家庭使用。

1 夏秋瑜，李瑞，趙松林，等.椰子的利用價(jià)值及綜合加工技術(shù)［J］.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)，2007（3）：37～38.

2 肖紅，易美華.椰子的開發(fā)利用［J］.海南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，6（2）：183～189.

3 毛舟，樊軍慶，張信禹.椰子自動(dòng)切口的設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2013，29（1）：164～166.

4 王銳，樊軍慶.椰子剝衣機(jī)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2012，28（5）：144～146.

5 曾憲君.BYY型液壓式椰子剝衣機(jī)［J］.油脂科技，1984（S1）：102.

6 肖仁鵬，馬鑫，劉四新，等.椰子自動(dòng)剝衣機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2012，28（1）：142～143.

7 Bundit Janrimopas，Pramote Kuson.A young-coconut-fruit-opening machine［J］.Biosystems Engineering，2007（98）：185～191.

8 孫恒.機(jī)械原理［M］.第7版.北京：高等教育出版社，2006.