大棗自動去核切片設(shè)備的研制

文懷興 周改梅 史鵬濤（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

據(jù)預(yù)計，2015年世界紅棗需求量將達到527萬t［1］，發(fā)展前景巨大。基于大棗深加工過程中存在勞動強度高、造碎率大等問題，很多企業(yè)和科研機構(gòu)已著手對大棗深加工設(shè)備的研究，并且取得了很好的成績。彭三河等［2］設(shè)計的大棗去核裝置，采用上下兩個凸輪來帶動上下工作頭運動，實現(xiàn)大棗的定位、夾持、切削、去核，合理運用定位彈簧和復位彈簧使上工作頭和上定位夾持塊協(xié)調(diào)運動，但其定位夾緊機構(gòu)和去核之間的協(xié)調(diào)用彈簧實現(xiàn)，穩(wěn)定性差。文懷興等［3］設(shè)計一種大棗自動去核切片機，采用滾子鏈輸送，并由2排鏈4個滾子實現(xiàn)棗的定位夾緊，由曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)去核作業(yè)，實現(xiàn)了大棗的定向、去核、切片的一體化，但由于滾子鏈傳動本身存在的一些問題，比如松弛現(xiàn)象，易導致大棗去核時定位精度降低。張鵬霞等［4］設(shè)計的大棗自動切片機包括料斗、定向整理裝置和切片裝置，結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，但其利用動刀片抓取的方式使該設(shè)備加工時對大棗的外形要求較高，加工效率較低。鄭正足［5］設(shè)計的切片機加工效率高、使用安全且切出來的切片厚薄均勻，但其導向槽內(nèi)設(shè)有用于推動原料的擠壓裝置，造成設(shè)備切片造碎率較大。現(xiàn)有的大棗深加工設(shè)備都是單一的去核或切片設(shè)備，本研究擬提供一種由曲柄滑塊機構(gòu)和槽型凸輪機構(gòu)配合來完成大棗的快速去核的裝置，并且把去核和切片進行集成，最后用實驗驗證該設(shè)備的去核切片性能。

1 總體方案設(shè)計及分析

1.1 方案設(shè)計

大棗自動去核切片機的主要功能是實現(xiàn)大棗的有序上料、定位夾緊、棗肉與棗核的有效分離，以及快速切制成環(huán)狀的薄片。根據(jù)這一基本要求，設(shè)計了如圖1所示的設(shè)計方案，該裝置的去核機構(gòu)運用叼核［6］的原理，采用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)去核，用槽型凸輪機構(gòu)實現(xiàn)快速頂核，去核盤、切片盤的間歇轉(zhuǎn)動均由同一個槽輪機構(gòu)實現(xiàn)，以保持整機的運動協(xié)調(diào)性。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of equipment

具體實施方式：大棗倒入上料機構(gòu)的2個毛刷16之間，通過步進電機帶動毛刷帶輪19間歇運動，固定于毛刷帶輪19上的毛刷16將大棗帶到振動底板18的前端，在振動底板18的前端開有對應(yīng)于去核盤24上棗孔25的棗孔17。上料電機21通過對心曲柄滑塊機構(gòu)20帶動振動盤18做行程為20mm的往復運動，振動盤內(nèi)的大棗將會被有序地送入去核盤棗孔25中，完成上料。去核電機1通過去核帶輪3帶動凸輪盤5轉(zhuǎn)動，凸輪盤5通過曲柄滑塊機構(gòu)帶動連接在插刀連接滑塊12上的插刀13、扶正桿14、下料桿15沿導向柱10做上下往復運動實現(xiàn)去核，同時凸輪盤5通過凸輪頂桿機構(gòu)帶動連接在頂桿連接滑塊8上的頂桿11沿著導向柱10做上下往復運動實現(xiàn)頂核。大棗落入由彈簧31、內(nèi)支撐座32和外支撐座33組成的大棗定位夾緊機構(gòu)中，再經(jīng)過扶正使沖核桿中心線與大棗中心線在同一條線上，接著大棗在去核工位完成去核，棗核通過機架上面板23上的棗核孔34落入棗核收集斗，去完核的大棗在下料工位通過下料桿15推入切片盤，此時，也相當于切片機構(gòu)的上料。切片機構(gòu)主要由切刀27和切片盤26組成，切片盤26由一定厚度的圓形轉(zhuǎn)盤片層層疊加而成，切刀27固定于切片盤層與層之間的縫隙中，切片時，切刀組件固定不動，槽輪機構(gòu)28帶動切片盤25間歇轉(zhuǎn)動從而大棗被切刀切制成環(huán)狀薄片。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)大棗加工企業(yè)的要求，確定該設(shè)備的生產(chǎn)效率為250kg/h，綜合考慮大棗加工工藝要求、受力狀況和企業(yè)要求等各方面的因素，確定該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 主要部件設(shè)計

2.1 上料機構(gòu)的設(shè)計

上 料 機 構(gòu) 采 用 專 利 201420698152.9［7］，其 示 意 圖 見圖2。該裝置采用對心曲柄滑塊機構(gòu)22帶動振動底板18做小范圍內(nèi)的往復直線運動來實現(xiàn)上料。振動底板上開有若干個與去核盤上料工位位置對應(yīng)的棗孔17，振動側(cè)面板20上開有滑槽，振動底板18在滑槽內(nèi)運動，大棗倒入兩個毛刷16之間，調(diào)節(jié)毛刷帶輪電機36正轉(zhuǎn)，則可以帶動毛刷運動進而將大棗帶到振動底板的棗孔17處，在對心曲柄滑塊機構(gòu)22的作用下，大棗順著振動盤上的棗孔17掉入去核盤上的棗孔，上料完成后，此時毛刷帶輪電機36反轉(zhuǎn)，未掉入去核盤內(nèi)的大棗被毛刷刷回，大棗擋板37可防止大棗亂滾。如此重復動作，可以完成大棗的上料。

表1 技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical Parameters

圖2 上料機構(gòu)示意圖Figure 2 Diagram of feed mechanism

設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu)的行程H＝20mm，則對于對心曲柄滑塊機構(gòu)，其曲柄長為10mm，考慮到滑塊的大小、安裝問題及避免出現(xiàn)自鎖［8］的現(xiàn)象，曲柄滑塊機構(gòu)的連桿長為69mm，見圖3，其在兩個極限位置均不會出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象。

圖3 曲柄滑塊機構(gòu)示意圖Figure 3 Diagram of slider－crank mechanism

2.2 定位夾緊機構(gòu)設(shè)計

該設(shè)備的定位夾緊機構(gòu)采用專利201420685125.8［9］，見圖4，兩個半圓形內(nèi)支撐座32的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為上錐下柱的形式，其上下都開有高5mm，深3mm的凹槽，用于連接彈簧31。

當大棗尚未落入定位夾緊機構(gòu)時，兩個內(nèi)支撐座32在彈簧31的作用下保持最小直徑20mm，如圖5（a）所示，當大棗落入定位夾緊機構(gòu)中時，兩個內(nèi)支撐座32在彈簧31的作用下?lián)伍_到合適的直徑達到夾緊大棗的目的，再經(jīng)過扶正桿14扶正，使大棗中心線與沖核桿中心線一致。此設(shè)計能夠準確定位和包容所加工大棗的直徑范圍為20～32mm。

圖4 大棗定位夾緊機構(gòu)Figure 4 Positioning clamping mechanism of jujube

圖5 大棗的定位夾緊狀態(tài)Figure 5 Positioning clamping state of jujube

2.3 去核機構(gòu)設(shè)計

2.3.1 去核盤工位分布 如圖6所示，在工位1完成定位夾緊的大棗經(jīng)過工位2進行扶正，然后進入工位3進行去核，去核盤上的去核工位開有多個棗孔，可以實現(xiàn)一次沖核動作完成多個大棗的去核作業(yè)。該設(shè)備的去核機構(gòu)利用叼核的原理，由曲柄滑塊機構(gòu)帶動的空心沖核桿完成去核，空心沖核桿的直徑與棗核直徑相當為6mm，凸輪機構(gòu)帶動的實心頂核桿完成快速頂核，要求去核效率高且果肉的完整性好。

圖6 去核工位分布Figure 6 The distribution of pitting station for jujube

2.3.2 去核機構(gòu)的協(xié)調(diào)性分析 綜合考慮大棗的最大長度、機架上面板的厚度及去核盤與切片盤轉(zhuǎn)位所需要的時間等因素，為了使插桿在大棗去核過程中完全穿透大棗，并且棗核與棗肉能順利分離且掉入指定出核口，頂核機構(gòu)即凸輪機構(gòu)的行程H取68mm，插核機構(gòu)即曲柄滑塊機構(gòu)的行程S也取68mm。以頂桿最遠推程位置為坐標原點，以頂桿回程方向為位移正方向，以垂直于頂桿位移方向水平向右為時間方向，建立位移時間坐標系，利用Matlab軟件進行仿真編程，繪制出插刀和頂桿的位移曲線見圖7，分析可知該機構(gòu)可以滿足去核工藝的要求，頂桿剛開始沒有位移，插刀向下運行，插刀到達大棗上表面即s1＝40～50mm時，頂桿始終處于最高位置，當插刀完成插核作業(yè)，運行到最遠距離即s1＝1mm時，頂桿位移s2≈53.6mm，離大棗上表面的距離＞3mm處；當頂桿推程到其最大行程位移即頂桿位移s2＝0mm時，插刀回程位移s1≈20.8mm，即插桿回程行至大約1/2大棗位置處，如此作業(yè)可以保證去核效率高且果肉的完整性也好。

圖7 插刀頂桿位移時間曲線Figure 7 The time displacement curve of blades slide and cam follower

2.4 切片機構(gòu)設(shè)計

如圖8所示該設(shè)備的切片機構(gòu)主要由切刀27和切片盤26組成。切片盤26由一定厚度的圓形轉(zhuǎn)盤片層層疊加而成，每層切片盤上根據(jù)所加工級別的大棗直徑開有棗孔，根據(jù)需要，所切制的大棗薄片的厚度為6mm，所以切片盤每層的厚度設(shè)計為3mm，層與層之間間隔3mm即安裝切片盤墊片厚度也為3mm。切刀27交錯一定距離固定于切片盤層與層之間的縫隙中，每片切刀厚度為0.5mm，每片夾刀層加工0.5mm的刀槽用于安裝切刀，切刀組件安裝見圖8（b）。

圖8 切片機構(gòu)示意圖Figure 8 Schematic diagram of slicing mechanism

切片時，采用滑切的方式，滑切角為50°，槽輪機構(gòu)28帶動切片盤26轉(zhuǎn)動從而大棗被切刀切制成薄片環(huán)狀。

3 實驗驗證

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

為了測試該設(shè)備間歇有序上料、去核、切片等綜合性能，設(shè)計實驗驗證該設(shè)備的有序上料率和造碎率。當該設(shè)備的有序上料率≥95%，造碎率≤5%，則說明該設(shè)備滿足大棗生產(chǎn)指標，綜合性能良好。

3.2 實驗方案

實驗所用的大棗為放置一段時間后的同品種大棗，直徑為26～28mm，長度為40～45mm。實驗所用的計量儀器為南京凱德計量儀器有限公司的科威牌電子天平3kg/0.1g。

實驗一：驗證有序上料率。將5kg大棗倒入振動盤中，查看每次去核盤間歇轉(zhuǎn)動時，落入去核孔的大棗個數(shù)。記錄實驗數(shù)據(jù)見表2。

實驗二：驗證造碎率。選27kg大棗，分為27組，實驗過程中根據(jù)經(jīng)驗凸輪盤的轉(zhuǎn)速固定為30r/min，通過ACS401000432變頻器調(diào)節(jié)切片速度，每個速度下做3組實驗，每次切片完后再計量完整棗片的質(zhì)量，每次稱3次取平均值來減小誤差，根據(jù)式（1）計算造碎率。記錄實驗數(shù)據(jù)見表3。

3.3 結(jié)果與分析

大棗有序上料是實現(xiàn)大棗去核切片的前提條件，由表2可知，對于去核盤上料工位的10個去核棗孔，實際平均上料個數(shù)為9.8個，平均有序上料率為98%，高于實驗要求的95%的指標，該設(shè)備雖不能保證每次插桿運行都能完成10個大棗的沖核作業(yè)，但也基本滿足要求，所以該設(shè)備的有序上料性能良好。

由表3可知，當速度在20～40r/min時，其平均造碎率均＜5%，滿足性能指標要求，當速度≤15r/min或≥45r/min，造碎率比較大，當速度為32r/min時，其造碎率可達2.074%。實驗中計算造碎率的碎渣質(zhì)量既包括去核過程所致的碎渣，又包括切片過程所致碎渣，所以此造碎率可以綜合反映該設(shè)備的去核切片性能，說明該設(shè)備的去核切片性能良好。

表2 實驗一數(shù)據(jù)Table 2 Experiment 1data

表3 實驗二數(shù)據(jù)Table 3 Experiment 2data

4 結(jié)論

（1）該設(shè)備實現(xiàn)了大棗去核切片的集成，更好地完成了大棗的深加工，并且其去核盤、切片盤的間歇轉(zhuǎn)動都由同一個槽輪機構(gòu)帶動，運動協(xié)調(diào)性好。通過實驗驗證該設(shè)備的有序上料性能、去核切片性能良好，都達到了大棗加工所要求的指標。

（2）大棗加工前，應(yīng)先剔除蟲棗并進行分級，以便于選擇合適的切片盤，減少大棗與切片盤上棗孔的直徑差異，以免影響造碎率。

（3）該設(shè)備的大棗自動上料機構(gòu)尚不能保證百分百的上料率，還需進行進一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在確保功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上進行外觀造型設(shè)計，提高設(shè)備美感。

（4）本試驗旨在研究新的大棗去核切片的集成設(shè)備，降低造碎率，未刻意追求該設(shè)備的生產(chǎn)率，可以通過增加每次去核切片棗的個數(shù)提高本設(shè)備的生產(chǎn)率。

1 朱江麗，田緒順，李景彬，等.紅棗自動分級技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學報，2011，39（36）：22 864～22 867.

2 彭三河.大棗去核裝置的設(shè)計［J］.包裝與食品機械，2005，23（4）：21～22.

3 文懷興，史鵬濤，王寧俠.一種大棗自動去核切片機：中國，201110312614.X［P］.2012—02—22.

4 張鵬霞，黨凱鋒，于北京.大棗自動切片機：中國，200920033989.0［P］.2010—08—25.

5 鄭正足.切片機：中國，201020240150.7［P］.2011—04—06.

6 文懷興，李新博.大棗去核機構(gòu)的設(shè)計與分析［J］.食品與機械，2013，29（4）：112～114.

7 文懷興，周改梅，俞祖俊，等.一種大棗自動去核設(shè)備：中國，201420685125.9［P］.2014—11—19.

8 鄭甲紅，朱建儒.機械原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006：59～63.

9 文懷興，周改梅，俞祖俊，等.一種大棗自動去核裝置：中國，201420685125.8［P］.2014—11—19.