橡膠果碾搓式脫殼試驗機設計

范海燕

王 濤

吳 迪

何曉帆

(海南大學機電工程學院，海南 海口 570228)

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橡膠果碾搓式脫殼試驗機設計

范海燕

王 濤

吳 迪

何曉帆

(海南大學機電工程學院，海南 海口 570228)

試驗機裝置主要由驅動傳動、碾搓單元、控制電機自動正反轉的電器元件、機架等組成。采用往復式摩擦、擠壓的原理使橡膠果在摩擦力和擠壓力的雙重作用下實現殼仁分離。試驗結果表明：該機工作性能良好，操作簡便，脫殼率可達到78.3%，可進行橡膠果脫殼效果試驗和破殼機理的研究。該裝置可為研制高效率低損傷的橡膠果脫殼機提供技術基礎。

橡膠果；脫殼裝置；碾搓

橡膠樹廣泛種植于海南、廣東、廣西、福建、云南和臺灣[1]。橡膠果為橡膠樹的果實，屬堅果類，呈卵圓形， 殼硬且圓滑，褐色并帶有銀灰色斑紋，是天然橡膠種植業的副產品之一[2]。其果仁壓榨取油后的餅粕中粗蛋白含量可達25%～30%，是一種高品質飼料蛋白源。此外，Ramadhas等[3]還發現橡膠果中的油與柴油機混合后可形成一種新的內燃機燃料，對燃料短缺問題的解決有所幫助。K.N.Unni等[4]發現廉價的橡膠籽粉可以有效地用于生產一種昂貴的脂肪酶，其效果超過椰子與花生仁。中國橡膠果資源來源廣泛且價格低廉，為充分利用橡膠果作為農副產品的價值，對其進行高效脫殼便是挖掘其價值的關鍵一步。

常見的堅果機械脫殼方法包括撞擊法、搓擦法、剪切法、碾搓法等。國內外學者曾運用這些方法設計過許多堅果脫殼機械。如唐湘等[5]采用撞擊、搓擦原理設計出油茶果脫殼機，該機運用立式甩盤對油茶果進行撞擊，使其果殼破裂，然后使用脫殼室內齒圈對果子進行搓擦脫殼；但由于立式甩盤對油茶果的撞擊力較大，油茶果果仁破損率也較高。Bundit Jarimopas等[6]設計了一種檳榔剝殼機械，該機包含有上下并聯的兩個脫殼輥子機構，當堅果通過第一個脫殼輥子機構的時候，堅果殼破裂；通過第二個脫殼輥子機構果殼和果實進一步分離。試驗表明此機可以達到較好的分離效果，但是當檳榔的含水率大于6.31%時脫殼效果不佳。朱立學等[7]曾定義碾搓法是通過物料子粒在運動摩片和固定摩片之間受到強烈的碾搓作用，使子粒的外殼被撕裂而脫殼的方法。并設計一款碾搓式銀杏脫殼機，其碾搓部分由傳動裝置帶動的動碾搓盤和固定的定碾搓盤組成。試驗表明其脫殼效果較好，整仁率高。劉平等[8]曾設計一種碾搓式葵花籽脫殼機，碾搓部分由轉動的齒輥和固定的齒板構成，試驗表明經此裝置脫殼后堅果整仁率較高。但由于碾搓間隙不能連續調整而無法對所有尺寸的葵花籽進行脫殼。

綜上所述，國內外對堅果脫殼機械的研究多采用碾搓原理，但是缺乏對碾搓式脫殼過程及破殼機理的試驗研究，尤其缺少針對橡膠果的碾搓式脫殼機理的討論。本研究擬設計一種碾搓式橡膠果單體脫殼試驗機，該裝置可用于研究摩擦板面材料、擠壓壓力和摩擦速度等因素對其脫殼效率的影響。

1 試驗機的組成與工作原理

1.1 試驗機的結構

橡膠果脫殼試驗機的總體結構見圖1。其電機驅動齒輪齒條機構，使安裝于齒條座13上的摩擦板10做直線運動，通過行程開關5、接觸器等元件可控制摩擦板10自動進行左右往復直線運動，使得摩擦板10可以對放置于摩擦槽7中的橡膠果進行碾搓。

碾搓單元由摩擦板10和摩擦槽7組成。摩擦板10通過兩個角碼11固定在齒條座13上，使得摩擦板10可以較容易地被拆卸，方便后續試驗對摩擦板面材料的更換。液壓千斤頂8頂在與摩擦槽7連接的壓力傳感器17上。顯示器14用于顯示千斤頂8對摩擦槽7施加的壓力數值。電機2配有的帶指示數值的調速器3，可對電機2轉速進行調節。配電箱1中則安裝有接觸器、空氣開關等控制元件。

機架16包括三根與底板螺栓連接的槽鋼和焊接在底板上的兩根摩擦槽導柱9以及支撐電機的電機架板。摩擦槽導柱9主要用于限制摩擦槽的自由度，使其僅能夠沿豎直方向運動。該導柱可保證在摩擦過程中摩擦板10不發生傾斜，使得摩擦板10對橡膠果殼施加的力更加均勻。

1. 配電箱 2. 單相電機 3. 電機調速器 4. 導軌 5. 行程開關 6. 止推環 7. 摩擦槽 8. 液壓千金頂 9. 摩擦槽導柱 10. 摩擦板 11. 角碼 12. 齒條 13. 齒條座 14. 壓力數值顯示器 15. 滑塊 16. 機架 17. 壓力傳感器 18. 齒輪 19. 凸緣聯軸器

圖1 橡膠果脫殼試驗機三維圖

Figure 1 Three-dimensional drawing of rubber fruit

test sheller

1.2 工作原理

該裝置對橡膠果進行脫殼前先將千斤頂降到最低點，將橡膠果放進摩擦槽7里。之后升起千斤頂8活塞，使摩擦槽沿著導柱9上升。千斤頂8活塞頂端與壓力傳感器14相接觸，傳感器可以實時測出摩擦板10對橡膠果的正壓力，可方便地監測和調整正壓力數值。當橡膠果所受正壓力達到預定值后擰緊止推環6頂絲。此步驟的作用是避免碾搓過程中摩擦槽7和導柱9間因存在配合間隙而晃動。最后通過調速器3調節電機轉速，啟動電機2，機器開始運行并對果殼進行碾搓。

由于脫殼試驗多采用干燥后的橡膠果，受力分析時可將其近似看成是剛性材料，橡膠果兩端分別受到摩擦板的擠壓力F1和摩擦槽的支持力F2，若擠壓應力超過橡膠果殼破裂的強度極限時，果殼會產生裂紋甚至破碎。橡膠果在摩擦板平動的作用下，其頂部接觸處受到一個向前的摩擦力f1,其底部受到摩擦槽作用的向后的摩擦力f2，產生力矩T使得橡膠果向前做純滾動運動。同時受力F1、F2的作用使橡膠果殼破碎。橡膠果被碾搓時的受力分析見圖2。

1. 摩擦板 2. 橡膠果 3. 摩擦槽圖2 橡膠果受力分析Figure 2 Stress analysis of rubber fruit

2 關鍵部件的選取與設計

2.1 控制電路的設計

本控制系統由主電路和控制電路組成，其設計使得試驗機器的自動化程度大大提高。KM1的常開觸點接入單相電機的正轉回路，KM2的常開觸點接入電機的反轉回路。工作原理是：當空氣開關閉合后按壓啟動按鈕SB1，接觸器KM1線圈得電并吸合，電機正轉。同時，KM1自鎖觸點閉合。當行程開關SQ2被觸動后，KM2線圈及其自鎖觸點得電，電機反轉。在按動停止按鈕SB3后，電機停止運行。本電路中配有正反轉互鎖機制用于保證電機不會發生因正反轉回路同時被接通所導致的短路的危險。此外，該控制電路還裝有溫度保護開關WK1。此種常閉開關安裝在電機的機殼上。當電機機殼溫度過高時開關斷開，從而保證電機不會因溫度過高而損壞。

主電路圖見圖4，CM為正轉回路輸入端，CCW為反轉回路輸入端，COM為正轉、反轉回路輸出端。當KM1接觸器的常開觸點閉合后，電機正轉。同理，當KM2接觸器的常開觸點閉合后，電機反轉。

圖3 控制電路圖Figure 3 Control circuit diagram

圖4 主電路圖Figure 4 Main circuit diagram

2.2 電機型號的選取

碾搓式橡膠果脫殼機在運行時的主要消耗功率為摩擦板對橡膠果外殼所施加的摩擦力做的功率。因此，電機所提供的功率應大于該摩擦力所做的功。由此可知，需計算摩擦力相對于齒輪軸轉動中心的力矩才可確定所需電機的功率。

根據研究可知橡膠果果殼的破碎力約為800 N，橡膠果殼的摩擦系數最大約為0.4[9]。因此可確定磨碎果殼所需的摩擦力大約為320 N。則該摩擦力相對于齒輪軸轉動中心的力矩為：

T=f×L，

(1)

式中：

T——摩擦力相對于齒輪軸轉動中心的力矩，N·m；

f——橡膠果殼對摩擦板的摩擦力，N；

L——橡膠果對摩擦板的摩擦點與齒輪軸轉動中心的距離，L=100 mm。

將數據代入式(1)，得：T=32 N·m。

根據式(1)估算出電機所需提供的功率為：

(2)

式中 ：

P——電機所需功率，W；

T——摩擦力相對于齒輪軸轉動中心的力矩，N·m；

n——電動機輸出軸轉速，n=35 r/min。

將數據代入式(2)，得：P≈117 W。

考慮到導軌滑塊機構在運動時產生的摩擦力以及電機減速器的機械損耗，選擇額定功率為200 W的單相交流減速電機。電機型號為7GU-40K，具體參數為：額定功率200 W；額定電壓220 V；電動機轉速1 400 r/min；減速器減速比1∶40；調速方式為無極調速。

2.3 齒輪齒條參數的選取

齒輪齒條機構主要用于傳遞電機輸出的扭矩，并將其輸出軸的定軸轉動轉換為直線運動。齒輪齒條機構運動的主要阻力為橡膠果對摩擦板的摩擦力320 N，根據齒根彎曲疲勞強度以及齒面磨損疲勞強度可確定齒輪與齒條的模數m=2.5，齒寬D=25 mm，齒輪齒數z=40。

2.4 導軌滑塊機構參數的選取

導軌滑塊機構所受載荷主要是橡膠果對摩擦板的壓力F和零件重力G所產生的力矩，其受力分析見圖5。摩擦板6所受最大正壓力Fmax=800 N，齒條3、齒條座4、摩擦板6和角碼5的重力之和G=50 N(假設重心在摩擦板處)，因此滑塊1所受的最大扭矩Mr為：

Mr=∑F×L1=(Fmax+G)×L1，

(3)

式中:

Mr——滑塊所受的最大扭矩，N·m；

∑F——摩擦板所受最大正壓力與各零件重力的矢量和，N；

Fmax——摩擦板所受最大正壓力,N；

G——齒條、齒條座、摩擦板和角碼的重力之和,N；

L1——摩擦板在摩擦橡膠果過程中的受力點與導軌間的距離，L1=180 mm。

1. 滑塊 2. 導軌 3. 齒條 4. 齒條座 5. 角碼 6. 摩擦板 7. 橡膠果

圖5 導軌滑塊機構受力分析圖

Figure 5 The stress of the guide rail slider mechanism analysis diagram

將數據代入式(3)，得：Mr=135 N·m。

根據式(3)可確定導軌滑塊機構的型號為HGH-30CA。主要參數：額定動載荷38.74 kN；額定靜載荷52.19 kN；額定力矩Mr為660 N·m。

2.5 碾搓單元的設計

摩擦板3與摩擦槽4組成的碾搓單元，是為了碾搓橡膠果使其脫殼，實現殼仁分離。將橡膠果放入摩擦槽4后啟動機器。摩擦板3在電機的驅動下做左右往復直線運動，橡膠果被脫殼。碾搓過程示意圖見圖6。該機的摩擦板通過兩個角碼2與摩擦板架1相連，可隨時更換不同材質的摩擦板以研究不同摩擦系數的摩擦材料對橡膠果脫殼率的影響。

1. 摩擦板架 2. 角碼 3. 摩擦板 4. 摩擦槽圖6 碾搓過程示意圖Figure 6 Extrusion-grind process diagram

3 樣機性能試驗

3.1 試驗材料與方法

2016年3月于海南大學進行脫殼試驗樣機的運行試驗研究。橡膠果：經過自然風干1年，含水率約為12.5%，寬為19.2～20.2 mm，高為18.0～19.0 mm。分成4組進行試驗，每組試驗重復5次，結果取其平均值，每次試驗樣本為10個橡膠果。

3.2 試驗指標

根據試驗目的和實際生產的需要，將橡膠果的脫殼率作為試驗結果的主要評價指標。脫殼率[10]：

(4)

式中：

T——橡膠果的脫殼率，%；

M1——放入的橡膠果總質量，g；

M2——未脫殼橡膠果質量，g；

3.3 試驗結果

表1試驗結果表明：運用碾搓法對橡膠果脫殼是可行的，該試驗機可以對橡膠果的脫殼率進行測試，并對碾搓式脫殼機機理深入研究起到幫助。

4 結論

(1) 該試驗機是機電一體化試驗機器，制造成本較低，結構簡單，碾搓部分由傳動裝置帶動的摩擦板和僅能夠沿垂直方向運動的摩擦槽組成。其間隙可以通過千斤頂實現連續可變，滿足對所有尺寸的橡膠果的碾搓脫殼。工作性能良好，可為高效碾搓式脫殼機械的研制提供參考。

(2) 試驗證明該機可以通過更換不同材料的摩擦板，調節調速器和千斤頂而選擇不同的摩擦速度和擠壓壓力，研究橡膠果的脫殼試驗效果。為后續更深層次的研究碾搓式脫殼機理奠定基礎。

表1 性能試驗結果Table 1 The performance test results

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Design of extrusion-grind rubber fruit test sheller

FAN Hai-yan

WANGTao

WUDi

HEXiao-fan

(InstituteofElectricalandMechanicalEngineering,HainanUniversity,Haikou,Hainan570228,China)

A test sheller for rubber fruit was designed and manufactured according to the principle of extrusion-grind, and it consisted of units of driving and extrusion-grind, the lectrical elements for realizing automatic clockwise and anti-clockwise running of motors, and the frame, etc. Adopting the principle of reciprocating friction and extrusion, the fruit shells were separated under the dual of friction and extrusion pressure. Our results showed that the device could perform well and was, easy to operate, especially, the hulling rate could reach 78.3% by using it. Thus this sheller could be utilized in researches on effects and the mechanism of rubber fruit shelling. The device provides the technological base for the research of high efficiency and low damage rubber fruit sheller.

rubber fruit; shelling device; extrusion-grind

國家自然科學基金項目(編號：51465015)

范海燕，女，海南大學在讀本科生。

王濤(1980—)，男，海南大學副教授，碩士。 E-mail：gxdxyjs@163.com

2016—10—31

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.014