臥式青核桃脫皮機鏈板輸送機構的設計與有限元分析

楊忠強，郭 輝，馬月虹，阿布里孜

（1.新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

新疆堅果種植面積達5.043×105hm2，其中核桃種植面積達3.909×105hm2，占總種植面積的77.58%；而堅果總產量達1.036×106t，其中核桃產量達8.368×105t，占總產量的80.79%[1]。新疆是我國最適宜種植核桃的主要產區，生產的核桃品質較高，外形較大，硬殼較薄，在市場上占有較高的地位，全疆有20多個縣市集中種植核桃，主要分布在和田地區、喀什地區和阿克蘇地區，占全區超過90%[2]。因此，發展核桃加工產業對增加果農收入，加快致富步伐，維護生態和諧，都具有重要的經濟社會意義。

核桃具有成熟期集中、難以脫皮等特點，目前青核桃脫皮仍采用傳統噴藥堆漚法或手工直接切削等落后的生產方式[3-4]。研究人員為了減輕脫皮勞動強度，陸續設計了一些脫皮設備，但大多數脫皮設備采用小型單機生產[5-7]和間歇式加工[8-10]，其生產效率較低，無法實現批量連續化加工，這成為制約核桃產業發展、農民增收的主要技術障礙。

針對上述問題，設計了一種通用性強的臥式青核桃脫皮機，該設備可以配套在批量連續化加工的生產線上。本文主要從臥式青核桃脫皮機的關鍵部件——鏈板輸送機構的結構設計和力學分析為切入點，研究刀片及刀片安裝板的應力、應變與模態等機構動態特性，設計并確定出刀片及刀片安裝板的最佳工作狀態，為臥式青核桃脫皮機具的設計提供可靠的理論依據。

1 結構及工作原理

1.1 臥式青核桃脫皮機的結構和工作原理

臥式青核桃脫皮機由前噴水裝置、出料口、板刷機構、板刷機構升降裝置、鏈板輸送機構、檢修口、脫皮通道、支撐板、布料裝置、進料口、后噴水裝置、外罩升降裝置、外罩等部件構成，具體如圖1所示。

圖1 臥式青核桃脫皮機結構Fig.1 Structure diagramof horizontal green walnut peeling machine

青核桃經進料口掉落到鏈板輸送機構表面，然后水平向前運動，在布料裝置作用下平鋪一層前進，進入由鏈板輸送機構和板刷機構形成的脫皮通道，進料口設置有后噴水裝置，青核桃在前進過程中受到壓力水的噴洗潤滑。安裝在鏈板輸送機構上的刀片將青皮劃出若干個裂口，然后在脫皮通道的擠壓、摩擦作用下將青皮徹底去除，混合物料一起輸送至出料口，在前噴水裝置等作用下進入下一個工序。

1.2 鏈板輸送機構的結構

臥式青核桃脫皮機鏈板輸送機構主要由出料口、機架、刀片、刀片安裝板、鏈輪、軸承、電機安裝架、傳動主軸、鏈條、側機體、進料斗、從動軸、張緊裝置等組成（圖2）。

圖2 鏈板輸送機構結構示意圖Fig.2 Schematic diagramof chain plateconveying mechanism

電機減速器將動力通過傳動主軸傳遞給鏈輪，鏈輪帶動鏈條轉動，鏈條上安裝有刀片安裝鋼板，刀片安裝鋼板上面安裝有刀片，刀片之間呈米字形排列，整體形成一個安裝有若干刀片的鋼板輸送帶。鋼板輸送帶載著物料從進料斗進入，輸送帶上方設置有板刷機構，二者形成脫皮通道，青核桃進入由大變小的脫皮通道，滾動的青核桃在擠壓力的作用下被刀片切割出不同的裂口，再在鋼絲板刷的摩擦作用下去除核桃表面的青皮，完成脫皮過程。

2 鏈板輸送機構的設計

2.1 傳動主軸的設計

傳動主軸是鏈板輸送機構的部件之一，主要是將電機減速器的動力通過主軸傳遞到鏈板上，并通過托板和鏈條支撐刀片安裝板，形成一個平穩的鏈板輸送帶，保證鏈板輸送帶的剛度和強度。鏈板輸送帶工作時，刀片或刀片安裝板會對青核桃擠壓產生擠壓力；相反，青核桃同時對刀片產生一個反作用力，刀片安裝板底部設置有托板，防止青核桃過多時，擠壓刀片安裝板承受較大的彎矩。傳動主軸在實際工作中，主要是將電機的扭矩傳遞給輸送鏈條，因此主軸的強度是通過扭轉強度條件來計算。扭矩可以通過調節扭轉切應力來解決。軸的扭轉切應力計算公式[11]為：

式中：τT為扭轉切應力，MPa；T為軸所承受的扭矩，N·mm；WT為軸的抗扭轉截面系數，mm3；P為主軸傳遞的功率，kW；n為主軸轉速，r/min；d為計算截面處的軸直徑，mm；[τT]為許用扭轉切應力，MPa。

由公式（1）可以計算軸的直徑：

表1為軸常用的幾種材料的[τT]及A0值。

表1 軸常用的幾種材料的[τT]及A0值Table 1 Valuesof[τT]and A0 for several materialscommonly used in the shafts

2.2 刀片的結構設計

刀片的主要功能是在脫皮加工中，在鋼絲板刷的擠壓下，刀片可將青核桃青皮劃出若干裂口，促使核桃青皮產生裂紋，增加青皮損傷，降低青皮破裂力。由于青皮汁液具有一定的腐蝕性，因此選擇時需要采用耐腐蝕性的刀片材料，如不銹鋼等。如圖3所示：刀片一般采用U型不銹鋼材質，兩邊切刃高度一致，切刃與刀片安裝板垂直，均為7.21 mm；切刃高度盡可能與青皮的厚度相匹配，過高易造成核桃硬殼損傷，過低則切割不能破壞青皮纖維組織。

圖3 刀片結構示意圖Fig.3 Schematic diagramof blade structure

2.3 刀片排列方式的設計

如果沒有刀片，鏈板輸送機構就是一個光面的鋼板輸送帶，青核桃在上面進入脫皮通道時就會向后滑動，無法正常進入脫皮通道，所以需要提高刀片安裝板的動摩擦系數。因此設計了如圖4所示的刀片排列方式，這樣的排列方式，可以增加青核桃不同方向的裂紋或裂口，有利于刀刃與青皮的滑動切割，易將青皮切開剝離。

圖4 刀片的排列方式Fig.4 Arrangement of blades

2.4 鏈板輸送機構輸送量的計算

青核桃進入臥式青核桃脫皮機后，平鋪一層進入脫皮通道，脫皮通道的間隙應小于青核桃外形尺寸，而大于核桃硬殼外形尺寸才可以進行脫皮作業。因此，進入脫皮通道的青核桃會形成單層排列前進。參照皮帶輸送帶的生產率計算方法[12]，臥式青核桃脫皮機的生產率為：

式中：Q為輸送量，t/h；υ為鏈板輸送帶的前進速度，m/s；ρ為青核桃堆積密度，kg/m3；S為在運行的鏈板輸送帶上物料的最大堆積面積，m2。

3 刀片及刀片安裝板的有限元分析

刀片及刀片安裝板是青核桃脫皮機鏈板輸送機構中的關鍵部件，與青核桃直接接觸，受到力的作用。因此，本文是基于ANSYSWorkbench有限元分析軟件，運用UG10.0三維建模手段對刀片及刀片安裝板進行了有限元分析，研究刀片及刀片安裝板的應力及變形與模態等機構動態特性，對臥式青核桃脫皮機的工作性能進行分析。

3.1 刀片及刀片安裝板的有限元模型創建

3.1.1 模型建立

通過UG10.0三維建模軟件對鏈板輸送機構中的刀片及刀片安裝板零件進行建模并裝配，將裝配件導出存為Parasolid（*.x_t）格式，導入ANSYSWorkbench中，刀片及刀片安裝板有限元模型[13]如圖5所示。

圖5 刀片及刀片安裝板有限元模型Fig.5 Finite element model of blade and blade mounting plate

3.1.2 材料屬性

在ANSYSWorkbench軟件中對刀片及刀片安裝板添加材料屬性，根據實際工作過程中刀片及刀片安裝板要承受較大的載荷，連續工作時間長，青皮汁液對刀片及刀片安裝板有一定腐蝕性等情況，綜合考慮，選擇304不銹鋼（SUS304）作為刀片及附著板的材料（圖6），其密度為7.93×103kg/m3，彈性模量為1.94×105MPa，泊松比為0.3[14]。

圖6 材料屬性參數設定Fig.6 Material property parameter setting

3.1.3 接觸類型的設定

由圖7所示，在Connections中設置刀片與刀片安裝板各零件的接觸類型。由于連接刀片的孔眼較多，模型中并未裝配螺栓，因此采用軟件中beam選項中的body-body創建等效的螺栓連接方式。創建兩組螺栓連接，其中一組是刀片與刀片安裝板的連接，另一組是刀片安裝板與鏈條的連接，其目的是連接刀片與刀片安裝板，刀片安裝板兩端通過4個螺栓與鏈條固定（E）；附著板底面有支撐板，相當于地面無摩擦接觸，固定刀片安裝板（A），因此將整個裝配體視為一個整體。

圖7 接觸類型及等效螺栓連接Fig.7 Contact typeand equivalent bolt connection

3.1.4 網格劃分

在ANSYSWorkbench軟件中，對裝配體模型進行網格劃分，根據模型的形狀進行網格劃分，刀片采用U型薄板結構，一側略高于另一側，多個刀片呈米字形排布，與刀片安裝板通過螺栓連接，采用紫外網格劃分功能進行網格劃分。在實際脫皮過程中，U型刀片及刀片安裝板主要參與受力，這些部件要著重分析。經過多次分析，將刀片單元大小設置為2 mm，刀片安裝板單元大小設置為4 mm效果最佳，得到230 062個節點和91 072個單元（圖8）。

圖8 刀片安裝板的網格劃分Fig.8 Grid division of blademountingplate

3.1.5 邊界條件設置及約束添加

通過試驗得到，青皮破裂時擠壓力范圍為20～565 N，當擠壓力達到最大值565 N時，分析刀片及刀片安裝板的應力、應變和變形。單個刀片50 mm，理論上一個刀片最多可以和2個青核桃接觸，因此，給每組刀片施加2個擠壓力，在靜力學分析時，設置刀片安裝板兩端固定，且底面有支撐?？紤]到刀片呈米字形排布，與核桃接觸的角度不同受力不同，刀片排布角度可分為0°、45°和135°三類，分別在三類刀片較長凸起邊線上施加565 N的最大載荷（圖9），分析刀片在受到核桃青皮反作用力時的變形情況。

圖9 施加載荷與邊界條件設置Fig.9 Applied loads and boundary condition settings

3.2 刀片及刀片安裝板靜力學分析

刀片及刀片安裝板在實際工作過程中，會受到青核桃反方向的作用力，此時的刀片及刀片安裝板會產生一定的形變，只要形變在允許范圍內就不會對實際生產產生不良影響。靜力學分析的數學模型公式如下所示：

式中：[M]為質量矩陣；[K]為剛度系數矩陣；[C]為阻尼矩陣；{χ}為位移矢量；{F}為力矢量。

在分析靜力學過程中，根據材料力學理論，如果材料為彈性變形，且變形量很小，剛度系數連續，則材料所受的力是靜態不變的。在實際作業過程中線性力與時間無關，因此，靜力學分析模型可以相應地簡化為：

圖10為刀片及刀片安裝板總變形、應力及應變云圖。根據圖11～13可以分析得出：由于刀片的外邊緣為主要受力部位，刀片的最大變形位置發生在刀刃的外邊緣處，刀片與刀片安裝板通過螺栓固定，刀片距離固定刀片安裝板位置遠的部位變形量大，刀片距離固定位置近的部位變形量較小。

圖10 刀片及刀片安裝板總變形、應力及應變云圖Fig.10 Total deformation,stressand strain nephogramof blade and blade mounting plate

刀片折彎部位的應力和應變最大，與刀刃邊緣的總變形最大恰好相反，刀片折彎部位所受彎矩最大。如表2所示，不同角度的刀片的總變形量相差不大，最大值為5.09×10-4m，即0.000 5 m，變形量非常小，可以忽略不計。因此不會對刀片的工作產生影響，3種不同角度刀片所受的最大應力中，0°刀片最大，最大應力值為114.7 MPa，45°和135°的應力分布基本一致，而SUS304不銹鋼的屈服強度為205 MPa，說明刀片的角度符合受力要求。綜合以上兩種分析結果說明刀片的設計符合工作要求。

表2 不同角度刀片的變形及應力值Table 2 Deformation and stressvaluesof bladeswith different angles

圖12 45°刀片總變形、應力及應變云圖Fig.12 Total deformation,stress and strain nephogramof the bladeat 45°

圖13 135°刀片總變形、應力及應變云圖Fig.13 Total deformation,stressand strain nephogramof the blade at 135°

3.3 刀片及刀片安裝板的模態分析

通過模態分析可以了解刀片及刀片安裝板與板刷的振動情況，在進行相關零部件設計時可以有效避免產生共振或使結構在制定的頻率下振動。

模態分析其控制方程可以為：

在進行模態分析計算時，f（t）=0，且按照無阻尼線性結構進行機械零件的分析，即結構阻尼矩陣[C]=0，因此控制方程可以簡化為：

方程（8）成為無阻尼線性結構自由振動的控制方程，假設結構的運動為簡諧運動，則有：

將（9）中的位移和速度代入控制方程中，可得

式中：[M]為結構質量矩陣；ωi為振動頻率；Φi為模態。

前六階模態結果如圖14所示，分析結果見表3。由表3可知，刀片及刀片安裝板的主要振型出現在刀片安裝板上，刀片及刀片安裝板的轉速為40 r/min時，轉動的頻率為0.106 Hz，因此刀片及刀片安裝板工作頻率遠小于所分析刀片及刀片安裝板的前六階固有頻率，刀片及刀片安裝板在正常工作條件下不會發生共振現象。

表3 刀片及刀片安裝板前六階固有頻率、最大變形量及振型Table 3 Natural frequency,maximumdeformation and vibration mode of blade and blade mounting plate

圖14 刀片及刀片安裝板的模態振型Fig.14 Modal vibration mode of blade and blade mounting plate

4 結論

本文設計了臥式青核桃脫皮機的鏈板輸送機構，通過傳動主軸、刀片結構、刀片排列方式、輸送量的設計計算確定了結構和相關參數，實現了刀片及刀片安裝板既可以輸送青核桃，又可以在青核桃受到擠壓時，刀片對其青皮進行切割。

通過刀片及刀片安裝板的靜力學分析可知：刀片折彎部位的應力和應變為最大；刀刃邊緣的總變形最大，為5.09×10-4m，即0.000 5 m，變形量非常小，可以忽略不計；3種不同角度刀片所受的最大應力中，0°刀片最大，最大應力值為114.7 MPa，45°和135°的應力分布基本一致，而SUS304不銹鋼的屈服強度為205 MPa,說明不同角度刀片的設計滿足強度和剛度要求。

通過刀片及刀片安裝板的模態分析得出：刀片及刀片安裝板的主要振型出現在刀片安裝板上，刀片及刀片安裝板的轉速為40 r/min時，轉動的頻率相應為0.106 Hz，而刀片及刀片安裝板的前三階固有頻率分別為466.99、1 206.8、2 199.7 Hz，而機構的工作頻率遠小于所分析零部件的固有頻率，因此刀片及刀片安裝板在正常工作條件下不會發生共振現象。