組合式橡膠籽脫殼機構設計與試驗

趙樂然 王 濤

(海南大學機電工程學院，海南 海口 570228)

海南省是中國主要的天然橡膠種植生產基地，橡膠籽作為天然植膠業副產品，在工業方面、食用和醫用方面、飼用方面和能源方面都具有很高的開發利用價值[1]。目前，對于橡膠籽深加工的開發利用尚處于初始研究階段，其中殼仁分離系統是橡膠籽脫殼機械的關鍵部件。

目前國內的堅果脫殼機械普遍存在破碎率、脫凈率、整仁率低，破損率高的問題，主要是由于缺乏對橡膠籽脫殼過程中物料間及物料與脫殼機構之間力學特性的研究[2-3]。程鑫鑫[4]設計的蓖麻脫殼設備，將兩錐形滾筒與地面形成一定角度，筒間間隙從進料口開始逐漸減小，蓖麻蒴果在重力和滾筒壓條滾搓的雙組合作用下，實現脫殼；鄭甲紅等[5]對設計的核桃脫殼設備進行了參數優化，該設備利用帶有擊打裝置偏心輥與筒壁相配合的形式，核桃進入間隙逐漸減小的脫殼區后，受偏心輥的擊打和擠壓組合作用實現脫殼；陸榮等[6]設計的脫殼裝置由錐滾筒和錐凹板組合構成，全封閉結構能較好地改善脫殼作業條件，提高脫殼率。

離散單元法(DEM)是研究復雜離散系統動力學問題的一種新型數值方法[7]，離散單元法以及EDEM軟件的應用，能夠有效模擬研究農業散體物料與脫殼脫粒機械部件的相互作用過程。郭柄江等[8]采用離散元法研究谷粒和莖稈分離運動過程中的狀態變化；Romuli等[9]運用離散元法模擬了蓖麻蒴果脫殼機構內物料的運動分布，通過對比試驗，對脫殼設備結構參數進行了優化；Bo等[10]通過設定不同對輥間隙、對輥轉速及風選風速，模擬分析得出雙輥擠壓式蓖麻脫殼設備的最優設計參數；Jafari等[11]基于離散元法分析不同參數對篩分效率和篩面磨損的影響；王京崢等[12]依據甘藍物理特性，利用離散單元法研究甘藍在翻轉卸料裝置中不同區域的運動規律，分析得出甘藍損傷率與果箱不同參數變化趨勢。

目前有關部分農業物料的物理性質研究及其生產加工過程中各類機械設備與裝置的設計均已采用離散元法，而對橡膠籽脫殼機械的設計還處于單一模式階段，并且對橡膠籽脫殼過程及運動參數分析和接觸模型的選擇等方面的研究也較少。研究擬通過設計一種組合式橡膠籽脫殼機，結合EDEM離散元軟件分析橡膠籽脫殼機脫殼過程，研究橡膠籽在脫殼裝置中的運動規律，為確定最佳結構參數優化組合提供依據。

1 脫殼機結構及工作原理

1.1 基本結構

為適應多種橡膠籽脫殼要求，提高脫殼效率，設計了一種組合式橡膠籽脫殼機，如圖1所示，其主要包括機架、預切割裝置、擠壓脫殼裝置、風選箱等部分。預切割裝置和擠壓脫殼裝置結構圖如圖2所示，橡膠籽通過進料倉進入殼仁分離裝置，殼仁分離后的脫出物在重力作用下進入清選系統中。

1. 進料口 2. 機架 3. 脫殼倉 4. 風選倉 5. 電動機 6. 風機圖1 組合式脫殼機構結構圖Figure 1 Structure diagram of combined shelling machine

1. 進料口 2. 凹槽板 3. 鋸齒刀片 4. 刀片安裝軸 5. 脫殼倉 6. 葉片輥筒 7. 輥筒軸 8. 齒輪圖2 預切割裝置和擠壓脫殼裝置結構圖Figure 2 Pre-cracking and extrusion unit of the sheller

1.2 工作原理

組合式橡膠籽脫殼機的脫殼過程：橡膠籽由人工喂入進料口后，經凹槽板受到高速旋轉鋸齒刀片的切割、擠壓、剪切作用，部分橡膠籽殼出現裂紋，部分橡膠籽殼出現破損，在旋轉鋸齒刀片的帶動下，具備一定的初速度的橡膠籽沿切線方向撞擊脫殼倉中的撞擊板，達到預脫殼效果。受損的橡膠籽沿著撞擊板進入擠壓脫殼裝置的葉片間隙中，在轉葉片與輥筒的擊打、碰撞、擠壓等作用下實現二次破殼過程。脫殼后的籽殼與籽仁混合物落入風選箱中，在風機的作用下，完成殼仁分離，并分別落入收集箱內。

2 仿真模型建立

2.1 橡膠籽顆粒模型

為了建立橡膠籽的3D模型，以采摘自海南省儋州市的橡膠籽為基礎，隨機選取100顆無損傷顆粒，經游標卡尺測量其橫徑、縱徑、棱徑、殼厚[13]，得到其平均三軸尺寸為18.68 mm×22.65 mm×17.56 mm，平均殼厚為0.68 mm，橡膠籽實物如圖3(a)所示。

橡膠籽形狀為橢球體[14]，通過使用高精度的3D掃描儀XCSW-131對橡膠籽進行3D掃描，建立精準的橡膠籽輪廓模型，如圖3(b)所示。

圖3 橡膠籽Figure 3 Rubber seed

由于橡膠籽包含籽殼和籽仁兩個部分，試驗過程中為了便于分析脫殼過程中的碰撞接觸情況，將橡膠籽籽殼和籽仁作為一個整體進行建模，以簡化的橡膠籽模型進行仿真分析。

將橡膠籽3D輪廓圖導入離散元軟件EDEM中，采用多球面聚合填充方式[15]進行離散元建模，填充的球面越多，與橡膠籽的真實輪廓越貼合，如圖4(a)所示，但球面數量越多，分析計算量也越大，且與較少的球面聚合顆粒分析差異不大，故采用半徑8.1～8.8 mm的3個基本球體重疊構成橡膠籽的離散元模型，如圖4(b)所示。橡膠籽表面光滑、流動性好，其材料屬性可簡化為具有同體性質的均勻線彈性材料，采用EDEM模型自動計算顆粒模型質量、體積和轉動慣量。

圖4 橡膠籽離散元模型Figure 4 Discrete element models of rubber seed

2.2 仿真參數設定

由于橡膠籽顆粒近似橢球形，表面光滑無黏附力，為了便于分析，將橡膠籽顆粒假設為剛性體，接觸模型選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，顆粒間的碰撞屬于軟球模型[16]，各材料特性參數及接觸參數設置如表1、表2所示。

表1 材料特性參數Table 1 Material characteristic parameter

表2 接觸參數Table 2 Interaction properties

2.3 組合式脫殼機模型

為研究不同輥筒轉速、不同擠壓間隙、不同葉片輥筒相位下橡膠籽在脫殼機破碎過程中的受力過程及變化規律，得到組合式脫殼機最優設計參數，在建立脫殼機模型和數值分析的基礎上，進行離散元仿真試驗。

為了對橡膠籽脫殼過程進行離散元仿真，需簡化脫殼機模型，去除預切割裝置和擠壓脫殼裝置與接觸模型不相關的零部件，只保留脫殼倉、刀片、擠壓板、葉片輥筒等脫殼系統組件，在Solidworks中完成簡化后的脫殼裝置三維模型，并導入EDEM軟件中，仿真模型如圖5所示。

圖5 脫殼機簡化仿真模型Figure 5 Simplified simulation model of shelling machine

3 橡膠籽脫殼過程仿真與分析

3.1 仿真影響因素

橡膠籽脫殼機械的脫殼效果與剪切擠壓間隙、葉片輥筒轉速、葉片輥筒安裝相位等因素有關，為使橡膠籽脫殼機脫殼效果達到最佳，對葉片輥筒和刀片軸的轉速、刀片與擠壓板的間隙、葉片輥筒安裝相位進行離散元仿真。

3.2 脫殼機離散元仿真試驗

根據脫殼輥筒的運動特征，將葉片輥筒設置為線性旋轉運動，轉速為300～600 r/min，鋸齒刀片與凹槽板最小間隙設置為13～17 mm。為便于單位時間內喂入的橡膠籽能夠充分受到剪切擠壓作用，同時保證喂入速率滿足脫殼需求，根據脫殼機脫殼倉設計尺寸及橡膠籽三維尺寸，設定顆粒喂入量為100個，顆粒工廠每秒顆粒生成20個，仿真總時長為5 s。顆粒產生于進料口處，自由落下。設定計算時間間隔為Rayleigh時間間隔的10%，輸出時間間隔為0.01 s，仿真網格尺寸設置為最小顆粒尺寸的2.5倍。

對設計的組合式橡膠籽脫殼機進行離散元仿真，脫殼過程如圖6所示。

圖6 橡膠籽脫殼過程仿真Figure 6 Simulation of rubber seed hulling process

根據橡膠籽力學特性試驗[13]可知：橡膠籽平均剪切破殼力為287～398 N，平均擠壓破殼力為548～715 N。因此，在EDEM軟件后處理中統計脫殼過程中橡膠籽的最大接觸力F，對橡膠籽的破損情況以接觸力的范圍進行判定，如表3所示。

表3 橡膠籽破損情況判定表Table 3 Decision of rubber seed damage

選取脫殼機的剪切擠壓間隙13 mm、葉片輥筒轉速450 r/min、葉片輥筒安裝相位31.5°為因素中心水平點，橡膠籽脫殼率、整仁率為響應值。采用Box-Benhnken試驗設計方法對試驗數據進行處理與分析[17-18]，各試驗因素水平編碼如表4所示。由軟件設計試驗方案，共對17個試驗組合進行離散元仿真分析，如表5所示，運用響應面分析得到響應值與各因素間的數學模型。

表4 因素水平編碼表Table 4 Coding of test factors

3.3 結果與分析

3.3.1 回歸模型建立及檢驗 采用Design-Expert 8.0.6軟件對表5中的脫殼率、整仁率分別與各因素進行多元回歸擬合[19]，得二次回歸模型為

表5 試驗設計及結果Table 5 Experimental design and test results

R1=88.00-4.15A-2.00B+4.65C-0.40AB-6.35AC-3.55BC-13.10A2+0.70B2-6.20C2，

(1)

R2=89.40+5.49A-1.99B+0.60C-0.025AB-1.80AC-2.00BC-0.088A2+0.16B2+2.99C2。

(2)

對模型進行方差分析和回歸系數顯著性檢驗，其結果如表6所示。

由表6可知，脫殼率二次回歸模型的P值極顯著(P<0.01)、失擬項不顯著(P>0.05)，說明所得回歸數學模型與實際結果擬合精度高，該模型能反映出脫殼率與A、B、C之間的關系，可較好地對優化試驗中各試驗結果進行預測。其中A、C、AC、A2、C2影響極顯著，BC影響顯著，其余均不顯著。回歸方程中，系數絕對值大小決定該因素對脫殼率的影響大小，可得各影響因素對脫殼率的影響大小順序依次為葉片輥筒轉速、剪切擠壓間隙、葉片輥筒安裝相位。

表6 脫殼率方差分析Table 6 Variance analysis of shelling rate

由表7可知，整仁率的二次回歸模型的P值極顯著(P<0.01)、失擬項不顯著(P>0.05)，說明所得回歸數學模型與實際結果擬合精度高，該模型能反映出脫殼率與A、B、C之間的關系，可較好地對優化試驗中各試驗結果進行預測。其中A影響極顯著，B、C2影響顯著，其余均不顯著。根據各因素回歸系數絕對值的大小，可得各影響因素對整仁率的影響大小順序依次為剪切擠壓間隙、葉片輥筒轉速、葉片輥筒安裝相位。

表7 整仁率方差分析Table 7 Variance analysis of whole-kernel rate

3.3.2 模型交互項解析 根據建立的回歸模型可分別得出各影響因素之間交互作用的響應面圖形。

由圖7(a)可知，在葉片輥筒轉速固定在某一水平時，隨著剪切擠壓間隙的增大，橡膠籽脫殼率表現出先增大后減小的趨勢；剪切擠壓間隙對橡膠籽脫殼率的影響明顯高于葉片輥筒轉速。由等高線密度與響應曲面形狀可看出，兩者交互作用對橡膠籽脫殼率有一定影響但不顯著。

由圖7(b)可知，隨著剪切擠壓間隙與葉片輥筒安裝相位的增大，橡膠籽脫殼率均表現出先增大后減小的趨勢。這是因為剪切擠壓間隙與橡膠籽尺寸相當時，橡膠籽受到較為理想的剪切擠壓力而實現較好的破殼，籽仁能夠較好地從籽殼中脫落，隨著間隙不斷增大，刀片對橡膠籽的有效接觸不斷降低，致使橡膠籽受到的有效剪切擠壓力減小，脫殼率隨之降低。

由圖7(c)可知，隨著葉片輥筒安裝相位的增大，橡膠籽脫殼率表現出先增大后減小的趨勢。主要是因為葉片輥筒安裝相位決定了葉片之間擠壓間隙，當相位處于低水平時，對輥葉片間隙較大，橡膠籽落入葉片輥筒內的有效擠壓作用較低，隨著葉片輥筒安裝相位的增大，對輥葉片間隙不斷減小，有效擠壓作用增大，橡膠籽脫殼率升高，當增大至一定值時，有效擠壓接觸減少，致使脫殼率降低。

圖7 各因素交互作用對橡膠籽脫殼率影響的響應面Figure 7 Response surfaces of all factors’ interaction on shelling rate

由圖8(a)可知，隨著剪切擠壓間隙的增大和葉片輥筒轉速的降低，橡膠籽整仁率不斷增大。主要是因為在剪切擠壓間隙較小，葉片輥筒轉速較高的情況下，橡膠籽在刀片和擠壓板的間隙中受到較大的摩擦和剪切擠壓力，導致整仁率較低。由圖8(b)可知，隨著葉片輥筒安裝相位的增加，橡膠籽整仁率呈先減小后增大的趨勢，這是由于當葉片輥筒安裝相位處于低水平或高水平時，葉片之間的擠壓間隙與橡膠籽的外尺寸較為貼合，橡膠籽籽仁不易受損，從而得到較高的整仁率。由圖8(c)可知，葉片輥筒安裝相位在低水平時，葉片輥筒轉速對于橡膠籽整仁率的影響較小，在安裝相位處于高水平時，橡膠籽整仁率隨葉片輥筒轉速的升高而增大。

圖8 各因素交互作用對橡膠籽整仁率影響的響應面Figure 8 Response surfaces of all factors’ interaction on whole-kernel rate

3.3.3 最優工作參數確定 為提升組合式橡膠籽脫殼機作業性能，根據試驗分析結果，將橡膠籽脫殼率和籽仁整仁率取得最大值作為優化指標，建立性能指標全因子二次回歸方程，進行目標優化與最優工作參數確定[20-21]。目標函數：

(3)

利用Design-Expert軟件進行優化分析，得到最優工作參數組合：剪切擠壓間隙為12.6 mm、葉片輥筒轉速為300 r/min、葉片輥筒安裝相位為40.5°。此時，橡膠籽脫殼率為94.09%，整仁率為96.47%。

4 橡膠籽脫殼機臺架試驗

為驗證上述分析建立的脫殼率及整仁率回歸模型的可靠性，根據得到的最優工作參數組合，開展組合式橡膠籽脫殼機構臺架試驗。

4.1 試驗設備與材料

試驗樣機結構與仿真模型一致，其主要技術參數如表8所示。試驗對象選用采摘自海南省儋州市種植的橡膠籽，橡膠籽樣品為生長狀態正常的橡膠樹，利用人工方式收集掉落的完整橡膠籽。

表8 樣機主要技術參數Table 8 Main technical parameters of prototype

4.2 試驗過程及結果

橡膠籽脫殼驗證試驗在自制的樣機上進行，葉片輥筒轉速由變頻器調節，刀片軸與葉片輥筒通過鏈輪鏈條傳動，鏈條外裝有張緊導軌。刀片與凹槽板的間隙通過墊片厚度調節，葉片輥筒相位則由傳動齒輪安裝相位角調節。電機運行后由變頻器調節轉速，再將橡膠籽以每次20顆的速度喂入脫殼倉，每次試驗投喂5次。從風選倉出料口收集殼仁混合物，分揀出完整的籽仁、未破碎的橡膠籽。試驗重復進行5次取結果的平均值，得到橡膠籽的脫殼率均值為89.67%、整仁率為91.33%。

5 結論

試驗針對自主設計的組合式橡膠籽脫殼機構，運用離散單元法，在EDEM仿真軟件中建立了脫殼機構模型以及橡膠籽的顆粒模型，分析結果可清晰體現橡膠籽的運動趨勢及受力過程。通過對組合式橡膠籽脫殼機結構參數與橡膠籽脫殼過程進行數值模擬，建立雙目標函數模型對各個參數進行優化，得到了組合式橡膠籽脫殼機的最優工作參數組合。臺架驗證試驗結果顯示，脫殼率實測值與仿真值相差4.42%，整仁率相差5.14%，在可接受范圍內，進一步說明通過優化工作參數可提高橡膠籽的脫殼率和整仁率，優化結果具有較高的可靠性，組合式橡膠籽脫殼機作業效果較單一分離方式的脫殼機有顯著改善，后續可進一步借助離散元仿真軟件優化設計切割刀具、擠壓輥筒表面齒形等工作參數，以此提高仿真結果的精確性。