夾持式木薯削皮機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

郝秋菊

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

0 引言

木薯被譽(yù)為“淀粉之王”和“地下糧食”，主要用于制造食品、工業(yè)淀粉、工業(yè)制糖和工業(yè)酒精。目前全世界范圍內(nèi)木薯生產(chǎn)機(jī)械化程度都不高，全生產(chǎn)過程均依賴人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，嚴(yán)重制約了木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。木薯屬于塊根植物，其表皮攜帶有毒氰化物，必須經(jīng)過去皮才能食用，如果不及時(shí)削皮加工，新鮮木薯容易變質(zhì)[1-3]。因此，急需研制出用于代替人工的削皮機(jī)，提高生產(chǎn)效率，降低木薯變質(zhì)的可能性，促進(jìn)木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

針對木薯機(jī)械削皮技術(shù)存在的空白，參照馬鈴薯等農(nóng)作物削皮機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款?yuàn)A持式木薯削皮機(jī)[4-10]。為了保證木薯在去皮過程中保持穩(wěn)定，并防止木薯被裝置勒傷，同時(shí)還要適應(yīng)木薯的形狀差異，對木薯夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和受力分析。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

夾持式木薯削皮機(jī)主要由機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)和削皮機(jī)構(gòu)組成，通過安裝有壓縮彈簧的夾持對輥的上下運(yùn)動(dòng)，可將不同大小的木薯無損傷喂入，并通過具有仿形功能的削皮機(jī)構(gòu)完成去皮，再將木薯順利拉出。

削皮機(jī)的削皮對象為長度20～35 cm、直徑4～10 cm 的木薯，削皮厚度1.5 mm 左右，要求削皮厚度盡可能均勻；單個(gè)木薯的去皮率應(yīng)達(dá)到90%以上，并且肉質(zhì)損失率不超過5%；主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min，切削機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min，喂入和拉出木薯的速度為15 r/min；削皮機(jī)連續(xù)工作時(shí)，削皮的生產(chǎn)效率應(yīng)達(dá)到5 個(gè)/min。

電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給主軸，一方面，傳動(dòng)主軸帶動(dòng)連接在其上的小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再由鏈輪組的兩個(gè)大鏈輪分別帶動(dòng)喂入和拉出的下夾持輥，下夾持輥?zhàn)鳛橹鲃?dòng)輪又帶動(dòng)喂入和拉出的兩個(gè)上夾持輥運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)木薯喂入和拉出輸送；另一方面，主軸帶動(dòng)錐齒輪組，與小錐齒輪同軸的鏈輪驅(qū)動(dòng)刀盤，由刀盤上品字形排列的刀具快速旋轉(zhuǎn)從而完成木薯的削皮工作。夾持式木薯削皮機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1 所示。

圖1 夾持式木薯削皮機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of clamping cassava peeling machine

圖2 夾持式木薯削皮機(jī)樣機(jī)Fig.2 Prototype of clamping type cassava peeling machine

2 關(guān)鍵部件及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)部分由兩部分組成，一部分電機(jī)將動(dòng)力傳動(dòng)給夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)木薯向前的輸送功能和完成削皮后的拉出功能，另一部分電機(jī)將動(dòng)力傳送給木薯削皮機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)削皮動(dòng)作。從整體布置上，電機(jī)放在機(jī)架的底部，夾持機(jī)構(gòu)和削皮機(jī)構(gòu)在一起，對大距離的傳動(dòng)過程選用鏈條實(shí)現(xiàn)。根據(jù)生產(chǎn)需要，夾持機(jī)構(gòu)需要的扭矩與削皮機(jī)構(gòu)需要的扭矩不同，速度也不同，所以在傳動(dòng)中還需要變速機(jī)構(gòu)，這是通過圓錐齒輪變速實(shí)現(xiàn)的。

2.1.1 夾持機(jī)構(gòu)功率

根據(jù)設(shè)計(jì)，夾持輥端面直徑為D輥=60 mm，轉(zhuǎn)速為n輥=15 r/min，則對應(yīng)的輥?zhàn)铀俣萔輥為

喂入輥在壓縮彈簧提供的正壓力作用下，依靠摩擦力帶動(dòng)木薯向削皮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧壓力會(huì)根據(jù)木薯尺寸變化，最大工作載荷F輥為56N，可得到喂入輥軸處對應(yīng)功率P輥為

喂入輥軸與主軸之間通過鏈輪組傳遞動(dòng)力，滾子鏈之間的傳遞效率為 η鏈=0.96，滾動(dòng)軸承與軸之間的傳遞效率為 η滾=0.99，又因?yàn)槔鰥A持輥同樣由另一大鏈輪驅(qū)動(dòng)，并且拉出和喂入夾持輥同時(shí)工作，所以主軸的功率應(yīng)為兩者相加，則對應(yīng)的主軸上分配給夾持輥的功率PM1為

2.1.2 錐齒輪主要參數(shù)

本設(shè)計(jì)為直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，大錐齒輪為主動(dòng)輪，小錐齒輪為從動(dòng)輪。削皮機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)是由錐齒輪和鏈輪傳動(dòng)共同組成，主軸轉(zhuǎn)速n=100 r/min，大錐齒輪與主軸直接相連，則大錐齒輪轉(zhuǎn)速n1=n=100 r/min，刀盤驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速即為刀盤轉(zhuǎn)速n5=300 r/min。總的傳動(dòng)比i15為

因?yàn)樾″F齒輪（n2）和主動(dòng)鏈輪（n3）同軸，而從動(dòng)鏈輪（n4）和刀盤驅(qū)動(dòng)輪（n5）同軸，并且本設(shè)計(jì)的主、從動(dòng)鏈輪等速，綜合以上因素，得出圓錐齒輪傳動(dòng)比i12為

為了保證削皮機(jī)的輕便且從整體設(shè)計(jì)出發(fā)，取大錐齒輪齒數(shù)z1=90，根據(jù)式（6）可得，小錐齒輪的齒數(shù)z2=30。

2.1.3 鏈輪主要參數(shù)

本設(shè)計(jì)有兩處用到鏈輪傳動(dòng)，分別是由鏈輪驅(qū)動(dòng)的刀盤和由鏈輪驅(qū)動(dòng)的夾持輥，因?yàn)榍罢邇涉溳喆笮　⑥D(zhuǎn)速相等、設(shè)計(jì)簡單，在此僅對后者鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此鏈輪傳動(dòng)為三鏈輪機(jī)構(gòu)，與主軸相連的小鏈輪為主動(dòng)輪，與夾持輥軸相連的兩個(gè)大小相等的大鏈輪為從動(dòng)輪。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主軸轉(zhuǎn)速n=100 r/min，所以小鏈輪轉(zhuǎn)速N1=n=100 r/min；大鏈輪與夾持輥同軸，夾持輥轉(zhuǎn)速為已知N4=15 r/min，所以兩個(gè)大鏈輪轉(zhuǎn)速N2=N3=15 r/min。因?yàn)槭侨溳唫鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，先計(jì)算主動(dòng)小鏈輪1 和從動(dòng)大鏈輪2 的參數(shù)。

2.2 傳動(dòng)主軸

2.2.1 軸上零件裝配方案

擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，它決定軸的基本形式。所謂裝配方案，是預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系。本設(shè)計(jì)的軸在裝配時(shí)，聯(lián)軸器、鏈輪、右端軸承和導(dǎo)向塊依次從軸的右端向左端安裝，左端只裝軸承。這樣就對各軸承段的粗細(xì)順序做了初步安排。

2.2.2軸上零件定位

為了防止軸上零件受力時(shí)發(fā)生沿軸向或周向的相對運(yùn)動(dòng)，軸上零件需進(jìn)行軸向和周向定位，以保證其確定的工作位置。 軸上零件的軸向定位是以兩個(gè)軸承及聯(lián)軸器等來保證的，可以承受較大的軸向力。周向定位目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)。由于采用的角接觸球軸承，所以本次設(shè)計(jì)的主動(dòng)軸的周向定位是靠軸承、聯(lián)軸器、鍵和緊釘螺釘來完成的。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過性能試驗(yàn)，測定了木薯皮平均去凈率87.2%，肉質(zhì)損失率5.05%，生產(chǎn)率為4.56 個(gè)/min，試驗(yàn)過程中，整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、無明顯振動(dòng)且可靠性好，樣機(jī)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠完成木薯的削皮工作。樣機(jī)結(jié)構(gòu)如2 所示，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的機(jī)器缺點(diǎn)，為下一步改進(jìn)設(shè)計(jì)和完善提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)對夾持式木薯削皮機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，包括動(dòng)力分配、鏈輪設(shè)計(jì)、錐齒輪設(shè)計(jì)和傳動(dòng)主軸設(shè)計(jì)等，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和功率分配，對鏈輪系統(tǒng)和齒輪系統(tǒng)進(jìn)行了選擇和設(shè)計(jì)，保證了工作過程中的穩(wěn)定性和安全性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。試驗(yàn)結(jié)果表明，可初步代替手工作業(yè)，具有一定的創(chuàng)新性。