0 引言
槟榔为棕榈科常绿乔木,是我国四大南药之一.槟榔果略小于鸡蛋,果皮纤维质,内含 1 粒种子,即槟榔子; 胚乳坚硬,具灰褐色斑点; 于 8-11 月果实完全成熟之前即予采收、去皮、煮沸、切成薄片晒干,干后呈深褐色或黑色.槟榔全身都是宝,其有效成分主要为槟榔碱,具有固齿杀菌、健胃驱寒、消化积食、去水肿以及驱虫等功能,槟榔子还是劣等儿茶的原料.完整的槟榔果实干制品称为榔干,是我国海南、湖南、云南等地群众咀嚼用嗜好品.目前,我国国内槟榔干果市场需求日益增长,规模化的槟榔加工已成为扩大槟榔种植面积、增加农民收入的重要手段[1].目前,全世界年产槟榔 22. 7 万 t,其中约千余吨产于我国.海南岛种植槟榔已有 1 500 年的历史了,是我国槟榔的最大产地.虽然我国种植槟榔历史悠久,但目前仍面临诸多亟待解决的难题[2].由于槟榔的果肉纤维十分致密,与槟榔核的结合程度非常精密,致使对槟榔的加工十分困难,目前大多仍然采用传统的手工加工方法,不仅影响加工效率,同时也费时费力.根据食品领域加工的生产现状,可以得出一个结论: 槟榔的果肉纤维与种子的分离困难是导致其生产滞后的一大主要原因[3].为此,介绍了一种转筒式的槟榔去核并同时对果肉进行均匀切片的设备.如果这一研究成果得以转化,将会大大提高槟榔的加工效率,解决目前面临的加工难问题,也将推动我国槟榔产业的飞速发展.
1 结构及工作原理
1. 1 结构
去核切片机主要由料斗、导料槽、推料杆、送料筒、组合式转筒、上下组合刀具、主轴定向准停机构、凸轮连杆组合机构等组成,如图 1 所示.
1. 2 工作原理
将槟榔倒入料斗中,其靠自重进入导料槽中; 由于导料槽做成下部逐渐缩小、上部圆弧、口径略大于最大槟榔外形尺寸的结构,使得槟榔只能自然平放在导料槽中,而且只能一个一个顺序进入,并从导料槽出口下滑掉落到送料筒中; 由于送料筒的直径约为槟榔般大小,导致每次只能有一个槟榔掉下来,由推料杆将槟榔推送到转筒左侧的下刀槽中,然后转筒在槽轮机构的带动下转动 90°,到达上刀头下方; 由于凸轮连杆组合机构的带动,使推料杆和上刀头同步运动,上、下刀头配合完成一次对槟榔的冲压动作和推料杆的推料过程,实现对槟榔的去核、切片和送料.下刀具可以将槟榔果肉切成 4 瓣,切完后的核和果肉分别由一种特殊的输料装置输出,实现槟榔核与果肉的分离,并如此循环运动下去.
2 主要结构设计和功能分析
2. 1 组合式转筒的设计
组合式转筒组成单元的基本结构如图 2 所示.
由于机器的刀具特殊,考虑到加工工艺问题,把转筒设计成组合式( 即由 4 块完全相同的结构单元组合而成) .组合式转筒由 4 块结构相同的近似弧形的组合单元焊接而成,组成单元弧形所对应的的圆心角为 90°,4 块完全相同的组合单元刚好连接成一个圆柱体型的转筒结构.其组成单元的对称中心上轴向均匀分布 8 个下组合刀头,作用在于实现一次对 8 个槟榔进行同时冲压,提高机械效率.刀刃由一个中心刀刃和 4 个均匀分布在中心刃四周的侧刃组成,4 个侧刃实现果肉的均匀切片,中心刃的作用在于去核.
2. 2 上组合刀架设计
上组合刀架结构如图 3 所示.
上组合刀架由上刀刃、活动压头、连杆、回位弹簧、螺母以及支撑架等组成.当槟榔随转筒转到上刀架正下方时,刀架在凸轮连杆组合机构的传动下顺着导向筒向下对槟榔进行冲压,实现对槟榔的去核切片.其刀头上的活动头起到对槟榔扶正并缓解冲击力的作用.当一次冲压完成后,刀头往上运动,活动压头在回位弹簧的作用下回到最初位置,为下一次冲压做准备.
2. 3 凸轮连杆组合机构设计
凸轮连杆组合机构如图 4 所示.
此机构由一个凸轮机构和一个凸轮连杆机构串联组合机构并联组合而成.两个盘型凸轮 1、2 固连在一起,凸轮 1 和推杆 7 组成移动从动件盘状凸轮机构,凸轮 2 和摆杆 4 组成摆动从动件盘状凸轮机构.
当机构的主动件凸轮 1 和 2 转动时,推杆 2 实现左右运动,推杆 2 和推料杆固连,从而将槟榔推入转筒中;同时,摆杆 4 实现摆动,并由摆杆的摆动带动连杆 5运动,使从动滑块 6 实现上下移动,滑块 6 和上组合刀架的支撑刀架相固连,从而实现上刀头的上下冲压动作.
2. 4 槽轮拨盘主轴定向准停机构设计
要使机器能够正常运转,必须实现转筒的准确定位,使机器停止运转时其上刀头与下刀头必须位于同一直线上( 转筒上的 4 个组合刀头必须位于竖直和水平方向上) ; 并且推料杆和上刀头必须位于距离转筒最大位移处,在开机运转时不会出现冲压紊乱现象;通过在槽轮拨盘主轴上安装准停装置来实现槽轮的定向准停,从而带动转筒和凸轮轴的准停.此机构选用磁传感器型主轴准停装置,如图 5 所示.
磁传感器主轴准停装置利用磁性传感器检测定位.在主轴上安装一个发磁体,在距离发磁体旋转外轨迹 1 ~2mm 处固定一个磁传感器,经过放大器与主轴控制单元连接.当主轴控制单元接收到数控系统发来的准停信号 ORT 时,主轴速度变为准停时的设定速度; 当主轴控制单元接收到磁传感器信号后,主轴驱动立即进入磁传感器作为反馈元件的位置闭环控制,目标位置即为准停位置.准停后,主轴驱动装置向数控系统发出准停完成信号 ORE[4].
3 主要工作部件参数的确定
3. 1 下组合刀具中单个刀具参数的确定
下刀具结构图如图 6 所示.根据实际结构可以看出: 在刀具下部设计有一定的斜度,目的是对槟榔起到一定的扶正作用,使槟榔能够竖直地立在圆柱筒中,方便冲压和切片去核,同时也对由于上下刀具的微小错位引起的偏移起到校准的作用.下刀具需要设计计算的参数有: 刀具圆柱筒上内径 d上,刀具圆柱筒下内径 d下,中心孔径 d中,圆柱筒总长 h,刀刃离圆柱筒下底面高度 h刀.
通过到海南三亚槟榔谷进行考证,发现槟榔的直径一般为 20 ~ 40mm,长度一般为 30 ~ 60mm,种子大小一般为 20mm,且不同型号的槟榔其核的大小差距不大.为了实现大中小型号的槟榔能够一起加工,设计的刀具参数为: d上= 45mm,d下= 35mm,d中= 20mm,h = 80mm,h刀= 10mm.
3. 2 凸轮连杆组合机构的参数设计
凸轮连杆机构组合机构是为了同时实现送料和冲压,即推杆送料开始到推杆回到初始位置的同时上刀架也必须从初始位置开始完成一次冲压动作并回到初始位置.凸轮 1 的最大行程为推料杆运动的距离,推杆停止运动的时间为转筒转动 90°( 即拨盘转动一周所用时间) ,由此参数就可以确定凸轮的外轮廓尺寸.凸轮 2 与连杆机构组合,所以上刀架上下运动的距离通过连杆机构传到凸轮 2 上,设计尺寸需要考虑两部分的变化量来设计,其摆杆停止摆动的时间也是拨盘转动 1 周所用时间.即两凸轮的等半径圆弧段的长度为 ω 与等圆弧段的圆弧半径 r 以及拨盘转动 1 周所用时间 t 的乘积.
3. 3 传动机构的确定
考虑到机器的运动效率和机构特点,设计槽轮机构的拨盘主轴转速为 60 ~ 80r/min,即每分钟完成 60~ 80 次冲压动作,所以对电动机的转速要求不是很高.基于各方面的考虑,本机器选择的动力机构为740r / min 的 Y 型三相异步电动机,其原因在于 Y 系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠.
传动方式的确定: 电动机首先通过与一个减速装置( 两齿轮啮合 z1-z2) 实现第 1 次降低主轴转速; 减速轮主轴到槽轮拨盘主轴通过带轮传动( d1-d2) ,实现 2 次降速,将电动机的转速降到拨盘主轴要求的转速.拨盘驱动槽轮间歇转动,槽轮主轴即为转筒主轴,从而实现转筒的间歇转动.凸轮轴与拨盘主轴之间通过同步带轮传动( d3-d4) ,使得拨盘和凸轮具有步调一致的运动,从而实现拨盘主轴转动 1 周,凸轮完成一次推料和一次冲压动作,保证了运动的可行性.通过这样的传动设计,可以实现拨盘主轴转动 1周,转筒转动 90°,凸轮连杆组合机构进行一次送料和一次冲压.其工作流程图如图 7 所示.
4 结语
设计了一种对槟榔均匀切片和去核的装置,分析了其工作原理、基本结构,进行了部件的设计和参数设计.从整体上看,此机器能一次冲压完成 8 个槟榔的切片和去核,且操作简单、安全可靠,能够从根本上提高劳动效率,降低工人的劳动强度.此机械能够实现槟榔果肉的均匀切片,避免了人工切片时存在的切片不均匀、甚至造成原材料浪费的缺陷,同时也扩大了食用槟榔的加工规模,促进了槟榔产业的发展.
参考文献:
[1] 张翠玲,谭乐和,许春梅,等. 五香槟榔加工工艺研究初报食用槟榔切片机的设计[J]. 广东农业科学,2011,38( 3) :90-91.
[2] 谭乐和. 世界槟榔加工技术发展现状及我国槟榔产业化发展对策[J]. 中国热带农业科学院香料饮料研究所,2005( 8) : 40-43.
[3] 陈阳,陈致水. 食用槟榔切片机的设计食用槟榔切片机的设计[J]. 湖北农业科学,2012,51( 16) : 3615-3618.
[4] 杨家军. 机械创新设计技术[M]. 北京: 科学出版社,2008.
[5] 赵明岩. 大学生机械设计竞赛指导[M]. 杭州: 浙江大学出版社,2008. 8.
[6] 陈文学. 食用槟榔加工工艺研究[J]. 食品科技工艺技术,2006,26( 6) : 57-59.
