熟雞蛋剝殼機(jī)中剝蛋輥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃鎮(zhèn)雄，林長(zhǎng)山，宋 爽，陳 銳，葉大鵬

(1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建福州350002；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東廣州510641)

雞蛋是人類(lèi)常食用的食品[1].熟雞蛋剝殼機(jī)的剝蛋輥用于雞蛋的敲擊破殼和摩擦剝殼，然而國(guó)內(nèi)目前關(guān)于剝蛋輥的研究較少，不利于熟雞蛋加工機(jī)械化的發(fā)展[2].與雞蛋破殼去殼的處理方式相似，一些農(nóng)產(chǎn)品剝殼機(jī)采用輥式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了食品外殼的去除，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究.Koyuncu et al[3]采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)YAIVA-3核桃品種的堅(jiān)果進(jìn)行壓縮，結(jié)果表明初始斷裂的能量隨殼體厚度的增加而線性增加，但隨幾何平均直徑的增加而線性減??；Ledet[4]研制出多根輥軸并列形式的蝦類(lèi)剝殼設(shè)備；張秀花等[5]通過(guò)響應(yīng)面分析及參數(shù)優(yōu)化，得到輥式對(duì)蝦剝殼機(jī)的最佳參數(shù)組合；佟慶坦等[6]設(shè)計(jì)的花生剝殼機(jī)利用橡膠滾筒及橡膠凹板之間的間隙進(jìn)行柔性剝殼；汪迎等[7]采用切割方式與搓擦方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)花生自適應(yīng)脫殼；季文華[8]設(shè)計(jì)一種新型核桃去核裝置，采用絞桿機(jī)構(gòu)，增大擠壓力，提高破殼成功率；李長(zhǎng)友等[9]設(shè)計(jì)了一種集自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)、定向、去核、剝殼、分離一體聯(lián)動(dòng)的荔枝去核剝殼機(jī)，實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻完成送料、定位、去核、剝殼的全部作業(yè)過(guò)程.剝蛋輥結(jié)構(gòu)對(duì)于熟雞蛋剝殼機(jī)的工作效率具有重要影響，本文對(duì)其剝蛋輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并利用力學(xué)試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性.

1 熟雞蛋剝殼機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作流程

從圖1可知，熟雞蛋剝殼機(jī)結(jié)構(gòu)主要由送料機(jī)構(gòu)、剝蛋輥組(剝蛋輥、壓蛋輥)、噴淋機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)料機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)水槽組成.剝殼輥組是剝殼機(jī)的核心部分，由壓蛋輥和剝蛋輥組成，分別用于雞蛋剝殼和碎殼，其中每條碎殼通道包括2條剝蛋輥，每條剝蛋輥上分布的凸起圓柱，用于打碎雞蛋.進(jìn)行剝殼時(shí)，雞蛋由送料機(jī)構(gòu)送入剝蛋輥組的工作區(qū)，驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)帶動(dòng)相鄰剝蛋輥反向轉(zhuǎn)動(dòng)將雞蛋擊碎，橡膠包裹的壓蛋輥通過(guò)摩擦將雞蛋殼剝下.壓蛋輥通過(guò)螺栓裝在弓形支座上，通過(guò)彈簧調(diào)節(jié)增加雞蛋與剝蛋輥的貼合程度，提高破殼率.

圖1 熟雞蛋剝殼機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cooked egg sheller

2 測(cè)定方法

2.1 熟雞蛋力學(xué)特性

為了確定熟雞蛋破殼所需的最大載荷，進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn).試驗(yàn)材料為2017年4月28日購(gòu)于福州市倉(cāng)山區(qū)永輝超市的普通鮮雞蛋.按照質(zhì)量高低將雞蛋分為3個(gè)組別，48～56.25 g為小雞蛋，56.25～66.25 g為中雞蛋，66.25～76.60 g為大雞蛋.將熟雞蛋水平放置或豎直放置在試驗(yàn)臺(tái)的雞蛋支撐裝置，分別以雞蛋的大頭、小頭、中間位置作為受力接觸面[10]，進(jìn)行不同沖壓速度的壓縮試驗(yàn)，并輸出雞蛋所受的壓力變形曲線，包括最大載荷和擠壓距離數(shù)據(jù).每組測(cè)試重復(fù)5次[11]，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù).從圖2可知，在壓縮過(guò)程中將雞蛋置于雞蛋支撐裝置上，底座固定在試驗(yàn)平臺(tái)上，通過(guò)壓縮傳感器對(duì)雞蛋進(jìn)行加載，直到雞蛋小頭部分破碎.

圖2 熟雞蛋力學(xué)特性試驗(yàn)Fig.2 Experiment on the mechanical property of cooked eggs

2.2 剝蛋輥的Adams仿真分析

剝蛋輥分為碎殼段和剝殼段，剝殼段材質(zhì)為橡膠.剝蛋輥兩兩組合在一起工作，碎殼段與剝殼段的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)、碎殼段凸起的圓柱尺寸、剝殼段凹槽深度、轉(zhuǎn)速均對(duì)雞蛋剝殼效果產(chǎn)生影響.選質(zhì)量約為50 g的雞蛋進(jìn)行試驗(yàn)，碎殼段軸的直徑均為50 mm，試驗(yàn)方案如表1所示.

表1 剝蛋輥可行性試驗(yàn)方案Table 1 Feasibility test of egg sheller roller

3 結(jié)果與分析

3.1 熟雞蛋力學(xué)特性試驗(yàn)

將三因素三水平試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值[12]，結(jié)果如表2所示，Y表示使雞蛋小頭部分破碎所需的力.對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到?jīng)_壓速度、雞蛋大小、擠壓部位的回歸方程.

表2 不同部位加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Average force for breaking different positions of an egg

3.2 方差分析

通過(guò)Design-Expert得到熟雞蛋碎殼力與不同操作參數(shù)之間的關(guān)系，擬合模型的方差分析結(jié)果，采用二次方程模型進(jìn)行響應(yīng)面分析.對(duì)二次多項(xiàng)式模型及模型中各項(xiàng)影響因素的置信度進(jìn)行分析，結(jié)果(表3)表明利用二次多項(xiàng)式模型擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，效果顯著，其中，擠壓部位的平方和對(duì)雞蛋剝殼的作用力影響最大.回歸模型如下式：

式中，X1表示沖壓速度，X2表示雞蛋大小，X3表示擠壓部位.

表3 二次方模型置信度分析1)Table 3 Quadratic model analysis of confidence degree

3.3 碎殼效果的響應(yīng)面分析

圖3～5給出了沖壓速度、雞蛋大小、擠壓部位三因素之一取某一固定水平時(shí)，其他兩因素對(duì)Y值的影響，同時(shí)改變X1取值，形成縱向?qū)Ρ?在試驗(yàn)范圍內(nèi)，雞蛋大小坐標(biāo)軸方向曲線基本上是一次函數(shù)，從X1＝-1至1逐漸降低，說(shuō)明小雞蛋比大雞蛋能承受更大壓力；擠壓部位坐標(biāo)軸方向曲線呈二次函數(shù)關(guān)系，從X1＝-1至1，即從小端到中部再到大端過(guò)程中，力逐漸降低又升高，X1＝-1的值略大于X1＝1的值.說(shuō)明雞蛋縱向比橫向承受更大壓力，且小端比大端承受更大壓力.通過(guò)調(diào)節(jié)速度按鈕，結(jié)果表明速度對(duì)于雞蛋承受壓力的影響并不大，基本上還是由雞蛋的大小和位置決定的.雞蛋殼破碎的最大力為48.8 N.

圖3 三維關(guān)系圖(X1=-1)Fig.3 3D relationship diagram(X1＝-1)

3.4 剝蛋輥的Adams仿真試驗(yàn)

轉(zhuǎn)速為120 r·min-1時(shí)雞蛋所受的力矩如圖6a所示.從圖6a可知，JD3曲線峰值為0.26～0.64 N·m-1，其余的雞蛋曲線都呈現(xiàn)較低的值.雞蛋受力為7.32～18.57 N.轉(zhuǎn)速為200 r·min-1時(shí)雞蛋所受的力矩如圖6b所示.從圖6b可知，JD3曲線峰值為0.75～1.70 N·m-1，其余的雞蛋曲線都呈現(xiàn)較低的值.雞蛋受力為21.43～48.57 N，且轉(zhuǎn)速為208 r·min-1時(shí)雞蛋所受的力矩如圖6c所示.從圖6c可知，JD3曲線峰值為1.54～4.50 N·m-1，其余的雞蛋曲線都呈較低的值.雞蛋受力為44.00～128.57 N.

對(duì)比3組試驗(yàn)，3號(hào)剝蛋輥對(duì)雞蛋產(chǎn)生一定的力矩，但1、2、4號(hào)剝蛋輥產(chǎn)生的力矩比較小.3種轉(zhuǎn)速的結(jié)果相似.3號(hào)剝蛋輥能產(chǎn)生足夠的敲擊力，因此選擇3號(hào)剝蛋輥?zhàn)鳛槭祀u蛋剝殼機(jī)的剝蛋輥.剝蛋輥長(zhǎng)度為1 000 mm，碎殼段長(zhǎng)度600 mm，剝殼段長(zhǎng)度400 mm，碎殼段圓柱突起半徑10 mm，剝殼段凹槽深度5 mm.設(shè)置3種轉(zhuǎn)速，得到的3個(gè)區(qū)間敲擊力分別為7.32～18.57 N、21.43～48.57 N和44.00～128.57 N.第3組試驗(yàn)獲得的敲擊力滿足雞蛋蛋殼的最大抗載載荷(48.8 N)，因此選定剝蛋輥轉(zhuǎn)速為208 r·min-1.

圖4 三維關(guān)系圖(X1=0)Fig.4 3D relationship diagram(X1＝0)

圖5 三維關(guān)系圖(X1=1)Fig.5 3D relationship diagram(X1＝1)

圖6 不同轉(zhuǎn)速下雞蛋的力矩曲線Fig.6 Moment curves of eggs under different rotational speeds

4 小結(jié)

碎殼效果的響應(yīng)面分析結(jié)果表明：小雞蛋比大雞蛋能夠承受更大的壓力，雞蛋縱向承受的壓力比橫向大，并且小端承受的壓力比大端大；速度對(duì)雞蛋承受壓力的影響小，雞蛋的大小和位置是雞蛋承受壓力大小的決定因素；雞蛋破殼所需的最大力為48.8 N.通過(guò)仿真試驗(yàn)優(yōu)化，確定剝蛋輥長(zhǎng)為1 000 mm，碎殼段長(zhǎng)為600 mm，剝殼段長(zhǎng)為400 mm，碎殼段軸的直徑為50 mm，凸起的圓柱半徑為10 mm，剝殼段凹槽深度為5 mm，轉(zhuǎn)速為208 r·min-1.