斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置設(shè)計(jì)及壓輥強(qiáng)度分析

祝兆帥 張佳喜 楊莉玲 毛吾蘭 王毅超

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

杏屬薔薇科落葉喬木，是新疆重要的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，具有悠久的栽培歷史。截至2019年底，新疆杏栽培面積11.126萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量93.309萬(wàn)t，主要分布在貧困人口和少數(shù)民族相對(duì)集中的喀什、和田、阿克蘇等南疆地區(qū)[1-2]。杏仁可分為甜杏仁和苦杏仁兩種，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值非常高，含有豐富的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、維生素、礦物質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)成分，是很好的藥食兼用植物資源[3-4]。隨著人們健康意識(shí)的提高以及杏仁價(jià)值的開(kāi)發(fā)，杏仁需求將不斷提升。

目前，中國(guó)杏核初加工技術(shù)落后，研發(fā)的杏核破殼機(jī)具種類少，杏核破殼以人工敲擊為主、機(jī)械加工為輔，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高。中國(guó)近幾年關(guān)于杏核破殼研究主要是研究其破殼物料特性及破殼間隙等方面，劉軍[5]研究了杏核破殼最佳截面；曹永政等[6]通過(guò)對(duì)杏核厚度、杏仁厚度、杏殼厚度、杏殼與杏仁間隙分布等破殼所需變形量進(jìn)行了研究；王靜[7]對(duì)影響杏核開(kāi)口的含水率及施力位置、方式等方面進(jìn)行了研究。然而破殼裝置轉(zhuǎn)動(dòng)造成的振動(dòng)導(dǎo)致杏仁破損率高這一問(wèn)題尚未見(jiàn)報(bào)道。

杏核破殼裝置結(jié)構(gòu)的合理性直接影響機(jī)具的作業(yè)性能。試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)一種斜齒對(duì)輥式杏核破殼裝置，并運(yùn)用ANSYS-Workbench軟件對(duì)主要部件——破殼壓輥進(jìn)行模態(tài)分析，以期優(yōu)化改善并穩(wěn)定實(shí)際加工過(guò)程中裝置的作業(yè)性能，為破殼機(jī)具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的數(shù)據(jù)與理論參考，穩(wěn)定并提高加工過(guò)程杏仁的整仁率。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。破殼裝置由可調(diào)節(jié)壓輥4與固定壓輥5組成，可調(diào)節(jié)壓輥4通過(guò)調(diào)節(jié)裝置2調(diào)整破殼間隙對(duì)杏核進(jìn)行擠壓破殼，可調(diào)節(jié)壓輥4通過(guò)滑塊軸承固定安裝在機(jī)架1，在機(jī)架1上固定有平行安裝的固定壓輥5和可調(diào)節(jié)壓輥4；擺臂裝置11固定在機(jī)架1兩側(cè)并與上振動(dòng)篩7、下振動(dòng)篩10相連，偏心傳動(dòng)裝置12固定在機(jī)架1左端的傳動(dòng)軸處，擺臂裝置11與偏心傳動(dòng)裝置12共同作用將上、下層振動(dòng)篩7和10懸置于機(jī)架1內(nèi)[8]。

1.2 工作原理

斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置由電機(jī)6驅(qū)動(dòng)，通過(guò)皮帶帶動(dòng)固定壓輥5旋轉(zhuǎn)，偏心傳動(dòng)裝置10和可調(diào)節(jié)壓輥4在鏈條的作用下協(xié)同工作，以保證裝置穩(wěn)定有效地運(yùn)轉(zhuǎn)。破殼之前，根據(jù)較厚杏核的尺寸調(diào)節(jié)破殼壓輥間隙，杏核由喂料口3送入裝置內(nèi)部，在固定壓輥5和可調(diào)節(jié)壓輥4聯(lián)合對(duì)輥擠壓揉搓綜合作用下進(jìn)行破殼，上、下層振動(dòng)篩7和10對(duì)破殼之后的物料進(jìn)行篩分，下層振動(dòng)篩10將上層振動(dòng)篩7篩出的破殼后的杏仁及碎殼傾斜振動(dòng)輸送至下出料口9(收集)，未破殼的杏核由上層振動(dòng)篩7振動(dòng)輸運(yùn)至上出料口8(收集)，破殼過(guò)程中產(chǎn)生的零碎物料由下層振動(dòng)篩10篩出。

1.3 技術(shù)參數(shù)

斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置的主要性能參數(shù)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)架 2.調(diào)節(jié)裝置 3.喂料口 4.可調(diào)節(jié)壓輥 5.固定壓輥 6.電機(jī) 7.上層振動(dòng)篩 8.上出料口 9.下出料口 10.下層振動(dòng)篩 11.擺臂裝置 12.偏心傳動(dòng)裝置圖1 斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 1 Structure diagram of apricot core shell breaking device with helical teeth

表1 斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置主要參數(shù)Table 1 Main parameters of apricot kernel shell breaking device with helical teeth

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 破殼壓輥

2.1.1 破殼壓輥設(shè)計(jì) 破殼裝置由可調(diào)節(jié)壓輥和固定壓輥組成，二者外徑相同、差異轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向相對(duì)。壓輥的選定考慮到了形變恒定的裝置，該類裝置破殼部件完全地滿足四點(diǎn)加壓原理，擁有破殼效果好的優(yōu)點(diǎn)。但也存在一些問(wèn)題：① 杏核在進(jìn)入動(dòng)態(tài)工作的壓輥時(shí)，可能因產(chǎn)生滾動(dòng)而影響破殼效果；② 破殼裝置具有恒定的間隙，無(wú)法滿足不同尺寸的杏核破殼需求。因此，將動(dòng)輥設(shè)置成可調(diào)節(jié)壓輥，可以根據(jù)不同的杏核尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠茪らg隙變化調(diào)整，同時(shí)對(duì)壓送部位進(jìn)行工藝處理，增大其摩擦力以防止杏核的不良滾動(dòng)[9]。

兩相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的輥上部開(kāi)有斜向齒槽，以便二者產(chǎn)生速度差。杏核破殼所需的揉搓擠壓剪切力，是通過(guò)可調(diào)節(jié)壓輥上的斜向齒槽和壓輥?zhàn)陨淼乃俣炔町a(chǎn)生，極大地提高了機(jī)具的破殼效果[10]。

兩個(gè)壓輥的直徑和與杏核直接接觸的相關(guān)情況，決定了杏核最終能否順利進(jìn)入固定壓輥和可調(diào)節(jié)壓輥的間隙中。杏核進(jìn)入兩輥擠壓間隙的方向是沿著杏核厚度方向垂直于擠壓輥軸線(圖3)。為了保證杏核被擠壓破殼點(diǎn)位于兩擠壓輥間，杏核需先被兩輥夾住[11]，再被卷至兩輥的間隙中進(jìn)行擠壓破殼。整個(gè)運(yùn)動(dòng)受力過(guò)程中，每一個(gè)杏核都要受到3個(gè)力的協(xié)同作用，受力情況如圖3所示。兩擠壓輥與杏核表面間的摩擦力的合力、兩擠壓輥對(duì)杏核正壓力的合力、杏核自身的重力共同作用在通過(guò)被擠壓杏核重心的鉛垂線上；兩擠壓輥與杏核表面間的摩擦力的合力2fRcosα，作用力方向向下；兩擠壓輥對(duì)杏核正壓力的合力2Rsinα，作用力方向向上。由式(1)可以得出α值。

圖2 杏核破殼裝置示意圖Figure 2 Schematic diagram of apricot kernel shell breaking device

2fRcosα>2Rsinα-mg，

(1)

式中：

f——兩壓輥和杏核表面之間的摩擦系數(shù)；

R——兩壓輥對(duì)杏核的正壓力，MPa；

α——喂入角(兩壓輥中心線和正壓力R的夾角)，°;

m——杏核質(zhì)量，g；

g——重力加速度，m/s2。

將式(1)移項(xiàng)得到：

2Rsinα-2fRcosα

(2)

(3)

將f=tgφ代入式(2)后得到

(4)

式中：

φ——兩壓輥和杏核表面之間的摩擦角，°。

圖3 杏核進(jìn)入擠壓間隙受力圖Figure 3 Stress diagram of apricot nucleus entering extrusion gap

通常情況下，落入兩輥工作喂入間隙中的杏核受到了兩輥上部杏核堆積物料一定向下的壓力，對(duì)杏核進(jìn)入喂入口兩輥間隙有促進(jìn)作用，因此兩輥外徑小于計(jì)算參數(shù)，喂入角α可能出現(xiàn)大于計(jì)算值的情況。

2.1.2 破殼壓輥間隙分析 沿著被破碎杏核的厚度方向垂直于粉碎壓輥和可調(diào)節(jié)壓輥軸線喂入口間隙，兩輥間隙的大小是直接影響到試驗(yàn)指標(biāo)杏核破殼破碎率、整仁率的關(guān)鍵因素之一，兩輥喂入口間隙為

η≤m+2h，

(5)

η≤M-δ，

(6)

式中：

η——兩壓輥間隙，mm；

m——被破碎杏仁的厚度，mm；

h——被破碎杏仁沿厚度方向的殼厚，mm；

δ——被破碎杏仁的仁殼內(nèi)壁間隙寬度，mm，約為0.7～1.5 mm；

M——杏核的寬度，mm。

為了保證被破碎杏仁的完整性，需使進(jìn)入兩輥喂入口的杏仁受到的破碎擠壓力趨近于0，即兩輥喂入口間隙為最大值η=m+2h或η=M-δ時(shí)，此時(shí)杏核被破殼的效果最為理想。但有時(shí)杏核可以完整地通過(guò)兩輥間隙，此時(shí)ηM-δ。所以需使兩輥間隙η恰好滿足杏核被壓碎又不碎仁，受到壓力在彈性形變范圍之內(nèi)，此時(shí)應(yīng)使η

2.2 上、下雙層振動(dòng)篩

篩面支架和篩面作為一個(gè)整體將上、下層振動(dòng)篩連接在一起，再通過(guò)壓緊螺栓連接固定于篩體內(nèi)部，使分篩面和分篩面支架成為一個(gè)整體，有助于整個(gè)分篩機(jī)構(gòu)裝卸。由于被破碎杏核的寬度有很大差異，但兩輥喂入口間隙設(shè)置好后是恒定不變的，最終被破碎杏核經(jīng)過(guò)機(jī)具前幾步作業(yè)處理后可得到3種不同結(jié)果：① 遠(yuǎn)小于兩輥喂入口間隙的被破殼杏核完整通過(guò)其中；② 遠(yuǎn)大于兩輥喂入口間隙的杏核則被擠壓破碎，并且杏仁也被碾碎；③ 杏核與兩輥喂入口間隙相適應(yīng)，則杏核被破殼后取出完整杏仁。因此根據(jù)被破殼杏核大小尺寸對(duì)兩輥進(jìn)行設(shè)計(jì)，還應(yīng)對(duì)上、下分篩面按照不同大小的杏仁進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以達(dá)到較好的破碎和篩分效果[13]。雙層振動(dòng)篩示意圖如圖4所示。

2.3 偏心傳動(dòng)裝置

偏心傳動(dòng)裝置由鏈輪1、帶座軸承2、偏心傳動(dòng)軸3、偏心軸套4、傳動(dòng)軸承座5等構(gòu)成，其兩端分別與振動(dòng)篩和傳動(dòng)軸固定相連。上、下層振動(dòng)篩的往復(fù)振動(dòng)通過(guò)擺臂裝置和偏心傳動(dòng)裝置協(xié)同作用下形成的系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，其整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.上層振動(dòng)篩 2.下層振動(dòng)篩 3.長(zhǎng)孔篩 4.方格網(wǎng)篩 5.篩面支架 6.篩面壓緊裝置 7.傳動(dòng)座 8.篩體加強(qiáng)筋圖4 雙層振動(dòng)篩示意圖Figure 4 Schematic diagram of double-layer vibrating screen

1.鏈輪 2.帶座軸承 3.偏心傳動(dòng)軸 4.偏心軸套 5.傳動(dòng)軸承座 6.深溝球軸承 7.軸用彈性擋圈 8.孔用彈性擋圈圖5 偏心傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of eccentric transmission device

3 破殼壓輥強(qiáng)度分析

3.1 破殼壓輥模型的建立及網(wǎng)格劃分

為了保證機(jī)具工況的穩(wěn)定性、避免機(jī)具產(chǎn)生共振，通過(guò)對(duì)主要工作部件——破殼壓輥的模態(tài)分析來(lái)確定其模態(tài)屬性，以及輥軸轉(zhuǎn)動(dòng)與其激勵(lì)頻率的關(guān)系。

運(yùn)用SolidWorks軟件初步建立破殼壓輥的三維模型實(shí)體(見(jiàn)圖6),為提高計(jì)算效率，在不對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生差異的前提下對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[14]。將該實(shí)體模型導(dǎo)入至ANSYS-Workbench19.0有限元軟件內(nèi)，其各部件的材料屬性按表2設(shè)定。

表2 破殼壓輥各部件材料屬性Table 2 Material properties of various parts of the shell-breaking roller

圖6 粉碎壓輥三維模型簡(jiǎn)圖Figure 6 Three-dimensional model diagram of crushing roller

對(duì)三維簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為10 mm，共計(jì)產(chǎn)生103 413個(gè)模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，181 789個(gè)模型實(shí)體單元，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。因模態(tài)分析是分析物體自身振動(dòng)情況，所以無(wú)須添加外載荷，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工況，在破殼壓輥的軸承和壓輥軸的相連處施加固定約束[15]。

圖7 粉碎壓輥的有限元網(wǎng)格劃分Figure 7 Finite element mesh division of crushing roller

3.2 破殼壓輥模態(tài)分析

通過(guò)對(duì)破殼壓輥的模態(tài)分析確定關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的振型和固有頻率，即系統(tǒng)內(nèi)的振動(dòng)特性。因?yàn)閷?shí)體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性受到低階振動(dòng)的影響較大，大多數(shù)情況下僅需考慮5～10階振型，施加固定約束之后，只提取破殼壓輥的前6階固有頻率和振型[16-17]，固有頻率結(jié)果及變形量見(jiàn)表3，破殼壓輥前6階模態(tài)分析振型云圖如圖8所示。

由圖8可知，第1、2階模態(tài)分析振型中，壓輥整體出現(xiàn)徑向拉伸形變，且右側(cè)變形最大，中部漸?。坏?、4階模態(tài)振型中，破殼壓輥兩側(cè)彎曲變形較大，且右端變形最大，左端漸??；第5階模態(tài)振型中，壓輥中部變形位移達(dá)到最大；第6階段模態(tài)振型中，破殼壓輥整體做軸向振動(dòng)。

綜合圖8和表3明顯看出，破殼壓輥第1階和第2階、第4階和第5階的振型皆近似，但模態(tài)振型的方向有所不同。

圖8 破殼壓輥各階頻率振型云圖Figure 8 Vibration shape cloud diagram of each order frequency of the broken shell roller

因此，試驗(yàn)中破殼壓輥設(shè)計(jì)的工況轉(zhuǎn)速為350～450 r/min，轉(zhuǎn)換成工況的頻率后為5.83～7.50 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于破殼壓輥?zhàn)钚‰A振型的固有頻率(17.258 Hz)，所以機(jī)具不會(huì)在工作中發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)方法

在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所加工生產(chǎn)樣機(jī)，展開(kāi)性能可靠性試驗(yàn)對(duì)破殼機(jī)具各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行考察。

試驗(yàn)材料采用當(dāng)季采摘的喀什地區(qū)英吉沙縣色買(mǎi)提杏的杏核。按厚度尺寸大小區(qū)間9～10，10～11，11～12 mm 分成3組。設(shè)定破殼輥轉(zhuǎn)速350～450 r/min、破殼輥喂入口間隙7～11 mm、喂料速度250～350 kg/h，依照現(xiàn)行的新疆維吾爾自治區(qū)地方林果農(nóng)藝要求對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 測(cè)試指標(biāo)

4.2.1 整仁率 按式(7)計(jì)算。

(7)

式中：

ρ——整仁率，%；

M1——未破損仁總質(zhì)量，g；

M——杏仁總質(zhì)量，g。

4.2.2 破殼率 按式(8)計(jì)算。

(8)

式中：

η——破殼率，%；

M2——未破殼杏核總質(zhì)量，g；

M3——杏核取樣總質(zhì)量，g。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置主要性能測(cè)試結(jié)果如表3所示，未分級(jí)杏核破殼率均值為86.46%，整仁率均值為82.73%；分級(jí)后杏核破殼率均值為98.18%，整仁率均值為95.95%。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可知，分級(jí)后的杏核破殼率及整仁率明顯優(yōu)于未分級(jí)的效果，采用試驗(yàn)裝置進(jìn)行杏核破殼前，應(yīng)先對(duì)杏核按尺寸進(jìn)行分級(jí)。

表3 主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果?Table 3 Test results of main performance indexes

5 結(jié)論

(1) 針對(duì)杏核破殼裝置破殼率、整仁率不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置。根據(jù)間隙寬度和物料直徑3種比例，分析喂入角不同時(shí)，杏核分別受到多個(gè)方向的共點(diǎn)力，得出杏核沿垂直于兩輥軸線方向喂入受壓時(shí)，所需要的破殼擠壓力較小，斜向齒槽和壓輥?zhàn)陨淼乃俣炔町a(chǎn)生的揉搓擠壓剪切力可以有效促進(jìn)破殼工況。

(2) 由于主要運(yùn)動(dòng)部件對(duì)裝置整體工況振動(dòng)頻率影響較大，通過(guò)三維軟件Ansys Workbench建立斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置的參數(shù)化模型，采用Ansys計(jì)算模塊求解破殼壓輥有限元實(shí)體模型的前6階模型振型及其模態(tài)頻率，并經(jīng)過(guò)理論計(jì)算與模態(tài)試驗(yàn)對(duì)比，分析破殼裝置固有頻率與工況激勵(lì)頻率之間的關(guān)系，其1階振型的固有頻率17.258 Hz與壓輥設(shè)計(jì)計(jì)算的工況頻率5.830～7.500 Hz相差較大，說(shuō)明在破殼工作時(shí)，可以很好地避免共振產(chǎn)生。

(3) 利用組合試驗(yàn)法分析裝置在不同喂料速度、破殼輥間隙、破殼輥轉(zhuǎn)速下的工況，尺寸不同的杏核破殼情況不同，該裝置對(duì)杏核未分級(jí)的破殼率均值為86.46%，整仁率均值為82.73%；分級(jí)后破殼率均值為98.18%，整仁率均值為95.95%，分級(jí)后裝置工況穩(wěn)定、試驗(yàn)指標(biāo)較好，完全滿足斜齒對(duì)輥擠壓式杏核破殼裝置的工況要求。