自動轉(zhuǎn)盤式剝椰塑型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

劉廷嬌，李武朝，汝紹鋒*

海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（?？?570228）

椰子原產(chǎn)于亞洲東南部、印度尼西亞至太平洋群島，在中國廣東南部、海南、臺灣等地均有栽培。海南當(dāng)?shù)匾悠贩N主要分為青椰、黃金椰[1]。黃金椰生長周期長，椰肉飽滿，主要被用來取椰肉進(jìn)行加工；而青椰個(gè)頭大、汁水充足有淡淡甜味，主要適合直接飲用，市面上青椰經(jīng)修剪塑型后的利潤可觀[2-3]。但椰子生產(chǎn)加工過程中機(jī)械化程度較低，需要大量人工作業(yè)，同時(shí)工作強(qiáng)度高，具有一定危險(xiǎn)性，使得傳統(tǒng)人工手工剝椰不能滿足椰子生產(chǎn)加工需求[4-5]，機(jī)器加工椰子是今后發(fā)展的必然方向。

近幾年針對椰子加工領(lǐng)域機(jī)械化程度低展開了較多研究，有研究人員研制系列剝椰衣設(shè)備，通過不同機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)成熟黃金椰高效處理加工[6-10]。但針對直接飲用的青椰子處理機(jī)械研究較少，市場上仍依靠人工用砍刀進(jìn)行表面修型，所以研制一種能夠?qū)崿F(xiàn)椰青外形美觀完整的剝皮塑型機(jī)具有一定市場價(jià)值。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種可獨(dú)立操作的自動轉(zhuǎn)盤式剝椰塑型機(jī)[11-17]，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并闡明工作原理，探究剝椰塑型的可行性；對關(guān)鍵部件進(jìn)行工作受力分析[18-23]，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)工作的合理性。

1 自動轉(zhuǎn)盤式剝椰塑型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剝椰塑型機(jī)主要由修身刀、修肩刀、支撐站、頂桿、基切鋸、旋轉(zhuǎn)架和機(jī)架等組成，主要實(shí)現(xiàn)椰青的“糧倉狀”塑性目的。塑形機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該塑形機(jī)在工作時(shí)通過支撐站將椰子夾緊，利用頂桿對椰青施加一定向下壓力，使針錐插入椰青皮內(nèi)，把椰青緊定在轉(zhuǎn)盤上。利用固定在機(jī)架上各個(gè)工位的切刀對高速自轉(zhuǎn)的椰子進(jìn)行切割塑型，使椰子表皮在不同工位受到不同位置切刀剝皮作用，從而達(dá)到塑型目的。

圖1 自動轉(zhuǎn)盤式剝椰塑型機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.2.1 夾持固定裝置結(jié)構(gòu)

自動轉(zhuǎn)盤式剝椰塑型機(jī)的關(guān)鍵裝置有夾持固定裝置、支撐站自轉(zhuǎn)裝置和工位切換的轉(zhuǎn)盤裝置。夾持裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由頂桿、針錐、彈簧、橡膠墊和固定片等組成。針錐尖端向上，底端固定在支撐站的圓盤上；固定片的結(jié)構(gòu)為圓弧形，內(nèi)部呈現(xiàn)凹槽狀，可以防止椰青和夾持裝置發(fā)生相對偏移，根據(jù)椰青的大小可以調(diào)整固定片的位置達(dá)到最好的固定狀態(tài)；頂桿、彈簧和橡膠墊組成上端固定結(jié)構(gòu)。在剝椰塑型機(jī)啟動之前，將椰青放入夾持裝置中，利用頂桿對椰青施加一定向下壓力，使針錐插入椰青皮內(nèi)，調(diào)節(jié)固定片將椰青固定，頂桿、針錐和固定片把椰青固定在轉(zhuǎn)盤上，便可進(jìn)行后續(xù)塑型工作。

圖2 夾持裝置結(jié)構(gòu)

1.2.2 支撐站自轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)

剝椰塑型機(jī)的修身刀、修肩刀及修基鋸在工作過程中固定不動，利用自轉(zhuǎn)裝置使得椰青與刀具產(chǎn)生相對運(yùn)動以達(dá)到塑型的目的。支撐站自轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置主要由支撐站、皮帶、帶輪和電機(jī)組成。支撐站為夾持裝置的下端，由3個(gè)固定片及圓盤等構(gòu)成，支撐站下端連接2個(gè)帶輪，以便與電機(jī)及其他支撐站相連，電機(jī)與支撐站、各個(gè)支撐站之間用皮帶連接，電機(jī)啟動，各個(gè)支撐站在電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)支撐站的自轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖3 支撐站自轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)

1.2.3 工位切換的轉(zhuǎn)盤裝置結(jié)構(gòu)

剝椰塑型機(jī)每個(gè)工位的刀具在工作過程中固定不動，在完成其中一個(gè)工位的塑型后，要實(shí)現(xiàn)椰青下一個(gè)工位的塑型工作，就要設(shè)計(jì)一套工位切換裝置，達(dá)到椰青各個(gè)位置塑型目的。工位切換的轉(zhuǎn)盤裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。該裝置主要由中軸、主電機(jī)、旋轉(zhuǎn)架、皮帶和轉(zhuǎn)盤組成。主軸固定不動，下端連接帶輪，帶輪與主電機(jī)用皮帶連接，主電機(jī)啟動帶動帶輪轉(zhuǎn)動，帶輪與旋轉(zhuǎn)架相對固定，旋轉(zhuǎn)架與轉(zhuǎn)盤相對固定，旋轉(zhuǎn)架和轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)椰青的工位切換。

圖4 工位切換的轉(zhuǎn)盤裝置結(jié)構(gòu)

2 剝椰塑型工作機(jī)理分析

2.1 剝椰塑型工藝流程

要實(shí)現(xiàn)椰青原果的切割塑型過程，機(jī)構(gòu)就要解決幾個(gè)技術(shù)難題，包括椰青的夾持固定、外圓柱面的修身塑型、頂部的修肩塑型、底端的切割分離等，最終實(shí)現(xiàn)椰青的“糧倉狀”塑型結(jié)構(gòu)[11]。剝椰塑型工藝流程為椰青遠(yuǎn)果→外圓柱面修身→頂部修肩→底部基切→成品。

2.2 剝椰塑型機(jī)工作機(jī)理分析

剝椰塑型機(jī)的主要工作原理：各個(gè)工位切到調(diào)整位置后固定不動，剝椰塑型機(jī)接通電源后，轉(zhuǎn)盤上的電機(jī)開始驅(qū)動一個(gè)支撐站下方的皮帶輪轉(zhuǎn)動，同時(shí)各支撐站下方皮帶輪均由皮帶兩兩相互連接，帶動各個(gè)支撐站進(jìn)行自轉(zhuǎn)，當(dāng)椰青完成修身后，控制主電機(jī)啟動，使椰青從修身工位處轉(zhuǎn)向修肩刀處；修肩完成后，主電機(jī)再次啟動將椰青從修肩工位處轉(zhuǎn)向基切工位處，完成基切后，加工塑型過程結(jié)束，并最終獲得“糧倉狀”椰青成品。椰青加工前后變化由圖5所示，將支撐站轉(zhuǎn)入出料口，在取出修剪塑型好椰青的同時(shí)，放入未加工的椰青，剝椰機(jī)的進(jìn)料口與出料口是同一位置。同時(shí)修肩刀、修身刀、基切刀的角度與高度均可調(diào)，故可對多個(gè)尺寸的椰青進(jìn)行修剪塑型，且電機(jī)選用6級電機(jī)，其理論同步轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。該機(jī)可與其他自動上下料運(yùn)輸裝置聯(lián)合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)椰子無人自動剝皮塑型工作。

圖5 椰青塑型前后

圖6（a）所示為剝椰塑型機(jī)的第一工位（修身位），修身位由修身刀、支撐桿和固定架組成。椰青由進(jìn)料口添加進(jìn)機(jī)器后，按下電源開關(guān)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動使得支撐站由進(jìn)料口轉(zhuǎn)入到修身工位，調(diào)整修身刀使得其與椰子中部和下部接觸從而達(dá)到去除表皮和纖維，實(shí)現(xiàn)椰子修身的目的；圖6（b）所示為剝椰塑型機(jī)的第二工位（修肩位），修肩位由修肩刀、支撐桿和固定架組成。椰青完成修身過程后，按下主電機(jī)電源開關(guān)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動使得支撐站由修身位轉(zhuǎn)至修肩位，這時(shí)移動修肩刀使其與椰青上部接觸從而實(shí)現(xiàn)修肩的目的，另外修肩刀的安裝角度可調(diào)，可針對不同形狀的椰青調(diào)整不同的角度進(jìn)行修肩；圖6（c）所示為該機(jī)器的第三工位（基切位），基切位由基切鋸、支撐桿和固定架組成。椰青完成修肩過程后，經(jīng)由電源控制主電機(jī)將支撐站由修肩位轉(zhuǎn)入至基切位，此時(shí)調(diào)整基切鋸使得其與椰青相接觸來鋸除底部剩余纖維與表皮，從而達(dá)到基切目的。完成修身、修肩和基切的椰青可經(jīng)由出料口取出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)椰青加工塑型過程。

圖6 剝椰塑型工作過程

3 剝椰塑型機(jī)工作過程受力分析

3.1 塑型切刀工作受力分析

切刀（包括修身刀、修肩刀、基切鋸）是剝椰塑型機(jī)工作的關(guān)鍵部件，對3種切刀進(jìn)行工作受力分析，由相關(guān)求解參數(shù)得出切刀切屑椰青表皮的應(yīng)力、應(yīng)變和變形結(jié)果特征，為加工制造切刀提供理論參考。

為避免椰子修型時(shí)切刀因所受慣性荷載對結(jié)構(gòu)分析結(jié)果產(chǎn)生影響，故采用等價(jià)靜力作用方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用有限單元法可對比刀具在施加的載荷條件為800，900和1 000 N下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。將基切鋸、修身刀及修肩刀的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行分析，并設(shè)置邊界條件。將3種切刀依據(jù)空間位置與椰青進(jìn)行接觸，支撐站的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為30 r/s；修身與修肩切刀材料選用45號鋼，密度7.85 g/mm3，彈性模量210 GPa，泊松比0.31，屈服強(qiáng)度355 MPa；椰青材料選用木質(zhì)材料，其彈性模量10.80 GPa，切變模量0.54 GPa，泊松比0.50，密度0.70g/cm3。椰青表皮比較軟，需要非常鋒利的鋸條，參照木材切割要求，基切鋸采用65錳鋼粗齒鋸條，其抗拉強(qiáng)度825～925 MPa，屈服強(qiáng)度520～690 MPa，求解得到修身刀、修肩刀和修基鋸在不同載荷下的應(yīng)力和變形的對比結(jié)果。

圖7 修身刀刀身應(yīng)力和總變形

修身刀的應(yīng)力和總變形分布曲線如圖7所示，修肩刀的應(yīng)力和總變形分布曲線如圖8所示，以刀背為起點(diǎn)繪制應(yīng)力和總變形分布曲線圖，在800，900和1 000 N載荷條件下，應(yīng)力分布曲線相似，總變形曲線也相似。修身刀同一位置的應(yīng)力值和總變形相較于800和900 N載荷條件下要大，800 N載荷條件下最小。由圖7（a）和圖8（a）可知，不同載荷條件下修身刀和修肩刀應(yīng)力最大值出現(xiàn)在刀片與刀柄接觸的位置，向刀刃和刀背遞減，修身刀在向刀刃遞減過程呈現(xiàn)波浪形狀，最小值出現(xiàn)在刀背位置，最大值分別為35.07，39.48和43.88 MPa。由圖7（b）可知，不同載荷條件下修身刀總變形最大值出現(xiàn)在刀刃位置，最大變形量分別為0.15，0.17和0.19 mm。由圖8（a）可得，修肩刀應(yīng)力最大值分別為77.21，85.09和94.01 MPa。為達(dá)到“糧倉狀”倉頂塑型，修肩刀刀刃根據(jù)倉頂形狀要求呈一定角度，由圖8（b）可知，不同載荷條件下總變形最大值出現(xiàn)在上刀刃位置，最大值分別為0.60，0.67和0.74 mm。修身刀和修肩刀發(fā)生的最大變形量都很小，故可得切刀在對椰子進(jìn)行塑型加工的過程中不會發(fā)生破壞，所得最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，不會產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。

圖8 修肩刀應(yīng)力和總變形

基切鋸的應(yīng)力和總變形曲線如圖9所示，基切鋸所受力平行于鋸刃，以鋸條的端部為起點(diǎn)繪制曲線圖。在不同載荷下，應(yīng)力分布曲線圖和總變形圖相似，載荷越大，應(yīng)力值越大，變形也越明顯。由圖9（a）可知，基切鋸條前后兩端應(yīng)力分布基本對稱，基切鋸條的應(yīng)力分布沿著鋸條呈上下起伏的變化，鋸條中間位置應(yīng)力值最小，這是由于鋸條在和高速旋轉(zhuǎn)的椰青發(fā)生相互作用導(dǎo)致的，加載的載荷方向端接近尾部固定端應(yīng)力值最大，最大值分別為3.72，4.15和5.61 MPa，遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度極限值；由圖9（b）可知，鋸條的中間部分變形量最大，向兩端逐漸下降，最大變形量分別為1.13×10-3，1.25×10-3和1.38×10-3mm，變形量很小，故在工作過程中不易發(fā)生破環(huán)變形以影響對青椰的塑型。在工作過程中，由椰子給切刀的正壓力不會使其產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，為其性能的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

圖9 修基鋸應(yīng)力和總變形

3.2 椰子頂桿受力分析

頂桿對椰青起到夾緊固定作用，在椰青高速旋轉(zhuǎn)塑型時(shí)，頂桿在垂直方向給椰青一個(gè)夾緊力防止椰青發(fā)生較大偏移。建立頂桿三維模型，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench做受力分析。頂桿要求具有一定強(qiáng)度并且重量輕，因此選用鋁合金作為制作材料，密度2.7 g/mm3，彈性模量70 GPa，泊松比0.3，屈服極限455 MPa，利用運(yùn)動載荷定義邊界條件進(jìn)行求解，加載載荷為800，900和1 000 N求解得到頂桿應(yīng)力和變形結(jié)果，如圖10所示。

由圖10（a）可知，在不同載荷條件下，頂桿本身的應(yīng)力最為明顯，同時(shí)頂桿應(yīng)力主要集中在桿上，載荷越大，應(yīng)力值越大，并且應(yīng)力向套在頂桿上的橡膠墊呈波浪變化，底部下壓塊與橡膠墊接觸的中心部分應(yīng)力最大，最大分別為9.91×10-2，13.31×10-2和17.09×10-2MPa，故其所承受應(yīng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所用材料的屈服極限應(yīng)力，故材料可正常使用。由圖10（b）總變形曲線圖可知，頂桿與橡膠墊接觸的位置變形最大，最大分別為7.61×10-5，10.13×10-5和12.72×10-5mm，其最大應(yīng)變量級過小可忽略不計(jì)。通過頂桿變形趨勢可知，在椰子旋轉(zhuǎn)過程中，會產(chǎn)生向四周偏移的趨勢，故在支撐站圓盤上加一個(gè)針錐，針錐與頂桿將椰青完全固定。

圖10 頂桿應(yīng)力和總變形

4 結(jié)論

通過對剝椰塑型機(jī)的設(shè)計(jì)和分析，結(jié)果表明，自動轉(zhuǎn)盤式剝椰塑型機(jī)工作時(shí)通過支撐站將椰子夾緊固定，并利用安裝在機(jī)架上的切刀對高速自轉(zhuǎn)的椰子進(jìn)行切割塑型，使椰子表皮在不同工位受到不同方向切刀剝皮作用，從而達(dá)到塑型目的。該塑型機(jī)可提高青椰加工處理效率，同時(shí)可有效降低生產(chǎn)成本。通過對剝椰塑型機(jī)工作過程的受力分析可知切刀與頂桿等關(guān)鍵部件的材料的選用合理；由最大應(yīng)力和變形位置分析結(jié)果可知整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足剝椰塑型性能要求。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)青椰自動高效剝皮塑型提供一種可行方案。