籽瓜籽瓤分離機(jī)的設(shè)計(jì)與分離輥模態(tài)分析

李聲元，黃曉鵬，胡忠強(qiáng)，孫浩博，趙永彪，臧澤鵬，馬國軍*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.浙江四方股份有限公司，浙江 永康 321000)

籽瓜，俗稱打瓜，屬西瓜的一個變種，籽瓜含多種有益的營養(yǎng)成分，且有較高的藥用價(jià)值，其瓜肉具有止咳祛痰、利尿解溫、治療胃病的特殊功效[1]。籽瓜主要種植于我國西北地區(qū)，有種植面積800余萬畝，年產(chǎn)量約1 200 t[2]。目前，籽瓜的利用主要以收取瓜籽為目的，經(jīng)加工后的瓜籽是一種廣受歡迎的休閑食品[3]。

目前，用于籽瓜取籽加工方面的機(jī)械很多，鐘逸巖等[4]設(shè)計(jì)了一種籽瓜挖瓤機(jī)，該機(jī)采用共軛切削原理實(shí)現(xiàn)了籽瓜挖瓤的機(jī)械化作業(yè)，但不能實(shí)現(xiàn)籽瓜籽、瓤的分離。張鋒偉等[5]設(shè)計(jì)了一種籽瓜籽汁分離機(jī)，可實(shí)現(xiàn)籽瓜皮、瓤、籽的一次性分離，但分離效果不佳。徐麗娜等[6]設(shè)計(jì)的籽瓜破碎取籽機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分離輥根據(jù)人手取瓤的動作設(shè)計(jì)成仿生手結(jié)構(gòu)，但各機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動配合要求高，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。王天書等[7]設(shè)計(jì)的多功能籽瓜分離機(jī)，需先削皮后再將籽瓜破碎分離，其過程繁瑣，不適用于籽瓜大規(guī)模加工。朱宗光等[8]研制的新型籽瓜破碎取籽機(jī)，采用兩級分離裝置對瓜皮、瓜瓤與瓜籽依次進(jìn)行分離，在一定程度上提高了工作效率，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，瓜籽含雜率及損失率仍較高。

針對現(xiàn)有機(jī)械存在的問題，課題組自主研制了一種可調(diào)式籽瓜籽瓤分離機(jī)[9]，為提高其工作效率與使用壽命，利用Ansys 19.0對其核心部件分離輥進(jìn)行有限元模態(tài)分析[10]，確定分離輥是否與籽瓜籽瓤分離機(jī)發(fā)生共振現(xiàn)象，以期為后續(xù)整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)[11-12]。

1 籽瓜籽瓤分離機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

課題組設(shè)計(jì)的可拆卸籽瓜籽瓤分離機(jī)為軸流滾筒式，可調(diào)節(jié)分離輥轉(zhuǎn)速、刮板與篩網(wǎng)間距與分離輥刮板傾角等參數(shù)。整機(jī)主要由入料口、機(jī)架、分離輥、分離篩筒、瓜籽出料口、瓜汁出料口等部分組成，籽瓜籽瓤分離機(jī)如圖1所示。分離輥由電機(jī)(YE2-90S-2)驅(qū)動，電機(jī)與分離輥軸之間安裝有減速器(RV63-7.5-Y1.5-2P-TA)，轉(zhuǎn)速大小由變頻器(Goodrive20)調(diào)節(jié)，以滿足不同工況下籽瓤分離機(jī)分離輥轉(zhuǎn)速的要求。工作時(shí)，將瓜瓤和瓜籽混合物由入料口喂入，在分離輥刮板軸向和周向力作用下，瓜瓤被破碎細(xì)化后落入分離篩網(wǎng)網(wǎng)孔，然后經(jīng)由瓜汁出料口流出后收集。瓜籽輸送至瓜籽出料口排出機(jī)外，最終可實(shí)現(xiàn)瓜瓤與瓜籽的分離作業(yè)。整機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

圖1 籽瓜籽瓤分離機(jī)1.入料口；2.機(jī)架；3.分離輥；4.分離篩筒；5.瓜汁出料口；6.瓜籽出料口；7.電機(jī)

分離輥是籽瓤分離機(jī)的核心部件，主要由輥軸、支撐桿和刮板三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。三個刮板長度均為1 150 mm，每個刮板均由兩塊不銹鋼板和一塊厚10 mm的食品級軟硅膠墊組成，兩鋼板通過螺釘連接，鋼板中間夾有軟硅膠墊。分離輥轉(zhuǎn)速是影響籽瓤分離效果的主要因素，轉(zhuǎn)速太小，物料容易擁堵阻塞，導(dǎo)致籽瓤混合物分離不徹底，瓜籽含雜率變大。轉(zhuǎn)速太大，瓜籽容易劃傷甚至破損，瓜籽商品率下降。綜合考慮以上因素，選擇分離輥轉(zhuǎn)速為60～180 r/min。

圖2 分離輥

分離篩筒如圖3所示，其采用圓筒形設(shè)計(jì)，篩筒與分離輥刮板間距是影響籽瓤分離效果的主要因素。間距太大，分離輥刮板與籽瓤混合物的接觸面積變小，分離效果變差，瓜籽含雜率變大。間距太小，籽瓤混合物容易在篩筒底部發(fā)生堵塞，瓜籽劃傷率變大。綜合考慮以上因素，將分離輥刮板與篩網(wǎng)間距的調(diào)節(jié)范圍設(shè)計(jì)為5～10 mm。將篩網(wǎng)總直徑設(shè)計(jì)為300 mm，可確保籽瓤混合物與篩面的接觸面積足夠大，使分離輥能夠充分作用于籽瓤混合物。篩網(wǎng)孔徑大小的設(shè)計(jì)要考慮到兩方面問題，一方面要保證尺寸較小的瓜籽可順利從瓜籽出料口排出，另一方面瓜瓤被打碎為瓜汁后要快速通過篩網(wǎng)達(dá)到瓜汁出料口，以免發(fā)生堵塞，影響機(jī)器工作效率，因此將篩網(wǎng)孔徑設(shè)計(jì)為6 mm。

圖3 分離篩筒

2 分離輥的模態(tài)分析

2.1 模型的建立和有限元網(wǎng)格的劃分

在SolidWorks中建立分離輥的三維模型，并導(dǎo)入到Ansys19.0中?？紤]食品機(jī)械的衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)，材料選用304不銹鋼，材料屬性見表2。采用自主網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖4所示。

表2 分離輥材料屬性

圖4 分離輥模型網(wǎng)格劃分

2.2 分離輥模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析的目的是分析分離輥的固有頻率特性，以防止分離輥振動頻率與機(jī)器工作時(shí)的振動頻率相近而發(fā)生共振，從而影響籽瓤分離機(jī)的分離效果以及使用壽命。

選擇分離輥軸側(cè)兩端添加固定約束，設(shè)置分離輥的前10階模態(tài)分析。前10階模態(tài)頻率下分離輥的變形情況如圖5所示，前十階模態(tài)的固有頻率見表3。

表3 分離輥前十階固有頻率

從圖5可以看出，第1階振型主要是輥軸左側(cè)刮板的振動模態(tài)，第2階振型主要是輥軸上方刮板的振動模態(tài)，第3階振型除軸右側(cè)刮板的振動模態(tài)，前三階固有頻率相差不大，在86～88 Hz之間；第4階到第6階固有頻率在102～106 Hz之間，其中第4階主振型與第1階振型大致相同，第5階振型不僅包括第1階與第4階輥軸左側(cè)刮板的振動模態(tài)，還包括輥軸上方的振動模態(tài)；第6階主振型與第3階振型大致相同；第7階到第9階固有頻率在121～167 Hz之間，其中第7階振型與第5階振型大致相同，第8階主振型為輥軸左側(cè)刮板與右側(cè)刮板的振動模態(tài)，第9階主振型為輥軸右側(cè)刮板的振動模態(tài)；第10階固有頻率最高，為210.38 Hz，其主振型為輥軸左側(cè)刮板的振動模態(tài)。在分離輥的前十階模態(tài)中，一階模態(tài)時(shí)的固有頻率最低，為86.909 Hz，后面九階模態(tài)的頻率呈階段性升高的趨勢。籽瓤分離機(jī)的工作頻率為10～23 Hz，遠(yuǎn)離分離輥?zhàn)畹凸逃蓄l率87 Hz，避免了共振的發(fā)生，分離輥能夠正常工作。

(c)三階模態(tài)

(d)四階模態(tài)

(e)五階模態(tài)

(f)六階模態(tài)

(g)七階模態(tài)

(h)八階模態(tài)

(i)九階模態(tài)

(j)十階模態(tài)

3 小結(jié)

設(shè)計(jì)了一種籽瓜籽瓤分離機(jī)，并利用Ansys Workbench對籽瓤分離機(jī)主要工作部件分離輥進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明，在分離輥的前十階模態(tài)中，一階模態(tài)的固有頻率最低，約為87 Hz，遠(yuǎn)大于分離輥的振動頻率10～23 Hz。分離輥不會和籽瓤分離機(jī)發(fā)生共振現(xiàn)象，能夠滿足作業(yè)需求。研究可為籽瓤分離機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。