澳洲堅(jiān)果脫皮機(jī)脫皮輥的力學(xué)特性仿真

蔣快樂 陳治華 李亞南 譚先朝

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)熱帶作物學(xué)院，云南 普洱 665000；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650000；3. 云南仨得科技有限公司，云南 昆明 650000)

澳洲堅(jiān)果(MacadamiaternifoliaF. Muell)為亞熱帶和熱帶的常綠樹種，屬于喬木果樹，又名夏威夷果、昆士蘭果、澳洲胡桃等[1]，主要分布于中國云南、貴州等地區(qū)，不僅品種多樣、種植方式多樣，且具有廣闊的種植面積和消費(fèi)市場[2-3]。目前澳洲堅(jiān)果的脫皮仍以手工、堆漚以及化學(xué)脫皮為主，極易對果仁造成污染，導(dǎo)致堅(jiān)果果仁質(zhì)量下降，影響口感[4-5]。

目前，國外對澳洲堅(jiān)果的脫殼和果仁等的研究開發(fā)已較為成熟[6-7]，中國也有關(guān)于澳洲堅(jiān)果青皮脫皮機(jī)的研究，但技術(shù)力量薄弱，基礎(chǔ)設(shè)施差，果仁的損傷率很難控制在較小的范圍，也難將青皮快速地剝離且存在果皮汁液對果仁的污染問題[8-9]。因此提高澳洲堅(jiān)果的脫皮技術(shù)不僅可以解決果仁污染、質(zhì)量下降等問題，也能極大地促進(jìn)該行業(yè)的發(fā)展。

脫皮輥是澳洲堅(jiān)果脫皮機(jī)中的一個(gè)重要部件，在工作過程中其受力的狀況影響青皮的脫皮效率和機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性及穩(wěn)定性。堅(jiān)果的脫皮率和工作部件的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)密切相關(guān)[10]。由于堅(jiān)果果皮對脫皮輥所施加的載荷，會(huì)導(dǎo)致脫皮輥產(chǎn)生與脫皮機(jī)固有頻率接近的狀況使脫皮機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)，從而影響機(jī)器中各機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。因此，需利用Ansys軟件對脫皮輥進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析[11]。文章擬對云南仨得科技有限公司現(xiàn)有脫皮機(jī)的脫皮輥進(jìn)行力學(xué)特性仿真分析，旨在為后續(xù)中國澳洲堅(jiān)果脫皮機(jī)的研發(fā)和發(fā)展提供依據(jù)。

1 脫皮輥結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 脫皮輥結(jié)構(gòu)

脫皮輥包括主輥和副輥，其中主副輥均由主軸、套筒、輥筒、螺旋鋼紋等部分組成(見圖1)。其中套筒主要用來連接主軸和輥筒，并起到一定支撐作用，螺旋鋼紋焊接在輥筒表面。

1. 套筒 2. 主軸 3. 輥筒 4. 螺旋鋼紋

1.2 工作原理

青皮澳洲堅(jiān)果加工時(shí)，主要按先大后小的加工順序[12]，從進(jìn)料口進(jìn)入脫皮間隙，電機(jī)通過電機(jī)皮帶輪、皮帶、脫皮輥皮帶輪帶動(dòng)主輥主軸旋轉(zhuǎn)，使輥筒及螺旋鋼紋轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過齒輪將動(dòng)力傳遞至副輥，主輥與副輥在旋轉(zhuǎn)過程中配合脫皮刀擠壓、剪切澳洲堅(jiān)果，使果徑較大的堅(jiān)果在脫皮間隙前端脫皮，果徑較小的堅(jiān)果隨脫皮輥的旋轉(zhuǎn)向后移動(dòng)，在脫皮間隙窄處完成脫皮，脫皮后的堅(jiān)果被移送至出料口處。盡量控制堅(jiān)果的脫皮數(shù)量，最大程度保證堅(jiān)果脫皮能夠呈單層的狀態(tài)進(jìn)入脫皮輥，大大提高脫皮率[13]。脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1. 進(jìn)料口 2. 脫皮輥皮帶輪 3. 脫皮輥 4. 皮帶 5. 電機(jī)皮帶輪 6. 電機(jī) 7. 機(jī)架 8. 調(diào)節(jié)螺桿 9. 脫皮刀 10. 齒輪 11. 出料口

2 脫皮輥的計(jì)算與設(shè)計(jì)

2.1 脫皮輥主軸設(shè)計(jì)

脫皮輥主軸是該脫皮機(jī)的重要組成部件，輸出動(dòng)力主要來自該脫皮機(jī)的電機(jī)并且傳送至輥筒和螺旋鋼紋上，在該動(dòng)力作用下會(huì)使輥筒旋轉(zhuǎn)，青皮堅(jiān)果在輥筒的旋轉(zhuǎn)作用下會(huì)產(chǎn)生擠壓力，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反的力。其中，螺旋鋼紋的作用是將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為澳洲堅(jiān)果的直線運(yùn)動(dòng)，將果徑較小的堅(jiān)果帶向脫皮間隙窄處。脫皮輥主軸在工作時(shí)會(huì)承受較大扭矩，所承受的彎矩則較小。故在設(shè)計(jì)主軸軸徑及長度時(shí)，需優(yōu)先考慮扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，而所承受較小的彎矩可采用降低許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的方法有效解決這個(gè)問題。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：

(1)

式中：

T——軸所受的扭矩，N·mm；

n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；

τT——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；

[τT]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；

P——軸傳遞功率，kW；

WT——軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；

d——截面處軸的直徑，mm。

由式(1)可知，軸的直徑

(2)

(3)

幾種常用軸材料的[τT]及A0值如表1所示，其中該主軸直徑為40 mm。

表1 軸常用幾種材料的[τT]及A0值

2.2 脫皮輥螺旋鋼紋設(shè)計(jì)

脫皮輥的螺旋鋼紋是由圓柱狀鋼條彎曲成螺紋狀的螺旋結(jié)構(gòu)，焊接于輥筒表面。其主要作用是在加工過程中將未在脫皮間隙寬處脫皮的堅(jiān)果帶向后方，即脫皮間隙窄處移動(dòng)，完成脫皮過程，最終由出料口流出。脫皮輥螺旋鋼紋的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 脫皮輥螺旋鋼紋的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 脫皮輥轉(zhuǎn)速計(jì)算

脫皮機(jī)的生產(chǎn)效率和脫皮輥及其轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速大小是影響生產(chǎn)效率的直接因素。轉(zhuǎn)速小，達(dá)不到預(yù)期的生產(chǎn)效率；轉(zhuǎn)速大，加工量也變大，但對堅(jiān)果的損傷也隨之變大。由于澳洲堅(jiān)果的青皮硬度較高，故根據(jù)一般脫殼和脫皮機(jī)械滾筒的線速度為3～6 m/s[14]，通過計(jì)算線速度可知脫皮輥的轉(zhuǎn)速范圍。

(4)

式中：

v——脫皮輥線速度，m/s；

R——脫皮輥半徑，mm；

n——脫皮輥轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(4)可知，當(dāng)線速度一定時(shí)，脫皮輥的半徑與轉(zhuǎn)速呈反比，因此可以通過改變脫皮輥的半徑來改變其轉(zhuǎn)速。所選脫皮輥半徑為43.25 mm，因此脫皮輥轉(zhuǎn)速為662.7～1 325.4 r/min。試驗(yàn)脫皮機(jī)的脫皮輥轉(zhuǎn)速為861.4 r/min。

3 澳洲堅(jiān)果青皮剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為2020年9月下旬于云南省德宏州采摘的澳洲堅(jiān)果，挑選無病蟲害且果莖大小不一的堅(jiān)果為試驗(yàn)樣品。以10 mm/min的速度對澳洲堅(jiān)果進(jìn)行剪切破皮單因素試驗(yàn)，用游標(biāo)卡尺測量果子直徑，果徑大小依次從小到大排列，共10組試驗(yàn)，每組取一顆澳洲堅(jiān)果，視青皮破裂而果殼完好為成功。剪切破皮試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 剪切破皮試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，試驗(yàn)中剪切力不會(huì)隨著果徑的變大而變大，二者之間沒有相關(guān)性。

4 脫皮輥有限元分析

由于受青皮澳洲堅(jiān)果硬度等方面的影響，在脫皮機(jī)中進(jìn)行果皮剝離時(shí)，會(huì)對脫皮輥產(chǎn)生力的作用，為后期的生產(chǎn)及加工提供可靠的數(shù)據(jù)支持和理論支撐，故采用Ansys Workbench軟件對脫皮輥進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變和模態(tài)分析[15]。

4.1 網(wǎng)格劃分

材料選用45鋼，利用Ansys Workbench網(wǎng)格劃分功能對脫皮輥進(jìn)行劃分，網(wǎng)格大小與精確度密切相關(guān)，故網(wǎng)格越大結(jié)果越低[16]。設(shè)定主軸、輥筒、螺旋鋼紋為0.01 mm，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

4.2 邊界條件設(shè)置及施加載荷

該脫皮機(jī)脫皮輥轉(zhuǎn)速為861.4 r/min，即90.2 rad/s。由表2可知，當(dāng)單個(gè)澳洲堅(jiān)果所受最大擠壓力為695.98 N時(shí)，其青皮破裂但外殼不會(huì)破裂，故可在輥筒上施加700.00 N的載荷，但根據(jù)實(shí)際工況，脫皮機(jī)脫皮輥工作時(shí)會(huì)對多個(gè)澳洲堅(jiān)果進(jìn)行脫皮，所受擠壓力遠(yuǎn)大于700 N，當(dāng)對8個(gè)澳洲堅(jiān)果進(jìn)行脫皮時(shí)，可對脫皮輥兩端實(shí)施固定約束，在輥筒上施加5 600.00 N的載荷。

4.3 脫皮輥的靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析數(shù)學(xué)模型為：

[Κ]·{δ}={F}，

(5)

式中：

{δ}——系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位移陣列；

[Κ]——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度矩陣；

{F}——總載荷列陣[11]。

脫皮輥的總變形云圖及等效應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示，其變形及應(yīng)力見表3。

圖5 總變形云圖

圖6 等效應(yīng)力云圖

表3 脫皮輥?zhàn)冃渭皯?yīng)力分析

由表3可知，運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，脫皮輥所產(chǎn)生的最大變形在輥筒中間處，這是因?yàn)榧庸み^程中輥筒主要對青皮澳洲堅(jiān)果產(chǎn)生擠壓，而主軸與輥筒的結(jié)合在兩端處，中間部位沒有連接。等效應(yīng)力最大值發(fā)生在軸與軸承結(jié)合處，形狀突變較大，容易造成應(yīng)力集中。

4.4 脫皮輥的模態(tài)分析

脫皮輥在運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，由于對果皮產(chǎn)生的擠壓力以及果皮對脫皮輥產(chǎn)生的反方向的力，則會(huì)導(dǎo)致脫皮輥不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)對設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，掌握脫皮輥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的固有頻率，才能在設(shè)計(jì)該設(shè)備時(shí)避免出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。其6階模態(tài)結(jié)果如圖7～圖12所示，前6階頻率見表4。

圖7 1階模態(tài)

圖8 2階模態(tài)

圖9 3階模態(tài)

圖10 4階模態(tài)

圖11 5階模態(tài)

圖12 6階模態(tài)

由表4可知，脫皮輥的各階固有頻率隨著階數(shù)的增加而增大，其6階固有頻率為111.44～681.05 Hz。

表4 脫皮輥前6階頻率

由圖7～圖12可知，脫皮輥的1 階振型為XZ平面的彎曲振動(dòng)，最大變形量為5.613 0 mm；2階振型為XY平面的彎曲振動(dòng)，最大變形量為5.611 6 mm；3階振型為XZ平面的彎曲振動(dòng)和Y軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大變形量為6.625 8 mm；4階振型為XY平面的彎曲振動(dòng)和Y軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大變形量為6.613 8 mm；5階振型為Y軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大變形量為7.176 4 mm；6階振型為XZ平面的彎曲振動(dòng)和Y軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大變形量為8.422 9 mm。脫皮輥的1階固有頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為6 686.4 r/min，而實(shí)際轉(zhuǎn)速為861.4 r/min，通過試驗(yàn)證明不會(huì)發(fā)生共振。

澳洲堅(jiān)果脫皮機(jī)脫皮輥的前6階固有頻率為111.44～681.05 Hz，第6階產(chǎn)生的變形量最大，最大變形量為8.422 9 mm，相應(yīng)的頻率為681.05 Hz。由于脫皮輥的工作頻率與固有頻率不在同一區(qū)間，故不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，說明該脫皮機(jī)工作時(shí)能夠保證機(jī)器的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的剛度。

5 結(jié)論

通過力學(xué)特性仿真可知，脫皮輥在工況下的最大變形量為0.032 08 mm；等效應(yīng)力為11.872 MPa，其最大值小于45鋼的屈服強(qiáng)度，滿足脫皮機(jī)脫皮輥的使用要求。通過對脫皮機(jī)脫皮輥進(jìn)行振動(dòng)特性和強(qiáng)度分析，確定了各項(xiàng)工況參數(shù)，為脫皮機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。由于該試驗(yàn)只考慮了脫皮機(jī)中脫皮輥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動(dòng)特性，對脫皮機(jī)的脫皮率及損傷率并未進(jìn)行深入研究，后續(xù)需不斷優(yōu)化以提高脫皮機(jī)的脫皮率及降低其損傷率。