橡膠輥不同轉(zhuǎn)速對(duì)青核桃脫皮的影響分析

連文香，席海亮，楊亞聯(lián)，張鋒偉，周畢文，展靖華

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶 400302；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

核桃青皮的剝離是核桃收獲后加工的一項(xiàng)重要工序，它對(duì)保證核桃品質(zhì)有重要的作用[1].青核桃脫皮效果的好壞與其采摘放置時(shí)間對(duì)應(yīng)的青皮性能、脫皮原理、脫皮部件的結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速、青核桃與脫皮部件的接觸力有很大關(guān)系.目前關(guān)于青核桃的研究主要集中在其物理特性、脫皮過(guò)程中的力學(xué)特性分析、青核桃脫皮裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法等方面，現(xiàn)有的鋼刀毛刷旋轉(zhuǎn)滾筒式、旋切滾筒式、壓板滾筒式和激光切口式等各種核桃脫皮技術(shù)方案[2-6]，主要從剝凈率與破殼率方面分析其性能.

朱占江等[7-9]分析了青核桃脫皮力學(xué)特性，通過(guò)試驗(yàn)研究得出不同品種青核桃其壓力與位移的關(guān)系；梁勤安等[1]研究發(fā)現(xiàn)破碎率和剝凈率受鋼絲直徑、鋼絲頂端與橡膠輥之間的間隙及橡膠輥轉(zhuǎn)速等因素的影響；楊忠強(qiáng)等[10-14]通過(guò)試驗(yàn)分析了不同結(jié)構(gòu)核桃脫青皮裝置的脫皮性能；石章成[15]利用Workbench靜力學(xué)分析了螺旋葉片在受到核桃青皮反作用力時(shí)的變形情況，進(jìn)行了不同脫皮輥轉(zhuǎn)速單因素仿真試驗(yàn)，分析脫皮輥轉(zhuǎn)速對(duì)脫凈率和破損率的影響；史建新等[16]運(yùn)用有限元方法分析核桃脫殼技術(shù).

目前的研究主要通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)核桃脫青皮性能進(jìn)行分析，周期長(zhǎng)，成本高，而對(duì)于部件脫皮性能分析尤其是核心部件與青核桃瞬態(tài)接觸過(guò)程中，轉(zhuǎn)速對(duì)青核桃脫皮的影響很少涉及.本研究以小型通用型青核桃脫皮裝置為試驗(yàn)對(duì)象，分析單體青核桃下落接觸螺旋橡膠輥邊緣動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的受力情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用LS-DYNA得出最小破殼力所對(duì)應(yīng)的臨界破殼應(yīng)力，分析青核桃與旋轉(zhuǎn)橡膠輥瞬時(shí)接觸過(guò)程的有效應(yīng)力及速度，分析橡膠輥不同轉(zhuǎn)速對(duì)青核桃脫皮的影響.

1 脫皮裝置結(jié)構(gòu)

1.1 青核桃脫皮裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，青核桃脫皮機(jī)由篩網(wǎng)1、螺旋橡膠輥2、彈簧壓板裝置3、下料斗4、機(jī)架5、切刀6、傳動(dòng)裝置7、電機(jī)8、出雜口9、柵條10、柵條調(diào)節(jié)裝置11、出料口12組成.當(dāng)青核桃從下料斗4中落下，利用螺旋橡膠輥2推送青核桃軸向移動(dòng)，青皮分離裝置分為兩部分，前端利用彈簧壓板裝置3與螺旋橡膠輥2相互作用產(chǎn)生擠壓、剪切及核桃之間的相互滾搓作用實(shí)現(xiàn)青皮的切削[17]；后端采用上下分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上半部分是篩網(wǎng)1，下半部分是柵條10，對(duì)青皮進(jìn)一步切削的同時(shí)利用調(diào)節(jié)裝置11可以實(shí)現(xiàn)徑向調(diào)整，擴(kuò)大青核桃移動(dòng)通道面積，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)青核桃脫皮裝置通用型.

1：篩網(wǎng)；2：螺旋橡膠輥；3：彈簧壓板裝置；4：下料斗；5：機(jī)架；6：切刀；7：傳動(dòng)裝置；8：電機(jī)；9：出雜口；10：柵條；11：柵條調(diào)節(jié)裝置；12：出料口.1:Sifter；2:Spiral rubber roll；3:Spring pressing device；4:Lower hopper；5:Frame；6:Cutter；7:Drive device；8:Motor；9:Impurity outlet；10:Bar；11:Bar adjustment device ；12:Discharge port.圖1 青核桃脫皮機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 1 The structure of green walnut peeling machine

1.2 受力分析

前蘇聯(lián)學(xué)者比爾格爾[18]的著作中介紹了一種求解螺旋副中各圈間載荷分布的方法，利用此理論分析單體核桃下落碰到螺旋橡膠輥邊緣動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的受力情況，以螺旋橡膠輥軸線輸送方向?yàn)閅軸，核桃下落反方向?yàn)閆軸正方向，建立系統(tǒng)直角坐標(biāo)系，如圖2所示，沿著螺旋長(zhǎng)度上軸向力分布來(lái)表明單個(gè)青皮核桃與螺旋橡膠輥間載荷分布.

圖2 青核桃受力分析圖Figure 2 Force analysis diagram of green walnut

(1)

式中：Q(y)為單個(gè)青皮核桃與螺旋橡膠輥之間的載荷.

(2)

(3)

式中：β表征其連接體柔度的一個(gè)系數(shù)；Eσ,Eτ分別表示橡膠輥與核桃青皮的彈性模量；Fσ，F(xiàn)τ分別表示橡膠輥與核桃青皮的橫截面的面積；γ表征螺栓螺紋圈和螺母螺紋圈柔度的一個(gè)系數(shù).

考慮其邊界條件，(2)式解具有如下形式：

(4)

(5)

以螺旋輥水平方向?qū)η嗥ず颂疫M(jìn)行受力分析，根據(jù)螺旋副力關(guān)系式，建立平衡關(guān)系式：

F=QRtan(ψ+ρ)

(6)

式中：ψ為旋輥升程角，為了減小破損率，采用橡膠輥，ψ=20°，橡膠輥筒直徑D，f為動(dòng)摩擦系數(shù)；ρ為摩擦角.QR為單個(gè)青核桃所受的軸向載荷；F為維持核桃等速運(yùn)動(dòng)所需的平衡力；Ff為摩擦力；FR為摩擦力總反力.

此時(shí)，青核桃等速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，所受到的剪切力：

Ff=Frsinρ

(7)

軸向擠壓力：N=Frcosρ

單體青核桃等速運(yùn)動(dòng)所需要的力矩：

(8)

2 橡膠輥不同轉(zhuǎn)速對(duì)青核桃脫皮的影響

2.1 材料性能

甘肅慶陽(yáng)地區(qū)主要有30多個(gè)核桃品種[20-23]，堅(jiān)果形狀以橢球體為主，取寧縣米橋鎮(zhèn)老核桃，其縱徑×橫徑×側(cè)徑3個(gè)物理參數(shù)范圍是(4.0～6.2) cm×(3.6～4.3) cm×(3.7～5.1) cm，分別測(cè)量蒂部、腰部和頂部3個(gè)部位青皮厚度，取其平均厚度為7 mm.如圖3和圖4為萬(wàn)能試驗(yàn)拉伸儀測(cè)試核桃青皮及青核桃壓縮破殼試驗(yàn)照片，因?yàn)楹颂仪嗥ぞ哂胁环€(wěn)定性，隨時(shí)間的變化其性能發(fā)生變化，需對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行性能試驗(yàn)，圖5為經(jīng)過(guò)放置的青核桃樣本應(yīng)力應(yīng)變曲線，模擬經(jīng)過(guò)堆積處理過(guò)的青核桃，圖6為青核桃最小壓縮力曲線(通過(guò)對(duì)比，沿測(cè)徑方向壓縮破殼力最小).建立青核桃模型三徑參數(shù)5.0 cm×4.0 cm×4.2 cm，將硬殼及果肉等效為一橢球體，三徑參數(shù)：4.3 cm×3.3 cm×3.5 cm.通過(guò)測(cè)定單個(gè)青核桃質(zhì)量為50～65 g，取其平均值，通過(guò)LS-PrePost按相應(yīng)體積將青皮及去青皮濕核桃質(zhì)量轉(zhuǎn)化為密度施加給對(duì)應(yīng)模型，結(jié)合文獻(xiàn)[24-26]，青核桃及螺旋橡膠輥材料屬性見(jiàn)表1.

2.2 有限元模型的創(chuàng)建

為了有效評(píng)估橡膠輥不同轉(zhuǎn)速對(duì)青核桃的影響，將青核桃、螺旋橡膠輥、篩網(wǎng)作為研究對(duì)象.與理論分析采用相同的坐標(biāo)系方向，接觸主要包括：核桃青皮與硬核之間的接觸、硬核與果肉之間的接觸、核桃青皮與橡膠輥之間的接觸，下落碰撞過(guò)程中，核桃仁所受到的彈性力較小，應(yīng)力集中在硬殼與青皮上，為了減少其余參數(shù)的影響，不考慮硬核與核桃仁之間的接觸.將青核桃的豎直投放高度作為已知條件，分析螺旋橡膠輥與青核桃接觸及青核桃與篩網(wǎng)接觸時(shí)對(duì)青皮的影響.

圖3 青核桃青皮應(yīng)力拉伸試驗(yàn)Figure 3 The stress tensile test of green walnut peel

圖4 青核桃壓縮試驗(yàn)Figure 4 The compression experiment of green walnut

圖5 核桃青皮應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 5 The stress strain curve of green walnut peel

圖6 青核桃壓縮過(guò)程破殼力與壓縮位移曲線Figure 6 The breaking force and compression displacement curve of green walnut during compression

表1 青核桃及螺旋橡膠輥材料屬性

有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于材料模型的選擇和材料參數(shù)的確定[27-28].在本研究的模型中，根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)選定本構(gòu)模型，其材料參數(shù)如表1所示，青核桃中的青皮為彈塑性材料，選取24#材料Mat24_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)來(lái)模擬，中間硬殼其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系屬性既有彈性又有塑性，選取3#材料模型MAT3_PLASTIC_KINEMATI；模擬橡膠輥選取27#材料模型(Mat27_MOONEY_RIVLIN_RUBBER)，橡膠輥內(nèi)部填加一剛性轉(zhuǎn)旋單元(Mat20_Rigid)，外面彈性壓板(篩網(wǎng))不作為重點(diǎn)分析對(duì)象，簡(jiǎn)化為剛性殼，對(duì)橡膠螺旋橡膠輥及青核桃采用分塊切割劃分六面體網(wǎng)格，所建的有限元模型如圖7所示.系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建及網(wǎng)格劃分分別在CATIA V5及ANSA中進(jìn)行，建好的模型在LS-DYNA中求解.

青核桃在下落過(guò)程中，依靠自身重力作為慣性力，從距離橡膠輥垂直高度310 mm的位置落下，設(shè)置計(jì)算時(shí)長(zhǎng)1.2 s，為了模擬橡膠輥平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，分別對(duì)其施加如圖8所示的轉(zhuǎn)速曲線，保證橡膠輥平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，取青核桃表面3個(gè)點(diǎn)限制其約束，設(shè)置0.35 s后失效，待橡膠輥平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再下落.

圖7 有限元模型Figure 7 The finite element model

圖8 螺旋橡膠輥兩種轉(zhuǎn)速定義曲線Figure 8 The two speed definition curves of spiral roller

2.3 青核桃破殼應(yīng)力

要對(duì)比分析橡膠輥轉(zhuǎn)速對(duì)青核桃硬殼的影響，首先應(yīng)該知道青核桃硬殼破裂時(shí)內(nèi)部應(yīng)力分布情況.青核桃各向破裂所需要的力有所差異[8，15，29]，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，如圖4和6所示，青核桃所受的力不大于203 N(沿著垂直于棱徑方向擠壓核桃的破殼力)，壓縮核桃過(guò)程中硬殼就不會(huì)破裂，這樣既能保證青皮被剝離，也能保證核桃殼的完好.現(xiàn)通過(guò)模擬擠壓過(guò)程，取其青皮及硬殼厚度分別為7 mm及1.46 mm，對(duì)核桃硬殼及青皮建立有限元模型(青核桃模型重建)，壓板尺寸為80 mm×80 mm，通過(guò)上下平板接觸并在上板施加給壓板317.19 N/m2均布載荷，采用Mat20_Rigid材料模型，上下接觸分別采用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE，模型如圖9所示，通過(guò)靜態(tài)分析得到其應(yīng)力分布情況，取壓縮過(guò)程中青核桃各個(gè)時(shí)刻的最大應(yīng)力單元，分別是33072、33004、33028、33093，其位于上平板與青核桃接觸處，破殼時(shí)青核桃4個(gè)單元最大應(yīng)力為17.85 MPa.如圖10所示，因?yàn)槟M的是青核桃破裂時(shí)的最大單元應(yīng)力，壓縮過(guò)程在平板上直接施加破殼力203 N，所以剛開(kāi)始4個(gè)單元壓力急劇增大，而后逐漸趨于穩(wěn)定，最后穩(wěn)定在17.40 MPa左右，得出青核桃破殼應(yīng)力為17.40 MPa.

2.4 不同轉(zhuǎn)速對(duì)青核桃脫皮的影響

根據(jù)前面受力分析計(jì)算出維持核桃等速運(yùn)動(dòng)所需的平衡力F及力矩T，確定橡膠輥轉(zhuǎn)速范圍，結(jié)合青核桃破殼應(yīng)力值，分析橡膠輥轉(zhuǎn)速為90 r/min及110 r/min對(duì)青核桃脫皮的影響.

圖9 青核桃壓縮試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵igure 9 The compression experimental model of green walnut

圖10 青核桃擠壓過(guò)程最大單元應(yīng)力Figure 10 The maximum unit stress of green walnut during extrusion

如圖11所示，橡膠輥轉(zhuǎn)速90 r/min青核桃從開(kāi)始下落到碰撞結(jié)束過(guò)程，各個(gè)階斷的最大應(yīng)力單元，其中，單元E：89569、單元G：65645、單元I：69421所屬Part是橡膠輥，其余單元是青核桃與螺旋橡膠輥接觸過(guò)程對(duì)應(yīng)青皮接觸單元.從圖11中可以看出，因?yàn)榍?.35 s青核桃通過(guò)表面3個(gè)點(diǎn)限制其約束，未與螺旋橡膠輥接觸，A、B、C、D 4個(gè)單元是約束青核桃而引起的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)實(shí)際變形沒(méi)有影響.而后0.569 s左右，青核桃由于重力作用首先與橡膠輥單元G接觸，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，與此同時(shí)青核桃接觸單元F瞬時(shí)也產(chǎn)生較大的應(yīng)力，峰值達(dá)到0.518 MPa，而后由于橡膠輥軸向力作用沿Y軸正向移動(dòng)與橡膠輥單元I接觸，G與I兩個(gè)單元出現(xiàn)波峰值其值分別為：0.465 3 MPa和0.449 MPa，但隨后青核桃最大應(yīng)力一直維持在0.208 9 MPa左右，即使后面再次與外層篩網(wǎng)接觸，其應(yīng)力基本保持不變，且小于靜態(tài)破殼時(shí)最大內(nèi)應(yīng)力.

圖11 橡膠輥90 r/min時(shí)青核桃下落過(guò)程各階斷最大應(yīng)力單元及其應(yīng)力值Figure 11 The maximum stress element and stress value of green walnut falling process at 90 r/min of rubber roller

如圖12所示為螺旋橡膠輥轉(zhuǎn)速110 r/min時(shí)青核桃下落過(guò)程各階斷最大應(yīng)力單元及其應(yīng)力變化曲線.其中，單元I：33796所屬Part是橡膠輥，相對(duì)橡膠輥轉(zhuǎn)速90 r/min，其前0.35 s情況基本相同，最大應(yīng)力0.25 MPa左右，但在隨后當(dāng)青核桃開(kāi)始下落與橡膠輥接觸過(guò)程中，在0.569 s左右時(shí)刻出現(xiàn)第一個(gè)波峰值，對(duì)應(yīng)單元L：11271，最大應(yīng)力0.34 MPa，隨后青核桃最大應(yīng)力一直維持在0.21 MPa左右的較穩(wěn)定狀態(tài)，直至受橡膠輥螺旋軸向力作用，在0.897 s與外側(cè)壓板接觸，出現(xiàn)第二個(gè)波峰值，最大值為0.55 MPa，而后保持在一個(gè)基本穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力值為0.259 MPa左右，也小于青核桃臨界破殼應(yīng)力.圖13為橡膠輥轉(zhuǎn)速110 r/min時(shí)，青核桃最大應(yīng)力單元N：2152的最大有效應(yīng)力0.544 8 MPa.

圖12 橡膠輥110 r/min 時(shí)青核桃下落過(guò)程各階斷最大應(yīng)力單元及其應(yīng)力值Figure 12 The maximum stress element and stress value of green walnut falling process at 110 r / min of rubber roller

圖13 單元N(2152)的最大有效應(yīng)力值Figure 13 The Maximum effective stress value of element N(2152)

如圖14為螺旋橡膠輥90 r/min時(shí)青核桃下落過(guò)程各單元Z向速度，從圖中可以看出，在下落過(guò)程中，橡膠輥上E、G、I 3個(gè)單元 Z向速度成正弦變化，符合實(shí)際情況.其余單元所屬Part是青核桃，青核桃-Z向速度從0.35 s開(kāi)始持續(xù)增大，當(dāng)其達(dá)到最大速度2 160 mm/s，與橡膠輥接觸，發(fā)生碰撞，速度降低，能量減少.圖15為螺旋橡膠輥110 r/min時(shí)青核桃下落過(guò)程各單元Z向速度，因?yàn)橄侣涓叨纫粯?，同理可以看出螺旋橡膠輥D：33796單元速度正弦變化，其余單元所屬Part是青核桃，青核桃-Z向最大速度2 290 mm/s，這為后續(xù)青核桃與彈性壓板接觸發(fā)生塑性變形性能分析，確定彈簧裝置關(guān)鍵參數(shù)及青核桃跌落高度提供理論依據(jù).

圖14 橡膠輥90 r/min 時(shí)青核桃下落過(guò)程各單Z向速度Figure 14 The Z-direction velocity of each unit during the falling process of cyan walnut at 90 r/min of rubber roller

圖15 橡膠輥110 r/min 時(shí)青核桃下落過(guò)程各單元Z向速度Figure 15 The Z-direction velocity of each unit during the falling process of cyan walnut at 110 r/min of rubber roller

3 結(jié)論

1) 以青核桃脫皮裝置核心部件橡膠輥為研究對(duì)象，分析單體青核桃下落碰到螺旋橡膠輥邊緣動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的受力情況，得到單體青核桃與螺旋橡膠輥接觸過(guò)程所受到的剪切力、軸向擠壓力及單體青核桃等速運(yùn)動(dòng)所需要的力矩，為確定螺旋橡膠輥轉(zhuǎn)速提供理論依據(jù).

2) 通過(guò)集成方法，建立螺旋橡膠輥的有限元模型，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大破殼力203 N，壓板施加317.19 N/m2均布載荷時(shí)模擬青核桃靜態(tài)過(guò)程的應(yīng)力分布，螺旋橡膠輥轉(zhuǎn)速為90 r/min及110 r/min時(shí)，最大單元應(yīng)0.55 MPa遠(yuǎn)小于青核桃臨界破殼應(yīng)力17.40 MPa，不會(huì)對(duì)青核桃硬殼產(chǎn)生損傷.

3) 通過(guò)橡膠螺旋輥不同轉(zhuǎn)速與青核桃接觸過(guò)程單元最大應(yīng)力分布曲線可以看出，隨著橡膠輥轉(zhuǎn)速的提高，青核桃內(nèi)應(yīng)力逐漸增加，橡膠輥轉(zhuǎn)速較低時(shí)，碰撞后青核桃的內(nèi)能較小，與篩網(wǎng)發(fā)生碰撞對(duì)其應(yīng)力影響不大，而隨著轉(zhuǎn)速的升高，青核桃與篩網(wǎng)發(fā)生碰撞對(duì)其應(yīng)力影響較大，一定程度上影響其性能.橡膠輥單元Z向速度成正弦變化，與實(shí)際工作情況一致，同時(shí)螺旋橡膠輥轉(zhuǎn)速90 r/min及110 r/min時(shí)，青核桃-Z向最大速度分別為2 160 mm/s和2 290 mm/s，為后續(xù)青核桃與彈性壓板接觸發(fā)生塑性變形性能分析，確定彈簧裝置關(guān)鍵參數(shù)、青核桃跌落高度及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).