0 引言

檳榔為棕櫚科常綠喬木,是我國四大南藥之一.檳榔果略小于雞蛋,果皮纖維質,內含 1 粒種子,即檳榔子; 胚乳堅硬,具灰褐色斑點; 于 8-11 月果實完全成熟之前即予采收、去皮、煮沸、切成薄片曬干,干后呈深褐色或黑色.檳榔全身都是寶,其有效成分主要為檳榔堿,具有固齒殺菌、健胃驅寒、消化積食、去水腫以及驅蟲等功能,檳榔子還是劣等兒茶的原料.完整的檳榔果實干制品稱為榔干,是我國海南、湖南、云南等地群眾咀嚼用嗜好品.目前,我國國內檳榔干果市場需求日益增長,規?；臋壚萍庸ひ殉蔀閿U大檳榔種植面積、增加農民收入的重要手段[1].目前,全世界年產檳榔 22. 7 萬 t,其中約千余噸產于我國.海南島種植檳榔已有 1 500 年的歷史了,是我國檳榔的最大產地.雖然我國種植檳榔歷史悠久,但目前仍面臨諸多亟待解決的難題[2].由于檳榔的果肉纖維十分致密,與檳榔核的結合程度非常精密,致使對檳榔的加工十分困難,目前大多仍然采用傳統的手工加工方法,不僅影響加工效率,同時也費時費力.根據食品領域加工的生產現狀,可以得出一個結論: 檳榔的果肉纖維與種子的分離困難是導致其生產滯后的一大主要原因[3].為此,介紹了一種轉筒式的檳榔去核并同時對果肉進行均勻切片的設備.如果這一研究成果得以轉化,將會大大提高檳榔的加工效率,解決目前面臨的加工難問題,也將推動我國檳榔產業的飛速發展.

1 結構及工作原理

1. 1 結構

去核切片機主要由料斗、導料槽、推料桿、送料筒、組合式轉筒、上下組合刀具、主軸定向準停機構、凸輪連桿組合機構等組成,如圖 1 所示.

1. 2 工作原理

將檳榔倒入料斗中,其靠自重進入導料槽中; 由于導料槽做成下部逐漸縮小、上部圓弧、口徑略大于最大檳榔外形尺寸的結構,使得檳榔只能自然平放在導料槽中,而且只能一個一個順序進入,并從導料槽出口下滑掉落到送料筒中; 由于送料筒的直徑約為檳榔般大小,導致每次只能有一個檳榔掉下來,由推料桿將檳榔推送到轉筒左側的下刀槽中,然后轉筒在槽輪機構的帶動下轉動 90°,到達上刀頭下方; 由于凸輪連桿組合機構的帶動,使推料桿和上刀頭同步運動,上、下刀頭配合完成一次對檳榔的沖壓動作和推料桿的推料過程,實現對檳榔的去核、切片和送料.下刀具可以將檳榔果肉切成 4 瓣,切完后的核和果肉分別由一種特殊的輸料裝置輸出,實現檳榔核與果肉的分離,并如此循環運動下去.

2 主要結構設計和功能分析

2. 1 組合式轉筒的設計

組合式轉筒組成單元的基本結構如圖 2 所示.

由于機器的刀具特殊,考慮到加工工藝問題,把轉筒設計成組合式\\( 即由 4 塊完全相同的結構單元組合而成\\) .組合式轉筒由 4 塊結構相同的近似弧形的組合單元焊接而成,組成單元弧形所對應的的圓心角為 90°,4 塊完全相同的組合單元剛好連接成一個圓柱體型的轉筒結構.其組成單元的對稱中心上軸向均勻分布 8 個下組合刀頭,作用在于實現一次對 8 個檳榔進行同時沖壓,提高機械效率.刀刃由一個中心刀刃和 4 個均勻分布在中心刃四周的側刃組成,4 個側刃實現果肉的均勻切片,中心刃的作用在于去核.

2. 2 上組合刀架設計

上組合刀架結構如圖 3 所示.

上組合刀架由上刀刃、活動壓頭、連桿、回位彈簧、螺母以及支撐架等組成.當檳榔隨轉筒轉到上刀架正下方時,刀架在凸輪連桿組合機構的傳動下順著導向筒向下對檳榔進行沖壓,實現對檳榔的去核切片.其刀頭上的活動頭起到對檳榔扶正并緩解沖擊力的作用.當一次沖壓完成后,刀頭往上運動,活動壓頭在回位彈簧的作用下回到最初位置,為下一次沖壓做準備.

2. 3 凸輪連桿組合機構設計

凸輪連桿組合機構如圖 4 所示.

此機構由一個凸輪機構和一個凸輪連桿機構串聯組合機構并聯組合而成.兩個盤型凸輪 1、2 固連在一起,凸輪 1 和推桿 7 組成移動從動件盤狀凸輪機構,凸輪 2 和擺桿 4 組成擺動從動件盤狀凸輪機構.

當機構的主動件凸輪 1 和 2 轉動時,推桿 2 實現左右運動,推桿 2 和推料桿固連,從而將檳榔推入轉筒中;同時,擺桿 4 實現擺動,并由擺桿的擺動帶動連桿 5運動,使從動滑塊 6 實現上下移動,滑塊 6 和上組合刀架的支撐刀架相固連,從而實現上刀頭的上下沖壓動作.

2. 4 槽輪撥盤主軸定向準停機構設計

要使機器能夠正常運轉,必須實現轉筒的準確定位,使機器停止運轉時其上刀頭與下刀頭必須位于同一直線上\\( 轉筒上的 4 個組合刀頭必須位于豎直和水平方向上\\) ; 并且推料桿和上刀頭必須位于距離轉筒最大位移處,在開機運轉時不會出現沖壓紊亂現象;通過在槽輪撥盤主軸上安裝準停裝置來實現槽輪的定向準停,從而帶動轉筒和凸輪軸的準停.此機構選用磁傳感器型主軸準停裝置,如圖 5 所示.

磁傳感器主軸準停裝置利用磁性傳感器檢測定位.在主軸上安裝一個發磁體,在距離發磁體旋轉外軌跡 1 ~2mm 處固定一個磁傳感器,經過放大器與主軸控制單元連接.當主軸控制單元接收到數控系統發來的準停信號 ORT 時,主軸速度變為準停時的設定速度; 當主軸控制單元接收到磁傳感器信號后,主軸驅動立即進入磁傳感器作為反饋元件的位置閉環控制,目標位置即為準停位置.準停后,主軸驅動裝置向數控系統發出準停完成信號 ORE[4].

3 主要工作部件參數的確定

3. 1 下組合刀具中單個刀具參數的確定

下刀具結構圖如圖 6 所示.根據實際結構可以看出: 在刀具下部設計有一定的斜度,目的是對檳榔起到一定的扶正作用,使檳榔能夠豎直地立在圓柱筒中,方便沖壓和切片去核,同時也對由于上下刀具的微小錯位引起的偏移起到校準的作用.下刀具需要設計計算的參數有: 刀具圓柱筒上內徑 d上,刀具圓柱筒下內徑 d下,中心孔徑 d中,圓柱筒總長 h,刀刃離圓柱筒下底面高度 h刀.

通過到海南三亞檳榔谷進行考證,發現檳榔的直徑一般為 20 ~ 40mm,長度一般為 30 ~ 60mm,種子大小一般為 20mm,且不同型號的檳榔其核的大小差距不大.為了實現大中小型號的檳榔能夠一起加工,設計的刀具參數為: d上= 45mm,d下= 35mm,d中= 20mm,h = 80mm,h刀= 10mm.

3. 2 凸輪連桿組合機構的參數設計

凸輪連桿機構組合機構是為了同時實現送料和沖壓,即推桿送料開始到推桿回到初始位置的同時上刀架也必須從初始位置開始完成一次沖壓動作并回到初始位置.凸輪 1 的最大行程為推料桿運動的距離,推桿停止運動的時間為轉筒轉動 90°\\( 即撥盤轉動一周所用時間\\) ,由此參數就可以確定凸輪的外輪廓尺寸.凸輪 2 與連桿機構組合,所以上刀架上下運動的距離通過連桿機構傳到凸輪 2 上,設計尺寸需要考慮兩部分的變化量來設計,其擺桿停止擺動的時間也是撥盤轉動 1 周所用時間.即兩凸輪的等半徑圓弧段的長度為 ω 與等圓弧段的圓弧半徑 r 以及撥盤轉動 1 周所用時間 t 的乘積.

3. 3 傳動機構的確定

考慮到機器的運動效率和機構特點,設計槽輪機構的撥盤主軸轉速為 60 ~ 80r/min,即每分鐘完成 60~ 80 次沖壓動作,所以對電動機的轉速要求不是很高.基于各方面的考慮,本機器選擇的動力機構為740r / min 的 Y 型三相異步電動機,其原因在于 Y 系列電動機效率高、節能、堵轉轉矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠.

傳動方式的確定: 電動機首先通過與一個減速裝置\\( 兩齒輪嚙合 z1-z2\\) 實現第 1 次降低主軸轉速; 減速輪主軸到槽輪撥盤主軸通過帶輪傳動\\( d1-d2\\) ,實現 2 次降速,將電動機的轉速降到撥盤主軸要求的轉速.撥盤驅動槽輪間歇轉動,槽輪主軸即為轉筒主軸,從而實現轉筒的間歇轉動.凸輪軸與撥盤主軸之間通過同步帶輪傳動\\( d3-d4\\) ,使得撥盤和凸輪具有步調一致的運動,從而實現撥盤主軸轉動 1 周,凸輪完成一次推料和一次沖壓動作,保證了運動的可行性.通過這樣的傳動設計,可以實現撥盤主軸轉動 1周,轉筒轉動 90°,凸輪連桿組合機構進行一次送料和一次沖壓.其工作流程圖如圖 7 所示.

4 結語

設計了一種對檳榔均勻切片和去核的裝置,分析了其工作原理、基本結構,進行了部件的設計和參數設計.從整體上看,此機器能一次沖壓完成 8 個檳榔的切片和去核,且操作簡單、安全可靠,能夠從根本上提高勞動效率,降低工人的勞動強度.此機械能夠實現檳榔果肉的均勻切片,避免了人工切片時存在的切片不均勻、甚至造成原材料浪費的缺陷,同時也擴大了食用檳榔的加工規模,促進了檳榔產業的發展.

參考文獻:

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[2] 譚樂和. 世界檳榔加工技術發展現狀及我國檳榔產業化發展對策[J]. 中國熱帶農業科學院香料飲料研究所,2005\\( 8\\) : 40-43.

[3] 陳陽,陳致水. 食用檳榔切片機的設計食用檳榔切片機的設計[J]. 湖北農業科學,2012,51\\( 16\\) : 3615-3618.

[4] 楊家軍. 機械創新設計技術[M]. 北京: 科學出版社,2008.

[5] 趙明巖. 大學生機械設計競賽指導[M]. 杭州: 浙江大學出版社,2008. 8.

[6] 陳文學. 食用檳榔加工工藝研究[J]. 食品科技工藝技術,2006,26\\( 6\\) : 57-59.