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作者：張毅

    紅棗以其極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、藥用價(jià)值及保健功效日益受到廣大人民群眾的喜愛(ài)。在現(xiàn)有技術(shù)下，要對(duì)其進(jìn)行深加工，必須去掉其內(nèi)部的核。紅棗去核機(jī)是一種多工位全自動(dòng)機(jī)械，目前國(guó)內(nèi)的紅棗去核機(jī)械并不成熟，沖核成功率比較低，這與機(jī)械本身存在的定位不夠精準(zhǔn)、工位銜接不當(dāng)?shù)纫蛩赜嘘P(guān)。

    紅棗去核機(jī)結(jié)構(gòu)雖然不是很復(fù)雜，但對(duì)各機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性及穩(wěn)定性要求很高。輸送帶的間歇傳動(dòng)跟沖核機(jī)構(gòu)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的配合是影響去核成功率的重要因素。如何盡可能的減少紅棗沖核時(shí)的定位誤差成為鏈板式紅棗去核機(jī)關(guān)鍵零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種使用不完全齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的紅棗去核機(jī)，用以實(shí)現(xiàn)紅棗的高效自動(dòng)化去核。

1  整機(jī)方案

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的紅棗自動(dòng)去核機(jī)以提高去核的成功率為前提，對(duì)紅棗進(jìn)行逐排單個(gè)處理�？傇O(shè)計(jì)方案如圖1所示。

    紅棗自動(dòng)去核機(jī)整機(jī)總體結(jié)構(gòu)由五部分組成。第一部分為分選裝置，主要實(shí)現(xiàn)紅棗的初步分級(jí)；第二部分為輸送裝置，主要實(shí)現(xiàn)紅棗的定向排序輸送功能；第三部分為扶正定位裝置，主要實(shí)現(xiàn)將紅棗豎直扶正的功能；第四部分為沖核裝置，主要完成對(duì)紅棗的沖核動(dòng)作；第五部分為收集裝置，主要實(shí)現(xiàn)棗核和棗肉的收集。其傳動(dòng)原理為：總動(dòng)力從電機(jī)10輸出，

經(jīng)過(guò)減速器1 2降速增扭，通過(guò)傳送帶分為兩個(gè)通路。一路通過(guò)不完全齒輪機(jī)構(gòu)傳給鏈輪機(jī)構(gòu)，用于鏈板式輸送帶和分選滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)；另一路通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)沖核機(jī)構(gòu)，用于扶正器扶正和組合沖頭沖核。

    經(jīng)計(jì)算，機(jī)器總負(fù)荷為1.349 KW，考慮機(jī)器中其它的能量損失，取電機(jī)功率1.5 KW，選擇江蘇大力YB3-90L-4型號(hào)電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min。輸送帶速度較慢，因此要匹配與之相適應(yīng)的減速機(jī)，估算減速比為1：30—1：40，考慮輸入轉(zhuǎn)速為1 400 r/min,選用運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小的蝸輪蝸桿減速器，查閱相關(guān)資料，最終確定減速機(jī)型號(hào)為RV90-40-1.5FA-DZ，

減速比為1：40，輸出轉(zhuǎn)速為35 r/min。

2不完全齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

    鏈板式輸送帶速度提高時(shí)，抖動(dòng)較大，不利于紅棗定位。附加瞬心線板的不完全齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠提高傳動(dòng)平穩(wěn)性，降低整機(jī)振動(dòng)和噪聲，減緩張緊力的衰降，降低紅棗沖核時(shí)的定位誤差，為更高速的沖核創(chuàng)造條件，也提高了不完全齒輪機(jī)構(gòu)本身的使用壽命。根據(jù)整機(jī)尺寸及傳動(dòng)性能要求，選擇不完全齒輪機(jī)構(gòu)的主、從動(dòng)輪假想齒數(shù)z1=Z2=48，鎖止弧間實(shí)際

齒數(shù)z1=10，Z2'=12，齒輪模數(shù)m=4，壓力角α=200，從動(dòng)輪齒頂高系數(shù)ha2=1。經(jīng)計(jì)算，齒輪分度圓直徑d=192 mm，鎖止弧半徑R=102.21 mm。圖2為其三維模型，在齒輪的兩側(cè)附加了瞬心線板，其能使從動(dòng)輪在首、末齒嚙合期間保持速度平穩(wěn)的變化，用以改善不完全齒輪的傳動(dòng)性能。

在鏈板式紅棗自動(dòng)去核機(jī)的設(shè)計(jì)中不完全齒輪和瞬心線板均選用經(jīng)表面淬火的45鋼作為材料。瞬心線板嚙合和齒輪嚙合具備相同的接觸特性，同樣會(huì)發(fā)生線板接觸疲勞點(diǎn)蝕和線板過(guò)載折斷及彎曲疲勞折斷。由于45鋼經(jīng)表面淬火后，硬度可達(dá)40—50 HRC，接觸疲勞極限為11 201—150 MPa，彎曲疲勞極限為680—700MPa，疲勞極限較高，而淬火鋼容易發(fā)生過(guò)載折，故試驗(yàn)將針對(duì)瞬心線板的過(guò)載折斷問(wèn)題進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。結(jié)合機(jī)器負(fù)荷的計(jì)算，齒輪平穩(wěn)傳動(dòng)時(shí)的功率為Pv=0.836 KW，則有平穩(wěn)傳動(dòng)時(shí)瞬心線板頂端受力為：

    式中：n-不完全齒輪等速傳動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速，r/min；L一瞬心線板頂端承受載荷時(shí)的力臂，m。

    寇尊權(quán)等對(duì)漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)的動(dòng)載荷系數(shù)進(jìn)行了分析研究，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3480-1997也給出了確定齒輪動(dòng)載荷系數(shù)的一般方法和簡(jiǎn)化方法。在鏈板式紅棗去核機(jī)的設(shè)計(jì)中，瞬心線板的動(dòng)載荷系數(shù)參照漸開(kāi)線圓柱齒輪按簡(jiǎn)化方法選取，保守起見(jiàn)，選取動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.3，則初始嚙合時(shí)刻從動(dòng)齒輪頂端受到的沖擊力為：

    Fv=Kv×F平=1.3×1 400.6671 800 N    (2)

3瞬心線板有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

    Pro/Mechanica是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元分析模塊，能夠模擬真實(shí)環(huán)境為模型施加約束和載荷，測(cè)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、翹曲、疲勞、頻率、振動(dòng)等分析；通過(guò)指定設(shè)計(jì)參數(shù)，能夠在給出變化范圍內(nèi)進(jìn)行敏感度分析，并借助優(yōu)化分析為模型尋找到最佳參數(shù)。在鏈板式紅棗自動(dòng)去核機(jī)瞬心線附加板的設(shè)計(jì)中，有限元分析方法采用靜態(tài)分析和敏感度分析。

    不完全齒輪每一次傳動(dòng)的開(kāi)始，瞬心線板先嚙合，達(dá)到一定速度后，輪齒再嚙合。鎖止弧截止的瞬間，瞬心線板開(kāi)始獨(dú)立嚙合，此時(shí)從動(dòng)輪瞬心線板在頂端嚙合處承受較大的沖擊載荷，其根部所受的彎曲力矩最大，容易發(fā)生過(guò)載折斷。故靜態(tài)分析的對(duì)象為此時(shí)從動(dòng)輪瞬心線板的應(yīng)力狀態(tài)。因傳動(dòng)終止時(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和開(kāi)始時(shí)基本對(duì)稱，故僅對(duì)開(kāi)始嚙合時(shí)的應(yīng)力

狀態(tài)進(jìn)行分析。在工作過(guò)程中，不存在兩對(duì)瞬心線板同時(shí)嚙合的情況。導(dǎo)入從動(dòng)輪的零件模型，定義材料屬性，施加載荷和約束，建立靜態(tài)分析模型。系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建網(wǎng)格并分析運(yùn)行，得到的瞬心線板應(yīng)力和位移云圖如圖3所示。

從圖中可以看出在瞬心線板根部所受的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力發(fā)生在瞬心線板根部與鎖止弧交界處，最大應(yīng)力數(shù)值為1.885×l02 MPa，最小應(yīng)力數(shù)值為6.223×10-5 MPa。瞬心線板最大位移在頂端，最大位移值為7.442×10-2 mm，最大位移值在允許的范圍內(nèi)。

試驗(yàn)選用最大von Mises應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）準(zhǔn)則對(duì)瞬心線板進(jìn)行校核，最大von Mises應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）的標(biāo)準(zhǔn)是以最大形狀改變比能理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為不論什么樣的應(yīng)力狀態(tài)，而只要是形狀改變比能達(dá)到了與零件的材料性質(zhì)對(duì)應(yīng)的極限值時(shí)，材料就發(fā)生屈服破壞。根據(jù)主應(yīng)力σ1，σ2，σ3屈服條件為：

 再將σ2除以安全系數(shù)n，許用應(yīng)力[σ]- σs/n，可得強(qiáng)度條件為：

由于4 5鋼有較好的塑形，可緩和過(guò)大的局部應(yīng)力，故取安全系數(shù)n=1.5，此時(shí)[σ]=σs/n=355MPa/1.5=236.667 MPa，由應(yīng)力云圖可知瞬心線板軸向?qū)挾葹?0 mm時(shí)，σvonMises≤[σ]，故認(rèn)為瞬心線板的材料選取與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

敏感度分析是一種定量分析工具，研究設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)模型性能的影響情況。在瞬心線板的設(shè)計(jì)中，線板軸向?qū)挾葘?duì)應(yīng)力狀態(tài)有顯著影響，在此僅對(duì)其進(jìn)行全局敏感度分析。新建全局敏感度分析，設(shè)置瞬心線板軸向?qū)挾鹊膮��?shù)變化范圍為10—30 mm，分析運(yùn)行后，全局最大應(yīng)力max_stress_vm與瞬心線板軸向?qū)挾鹊年P(guān)系曲線如圖5所示。

由圖可知，軸向?qū)挾葹?0 mm時(shí)，全局最大應(yīng)力約為228—229 MPa。軸向?qū)挾葹?8 mm時(shí)，全局最大應(yīng)力約為236—237 MPa，達(dá)到了許用應(yīng)力的臨界狀態(tài)236.667 MPa。如果考慮加工成本，則可將瞬心線板軸向?qū)挾日{(diào)整為18 mm。值得注意的是，當(dāng)瞬心線板軸向?qū)挾葹?6 mm時(shí)，線板的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了突變，約為202 MPa，此時(shí)的安全系數(shù)可達(dá)，n'=σs/202MPa1.76，如果想保證較高的安全系數(shù)，則可將瞬心線板軸向?qū)挾日{(diào)整為26 mm，但此時(shí)必須保證瞬心線板的加工精度和安裝精度，否則瞬心線板嚙合時(shí)，沿軸向容易發(fā)生載荷集中現(xiàn)象，附加動(dòng)載荷增大，對(duì)傳動(dòng)造成不利影響。

4結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平提高，勞動(dòng)力在加工作業(yè)成本中的比例越來(lái)越高，人們對(duì)食品質(zhì)量的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，去核作為紅棗精深加工生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)制造一臺(tái)效率高、定位準(zhǔn)、去核徹底且適應(yīng)性強(qiáng)的紅棗自動(dòng)去核機(jī)具有非常重要的意義。試驗(yàn)使用附加瞬心線板的不完全齒輪機(jī)構(gòu)對(duì)去核機(jī)的傳動(dòng)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)瞬心線板進(jìn)行了有

限元結(jié)構(gòu)分析和參數(shù)優(yōu)化。但一對(duì)瞬心線附加板開(kāi)始接觸后，如何使其接觸點(diǎn)的公法線與兩輪中心線的交點(diǎn)由主動(dòng)輪中心開(kāi)始逐漸按傳動(dòng)比規(guī)律移到兩輪的節(jié)點(diǎn)，還需要參考相關(guān)論文進(jìn)行更加嚴(yán)密精確的求解。

5摘要

一種鏈板式三工位紅棗自動(dòng)去核機(jī)，最大特點(diǎn)在于其傳動(dòng)裝置為不完全齒輪機(jī)構(gòu)。鏈板式輸送帶速度提高時(shí)，抖動(dòng)增大，不利于紅棗定位。附加瞬心線板的不完全齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠提高傳動(dòng)平穩(wěn)性，減緩張緊力的衰降，降低紅棗沖核時(shí)的定位誤差，用以實(shí)現(xiàn)紅棗的高效自動(dòng)化去核。