论文范文:野生罗汉笋剥壳机设计及关键部件的有限元分析

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2022-06-30 11:31
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:工程硕士
我国是世界上最主要的竹产国,竹类总数占全球的 50%以上,也拥有着十 分丰富的竹笋资源。随着人们生活质量的提高,科学、绿色、均衡等饮食观念 深入人心,竹笋越来越受人们喜爱
我国是世界上最主要的竹产国,竹类总数占全球的 50%以上,也拥有着十
分丰富的竹笋资源。随着人们生活质量的提高,科学、绿色、均衡等饮食观念
深入人心,竹笋越来越受人们喜爱,逐渐成为广大人们餐桌上的家常菜。同时
在政府鼓励型竹产品出口政策的实施下,我国竹产品在国际市场的竞争力大大
提高,竹笋产品出口量激增,对竹笋产品的需求不断增加,我国竹笋加工领域
已经形成了一系列具有优势的产业带,其中出现了很多具有市场竞争优势的企
业和产品品牌。在竹笋加工生产的过程中,剥壳是必不可少的工序,不过竹笋
加工企业大多规模小,且在剥壳加工过程中所使用的技术水平相对较低,大多
为家庭手工作坊式生产,导致加工成本较高且很容易造成竹笋原料的浪费,也
存在着生产效率低下、无法保证食品安全等问题。针对以上问题,以市面上常
见的野生罗汉笋作为对象,设计出一种野生罗汉笋剥壳机,主要完成的研究工
作如下:
首先,对国内外现有的剥壳技术进行了分析和总结,针对市场上的竹笋剥
壳机和其他农产品剥壳机在剥壳环节中存在的问题提出了相应的解决方案,然
后拟定剥壳装置的设计方案,结合野生罗汉笋加工工序和设备性能需要,确定
了其工作原理,完成对剥壳机剥壳装置结构的设计。接着又进行了相关的力学
分析,确定剥壳装置的性能影响因素,包括剥皮辊的倾斜角度、剥皮辊的尺寸
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参数、剥皮辊组与野生罗汉笋的摩擦系数等,最后对相关参数进行了分析与确
定,并对剥壳效果进行了理论验证。
然后,结合野生罗汉笋剥壳机的主要适用场合以及野生罗汉笋加工企业生
产实际需求,制定出了剥壳机整机设计要求,又结合所设计的罗汉笋剥壳装置,
对整机工作原理进行了分析与确定,完成了罗汉笋剥壳机总体方案的设计;接
着对野生罗汉笋剥壳机的部分关键工作部件进行机械结构设计,包括喂料装置
设计、送料装置设计、螺旋切刀设计、出料装置设计、笋壳收集箱设计以及机
架设计,同时确定了相关设计参数,并使用三维建模软件 SolidWorks 对关键工
作部件进行建模,对野生罗汉笋剥壳机进行了整机装配。
最后,为优化野生罗汉笋剥壳机工作稳定性和改善整机的剥壳性能,运用
有限元分析软件 ANSYS 对剥壳机关键部件进行了有限元分析。首先对剥皮辊进
行静力学分析,得到了应力云图、应变云图和总变形云图,分析结果表明所设
计的剥皮辊满足强度和刚度要求;接着又对剥皮辊进行了模态分析,得出其前
六阶的固有频率和振型并进行分析,结果表明剥皮辊不会发生共振现象;然后
将机架方管的壁厚初步选为 1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.6mm、3.2mm 五种,并
分别对这五种不同壁厚的机架施加相同的作业载荷与约束,分别进行静力学分
析,得到相应的应力云图和总变形云图,然后在五种机架均满足强度、刚度要
求的条件下,将机架所受最大应力、最大变形量以及机架质量作为评价指标对
五种不同壁厚的机架进行对比选择,最终确定了壁厚 1.0mm 的方管组成的机架
最满足设计要求;然后对所选定壁厚方管组成的机架进行模态分析,得出前六
阶的固有频率和振型并进行分析,与电机激振频率对比,结果表明剥壳机机架
不会发生共振现象,其设计满足稳定性要求。
关键词:野生罗汉笋 剥壳机 结构设计 关键部件 有限元分析
 
Design of Sheller and Finite Element Analysis of
Key Parts for Wild Luohan Bamboo Shoot
Major:Mechanical Engineering
Postgraduate:Zhao Rongkuan Advisor:Prof.Lin Guangchun
Abstract
China is the major bamboo producer in the world accounting for more than
50% of the total bamboo in the world., but also has a very rich bamboo shoots
resources. With the betterment of people's quality of life, the concept of scientific,
green and balanced diet has been deeply rooted in people's hearts. Bamboo shoots
have become more and more popular among people and gradually become a
home-cooked dish on people's table.. At the same time, under the implementation of
the government's encouraging bamboo export policy, the competitiveness of China's
bamboo products in the international market has been greatly improved, and the
export volume of bamboo shoots has soared. With the increasing demand for
bamboo shoots, a series of advantageous industrial belts have been formed in the
field of bamboo shoots processing in China, among which many enterprises and
product brands with market competitive advantages have emerged. In the process of
bamboo shoot processing, shelling is an essential process. However, most bamboo
shoot processing enterprises are small in scale, and the technical level used in the
process of shelling and processing is low, and most of them are family manual
workshop production, which leads to high processing cost and easy to cause the
waste of bamboo shoot raw materials, and there are also problems such as low
production efficiency and inability to guarantee food safety. In view of the above
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problems, a kind of wild bamboo shoot sheller is designed with the common wild
bamboo shoot on the market as the object. The main research work is as follows:
First of all, the domestic and foreign existing sheller technology was analyzed
and summarized, and proposes corresponding solutions to the problems in the
peeling process of the bamboo shoot peeling machine and other agricultural product
peeling machines on the market. Then draw up the design scheme of the peeling
device, and the working principle was determined by combining the processing
process and performance requirements of the wild bamboo shoot of the Chinese
arboreal. Then the design of the structure of the sheller device was completed. Then
the related mechanical analysis was carried out to determine the factors affecting the
performance of the device, including the tilt Angle of the peeling roller, the size
parameters of the peeling roller, the friction coefficient between the peeling roller
and the wild bamboo shoot, etc. Finally, the relevant parameters were analyzed and
determined.
Then, combined with the main application occasions of the sheller and the
actual needs of enterprises, developed the design requirements of the whole machine.
And combined with the design of the shelling device, analysis and determine the
working principle of the machine, completed the overall scheme of the shelling
machine design; Then some of the key working parts of the sheller mechanical
structure design, including frame design, feeding device design, feeding device
design, spiral cutter design, discharging device design and bamboo shell collection
box design. At the same time, the relevant design parameters are determined, and the key working parts are modeled by SolidWorks. Finally, the relevant parameters were
 analyzed and determined, and the theoretical verification of the effect of shelling was
 carried out.
 Finally, in order to optimize the working stability and improve the sheller
performance of the whole machine, the finite element analysis software ANSYS was
used to carry out finite element analysis on the key parts of the sheller.The stress and
 strain nephogram and total deformation nephogram were obtained by statics analysis of the peeling roller.The analysis results show that it meets the requirement of
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strength but does not meet the requirement of stiffness. Then the modal analysis of
the peeling roller was carried out, and the natural frequencies and vibration shapes of
the first six order of the peeling roller were obtained. The results show that the
peeling roller does not have resonance phenomenon.Then,the wall thickness of the
square tube of the rack is preliminarily set as five kinds: 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm,
2.6mm and 3.2mm. The same working loads and constraints were applied to the five
racks with different wall thicknesses respectively. Static analysis was carried out to
obtain the stress nephogram and total deformation nephogram respectively. Then,
under the condition that all the five frames meet the requirements of strength and
stiffness, the maximum stress, maximum deformation and frame quality of the frame
are taken as the evaluation indexes to compare and select the five frames with
different wall thicknesses. Finally, the frame composed of square tubes with a wall
thickness of 1.0mm is determined to meet the design requirements best. Then, the
modal analysis of the frame composed of the selected wall thickness square tube is
carried out, and the natural frequency and mode shape of the first six orders are
obtained and analyzed. Compared with the excitation frequency of the motor, the
result shows that the shelling machine frame will not resonate Phenomenon,its
design meets the stability requirements.
Key words:Wild Luohan bamboo shoots; sheller; structure design; critical component; finite element analysis
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目录
1 绪论.......................................................................................................................................1
1.1 研究背景及意义............................................................................................................1
1.1.1 研究背景.................................................................................................................1
1.1.2 研究意义.................................................................................................................2
1.2 国内外剥壳设备研究现状............................................................................................3
1.2.1 国外剥壳设备研究现状.........................................................................................3
1.2.2 国内剥壳设备研究现状.........................................................................................4
1.3 发展趋势......................................................................................................................10
1.4 主要研究内容..............................................................................................................11
2 剥壳装置设计与剥壳力学分析.........................................................................................13
2.1 剥壳方案......................................................................................................................13
2.2 剥壳装置的工作原理..................................................................................................14
2.3 剥壳装置的结构..........................................................................................................16
2.4 剥壳过程力学分析......................................................................................................16
2.4.1 剥壳装置静止时受力分析...................................................................................17
2.4.2 剥皮装置工作时受力分析...................................................................................20
2.5 剥壳装置相关参数......................................................................................................21
2.5.1 剥壳装置的倾斜角度...........................................................................................22
2.5.2 剥皮辊的尺寸参数...............................................................................................22
2.5.3 剥皮辊表面结构...................................................................................................23
2.5.4 压送辊结构参数...................................................................................................24
2.6 剥壳效果理论验证......................................................................................................25  2.7 本章小结......................................................................................................................26
3 野生罗汉笋剥壳机的设计与三维建模.............................................................................27
3.1 野生罗汉笋剥壳机总体方案设计..............................................................................27
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3.1.1 剥壳机设计要求...................................................................................................27
3.1.2 野生罗汉笋剥壳机工作原理...............................................................................27
3.1.3 野生罗汉笋剥壳机整体结构...............................................................................29
3.2 主要结构设计与三维建模..........................................................................................30
3.2.1 喂料装置设计.......................................................................................................30
3.2.2 送料装置设计.......................................................................................................31
3.2.3 螺旋切刀的设计...................................................................................................34
3.2.4 出料装置设计.......................................................................................................39
3.2.5 笋壳收集箱设计...................................................................................................41
3.2.6 机架设计...............................................................................................................42
3.3 野生罗汉笋剥壳机的整体装配..................................................................................43
3.4 本章小结......................................................................................................................44
4 野生罗汉笋剥壳机关键部件的有限元分析.....................................................................45
4.1 有限元分析理论与软件介绍......................................................................................45
 4.1.1 有限元理论...........................................................................................................45
 4.1.2 ANSYS 软件简介.................................................................................................... 45
4.2 剥皮辊的静力学分析..................................................................................................46
 4.2.1 剥皮辊有限元模型的建立...................................................................................46
 4.2.2 材料定义和网格划分...........................................................................................47
 4.2.3 施加载荷与约束...................................................................................................48
 4.2.4 求解结果与分析...................................................................................................49
 4.3 剥皮辊的模态分析......................................................................................................51
 4.4 机架的静力学分析......................................................................................................54
 4.4.1 机架有限元模型的建立.......................................................................................55
 4.4.2 材料定义和网格划分...........................................................................................55
 4.4.3 施加载荷与约束...................................................................................................56
 4.4.4 不同壁厚机架求解结果与分析...........................................................................57
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4.5 机架的模态分析..........................................................................................................63
4.6 本章小结......................................................................................................................67
5 总结与展望.........................................................................................................................68
5.1 总结..............................................................................................................................68
5.2 展望..............................................................................................................................69
参考文献.................................................................................................................................70
攻读硕士学位期间的科研成果.............................................................................................74
声明.........................................................................................................................................75
致谢.........................................................................................................................................76
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1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
中国是世界上最主要的竹产国,我国有竹类植物资源 39 属、870 多种,占
世界竹类总数的 50%以上,是全球竹子种类总数最多的国家;且竹林面积约占
全球总面积的 20%,也是世界上栽种竹子数量最大的国家[1, 2]。其中有两百多种
竹笋可供人食用,包括罗汉笋、毛竹笋、麻竹笋等[3]。
竹笋被视为“菜中珍品”,是中国的传统佳肴。《诗经》有云“其籁伊何,
惟笋及蒲”、“加豆之实,笋菹鱼醢”,可见竹笋在中国有着 2500 年以至 3000
年的历史[4],从古至今竹笋就深得人们的青睐。竹笋之所以被誉为“蔬中第一
品”,不但在于其肉厚质脆,有着独特的清香,更拥有着丰富的营养物质。竹
笋富含蛋白质以及纤维素,可以促进肠道蠕动,对治疗便秘和预防肠癌有着很
好的效果,又可以降低高血压、高血脂、高血糖的发病率[5-8]。竹笋是一种新的
健康食品,其体内植物蛋白、维生素等也有较高含量,包含 18 种氨基酸,其中
8 种对人体至关重要[9, 10],因此可以增强人体的免疫功能,从而增强人体抗病的
能力,素有“菜中灵芝”的美称。竹笋中的钾含量比大多数蔬菜都高,而钾在
人体细胞的新陈代谢中有着不可替代的作用,也可以降低心脏病的发生率,因
此竹笋也被称为保健食品或天然药物[11-13]。
国内外对绿色产品消费需求的增加,大大刺激并推动了竹笋制品市场的发
展,其生产加工与贸易对于竹产区的经济发展有着非常重要的作用。政府一向
重视竹资源的有效开发利用及相关产业的发展,多年来大力推进鼓励型的竹产
品出口等政策的实施,我国也成为最大的竹笋生产国和出口国,出口产品以竹
笋罐头为主[14]。根据中国海关数据显示:2019 年 1-12 月中国竹笋罐头出口数
量为 128664.6 吨,出口金额为 22560.6 万美元,主要出口到美国、欧盟、日韩
等 40 多个国家和地区。
但竹笋是一种时令性水果,有着存储时间的限制,如果不能及时进行加工,
则会使得竹笋品质降低甚至产生霉变,不仅造成较大的产能过剩,又会给农户
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带来一定的损失,从而制约竹笋产业的发展。因此,对竹笋的及时加工处理是
加工产业中的关键一环。以竹笋罐头的加工为例,其生产流程主要为: 将鲜笋
进行高压蒸汽预煮,然后由工人手工剥壳,接着经挑选修整后,将竹笋进行酶
解操作以除去竹笋中的苦涩物质和避免沉淀物的生成,最后再进行灭菌灌装,
得到竹笋罐头。
在整个竹笋加工生产的过程中,竹笋的剥壳是必不可少的工序。但是目前
竹笋加工产业机械化程度较低,国内竹笋加工机械还不够成熟,所以现阶段国
内竹笋加工多为家庭手工作坊式制备,竹笋手工剥壳如图 1.1 所示。竹笋剥壳
工序需要安排大量的工人来完成,长时间的劳作也会使得工人容易疲劳,剥壳
效率下降,导致生产效率低下从而无法保证生产产量。在手工剥壳的过程中,
企业无法保证工人在工作中的安全问题,也存在着污染竹笋的隐患而影响加工
产品的品质。同时,雇佣大量的工人也会产生很高的劳动力成本,随着人力成
本的越来越高,剥壳工序已成为制约我国竹笋加工企业向产业化、规模化发展
的主要因素之一。因此,以机器代替人工进行加工生产符合社会发展的需要,
研制新型竹笋剥壳机,解决竹笋剥壳的实际问题已经成为当务之急。
图 1.1 手工剥壳
1.1.2 研究意义
随着人们生活质量的提高,科学、绿色、均衡等饮食观念深入人心,竹笋
越来越受人们喜爱,逐渐成为广大人们餐桌上的家常菜,对竹笋产品的需求不
断增加[15]。同时在政府鼓励型的竹产品出口政策的实施下,我国竹产品在国际
市场的竞争力大大提高,竹笋产品出口量激增。因此,发展我国竹笋制品的加
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工业,进行竹笋剥壳机械的设计研究,具有以下实际意义:
⑴提高竹笋剥壳效率的同时保证竹笋加工产品质量,满足竹笋实际生产需
要;
⑵降低工人劳动强度,减少甚至避免食品加工安全问题的发生;
⑶降低生产成本,提高经济效益,从而企业可以加大科技投入,更快完成
竹笋加工自动化生产从而加速企业现代化进程。
⑷提高产品竞争力,拓展国际市场,从而推进我国竹笋加工业发展,推动
我国农村经济的发展。
本课题以四川大学与泸州市人民政府战略合作科技项目 2017CDLZ-N10 为
科研背景,依托泸州市某食品有限公司的先进理念以及生产经验,重点研究野
生罗汉笋的剥壳技术。本文以市场常见的野生罗汉笋为研究对象,如图 1.2 所
示,在现有的竹笋剥壳机的基础上,通过结合剥壳理论以及野生罗汉笋特性,
研究设计出一种满足企业自动化生产需要的新型野生罗汉笋剥壳机。
图 1.2 野生罗汉笋
1.2 国内外剥壳设备研究现状
竹产业作为特色新兴产业,有着良好的发展前景,但竹产业的发展也存在
着一定的区域性,从种植到生产难以形成产业作业,企业规模相对较小,普遍
缺乏创新意识,自主研发能力弱[16-18],所以目前国内外对于野生罗汉笋剥壳设
备的研究很少。
1.2.1 国外剥壳设备研究现状
国外很多发达国家很早就完成了农业机械化,其水平较我国更加先进。但
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是针对竹笋加工的剥壳机几乎没有,很多学者对核桃、椰子等很多农作物的剥
壳理论与设备进行了很多研究[19-24]。
Rajendra Prasad[25]为提高大蒜剥皮效率,研制出了一种简单且便于操作的
大蒜脱皮机,该剥皮机采用旋转带圆孔的圆柱筒,且添加了鼓风机装置,保持
干燥的同时也可以吹动蒜皮。
Adetoro K.A[26]在测定了山药的物理特性后,研制了一种山药去皮机,该机
器利用转鼓上的穿孔来执行剥离操作,可以通过增加中心冲头的尺寸来调节打
孔,加工一次最多可容纳六个薯块,剥离效率在 80%到 85%之间,而剥离损失
仅为 3.9%。
Bundit Jarimopas[27]等人研制了一种可以两次去壳的槟榔籽脱壳机,该机
械设计了两个脱壳装置,大大提高了脱壳率且脱壳效果较好。
Robert EL[28]等人为提高核桃破壳效率,研制了一种基于离心原理的核桃破
壳机。核桃经进料口落入破壳机内的转盘叶片之间,转盘高速回转时,叶片带
动核桃高速转动,从而核桃在离心力的作用下撞击内壁而破裂,完成脱壳过程。
此外,CALÀ[29]等人研制了一种用于干果脱壳的变行程脱壳器,通过相对运
动配合装置的往复运动装置以及行程调节装置来接收干果并打破果皮;Casino
Martinez[30]等人设计了一种杏仁剥壳装置,该装置创新地将辊子设计成多边形,
在提高效率的同时,也减少了过程中谷物的破碎;Bergmeier Ger[31]研制了一种
煮鸡蛋去壳装置,能够可靠地打破并剥去蛋壳。
1.2.2 国内剥壳设备研究现状
近年来,我国政府为了推进农产品初加工自动化进程,着眼于技术创新,
积极组织科研单位、院校与生产企业进行合作攻关、集成攻关,破解技术瓶颈
问题,不断提升农产品初加工机械化水平[32],已经研发出了很多农作物剥壳机
械设备。
周金弟等[33]研制了一种竹笋剥壳机,如图 1.3 所示,主要包括机架、按压
轮、滚筒组等。该设备的滚筒组包括两组互相滚动配合的带钉刺的辊轮和橡胶
辊轮,且由高到低设置的辊轮形成 V 型的空腔;该设备的按压轮上均匀设置有
一组叶片,叶片端部有卷曲部。该设备工作时,将竹笋放入滚筒组中,竹笋在
自重的作用下会滚动到 V 型间隙处,辊轮上的钉刺带动竹笋翻滚,然后按压轮
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的卷曲部在甩动的同时打掉笋壳。虽然该竹笋剥壳机的叶片头部设计成微卷来
避免旋转甩打笋壳时打碎笋,但是由于竹笋尺寸不一,所以有较高的破损率,
且人工喂料,剥壳效果及效率并不理想。
1.按压轮 2.滚筒组 1.按压轮 2.叶片 3.卷曲部 4.钉刺
图 1.3 周金弟等研制的竹笋剥壳机结构示意和按压轮结构示意图
郑晓峰[34]研制了一种可以对不同直径的竹笋进行剥壳的竹笋剥壳机,如图
1.4 所示。该剥壳机工作原理为:将待剥皮的竹笋放在剥皮对辊中间位置的上
方,然后利用压板将竹笋压紧在剥皮辊中间,当剥皮辊转动时,其表面的刮刀
会将竹笋皮拨落;待竹笋剥到合适程度时,关闭电机,最后升起压板取出竹笋。
该剥壳机压板的底面设有弹性层,始终压紧竹笋的同时又不会向竹笋施加过大
的压力而导致竹笋无法转动。该剥壳机可以调节两个剥皮辊的间距,从而适应
不同大小的竹笋。但是该设备需要人工喂料,且每次只能完成一根竹笋的剥皮
加工,效率低下,不适合企业的机械化生产。
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1.机架 2.主动剥皮辊 3.驱动机构 4.水平导轨 5.滑块 6.从动剥皮辊 7.刮刀 8.垂直升
降机构 9.压板 10.侧板 11.螺柱 12.拧动板 13.限位板
图 1.4 郑晓峰研制的竹笋剥壳机结构示意图
钱得康等[35]研制了一种新型竹笋去皮机,其结构如图 1.5 所示。该机的工
作原理为:竹笋的输送装置和压辊之间留有一定的空隙且分别与驱动装置相连,
压辊外圆周上设置了螺纹以增加摩擦力,去皮机工作时,竹笋在经过压辊及传
送带的剪切摩擦作用后,笋壳被去除;压辊的轴向方向又与传送带的运行方向
成 60°夹角,去除的笋壳沿着倾斜方向流出去皮机;该机又增加了调节装置,
通过改变压辊两端在条形通孔处的位置实现对压辊和环形传送带间距的控制。
该竹笋去皮机结构简单成本低,且生产效率较高,但利用传送带与压辊间的摩
擦力完成去皮工作以及笋肉笋壳分离工作,无法保证剥净率和分离效果。
1.上支架 2.电机 3.链轮 4.后滚轮 5.链条 6.压辊 6.1.条形通孔 6.2.螺纹 7.下支架
7.1.导流槽 8.前滚轮 8.1.张紧装置 9.环形传送带
图 1.5 钱得康等研制的新型竹笋去皮机结构示意图
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陶勇等[36]研制了一种竹笋脱皮装置,主要包括提升传输装置、烘干机构和
脱皮机构等,如图 1.6 所示。该脱皮装置的工作原理为:竹笋被传输至烘干机
构中,烘干机构倾斜放置,在其内壁与辊轴内部设有烘干装置,竹笋笋壳中的
水分被蒸发后变得干脆易碎;烘干机构设置有螺旋通道,竹笋可以匀速移动;
脱衣机构又主要包括搅拌装置、吹风机、鼓风机等,去除水分的笋壳在搅拌轴
的作用下碎裂脱落,又在吹风机和鼓风机的作用下,粉碎的皮衣与笋肉分离开
来。该装置使用烘干机构大大增加了脱皮效率,且结构简单,但在烘干的过程
中不可避免的对竹笋笋肉造成损伤。
(a)竹笋脱皮装置结构主视图
(b)竹笋脱皮装置结构左视图 (c)辊轴剖面结构主视图
1.脱皮机构 2.搅拌箱 3.电动机 4.减速器 5.搅拌器 6.搅拌轴 7.搅辊 8.隔挡网 9.入口
10.吹风机 11.鼓风机 12.通风小孔 13.烘干机构 14.烘干装置 15.辊轴 16.螺旋通道 17.
空腔 18.提升传输装置
图 1.6 陶勇等研制的竹笋脱皮装置结构示意图
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蒋灵华等人[37]设计了一种竹笋剥壳装置,其结构如图 1.7 所示。该剥壳装
置的工作原理为:将待剥壳的竹笋插在固定顶针处,在旋转电机的带动下竹笋
转动,同时刀片在电动伸缩杆和电动滑轨的控制下插入竹笋并完成对竹笋的剥
壳工作;待剥壳工作结束后,水泵将水从水箱中抽出完成对竹笋的清洗。该剥
壳装置实现了剥壳到清洗一体化的加工,对单个竹笋加工提升了效率,但是存
在人工固定竹笋与面板操作,不适用竹笋剥壳批量加工生产,无法满足竹笋加
工企业的实际生产需求。
(a)竹笋剥壳装置结构图 (b)水箱结构立体图
1.废料槽 2.固定吸盘 3.基座 4.控制箱 5.旋转电机 6.固定顶针 7.照明灯 8.形支撑
9.电控滑轨 10.滑块 11.电动伸缩杆 12.水箱 13.液压杆 14.剥皮刀片 15.铰接柱
图 1.7 蒋灵华等人设计的竹笋剥壳装置结构图
陈泽[38]设计了一种竹笋加工预处理脱壳装置,其结构如图 1.8 所示。该脱
壳装置的工作原理为:搅拌辊沿着传输带传输方向倾斜放置,其表面设置有螺
旋叶片,传输带上设置有与搅拌辊倾斜方向一致的导向条,竹笋在传输经过搅
拌辊时受摩擦挤压后去除笋壳;该装置设置有两个搅拌辊,其中第二搅拌辊比
第一搅拌辊与传输带的间距更小,所以可以对部分较小的竹笋在没有经过第一
搅拌辊剥壳的情况下进行剥壳。该设备结构简单且创新地设置了两个搅拌辊以
保证剥壳率,但是仅利用搅拌辊与传输带间的摩擦力无法保证剥净率。
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1.立架 2.传动装置 3.驱动电机 4.导向条 5.脱壳装置 501.支撑板 502.搅拌电机 503.
搅拌辊 504.螺旋叶片 6.接料板
图 1.8 陈泽设计的竹笋脱壳装置结构图
此外,还有学者对其他农产品的剥壳技术进行了研究。安徽农业大学刘国
鼎[39]研制了一种新型的青毛豆自动剥壳机,通过剥壳轧辊进行对滚挤压将毛豆
仁和毛豆壳分离,又设置了可调支座,从而满足不同尺寸的青毛豆剥壳;湘潭
大学赵扶民[40]研制出了一种自适应莲子剥壳机,采用一种由 10 组单独成组互不
影响的工位组成的自适应装置,又提出了一种新的剥壳刀具组合使破损率降低
又可以满足不同大小莲子剥壳要求;沈阳农业大学安家新[41]通过对花生物理机
械特性及受损形式的研究,比较分析了现有花生脱壳装置的主要脱壳原理和结
构型式,研制了一种小型螺旋式花生脱壳装置,该装置运用螺旋滚筒与栅条凹
板筛的打击、揉搓等作用,使花生荚果在受到脱壳力作用的同时也会沿轴向向
前移动,且凹板筛设计有一定锥度、脱壳间隙逐渐减小,使脱壳的花生仁及时
分离、未脱壳花生荚果进一步受到脱壳力作用,提升了花生剥壳的脱净率又有
效降低了破损率;西南交通大学刘晓敏[42]研制了一种高效率油茶果剥壳机,创
新设计了一套分级装置并进行了优化,解决了因油茶果尺寸不一问题而导致其
破壳不完全或者茶籽破碎的情况;安徽农业大学马士龙[43]根据板栗物理特性和
力学性能特点,研制了一种结构简化易于操作但具有高效低损伤率的板栗剥壳
机,该板栗剥壳机的刀具采用圆形过度的刀具弧面对板栗进行离心刮板式剥壳
去衣加工,大大提高了板栗的剥净率。
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1.3 发展趋势
近年来,我国通过了一系列优惠政策大力鼓励和推动农业发展,特别是现
代农业。在制度支撑和科技支撑的背景下,我国的现代农业取得了较大发展,
无论是从产量还是种类来看,我国的农作物都在世界各国之中遥遥领先,具有
相当明显的优势。
其中竹笋作为一种富含丰富营养的食品,目前已经开发了多种多样的竹笋
加工制品,干净卫生、口感丰富且食用方便,在生活节奏不断加快、时间观念
增强的社会更加受到欢迎。不过竹笋加工企业大多规模小,且在产品加工过程
中所使用的技术水平相对较低,加工成本较高且很容易造成竹笋原料的浪费,
而究其原因主要在于加工机械自动化水平不高。
为促进农产品加工业快速发展,我国政府陆续出台了很多扶持政策,通过
汇聚国内农产品加工领域的各方面专家和企业的力量,构建起了覆盖面广、实
用性高的农产品加工技术研发体系[44]。所以我国竹笋加工机械的设计制造相关
理论会有很大的提高,促进竹笋加工机械飞速发展,不断优化设备结构,满足
市场对竹笋加工机械的多样化需求,从而竹笋加工企业实现自动化生产加工,
最终完成机械化[45]。
剥壳加工作业作为必不可少的一个环节,对竹笋类剥壳机的研制是必需且
十分必要的。经过对竹笋不断壮大的市场需求与加工现状全面分析后,可以初
步预测出其野生罗汉笋剥壳机的发展趋势:
(1)野生罗汉笋剥壳机的功能越来越完善,将完全代替手工剥壳作业,全
自动生产加工;
(2)野生罗汉笋剥壳机的生产效率不断提高,满足产品需求;
(3)野生罗汉笋剥壳机的操作越来越人性化和智能化,可以降低对操作人
员的要求;
(4)野生罗汉笋剥壳机的设备维护越来越方便,便于拆卸和更换部件,适
用于自动化加工生产线;
(5)野生罗汉笋剥壳机的工作稳定性更有保障,减少甚至断绝加工事故的
发生。
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1.4 主要研究内容
(1)对竹笋的食用与药用价值及竹笋加工制品的市场背景进行了介绍,分
析了当前竹笋加工企业进一步发展存在的限制,总结了以机器代替人工进行竹
笋自动剥壳的重要意义,对国内外剥壳设备研究现状以及野生罗汉笋剥壳机的
发展趋势做出了简要概述,并对本课题的主要研究内容和研究技术路线进行了
规划。
(2)对野生罗汉笋剥壳机的剥壳装置进行设计。首先总结国内外现有的剥
壳技术,针对市场上的竹笋剥壳机和其他农产品剥壳机在剥壳环节中存在的问
题提出解决方案,然后拟定剥壳装置的设计方案,并结合野生罗汉笋加工工序
和性能需要,确定其工作原理,对野生罗汉笋剥壳机的剥壳装置结构进行设计;
通过相关的力学分析,确定剥壳装置的性能影响因素,最后对相关参数进行分
析与确定,并对剥壳效果进行验证,判断其是否满足剥壳工作要求。
(3)结合野生罗汉笋剥壳机的主要适用场合以及竹笋加工企业实际需求制
定设计要求,确定整机工作原理,对剥壳机总体方案进行设计;接着对野生罗
汉笋剥壳机的部分关键工作部件进行机械结构设计,包括喂料装置设计、送料
装置设计、螺旋切刀设计、出料装置设计、笋壳收集箱设计以及机架设计,同
时对其相关设计参数进行确定,并使用三维建模软件 SolidWorks 对关键工作部
件进行建模,最后对野生罗汉笋剥壳机进行整机装配。
(4)为优化野生罗汉笋剥壳机工作稳定性和改善整机的剥壳性能,运用
ANSYS 对剥壳机关键部件进行有限元分析。首先对剥壳工作核心组件剥皮辊进
行静力学分析,判断其设计是否满足强度和刚度要求;接着对剥皮辊进行模态
分析,判断剥皮辊是否会发生共振现象;又初定五种不同壁厚的机架,并分别
对这五种不同壁厚的机架施加相同的作业载荷与约束,分别进行静力学分析,
得到各自的应力云图和总变形云图,然后对五种不同壁厚的机架进行分析对比,
选择最满足设计要求的机架;然后对所选定壁厚方管组成的机架进行模态分析,
判断此焊接机架是否满足理论设计使用要求。
野生罗汉笋剥壳机研究技术路线如图 1.9 所示。
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图 1.9 剥壳机研究技术路线
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2 剥壳装置设计与剥壳力学分析
剥壳装置是野生罗汉笋剥壳机的核心装置,对野生罗汉笋剥壳机的剥壳效
率、剥净率、破损率等性能有着至关重要的决定作用。本章主要针对部分竹笋
剥壳机和其他农产品剥壳机剥壳环节中存在的问题进行了分析,并提出了解决
方案又拟定出设计方案,结合野生罗汉笋加工工序及现有设备的剥壳方法,设
计出了野生罗汉笋剥壳机的剥壳装置结构;然后通过对所设计的剥壳方案进行
相关的力学分析,确定了剥壳装置的性能影响因素,最后对影响因素的相关参
数进行了分析与选择,并对剥壳效果进行验证,得到其满足剥壳工作要求。
2.1 剥壳方案
目前国内外学者已经对剥壳机械进行了很多相关研究,同时也取得了一定
的成果,设计出了各种各样的剥壳设备,针对剥壳对象的不同所采用的剥壳原
理也不尽相同。带壳类果实有很多种,根据其外壳坚硬程度和性质的不同,可
以将其分为两大类,即坚果和软果。坚硬类果实主要有莲子、板栗以及软硬圆
柱类的玉米、竹笋等,而软果类果实则包括芒果、马铃薯等。
目前,国内外常见的剥壳方法可以分为三大类:机械剥壳、物理剥壳以及
化学剥壳。其中,机械剥壳是指利用挤压、碾搓、摩擦、撞击等方法进行剥壳;
物理剥壳则包括激光、超声波、压力膨胀等方法;化学剥壳主要是化学腐蚀法[46]。
野生罗汉笋属于软硬圆柱类果实,其笋壳不够坚硬但是有一定的硬度。笋
壳比坚果类果壳要软,所以不适合采用碰撞、碾压破碎的方法剥壳;也比软果
类果壳要硬,所以也不适合采用热烫、压力膨胀、化学方法等剥壳。
第一章已经对部分竹笋剥壳机和其他农产品剥壳机进行了介绍,多种不同
的剥壳设备都针对剥壳率、破损率或者剥壳效率等方面进行了改进和设计,也
使得剥壳机构和剥壳理论有了很大程度的丰富和提高,但仍然或多或少地存在
着不能兼顾的难点。通过对市场上现有竹笋剥壳机以及相关的文献进行分析总
结后[47-53],发现存在设计缺陷的原因如下:
(1)竹笋剥净率较低,且破损率较高。竹笋剥壳设备在竹笋剥壳时只考虑
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到利用摩擦去壳,并没有进行更多的任何处理。而笋壳与笋肉之间存在着一定
的粘着力,且笋壳具有一定的硬度,只是依靠竹笋自身重力与剥皮辊间的摩擦
力并不能保证良好的剥净率。同时依靠剥皮辊组倾斜角度来使竹笋剥壳时向下
推送并不能达到满意的效果,若野生罗汉笋停留在剥皮辊组中时间过长,则会
损伤笋肉。
(2)方案自身不足,需要人工操作,限制了剥壳效率。在加工过程中,人
工给料会影响加工进程而且很不安全,且同时加工竹笋的数量也必不能过多;
未考虑到剥壳过程中的笋肉与笋壳的自动分离,剥壳结束需要人工挑拣,不仅
会影响加工笋肉的质量,而且使得剥壳环节更为繁琐,不能有效地降低成本。
所以本文针对以上设计存在的缺陷,拟提出以下解决方案:
(1)设计利用压紧推送的方案。设计一种能够与剥皮辊组配合的压紧辊组,
在将野生罗汉笋压紧使得摩擦力增大的同时,可以将野生罗汉笋向下端推送,
提高剥壳率并降低破损率。
(2)设计能够自动分离笋肉与笋壳的剥皮辊组。在提高剥壳效率的同时又
能够保证加工安全,无需人工辅助,减少加工成本。
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