大枣去核设备的设计及试验分析

文怀兴， 周改梅， 俞祖俊

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安　710021)



大枣去核设备的设计及试验分析

文怀兴， 周改梅， 俞祖俊

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：为了研制高效、实用、可靠的大枣去核设备，通过对大枣去核原理的分析，设计了一台大枣去核试验机.该机采用滚珠丝杠螺母副机构带动去核刀具往复运动实现去核作业；采用设计的专用夹具实现大枣的自动定位和夹紧.样机试验表明：在大枣去核时，去核刀具的直线进给速度对大枣造碎率的影响显著；正交试验表明：最佳的大枣去核参数为含水率67.23%、直线进给速度72 mm/min、去核刀具的壁厚0.5 mm.

关键词：大枣； 去核； 正交试验； 造碎率

0引言

大枣在我国已有4000年栽培史，是一种富含营养的食品.其主要营养成分有碳水化合物、维生素、矿物质、蛋白质等，新鲜的大枣中维生素含量高达300~600 mg，蛋白质含量为3.3%，平均含糖量为73%[1-4]，素有“北方玛瑙”之称.但鲜枣具有不易保存、不易运输、货架时间短等缺点[5,6].因此，通过大枣深加工开发出系列大枣保健食品具有重要的意义.在深加工过程中，去核是一道主要工序.研究开发大枣去核设备的性能，分析大枣去核造碎率的影响因素是需要首先解决的问题.

为了研制大枣自动去核设备，很多企业、研究院对大枣自动去核机进行了研究，并取得了许多成果.但都存在着生产效率低、造碎率大、劳动强度大、可靠性差等问题[7].专利200810049589.9[8]设计了一种去核机,可以加工多种产品，由倾斜安装的滑道和带有复位装置的送料盘实现上料，由连杆和圆盘实现去核刀具的上下运行，但整机效率比较低;专利200920035041.9[9]设计了一种新型红枣去核机，由U型凹槽来实现大枣的排序和上料，凸轮机构实现压枣、冲核、退核、卸料功能，但凸轮机构的设计及加工复杂;专利201020201061.1[10]设计了一种由传动装置带动安装冲头的上型板相对于冲头下方的固定凹槽上下运动，该机构简单、紧凑，但上料排队效率低;专利200820070125.1[11]设计的大枣去核设备由连杆和圆盘所组成的机构带动冲头做上下运动，大枣加工前先经过倾斜的排序板进行排序，其结构比较复杂.上述专利多数还未开发出原型样机.

为了研制高效、实用的去核设备，降低大枣加工的造碎率，需要建立去核设备的试验研究平台，获得去核过程中的实际加工参数.大枣的主要特点是个大、皮薄、核小、肉厚[12]，外观特征基本呈现圆台形，少数为较规则的圆柱形.通过统计分析可知红枣的最大腰径截面形状特征大致可以分为3种，即红枣的最大腰径截面的长径和短径尺寸比较接近，或者尺寸相差很大，或者没有固定的差别关系[13].

鉴于这些大枣的形状、大小、结构特性，根据作者发明的专利ZL201420685125.8[14]，本文设计了一种大枣去核试验机.由滚珠丝杠螺母副机构实现去核杆的上下运动；设计的新型夹具实现了大枣的夹紧.以此设备为试验平台，研究了大枣造碎率的影响因素，从而为后续大枣自动去核工业化样机的设计提供了试验依据.

1去核试验机设计

1.1　去核原理分析

在对相关文献进行分析，以及对现有去核设备[15-17]研究的基础上，可以得知大枣去核时既要求快速稳定，又要造碎率低，如果用去核刀具与枣核直接碰撞，其造碎率会很大.为了减小造碎率，应把大枣的去核分为叼核和顶核[18]两个动作去完成.可设计一种空心去核刀具向下运行实现叼核，去核刀具的空心直径与大枣枣核大小相当.根据对大枣枣核直径的数据采集，大枣枣核直径可以分为两级.对于枣核直径在6~7.0 mm之间的大枣，其去核刀具的空心直径取7 mm；对于比较小的大枣，枣核直径为4.5~6 mm之间，其去核刀具的空心直径取6 mm.这样设计可以保证既能满足去核需要，又能减小果肉损失.顶核杆位于去核刀具内孔中，在去核刀具回程的过程中，顶核杆实现顶核动作.

1.2　去核机设计

1.2.1总体结构设计及其工作过程

该试验机的机构系统设计包括总体方案的确定、大枣几何形状及大小等试验数据的采集、一些基本零部件尺寸的设计、制作样机进行试验等，最终得到最佳系统机构.该去核设备的总体方案如图1所示，其由驱动装置、去核装置、定心夹紧装置等组成.

大枣通过定心夹紧装置实现准确定心与夹紧，控制步进电机1正、反转以及调节步进电机1正、反转的速度，可以实现去核作业.当步进电机1正转时，通过滚珠丝杠5与丝杠螺母8的配合带动安装于中间板7上的去核刀具9向下运动完成冲核作业，此时枣核在空心的去核刀具9的内部；当步进电机1反转时，去核刀具9向上运动，在向上运动的过程中，位于空心去核刀具9内部的枣核就会被固定在顶杆安装板4上的顶核杆6顶出，从而完成顶核作业.

1.步进电机 2.电机支撑架 3.联轴器 4.顶杆安装板 5.滚珠丝杠 6.顶核杆 7.插杆安装板 8.丝杠螺母 9.去核刀具 10.下底板 11.去核枣孔 12.直线轴承 13.导向柱图1　去核机的结构示意图

1.2.2滚珠丝杠螺母副的选择[19]

对一个大枣进行冲核作业所需要的力最大为10 N，步进电机所需要驱动的负载主要为负载的重力G≈120N，在此装置中，即滚珠丝杠的最大轴向负载F=120N.

滚珠丝杠的导程应满足下式：

(1)

式(1)中:vmax为滚珠丝杠所要求的最高进给速度(r/min);i为电机与丝杠的传动比，在此取i=1;nmax为电机的最高转速(r/min).对于额定电压为48 V的86BYG250H型步进电机，根据矩频特性曲线可知其最高转速nmax=350 r/min，对于此设备，vmax远小于nmax，选择滚珠丝杠的型号为SFI01604-4.

当转速N>10 r/min时，对滚珠丝杠螺母进行动载强度计算：

(2)

式(2)中：Cc(N)为计算动载荷；fd为动载荷系数；fH为硬度影响系数，取fH=1.35；feq为当量动负荷(N)；Ca为滚珠丝杠螺母副的额定动负荷(N)；T′为寿命，以106r为一个单位.

当转速N≤10 r/min时，应对滚珠丝杠螺母进行静强度计算，最大计算静载荷Foc(N)为

(3)

经过计算可知，滚珠丝杠承受的动静载荷满足要求.

1.2.3主要技术参数

试验机主要零部件的技术参数如表1所示.

表1　主要技术参数

1.2.4定位夹紧机构的设计

大枣去核设备中定位夹紧机构的主要作用是保证去核刀具和枣核中心位置对中.该设备的定位夹紧机构采用本文作者发明的专利ZL201420685125.8[14]，其结构如图2所示.两个半圆形内支撑座15的内部结构为上锥下柱的形式，其上下都开有高5 mm、深3 mm的凹槽，用于连接弹簧14，弹簧也可以用橡皮筋代替.

根据统计分析得出大枣的直径可以分为三级，即直径为20~25 mm、25~28 mm、28~32 mm.因此,按照每一级大枣的最大直径设计其定位夹紧机构，设计三套定位夹紧机构.在大枣去核之前，应先进行分级，然后选择合适的定位夹紧机构.

10.下底板 14.弹簧 15.内支撑座 16.外支撑座图2　大枣定位夹紧机构的示意图

14.弹簧 15.内支撑座 17.大枣图3　大枣夹紧示意图

(a)最小枣的夹持状态

(b)最大枣的夹持状态图4　大枣的夹持状态示意图

当大枣尚未落入定位夹紧机构时，两个半圆形内支撑座15在弹簧14的作用下保持最小直径20 mm，如图4(a)所示.当大枣落入定位夹紧机构中时，首先进入两个半圆形内支撑座15的上面锥形部分，如图3左边示意图所示，锥形部分的楔角为b，给大枣一个力F，则力在水平方向的分力F1(F1=Fcosb)使弹簧14撑开到合适的直径达到夹紧大枣的作用，同时F在竖直方向的分力F2(F2=Fsinb)的作用下使大枣向下运行，最终达到图3右边示意图所示的位置.此设计能够准确定位和包容所加工大枣的直径范围为20～32 mm.

2步进电机的编程

步进电机的转速是由频率来控制，此试验装置中的步进电机是两相混合式步进电机，可以通过公式(4)计算出步进电机的转速：

(4)

式(4)中：R为步进电机的转速(r/min);f为步进电机的驱动频率(Hz);x为步进电机的细分倍数.

使用步进电机时的最小进给量的计算方法如公式(5)所示：

(5)

式(5)中：S为最小进给量(mm);E为步进电机和驱动器的步距角(°);Ph为滚珠丝杠的导程(mm);A为减速比，即滚珠丝杠的转速/电机的转速.

此试验装置采用滚珠丝杠与电机直接用弹性联轴器连接，即直联的方式，所以A=1、滚珠丝杠的导程Ph=4 mm、步进电机的步距角E=1.8 °，所以步进电机的最小进给量S=0.02 mm.

步进电机采用1/20细分，即步进电机每秒钟旋转一圈需要的脉冲数为4 000个，每个脉冲步进电机运行的角度为0.090 °.按大枣的最大长度为60 mm计算，设定此试验装置工作时冲核杆的起始位置在距离大枣上表皮70 mm处，即滚珠丝杠的进给量为130 mm，电机需要转6 500转.对步进电机的驱动器进行如下编程：

00 SPEED 1KHz；给下面的运行赋值速度1KHz

01 G-LEN 26000000；电机正向运行26000000步

02 SPEED 1.5KHz;给下面的运行赋值速度2.5KHz

03 G-LEN-26000000；电机反向运行26000000步

04 END；程序结束

按这段程序运行时，去核速度为R=15 r/min，回程速度为R′=22.5 r/min.即通过改变步进电机正向运行时的赋值频率可以调节去核速度.

3试验验证

3.1　试验目的

通过分析得知，大枣去核时的造碎率与去核刀具对大枣的挤压力F有关，F与去核速度、去核刀具的壁厚、大枣含水率有关.为了减小大枣去核时的造碎率，需要设计试验确定最佳的去核参数，也可以验证该去核设备的去核性能.

3.2　试验原理

大枣去核的造碎率用如下公式计算：

(6)

3.3　试验方案

试验所用的大枣皆为直径为26~28 mm、长度为40~45 mm的同品种大枣.计量秤为南京凯德计量仪器有限公司的科威牌电子天平3 kg/0.1 g.为了减小误差，每次试验完成后的成品质量(即完整枣的质量)为三次测量取得的平均值.

(1)试验一：测定电机转速与造碎率的关系.选取9 kg放置两天后、含水量大约为66%~68%的该大枣为试验样品，选取去核刀具的壁厚为0.5 mm，以1 kg枣为一组，记录试验数据如表2所示.

(2)试验二：测定去核刀具的壁厚与造碎率的关系.选取9 kg放置两天后、含水量大约为66%~68%的该大枣为试验样品，选取电机转速为18 r/min，以1 kg枣为一组，每组参数下进行三次试验，结果取平均值，记录试验数据如表3所示.

(3)试验三：测定大枣含水率与造碎率的关系.以1 kg枣为一组，选取去核刀具的壁厚为0.5 mm，选取电机转速为18 r/min，每隔两天测得大枣的含水量后进行试验，每组参数下进行三次试验，结果取平均值，记录试验数据如表4所示.

(4)试验四：设计正交试验研究大枣造碎率与含水率、去核时的直线进给速度、去核刀具壁厚等三个因素之间的关系.选用L9(34)正交表，其因素水平表如表5所示.以1 kg枣为一组，每隔两天测得大枣的含水率后进行试验，每组参数下进行三次试验，结果取平均值，共9组,记录试验数据如表6所示.

表2　电机转速与造碎率的关系试验数据

表3　去核刀具壁厚与造碎率的关系试验数据

表4　大枣含水率与造碎率的关系试验数据

表5　正交试验设计表

表6　正交试验数据

3.4　试验指标

去核造碎率≤5%.

3.5　试验数据处理及结果分析

对试验一、试验二、试验三所得的试验数据用折线图进行分析,如图5~7所示.

图5　电机转速与去核造碎率的关系分析图

图6　去核刀具壁厚与去核造碎率的关系分析图

图7　大枣含水率与去核造碎率的关系分析图

分析表2、表3、表4所得的试验数据，对试验数据进行多个独立样本的Kruskal-Wallis检验，去核速度、去核刀具的壁厚、大枣含水率都对大枣去核造碎率有显著的影响.

分析图5、图6、图7可知，造碎率随电机转速的提高先减小后增大，当电机转速为18 r/min，即直线进给速度为72 mm/min时，去核造碎率最低.对于第二组数据，造碎率急剧增大，经调查分析，该组样本中含有两颗虫枣，因此在去核过程中造成造碎率偏高;造碎率随去核刀具壁厚的增大而增大，最适宜的刀具壁厚为0.5 mm;造碎率随大枣含水率的减小而先减小后增大，最适宜的大枣含水率为67.23%.

分析表4、表7所得的试验数据，第四组实验造碎率最低.因此,最优的去核参数选择是：含水率为67.23%、直线进给速度为72 mm/min、去核刀具的壁厚为0.5 mm.正交试验的数据正好验证了单因素实验所得结论.

表7　正交试验数据的极差分析

4结论

(1)本文所设计的大枣去核设备可以加工任意直径的大枣，但大枣必须是长圆形.为减小造碎率，大枣去核前应先剔除虫枣.

(2)大枣去核时，去核刀具的直线进给速度对大枣造碎率具有显著影响.经试验验证，当电机转速为18 r/min，即直线进给速度为72 mm/min时，去核造碎率最低，加工效果最好.

(3)刚采摘的大枣因为含水量比较大，大枣太脆导致造碎率增大.所以，应将大枣放置几天后再进行去核加工.

(4)经试验验证，最佳的大枣去核参数为：含水率67.32%、直线进给速度72 mm/min、去核刀具的壁厚0.5 mm.

(5)去核刀具所能加工的最小壁厚为0.5 mm，即可用无缝钢管作为加工去核刀具的材料.

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Design and experimental study of a pitting device for jujube

WEN Huai-xing， ZHOU Gai-mei， YU Zu-jun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:In order to develop efficient,practical and reliable pitting device for jujube,through the analysis of the principle of the jujube denuclearization,a automatic pitting device for jujube is designed.Using ball screw nut pair mechanism drive pitting tool to do reciprocating movement to realize denuclearization.The positioning clamp was performed by special fixture.It was showed that the linear feed speed of pitting tool has significantly influence on broken rate for jujube.By the orthogonal test,we can see the best pitting parameters of jujube :moisture content is 67.23%,linear feed speed is 72 mm/min, cutting knife thickness is 0.5 mm.

Key words:jujube； pitting； orthogonal test； broken rate

作者简介:文怀兴(1957-)，男，陕西武功人，教授，博士生导师，研究方向：机电一体化设备与自动控制

基金项目：陕西省教育厅产业化培育计划项目(2013JC28)； 陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1100)

*收稿日期:2015-10-19

中图分类号：TS255.35

文献标志码：A

*文章编号：1000-5811(2015)06-0142-06