熟鸡蛋剥壳机中剥蛋辊的优化设计

黄镇雄，林长山，宋 爽，陈 锐，叶大鹏

(1.福建农林大学机电工程学院，福建福州350002；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510641)

鸡蛋是人类常食用的食品[1].熟鸡蛋剥壳机的剥蛋辊用于鸡蛋的敲击破壳和摩擦剥壳，然而国内目前关于剥蛋辊的研究较少，不利于熟鸡蛋加工机械化的发展[2].与鸡蛋破壳去壳的处理方式相似，一些农产品剥壳机采用辊式结构实现了食品外壳的去除，国内外专家学者们对此进行了相关研究.Koyuncu et al[3]采用万能材料试验机对YAIVA-3核桃品种的坚果进行压缩，结果表明初始断裂的能量随壳体厚度的增加而线性增加，但随几何平均直径的增加而线性减小；Ledet[4]研制出多根辊轴并列形式的虾类剥壳设备；张秀花等[5]通过响应面分析及参数优化，得到辊式对虾剥壳机的最佳参数组合；佟庆坦等[6]设计的花生剥壳机利用橡胶滚筒及橡胶凹板之间的间隙进行柔性剥壳；汪迎等[7]采用切割方式与搓擦方式相结合，实现花生自适应脱壳；季文华[8]设计一种新型核桃去核装置，采用绞杆机构，增大挤压力，提高破壳成功率；李长友等[9]设计了一种集自动调整姿态、定向、去核、剥壳、分离一体联动的荔枝去核剥壳机，实现在同一时刻完成送料、定位、去核、剥壳的全部作业过程.剥蛋辊结构对于熟鸡蛋剥壳机的工作效率具有重要影响，本文对其剥蛋辊的结构参数和作业参数进行优化，并利用力学试验和动力学仿真试验验证其可行性.

1 熟鸡蛋剥壳机的结构与工作流程

从图1可知，熟鸡蛋剥壳机结构主要由送料机构、剥蛋辊组(剥蛋辊、压蛋辊)、喷淋机构、驱动装置、导料机构、储水槽组成.剥壳辊组是剥壳机的核心部分，由压蛋辊和剥蛋辊组成，分别用于鸡蛋剥壳和碎壳，其中每条碎壳通道包括2条剥蛋辊，每条剥蛋辊上分布的凸起圆柱，用于打碎鸡蛋.进行剥壳时，鸡蛋由送料机构送入剥蛋辊组的工作区，驱动装置通过带动相邻剥蛋辊反向转动将鸡蛋击碎，橡胶包裹的压蛋辊通过摩擦将鸡蛋壳剥下.压蛋辊通过螺栓装在弓形支座上，通过弹簧调节增加鸡蛋与剥蛋辊的贴合程度，提高破壳率.

图1 熟鸡蛋剥壳机结构Fig.1 Structure of cooked egg sheller

2 测定方法

2.1 熟鸡蛋力学特性

为了确定熟鸡蛋破壳所需的最大载荷，进行力学特性试验.试验材料为2017年4月28日购于福州市仓山区永辉超市的普通鲜鸡蛋.按照质量高低将鸡蛋分为3个组别，48～56.25 g为小鸡蛋，56.25～66.25 g为中鸡蛋，66.25～76.60 g为大鸡蛋.将熟鸡蛋水平放置或竖直放置在试验台的鸡蛋支撑装置，分别以鸡蛋的大头、小头、中间位置作为受力接触面[10]，进行不同冲压速度的压缩试验，并输出鸡蛋所受的压力变形曲线，包括最大载荷和挤压距离数据.每组测试重复5次[11]，记录试验数据.从图2可知，在压缩过程中将鸡蛋置于鸡蛋支撑装置上，底座固定在试验平台上，通过压缩传感器对鸡蛋进行加载，直到鸡蛋小头部分破碎.

图2 熟鸡蛋力学特性试验Fig.2 Experiment on the mechanical property of cooked eggs

2.2 剥蛋辊的Adams仿真分析

剥蛋辊分为碎壳段和剥壳段，剥壳段材质为橡胶.剥蛋辊两两组合在一起工作，碎壳段与剥壳段的长度设计、碎壳段凸起的圆柱尺寸、剥壳段凹槽深度、转速均对鸡蛋剥壳效果产生影响.选质量约为50 g的鸡蛋进行试验，碎壳段轴的直径均为50 mm，试验方案如表1所示.

表1 剥蛋辊可行性试验方案Table 1 Feasibility test of egg sheller roller

3 结果与分析

3.1 熟鸡蛋力学特性试验

将三因素三水平试验数据取平均值[12]，结果如表2所示，Y表示使鸡蛋小头部分破碎所需的力.对试验数据进行回归分析，得到冲压速度、鸡蛋大小、挤压部位的回归方程.

表2 不同部位加载试验数据Table 2 Average force for breaking different positions of an egg

3.2 方差分析

通过Design-Expert得到熟鸡蛋碎壳力与不同操作参数之间的关系，拟合模型的方差分析结果，采用二次方程模型进行响应面分析.对二次多项式模型及模型中各项影响因素的置信度进行分析，结果(表3)表明利用二次多项式模型拟合试验数据，效果显著，其中，挤压部位的平方和对鸡蛋剥壳的作用力影响最大.回归模型如下式：

式中，X1表示冲压速度，X2表示鸡蛋大小，X3表示挤压部位.

表3 二次方模型置信度分析1)Table 3 Quadratic model analysis of confidence degree

3.3 碎壳效果的响应面分析

图3～5给出了冲压速度、鸡蛋大小、挤压部位三因素之一取某一固定水平时，其他两因素对Y值的影响，同时改变X1取值，形成纵向对比.在试验范围内，鸡蛋大小坐标轴方向曲线基本上是一次函数，从X1＝-1至1逐渐降低，说明小鸡蛋比大鸡蛋能承受更大压力；挤压部位坐标轴方向曲线呈二次函数关系，从X1＝-1至1，即从小端到中部再到大端过程中，力逐渐降低又升高，X1＝-1的值略大于X1＝1的值.说明鸡蛋纵向比横向承受更大压力，且小端比大端承受更大压力.通过调节速度按钮，结果表明速度对于鸡蛋承受压力的影响并不大，基本上还是由鸡蛋的大小和位置决定的.鸡蛋壳破碎的最大力为48.8 N.

图3 三维关系图(X1=-1)Fig.3 3D relationship diagram(X1＝-1)

3.4 剥蛋辊的Adams仿真试验

转速为120 r·min-1时鸡蛋所受的力矩如图6a所示.从图6a可知，JD3曲线峰值为0.26～0.64 N·m-1，其余的鸡蛋曲线都呈现较低的值.鸡蛋受力为7.32～18.57 N.转速为200 r·min-1时鸡蛋所受的力矩如图6b所示.从图6b可知，JD3曲线峰值为0.75～1.70 N·m-1，其余的鸡蛋曲线都呈现较低的值.鸡蛋受力为21.43～48.57 N，且转速为208 r·min-1时鸡蛋所受的力矩如图6c所示.从图6c可知，JD3曲线峰值为1.54～4.50 N·m-1，其余的鸡蛋曲线都呈较低的值.鸡蛋受力为44.00～128.57 N.

对比3组试验，3号剥蛋辊对鸡蛋产生一定的力矩，但1、2、4号剥蛋辊产生的力矩比较小.3种转速的结果相似.3号剥蛋辊能产生足够的敲击力，因此选择3号剥蛋辊作为熟鸡蛋剥壳机的剥蛋辊.剥蛋辊长度为1 000 mm，碎壳段长度600 mm，剥壳段长度400 mm，碎壳段圆柱突起半径10 mm，剥壳段凹槽深度5 mm.设置3种转速，得到的3个区间敲击力分别为7.32～18.57 N、21.43～48.57 N和44.00～128.57 N.第3组试验获得的敲击力满足鸡蛋蛋壳的最大抗载载荷(48.8 N)，因此选定剥蛋辊转速为208 r·min-1.

图4 三维关系图(X1=0)Fig.4 3D relationship diagram(X1＝0)

图5 三维关系图(X1=1)Fig.5 3D relationship diagram(X1＝1)

图6 不同转速下鸡蛋的力矩曲线Fig.6 Moment curves of eggs under different rotational speeds

4 小结

碎壳效果的响应面分析结果表明：小鸡蛋比大鸡蛋能够承受更大的压力，鸡蛋纵向承受的压力比横向大，并且小端承受的压力比大端大；速度对鸡蛋承受压力的影响小，鸡蛋的大小和位置是鸡蛋承受压力大小的决定因素；鸡蛋破壳所需的最大力为48.8 N.通过仿真试验优化，确定剥蛋辊长为1 000 mm，碎壳段长为600 mm，剥壳段长为400 mm，碎壳段轴的直径为50 mm，凸起的圆柱半径为10 mm，剥壳段凹槽深度为5 mm，转速为208 r·min-1.