甘蔗自动削皮机送料机构的改进设计

何晓芬，杨 清，李永湘

（贵州工程应用技术学院机械工程学院，贵州 毕节 551700）

引言

目前，在我国市场上已有多种能对甘蔗自动切削的机械，但大部分机型不能满足多种直径尺寸甘蔗的削皮[1]。多数机型使用链传动，噪音比较大。而且这类机型多数采用的送料装置是偏心曲柄滑块机构，利用滑块往复运动对甘蔗送料，这种机构占用空间大，导致整个机器机型偏大[2]。

1 甘蔗削皮机现有机型分析

目前，在国内使用最广范的有两种类型的甘蔗自动削皮机[3-5]：

第一类，径向削皮类机型，这类机型的送料装置，是采用橡胶滚轮组对甘蔗夹紧送料，在传动机构中使用了一条链条，通过链传动带动两组齿轮旋转，这两组相对旋转的齿轮带动与其同轴相接的橡胶滚轮，两组橡胶滚轮相对旋转，从而实现对甘蔗夹紧送料。在出料口也有一组橡胶滚轮，把它们作为皮带轮与皮带连接，其中一个是张紧轮，机器工作时，两个滚轮可相对旋转，从而实现出料工作。

第二类，轴向削皮类机型，这类机型的送料装置主要也是用橡胶滚轮组对甘蔗夹紧送料，原理与第一类机型的送料装置相类似，也有一部分机型采用的是偏心曲柄滑块机构结合平行四边形机构，利用平行四边形机构的自锁特性和偏心曲柄滑块机构滑块的往复运动，对甘蔗夹紧送料，送料的同时静止的刀具对甘蔗轴向削皮。

根据对第一机型和第二类机型的分析，两种机型送料存在问题有，送料装置与削皮装置不能适应不同甘蔗直径尺寸，削皮效果差，机型一采用链传动会产生较大噪音。

为解决甘蔗削皮机现有机型存在的不足，本研究将根据市场需求，设计出一种能适应不同甘蔗直径大小的送料装置，并使其具有安全性能高、自动化程度高、噪音小、机器体型小、经济又实用的特点。

2 甘蔗自动削皮机送料装置的设计

本文设计的甘蔗自动削皮机的工作原理是：通过人工将甘蔗水平放入甘蔗自动削皮切断机的入送料口，通过送料装置完成对甘蔗的送料工序，并进入削皮工序。甘蔗进入削皮装置时，削皮装置上的刀片与甘蔗相对运动，对甘蔗进行轴向削皮。削好皮的甘蔗继续向前运动进行送料，并进入切断工序。电机经皮带传动系统减速后带动曲柄转动，曲柄带动连杆运动，连杆带动滑块反复运动，同时与滑块相连接的刀片对甘蔗切断。切断的甘蔗自动落入到果肉箱里，削去的甘蔗皮自动掉入到甘蔗皮垃圾箱中。从而完成对甘蔗的削皮与切断工序。

2.1 送料装置方案的确定

方案一，基于曲柄摇杆机构的送料装置，工作原理：电机通过减速装置将动力传输到曲柄上，曲柄旋转，曲柄通过连杆带动摇杆往复摆动运动，摇杆与其他杆件组成平行四边形机构，这种平行四边形机构具有自锁功能，可实现对甘蔗的夹紧功能，同时利用刀架回程运动带动甘蔗进给。优点，夹紧工作面大，在比较小的夹紧力下就可以获得较大摩擦力。缺点，摇杆机构需往复运动，来实现对甘蔗送料，这使得送料效率比较低，结构复杂。基于曲柄摇杆机构的送料装置如图1。

图1 基于曲柄摇杆机构的送料装置

1、5-连杆；2、13-槽铝；3、10-铝板；4-连杆轴承；7-驱动摇杆；8-步进电机支架；9-步进电机；11-角铝；12-支撑座

方案二，基于橡胶滚轮组的送料装置。将两个橡胶滚轮用作皮带轮，用皮带将他们与主动轮连接起来。工作原理：当甘蔗进入两橡胶滚轮之间时，两个相对旋转的橡胶滚轮对甘蔗的摩擦力，使甘蔗向前运动至削皮工序，削好皮的甘蔗继续向前运动到下一个相对旋转的橡胶滚轮组，在摩擦力作用下使甘蔗继续向前运动。优点，结构紧凑，送料效率高。缺点，当甘蔗直径过小时，橡胶滚轮组对甘蔗的正压力减小，甘蔗得不到所需要的摩擦力，就不能正常向前运动，。当甘蔗直径过大时，橡胶滚轮组对甘蔗的正压力变大，容易压碎甘蔗，适用性低。橡胶滚轮组如图2。

图2 基于橡胶滚轮组的送料装置

方案三，弹性送料装置，基于第二种方案，对支撑橡胶送料滚轮的轴承座保留一个自由度，轴承座与导杆连接，导轨上套上弹簧，弹簧上端使用螺母调节弹簧对轴承座的力，这样两个滚轮的轴距可以适应不同甘蔗直径大小。当甘蔗直径过大或过小时，可以调松或调紧螺母来适应直径过大或过小的甘蔗，以免压力过大压坏甘蔗。这种设计基本满足我国大多数甘蔗的直径大小。在对滚轮外形设计上，作优化设计，设计为凹形的等边梯形滚轮，能增加与甘蔗接触面积，缺点是结构稍复杂。弹性送料装置设计简图如图3所示。

图3 弹性送料装置简图

对以上三种送料装置进行对比分析，结果如表1所示。

表1 送料装置方案优缺点对比

从送料效率和适用性上考虑，本研究究选用的送料装置为方案三。

2.2 送料装置的详细设计

（1）重要弹簧的设计计算

送料装置工作时，由两个相对旋转的橡胶滚轮对甘蔗的摩擦力，使甘蔗向前运动，要想有足够的摩擦力，就得选用合适的弹簧，下面将对重要弹簧进行设计计算，首先对甘蔗受力分析图，如图4。

图4 甘蔗受力分析图

由受力分析图可知，摩擦送料滚轮对甘蔗的摩擦力，使甘蔗克服削皮刀对甘蔗的削皮阻力向前运动。工作中支撑弹簧承受的力最大，所受载荷为下滚轮部件的重量，再加上与下滚轮同轴相接的轴承、轴承座和轴的重量。所以设计好这个弹簧，将对送料装置的使用寿命起到至关重要的作用。下面将对这个重要的弹簧进行设计和计算。

查阅相关资料[6]，选用4把15度刀刃口的刀对甘蔗削皮时，4把刀所受最大总载荷为F1=190N。由此，计算出我们削皮装置6把15度刀刃口的刀对甘蔗的总阻力F2=285N。

设定甘蔗到达切断点时的速度v=0.4m/s，为了满足削皮速度的需要，需要计算足够的所需总摩擦力。根据调查，甘蔗的平均质量为3kg≤m≤3.25kg，计算得到Ff=289N。计算下滚轮对甘蔗的摩擦力Ff1=Ff/2=144.5N。滚轮摩擦表面采用橡胶材料，查阅网上相关数据[7]得知，甘蔗与橡胶的摩擦系数为0.4～0.5，取f=0.4，得到FN=361.5N；在送料装置的设计中，每个轴承座有2个支撑弹簧，而支撑下滚轮的轴承座有两个，所以下滚轮一共有4个支撑弹簧支撑，计算单个弹簧对滚轮的支撑弹力Fn1=FN/4=90.4N。为对甘蔗送料时，弹簧承受着静载荷，大小等于给予下滚轮支持的构件的总重量，计算4个支撑弹簧未送料时所受总静载荷。s为第一组滚轮的轴线与切断点的距离，根据设计要求，设计出的机型尽量小型化，再加上各部件空间的限制，我们设定s为0.65m，给予下滚轮支持的构件的总质量在20kg以内，取m=20kg，a取9.8，带入数值计算滚轮单个支撑弹簧所受静载荷Fa1=20×9.8÷4=49N。下滚轮对甘蔗送料时，单个弹簧所受动载荷，等于单弹簧对甘蔗所需支撑弹力，加上单个弹簧所受静载荷，即：

考虑弹簧承载载荷不大，选取SL型碳素弹簧钢。从使用寿命上考虑选用类弹簧，受变载荷作用次数可达106次。弹簧两端需要磨平便于套上垫片，所以选取制造工艺为型冷卷。弹簧的螺旋升角一般取α=5o～9o，本设计取α=9o，根据以上数据，作出弹簧参数表，如表2。

表2 弹簧参数表

（2）送料滚轮的设计

送料滚轮在送料装置中起着重要的作用。目前，市场上的甘蔗自动削皮机的送料方式大多数采用的是橡胶滚轮送料，但存在一些缺陷，在工作时由于摩擦力不够，滚轮容易打滑，下面将对传统的送料滚轮做优化设计，以提高滚轮对甘蔗的摩擦力。

根据调查，甘蔗的直径范围为33mm-55mm，为满足送料要求，本设计中的滚轮表面，即工作摩擦面使用聚氨酯橡胶材料橡胶包覆的轴孔管件采用灰铸铁材料。将橡胶材料制造成凹陷的等边梯形，并与空心轴使用聚力JL-518胶水粘结。空心轴攻螺纹孔，用于把滚轮与转轴螺栓连接。这样设计可以起到对甘蔗的送料导向作用，并且增加了与甘蔗的接触面积。橡胶滚轮三维图，如图5所示。

图5 橡胶滚轮三维图

（3）长轴的设计

根据机架圆环固定件外圆直径，以及滚轮的空心轴轴孔直径和为满足带轮以及轴承的安装，设计出长轴，长轴选用45号钢制造，长轴三维图，如图6。

图6 长轴三维图

（4）送料装置三维图

选取6002CE轴承、M14螺母、M8螺栓与合适的垫片之后，设计的送料装置三维图如图7所示。

图7 送料装置三维图

3 结论

本文主要对甘蔗自动削皮机的送料装置进行了改进设计，解决不同直径的甘蔗送料和削皮问题。（1）通过对比分析确定送料方案用弹性送料装置；（2）根据甘蔗受力情况，设计出所需弹簧为型冷卷SL型碳素弹簧钢；（3）根据33mm-55mm甘蔗直径尺寸范围，结合SolidWorks软件设计出橡胶滚轮；（4）根据滚轮轴孔大小设计出轴，并选用合适的轴承，根据上下两橡胶滚轮轴心距、滑套外形和所选轴承尺寸，设计出轴承座。最终得到的改进后的整个送料装置结构，能实现对甘蔗自动削皮机的整体优化，达到对不同直径的甘蔗进行自动送料的设计目标。