一种红枣去核机上料机构的设计与分析

（陕西国防工业职业技术学院，西安 710300）

0 引言

红枣去核机是加工新鲜红枣的设备，我国早在20世纪80年代后期开始研究红枣去核机，到现在红枣去核机已经广泛应用在食品行业，但是到目前为止红枣去核机仍存在上料问题，这严重地降低了红枣去核机的加工效率。宁天德、彭三河、刘振省等学者设计的红枣去核设备都存在上料问题，导致去核机的自动化程度不高，加工效率也不高［1-2］。由此可见，红枣去核机的上料问题是影响红枣加工效率的关键因素，上料率的过低，直接限制了红枣去核的加工效率。

笔者根据以上标准设计了一种间歇式红枣去核机［3］，并设计了与其相匹配的上料机构，采用振动料斗对红枣进行有序排列，配合拨枣转盘、送料管道、曲柄滑块机构可对红枣进行自动且高效地上料［4］。

1 红枣去核机的整体结构和上料机构

根据对红枣去核机性能的要求设计出红枣去核机的整体结构如图1所示。

图1 红枣去核机的整体结构Fig.1 The overall structure of red jujube pitting machine

图1是红枣去核机的整体结构，槽轮机构提供用于输送红枣的间歇式动力，设计特定参数的曲柄滑块机构，作为去核和上料机构，曲柄滑块的参数与槽轮机构的参数相匹配［5］。上料过程中，为了保证在链条上的固定的每一个枣杯里都有且只有一颗红枣，需要上料机构各部分之间协调且统一，上料机构包括曲柄滑块机构、拨枣转盘和振动料斗，在料斗中的红枣通过特定频率的振动而有序排列在管道中，拨枣转盘将管道中的红枣拨入上料筒中，固定在链条上的枣杯每次停歇时，曲柄滑块机构将停留在管道口的红枣推入枣杯内并进行固定，这种上料方式可与槽轮机构较好地匹配，保证较高的上料率，提高去核机的加工效率。上料机构的原理如图2所示。

图2 红枣去核机的上料机构Fig.2 The feeding mechanism of red jujube pitting machine

红枣在弯管拐角时，被设置在拐角的弹簧丝卡住，随着拨枣转盘的转动，由弹簧固定在拨枣转盘上的拨枣齿，将卡在弹簧丝处的一颗红枣拨入上料筒内，拨枣齿每圈只拨一颗红枣，因此上料筒里时刻只会存在一颗红枣［6］。推枣杆被曲柄滑块机构带动，进行竖直方向的直线往复运动，每个转动周期内，上料筒内的红枣都会被推枣杆推入枣杯中，完成自动上料的功能。

2 槽轮机构的运动特性

红枣去核机中的槽轮机构是将主动轴的匀速连续转动转换成从动轴的单向间歇转动的机构，传动系统中槽轮机构是间歇运动的产生源，是去核机的关键机构［7］。

红枣去核机的槽轮机构如图3所示。拨盘主动杆O1A做匀速圆周运动，当O1A逆时针转过的角度为2φ10时，槽轮顺时针转过2φ20角度。拨盘杆O1A继续旋转，拨盘上的凸锁止圆弧与槽轮的凹锁止圆弧自锁，避免槽轮因惯性继续转动。这就是槽轮机构的运动原理。

图3 槽轮机构Fig.3 External gear Geneva mechanism

槽轮机构的运动特性由运动系数τ表示，根据几何关系，可计算出运动系数τ与槽数z之间的关系：

运动系数τ越大，槽轮的运动特性越好，但是对实际情况，槽数z不可能无限大，红枣去核机的槽轮机构，z=6，则τ=（6-2）/（2×6）=1/3，运动特性较好。

红枣去核机的去核速度为600个/min，根据传动系统相关参数计算得到拨盘的转速为72 r/min，槽轮和拨盘的中心距a=300 mm，槽数z=6，可求得拨盘半径和槽轮半径：

根据以上槽轮参数在UG中建立槽轮机构的三维模型，并装配，然后对设置机架为固定连杆，槽轮为连杆，拨盘为连杆，并建立两个旋转副，旋转中心分别为槽轮中心和拨盘中心，最后，在槽轮和拨盘之间建立3D接触，并设置拨盘的转速为432（72 r/min），得到槽轮的角速度变化曲线如图4所示。

图4 槽轮角速度变化曲线Fig.4 Change curve of angular velocity of Geneva mechanism

槽轮的角加速度变化曲线如图5所示。

图5 槽轮角加速度变化曲线Fig.5 Change curve of angular acceleration of Geneva mechanism

由槽轮的角速度和角加速度变化曲线可得到其运动特性：拨盘的每个旋转周期内，槽轮主轴的角速度呈正弦函数波形，圆销接近槽轮中心的过程中，角速度迅速到达最大值；圆销离开槽轮中心的过程中，角速度迅速降为零［8］。而在这个过程中槽轮的角加速度则有两次变达到峰值，当槽轮角速度达到峰值之前，角加速度会迅速到达峰值然后降为零，当圆销离开槽轮中心的过程中，角加速度又一次迅速反向达到峰值后降为零。

3 上料机构的运动特性

上料机构主要由拨盘和曲柄滑块机构组成，拨盘作匀速转动，对于上料机构的运动特性其实就是曲柄滑块机构的运动特性［9］，笔者设计的红枣去核机，主要通过链条和同步带进行传动，主要运动形式为链条的间歇运动和上料去核机构的往复直线运动，根据设计好的红枣去核机传动系统方案，在装配图中对主要运动机构添加相应的运动约束，并进行运动仿真分析，具体约束如下：

轴与轴承之间定义为销钉连接；槽轮和带轮都与轴通过键连接，定义为凸轮连接；带传动采用同步带约束；链传动每两个相邻链节之间采用销钉连接；曲柄滑块机构，连杆和曲柄圆盘之间都采用销钉连接，安装板与导向柱之间采用滑动杆连接。

本文中只需要分析上料机构和去核机构的运动特性，以此判断上料机构的设计是否合理，所以在运动分析时，省略了无关机构的分析，因此料斗、刀槽式转盘、切片机构等在运动机构约束图中没有显示。槽轮机构的运动曲线已经得到，槽轮产生的间歇运动驱动链轮运动，进行红枣的输送，要判断上料机构的可行性，需要将链轮和曲柄滑块机构的的运动曲线进行拟合，分析两者之间的同步性和统一性。如图6所示的约束，在电机处添加驱动，给去核机一个动力源，通过求解得到链轮和曲柄滑块机构的运动曲线如图6和图7所示。

图6 链轮和曲柄滑块机构的速度曲线Fig.6 Speed curve of chain wheel and crank-slider mechanism

图7中，正弦曲线为链轮的速度曲线，另一条曲线为曲柄滑块机构的速度曲线，链轮由槽轮机构产生的间歇运动驱动，所以绿色曲线在每个周期内只有一段波峰，与槽轮机构的速度曲线相似，上料机构的冲杆由曲柄滑块机构驱动，速度曲线呈正弦分布，两条曲线的运动周期相同，可以保证上料运动与间歇运动的一致性［10］。

图7 链轮和曲柄滑块机构的加速度曲线Fig.7 Acceleration curve of chain wheel and crank-slider mechanism

图7中，链轮和曲柄滑块的加速度曲线也呈周期性变化，其中，链轮的加速度曲线为M型，与槽轮机构有所区别，这是由于槽轮机构的加速度产生了换向，而链轮始终是一个方向，不存在负向加速度，而且从加速度曲线可以看出，去核机在运动过程中存在柔性冲击，柔性冲击主要来自于槽轮，因此在实际加工过程中有必要验证振动对红枣去核的影响。

4 结语

设计红枣去核机的上料结构，分析了关键机构槽轮机构的运动特性，在整体装配的条件下分析了上料机构的运动特性，验证了上料机构和红枣输送机构运动的一致性，文中设计的红枣去核机加工对象是直径20～25 mm，长度30～35 mm的新鲜红枣，本试验拟采用同样规格的红枣，100颗一组，总计10组进行上料试验，记录下试验过程中的上料率和去核率，计算得红枣去核机得平均上料率为99.2%，平均去核率为99.5%，与市面上的红枣去核机（上料率50%左右）相比，上料机构明显提高了上料成功率，上料率的提高保证了较高的去核率，试验证明本文所设计的上料机构适用于红枣去核机，并且极大地提升了红枣的上料率，从而保证了红枣去核的成功率，具有较强的实用性［11］。