轻便型枣夹花生机的设计与试验

郜海超，韩海敏，陈会涛

（1.河南应用技术职业学院 机电工程学院，郑州 450042；2.河南理工大学 机械与动力工程学院，河南焦作 454010）

0 引言

红枣是中国特有农产品，在食用与医用都有巨大应用市场，初加工和深加工是当前红枣产业发展的主体[1]。我国花生产量巨大，是最受消费者欢迎，销量最大的坚果食品[2]。枣夹花生可以提高口感，充分发挥枣和花生的营养价值。检索发现，目前对枣夹花生的操作主要由人工完成，存在效率低、劳动强度大和工艺简单等问题，而且对枣夹花生的研究较少，主要体现在大枣的去核，如郜海超等设计的便携型小型大枣去核机[3-5]，设备小巧，操作方便，采用曲柄移动导杆机构简化推杆机构，并设计出样机，但是稳定性较差，曲柄移动导杆机构均为低副连接，定位精度不高；王华等设计的新型大枣去核机[6-7]，采用三杆椭圆顺位机构，能精准定位，对如何上料未涉及，机构尺寸大，无法应用在轻便型设备中；文怀兴等[8]设计的大枣去核设备，推杆采用曲柄滑块机构，但在轻便型设备中，曲柄滑块机构容易出现干涉现象；张宝锋等[9]设计的大型大枣去核机，采用链式结构输送大枣，但链传动机构无法应用在轻便型设备中；张红等[10]设计的手持式大枣去核器，由人工定位大枣，借助按压弹簧定位夹紧大枣，通过压板去核，实现了轻便化要求，但自动化程度低、效率差。

本文提出轻便型枣夹花生机的设计方案，推杆采用空间曲柄滑块结构，上料采用三轴自定心机构，运动控制、状态监控采用单片机控制系统，能满足上料、去核和枣夹花生等工艺要求，结构紧凑，为后续设计轻便型设备提供参考依据。

1 轻便型枣夹花生机的总体方案设计

1.1 结构与工作原理

轻便型枣夹花生机（以下简称枣夹花生机）的主要功能是大枣和花生自动上料、自动去核、自动枣夹花生、自动推出成品，并把成品与枣核分区域存放。如图1所示，枣夹花生机主要包括三轴自定心上料机构、去核机构和枣夹花生机构等，其中推杆（空间曲柄滑块机构）主要应用在去核机构、枣夹花生机构和推成品机构中。

图1 枣夹花生机内部结构图Fig.1 Diagram of internal structure of the Jujube-clampingpeanuts machine

实施方案：大枣上料、花生上料和主传动分别采用3个不同电机，大枣和花生分别盛放在不同的料斗中，定位模套一共10个工位，套在内齿分度齿轮10个工位孔中，不完全齿轮与内齿分度齿轮的传动比为3：8。通过不完全齿轮带动内齿分度圆盘间歇转动，实现上料与加工不停机。

实施过程：三轴自定心上料机构把大枣定位在定位模套中，大枣精准定位上料。主传动电机通过驱动齿轮驱动不完全齿轮旋转96°，内齿分度齿轮旋转36°（旋转1个工位），此时，去核机构、枣夹花生机构和推成品机构中推杆的冲头在支撑板上方，实现切换工位。不完全齿轮继续旋转264°，内齿分度齿轮定位停止旋转，而推杆通过传动齿轮和同步带等进行同速转动，推杆头部的冲头从支撑板上方冲向定位模套，完成去核、枣夹花生和推成品工艺操作，形成1次冲程循环。

1.2 控制方案设计

枣夹花生机系统控制如图2所示。采用基于AT89C51单片机的控制系统[11]，主要有稳压电路、电机控制电路、AT89C51单片机和传感器检测反馈电路等。设置启动键，通过霍尔传感器检测系统装置是否在初始位置，设置力和位置传感器检测大枣上料、去核、花生上料和推成品等工序工况。

图2 枣夹花生机系统控制图Fig.2 Control system diagram of the Jujube-clamping-peanuts machine

1.3 主要设计参数

2 主要部件设计

2.1 大枣定位装置

大枣个体间尺寸差异造成的定位困难是阻碍去核工艺的主要原因[12]，制定大枣定位零部件参数主要依据是大枣纵径和横径差异。大枣外形尺寸：纵径 27～48 mm，横径 20～43 mm；内核尺寸：纵径 14.6～33 mm，横径 3.6～10 mm[13]。设计定位模套如图 3（a）所示，采用免洗弹性材料制成[14]，外轮廓为圆柱形，内轮廓为倒锥形，便于上料和定位。内齿分度齿轮如图3（b）所示，工位孔与定位模套外轮廓为过渡配合，一周10个工位孔，可进行多工位多工序同步操作，提高加工效率。

图3 大枣定位机构三维图Fig.3 The 3-D solid model of the jujube positioning mechanism

2.2 花生上料定位机构

根据工艺要求进行花生上料定位，花生三轴自定心上料机构主要包括驱动电机、齿轮传动机构、定心筒与螺旋定心柔性辊、撑口装置等零部件，如图4所示。利用三旋转轴关于圆心等距，夹角120°自定心原理，设计3个同速转动带螺旋导向槽的螺旋定心柔性辊，柔性材质使传送物料时柔性辊与花生形成较大摩擦力，从而实现把花生自定心去核后向大枣内腔送料。撑口装置主要用来撑开去核后的大枣内腔，避免送料时，因花生与枣肉摩擦而出现褶皱、变形和无法装填等现象。

图4 花生上料定位机构三维图Fig.4 The 3-D solid model of the peanut feeding and positioning mechanism

2.3 推杆机构设计

推杆常采用曲柄滑块机构、曲柄移动导杆机构和空间曲柄滑块机构等。其中曲柄滑块机构在轻便型设备中易出现干涉，曲柄移动导杆机构因传动副均为低副，传动精度不高，故枣夹花生机采用空间曲柄滑块机构。

2.3.1 运动模型分析

推杆机构三维模型和数学模型如图5所示，推杆可简化为空间曲柄滑块机构，曲柄L1在XOZ平面绕Y轴旋转，连杆长度为L2，滑块在ZOY平面沿Y轴移动。

图5 推杆机构三维模型图及数学模型图Fig.5 The 3-D solid model and the diagram of mathematical model of the pushing rod device

建立数学模型如图5（b）所示，假定α1z为L1与Z轴夹角，α2为L2的空间角，A点坐标为（xA，yA，zA），B 点坐标为（xB，yB，zB），建立矢量方程如式（1）：

将式（1）各矢量向坐标平面投影得：

整理得：

2.3.2 仿真分析

对数学模型进行仿真分析，结果如图6所示。根据枣夹花生机尺寸要求，曲柄半径50 mm，连杆长度100 mm，滑块Z值40 mm，假定曲柄初始角度180°，旋转角速度5 rad/s。

图6 推杆机构中滑块运动曲线图Fig.6 The movement curve of the slider in the pushing rod device

滑块速度和位移均按照正弦运动规律变化，没有出现速度和位移突变现象，符合推杆应用要求。t=0～0.25 s时，花生通过定量拨叉上料完毕，推杆逐渐推出，到达三轴自定心柔性辊处，速度达到最大；t=0.25～0.62 s时，推杆推着花生通过三轴自定心柔性辊，位移逐渐增大，速度逐渐下降，花生接触撑口装置，速度降到0，接着逐渐打开撑口装置，花生送进去核大枣内腔，位移达到最大，反向速度逐渐增大；t=0.62～1.04 s，推杆返回，撑口装置复位，为减少推杆与螺旋定心柔性辊的摩擦力，推杆反向速度逐渐增大，直到完全脱离，推杆反向速度达到最大；t=1.04～1.25 s，速度逐渐下降，推杆复位，完成1次枣夹花生工艺过程。

2.3.3 运动学分析

利用Adams建立枣夹花生机模型进行运动学分析。如图7（a）所示，设定曲柄起始角为π，滑块推杆、连杆和曲柄均采用尼龙材质，分析结果如图7（b）所示。

图7 推杆机构中滑块位移和速度曲线Fig.7 The displacement and velocity diagram of the slider in the pushing rod device

滑块运动分析结果与仿真结果一致，验证数学模型正确合理，因此枣夹花生机推杆可以采用空间曲柄滑块机构。

3 枣夹花生样机试验

为验证枣夹花生机大枣上料和枣夹花生性能，采用枣夹花生实验样机分别进行2项试验，试验对象采用新疆灰枣（外形规格一致，品相一致）。试验1：测试5组，每组60颗，测试三轴自定心柔性辊上料大枣定心性能。试验2：取60颗已经去核成功大枣，120颗山东莱西产花生（外形规格一致，品相一致），1颗大枣装填2颗花生，测试推杆作用下花生上料性能和枣夹花生性能。2个试验均在同一测试条件下进行，实验样机见图8。

图8 枣夹花生实验样机Fig.8 Prototype for the simulation test of the jujube-clamping-peanuts machine

表1试验数据表明，5组平均上料数为56个，平均定位成功率约为94%，比采用上料辊有提升，但是成功率还是不高。三轴自定心柔性辊可以准确把大枣输送到定位模套中，但因柔性辊送枣驱动力不足，容易造成大枣送料到位不足，实际应用中可考虑改进柔性辊材质。

表1 枣夹花生机试验数据（一）Tab.1 Data of the simulation experiment using the jujube-clamping-peanuts machine（1）

表2试验数据表明，推杆作用下花生的定心上料成功率平均96%，能够满足使用要求，但是枣夹花生成功率为92%，相对较低。分析原因，已经炒熟的花生，受力容易分离成两瓣，造成无法装填，影响成品率，后续研究可考虑在花生瓣中添加蜂蜜，既能防止花生分离又能提高口感。

表2 枣夹花生机试验数据（二）Tab.2 Data of the simulation experiment using the jujube-clamping-peanuts machine（2）

4 结语

根据枣夹花生工艺设计一种基于单片机控制的轻便型枣夹花生机，每1.25 s可完成1次枣夹花生操作。枣夹花生机外形尺寸为280×300 mm，设计轻便，生产效率高。采用空间曲柄滑块机构传动、三轴自定心柔性辊上料，解决小空间传动机构干涉和上料成功率不高问题。样机试验表明，设备性能稳定，上料成功率94%以上，满足大枣和花生上料要求。可在类似需求的装备中推广应用。