基于SolidWorks的新型板栗脱蓬机设计

徐小伟， 范 豪

(桂林理工大学南宁分校，广西 南宁 530001)

板栗，别名毛栗、栗子，富含丰富的维生素、胡萝卜素及脂肪、蛋白质等，口感香糯，素有“铁杆庄家”“木本粮食”之美称。板栗种植具有悠久的历史，因其营养价值极高，在我国得到了广泛的种植，发展板栗种植、板栗脱蓬加工相关产业，对于在乡村振兴背景下，调整农村农业结构、发展农村农业经济、提高农民收入具有重要意义[1，2]。

近几年，板栗产业迅猛发展，产量大，增速快，对板栗采摘后的脱蓬、生产加工需求也日益增多。有不少学者针对板栗脱蓬过程做了研究，安徽农业大学曹成茂[3]等针对七八成熟的板栗在使用剥苞机时脱尽率低、损伤率高、只能用手工剥蓬的问题，设计了一款柔性揉搓式板栗剥苞机。该机的剥苞室主要由柔性揉搓板和柔性栅栏这两部分组成，带蓬板栗从入料口进入剥苞室内，在柔性揉搓板和柔性栅栏之间被反复摩擦，使得板栗的果肉与蓬壳有效地分离，且果肉的损伤率大大降低。山东省泰安市农业机械科学研究所吴修文[4]等为解决市场上板栗脱蓬机脱蓬率不高、分离不完全的问题，研究并设计一种板栗脱蓬机，该机的特点是在入料口和壳体之间加装了喷淋装置，使板栗在脱蓬前表面湿润变软，有利于脱蓬。北京市怀柔区农机具研究所孙继臣[5]等为解决手工板栗脱蓬的生产率低、作业劳动强度大的弊端，研究设计了一种板栗脱蓬机，该机通过一对相向运动的辊轮挤压带栗蓬的板栗，致使栗蓬脱离板栗表面，然后通过抖动使蓬皮和栗果分离。河南农业大学赵汉雨等利用3层振动筛网设计出了可以实现栗果与果蓬分离、具有栗果分级功能的板栗脱蓬机，完善了国内板栗脱蓬机的功能。安徽信息工程学院黄自成[6]在他所设计的板栗脱蓬机脱蓬箱内水平放置两个固定有破碎刀的转动辊子，解决了需人工将板栗从栗蓬中分拣出来的问题，有效地降低了劳动者的工作强度，提升了板栗脱蓬的效率。

但由于以上研究的板栗脱蓬机不能完全满足高产能的加工需求，主要是以家用为主的中小型板栗脱蓬机，同时现存板栗脱蓬机入料口距地面较高，人工上料费时费力，且上料时喂料量不均，过多时易发生堵塞，进而会产生板栗果或蓬飞溅出来的问题，对工人造成伤害。因此，研究新型板栗脱蓬机以满足板栗脱篷的高产能需求，利用集约化生产的优势，降低劳动强度，使用安全可靠，节约农民加工板栗的成本，进而推动乡村振兴。

针对以上问题的解决，需要进一步改进板栗脱蓬机脱蓬机构的设计。脱蓬机构是板栗脱蓬机的关键部件，不仅要保证结构合理，还要具备较高的机械强度，以满足长时间运行和脱净率高的要求，实现劳动强度低的上料方式，需完成筛分机构的设计，以达到较高的板栗果、蓬分离洁净度。

1 整机设计及工作原理

1.1 整机设计

本板栗脱蓬机主要针对现代农业生产合作社集约化加工需求，要求板栗加工效率高(产量在1 000～1 600 kg/h)，结构简单，工作平稳性高，且在保证毛壳去除干净的前提下不破坏板栗的完整性。该机器由动力部分、传动系统、上料机构、脱蓬机构、筛分机构等组成，板栗脱蓬机整机结构示意图如图1所示。

图1 板栗脱蓬机整机结构示意图1.风机；2.筛分机构；3.脱蓬机构；4.上料机构；5.料斗；6.机架；7.传动系统；8.动力部分

1.2 工作原理

该机器工作时，带蓬板栗经上料机构输送到脱蓬装置的入料口，并进入到脱蓬机构中，带蓬板栗经过辊筒与带漏栅的箱座相互挤压和柔性击打的双重作用，实现了板栗果、蓬的一次分离。分离后的板栗与蓬壳在重力作用下，经过栅辊间隙落入筛分机构中，在由往复运动的连杆机构带动筛分机构的振动与风机的双重作用下实现板栗果、蓬的二次分离，脱蓬板栗经出料口掉入收集装置中，蓬壳可掉落地面，最终实现板栗果、蓬的分离作业。

2 重要部件的选型与设计

2.1 电机选型

电机是板栗脱蓬机的动力来源，选择合适的电机是保证脱蓬机正常工作的前提。该机为一般农用机械，启动转矩不大，且无调速要求，因此选择结构简单、运行可靠、维护方便的鼠笼型三相异步电机。

通过计算板栗脱蓬过程中所需转矩，进而计算出脱蓬机构所需功率为3.26 kW，综合考虑筛分机构、风机及各环节传动效率等因素，最终选择额定功率为4 kW的三相异步电机，电机型号是Y-112M-4。

2.2 脱蓬机构设计

脱蓬机构主要由辊筒、箱盖、带漏栅的箱座组成，其结构如图2、图3所示，其中辊筒是板栗脱蓬机构的核心部件，其结构直接影响板栗脱蓬的质量。

图2 辊筒结构示意图

图3 箱体结构示意图

辊筒主要包括辊齿、辊体、内部支撑板，通过对带蓬板栗样本的尺寸、板栗蓬厚度统计分析，以及板栗脱蓬受力计算分析，设计出辊体直径438 mm、长度800 mm的内部中空的圆柱体；考虑该板栗脱蓬机产量需求和辊体性能，在辊体内部设置金属支撑板，以提升辊体的强度；为获得良好的脱蓬效率，辊体上的辊齿采用5列螺旋式布置，每列辊齿间距定为70 mm，为使得带蓬板栗在脱蓬机构内获得充分的剥蓬时间，相邻两列辊齿端部首齿之间以10 mm的距离错开。为减小板栗脱蓬过程中对板栗的损伤，辊齿端部采用半圆形结构且在每个辊齿表面套上一层厚度为3 mm的软质橡胶套[7]。

箱体与辊筒共同构成脱蓬机构，其中箱盖上开设进料口，箱座底部安装漏栅，漏栅由栅杆焊接而成，为更好地使板栗在脱蓬机构内转动，金属杆采用螺纹钢，栅杆间距在d/3～D[8]，其间距为45 mm，同时为了保证板栗脱蓬更加充分，滚筒上的辊齿顶部与漏栅栅杆之间的间距与板栗直径比在0.55～0.77∶1之间，间距为50 mm，其中带蓬板栗模型图如图4所示。

图4 带蓬板栗模型图

2.3 筛分机构设计

筛分机构置于脱蓬机构的正下方用于脱蓬后果、蓬的二次分离，其主要由连杆机构、筛网、轴、带座轴承和导向轮等零部件组成。其连杆运动示意图如图5所示。

图5 曲柄连杆机构运动示意图1.曲柄；2.连杆；3.筛网；4.筛网左极限位置；5.筛网右极限位置

曲柄在轴的带动下绕着轴心做匀速圆周运动，通过连杆连接筛网并带动筛网做往复运动。

当曲柄和连杆共线时，筛网在极限位置，两极限位置相距：

S1=L1+L2-(L2-L1)=80 mm

(1)

式中：L1为曲柄长度，40 mm；L2为连杆长度，80 mm。

筛网以4 Hz的频率振动，则筛网在斜面上的平均运动速度为：

v1=S1f1=320 mm/s

(2)

筛网分为上下两层，上层为矩形金属网，下层为金属板。脱蓬后为更好地将果、蓬分离，将网孔大小定为边长为48 mm的矩形，且筛网与水平面之间有5°的倾角。在筛网的两侧设计了由4个带螺栓轴承构成的筛网支撑件，负责支撑筛网和为筛网导向。同时在筛网下部设置一台风机，当脱蓬后的果、蓬运动到出料口时，部分还未被完全分离的细碎板栗蓬会被风机吹走，进而实现二次分离。筛网的结构示意图如图6所示。

图6 筛网结构简图

2.4 传动系统设计

传动系统主要有由V带轮、V带和三相异步电机等零部件共同组成，其传动系统的简图如图7所示。

图7 传动系统1.风机带轮；2.辊筒带轮；3.振动筛带轮；4.V带；5.电机带轮

通过对V带传动的设计计算，确定了各传动对象间的V带传动参数，其参数表如表1所示。

表1 各V带传动参数表

2.5 上料机构设计

要满足长时间进行板栗脱蓬，改变解决人工上料劳动强度大的问题，避免传统人工上料过程中由于板栗蓬破碎后飞溅出来造成的伤害，参考农用机械带式输送机的结构，设计出能够满足自动上料、长时间加工的上料机构，该机构结构示意图如图8所示。

图8 上料机构结构示意图1.传动辊筒；2.料斗；3.输送带；4.从动滚筒；5.菱形带座轴承；6.张紧机构；7.托辊挡板；8.托辊；9.上料装置机架；10.支撑座；11.压带轮；12.凸缘连轴器；13.减速电机

上料机构由水平部分和倾斜部分组成，为使上料机构能够平稳运送带蓬板栗到达脱蓬装置的入料口，倾角不宜过大，考虑到整机尺寸，将上料装置倾斜部分与地面的倾角定为20°[9]。机架采用无缝方管，用24根托辊支撑输送带，料斗底部与输送带的距离设计为150 mm，使带蓬板栗在输送带上堆砌的高度最高为两层。为方便托辊的拆装，在上料机的一侧用螺栓固定与托辊等数量的托辊挡板。长时间使用的输送带因受拉而变长，因此在上料装置上设计了一个张紧机构。输送带选用PVC材质，宽度为890 mm、总长为14 201.68 mm，表面等间距地分布有14块方形挡板。通过对输送带进行受力分析，计算出输送带的截面应力为1.1 MPa，远小于PVC材料的抗拉强度60 MPa。

3 基于Solidworks有限元分析的重要零部件校核和运动分析

3.1 辊筒强度校核

由于辊筒是脱蓬机构的核心部件，也是整个机器受力较多、较复杂的部件，故对辊筒进行强度校核。基于Solidworks建模设计，利用该软件中的“Solidworks Simulation”插件按顺序对辊筒三维模型进行固定，施加外部载荷，网格化。

首先为模型指定材料，材料选用45钢，有限元分析用的45钢的属性如表2所示。

表2 45钢材料主要属性表

点击网格进行网格化，网格密度滑块移动到最右边(良好)，其他默认。划分网格后的三维图如图9所示。

图9 辊筒三维模型网格化示意图

经软件运算后得到辊筒的应力云图(图10)，应变云图(图11)和位移云图(图12)。

图10 辊筒应力云图

图11 辊筒的应变云图

图12 辊筒的位移云图

通过图10、图11、图12分析可知，辊筒的最大应力和最大应变集中在辊筒轴端部支撑处，最大应力值为24.55 MPa，小于材料的屈服力，最大应变值为7.018×10-5，辊筒最大位移发生辊筒中部的辊齿端部，位移量为1.079×10-2mm，表明脱蓬机在脱蓬过程中由于轴端处受到的应力和应变较大，导致辊筒发生径向偏移。由于所受应力和应变值及辊筒位移量均在允许范围内，因此满足设计要求。

3.2 基于Solidworks的振动筛网曲柄连杆机构运动仿真分析

振动筛网曲柄连杆机构的三维装配体模型如图13所示。

图13 振动筛网曲柄连杆机构的三维装配体模型图1.连杆机构连接座；2.连杆座；3.连杆；4.曲柄；5.连杆轴；6.立式带座轴承；7.筛网；8.筛网支撑滚动轴承

电机通过带轮将动力传递给曲柄连杆机构，在连杆轴上安装马达，电机的转速设置为240 r/min。该机构整体受到引力的作用，因此给算例添加一个垂直于机架上表面的引力，引力加速度默认为9.8 N/m2。通过估算可知筛网上栗蓬和栗果的总质量约为15.4 kg，因此在筛网表面施加一个约154 N的力，方向与引力同向。通过施加条件且运算后得到的筛网水平线性速度、加速度、曲柄角加速度运动图解如图14、图15、图16所示。

图14 筛网水平线性速度图解

图15 筛网水平线性加速度图解

图16 曲柄角加速度图解

通过分析图14、图15、图16可知，筛网能够在电机带动下做周期性往复运动，且运动过程中不存在干涉现象，但从图15、图16加速度变化中可以看出，曲柄连杆机构在运动过程中存在一定冲击，故需要增强曲柄连杆机构中曲柄和运动副强度。

4 结论

本文设计的新型板栗脱蓬机与市面上在售的相比较，其整体尺寸更大，辊筒与箱体间的空间要更多，一次性可对更多的带蓬板栗进行脱蓬，因此能适用于高产能加工，上料机构料斗距地面较低，方便工人给料。输送带匀速运动，喂料均匀，不易发生堵塞，试验过程中发现，该机器对九成熟板栗脱蓬效率和脱净率更高，可满足生产合作社和大型加工厂板栗脱蓬的需求，并能够利用集约化生产的优势，节约农民加工板栗的成本，推动乡村振兴。