论文部分内容阅读
荔枝果肉机械剥出技术是解决我国当前荔枝产业发展问题的核心技术之一,现有的荔枝果肉剥出装置普遍存在功能单一、设备落后、适应性差、设计方法不合理等问题,其根本原因是荔枝果肉结构在去核、剥壳过程中被严重破坏,无法适应后续深加工需求。为实现机械方式剥取荔枝灯笼状果肉,本研究采用基础试验与理论分析相结合,物理样机设计与虚拟设计技术相结合的方法,试验测定了荔枝的基础物理特性、力学特性和摩擦特性参数;研究了荔枝整果及果皮、果肉、果核在压缩、拉伸载荷作用下的力学性能;以一套机构同时完成定向、去核、剥壳工序为设计目标,深入分析了荔枝果肉机械剥出的机理;采用虚拟样机设计和物理样机设计技术相结合的方法,开发出了荔枝果肉剥出装置;建立荔枝定向、去核、剥壳效果评价指标,对装置各组成机构的关键结构、运动参数进行了单因素试验和正交优化试验;加工制作出了物理样机并初步确定机构的工作参数,为开发可商业化的产品提供了基础数据和设计、分析的方法。
主要研究成果如下:
1.基础物理特性试验。以黑叶、桂味、白腊、妃子笑四品种为测定对象,测定结果表明各品种荔枝果壳厚度分布在1～2mm间,同品种果壳厚度相近;整果的纵径、横径和棱径比的统计值为1.06:1.04:1,果核长径、宽径和高径比的统计值为1.75:1.08:1;整果质量分布相对集中在20～25g,而果核的质量离散分布在0.5～3.5g之间,小核相对偏多;测定成熟荔枝整果及各组成部分含水率的分布规律,不同品种间的差异性不明显,最大差异在1.42～4.78％,但果皮、果肉、果核间的含水率差异较大,最大差异在25.54～28.20％。研究发现各品种荔枝果核并不是完全生长在荔枝果的对称轴线上,而是与中心对称轴方向呈现5.95°～12.3°的夹角。试验测得荔枝蒂部连接组织厚度在6.57～6.77mm之间,直径在7.13～7.28mm之间。
2.力学特性试验。试验测得不同品种荔枝不同方向压缩时的弹性模量、泊松比、最大破裂力、及破裂时的变形,荔枝整果弹性模量平均值在0.83～1.36MPa,泊松比在0.21～0.41,最大破裂力在44.93～75.52N,破裂变形在6.51～9.43mm;果核弹性模量平均值在16.63～17.07MPa,最大破裂力在100.52～118.13N,破裂变形在16.63～17.07mm;剥壳带核荔枝弹性模量平均值在0.31～0.33MPa,最大破裂力在13.21～17.55N,破裂变形在7.52～8.38mm;去核带壳荔枝最大破裂力在12.85～20.73N,破裂变形在6.64～10.26mm。试验测得不同品种荔枝果壳沿不同方向拉伸时的最大拉力在6.34～11.35N,变形在1.52～3.41mm,破裂强度在5.14～12.42 Mpa,纵径和横径方向基本相同。试验测得果壳与橡胶板之间的静摩擦系数在0.8202～0.8683之间,不同品种的荔枝在不同取样方向上存在差异,横径方向大于纵径方向,黑叶品种大于白蜡和桂味。试验测得荔枝果壳与尼龙板之间的滑动摩擦系数在0.4115～0.4740之间,果壳与橡胶板之间的滑动摩擦系数在0.5834～0.7020之间,测得荔枝果肉与橡胶板滑动摩擦系数在0.131～194之间,远小于果壳。
3.在深入分析荔枝物理机械特性的基础上,提出了定向喂料--去核--剥壳的合理加工工艺流程。具体包括:采用一对同向转动的尼龙辊,实现了对单个荔枝的定向喂料;采用齿形圆筒尼龙刀实现对荔枝的蒂部去核;采用三辊柔性橡胶剥壳机构,实现对去核后荔枝的柔性剥壳,在机构优化设计的过程中,建立了果肉损伤评价方法与标准。
4.对影响去核效果的刀具结构参数和机构的运动参数进行单因素试验和正交优化试验,获得各因素与去核效果评价指标之间的关系曲线。结果表明:刀管内径、进刀深度、刀轴转速对去核效果影响显著,在刀管内径为10m,进刀深度为2mm,刀轴转速为12r/min时,对桂味品种荔枝去核效果最佳。
5.对影响剥壳效果的剥壳辊与压辊的转速比、主轴转速、剥壳辊倾角、剥壳辊与压辊间隙因素进行单因素剥壳试验和正交优化试验,获得各因素与剥壳效果评价指标之间的关系曲线。结果表明在进料口间距为16mm,出料口间距为20mm,剥壳辊倾角为0°,主轴转速为15r/min时,对怀枝品种荔枝剥壳效果最佳。
6.测定荔枝去核、剥壳机构在不同工况下的能耗,结果表明:不同品种荔枝去核所需要的最大扭矩不同,转速越高,去核扭矩越大;试验测得荔枝去核机构最大功耗为0.026kW,剥壳机构最大功耗不超过0.011kw。
7.制造出了荔枝去核剥壳机,实现了采用一套机构,同时完成定向、取核、剥壳全部过程。运用Pro/E软件构建了虚拟样机模型,并对模型及关键部件进行了运动仿真和动态分析,论证了整机结构设计的合理性及安全、可靠性。初步确定了样机的工作参数,作业效率、配套动力,实现了多列、单粒、连续作业的生产要求。