机械毕业设计1072莲子剥壳机的设计Word文件下载.docx
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莲子为莲的副产品，也是我国的特产之一。
以生产莲子为主的莲，称子莲，我国湖南、江西、福建、浙江等省，均是闻名的子莲产区。
莲子大都以产地或其形状命名，大体分为湘莲、红莲、白莲、通心莲、壳莲等，而湖南湘潭、安乡等地出产的湘莲，江西鄱阳湖沿岸生产的大白莲，福建建阳、建宁生产的建莲，为全国三大名莲，在国内外享有盛誉。
中的“天厨”御宴、《红楼梦》中描写的贾府盛宴，均有“莲子肉”、“干蒸莲子”，而“莲子汤”则是最后的压席菜，尚有“无莲不成席”之势。
莲子除作为珍贵的滋补食品外，还是一付妙药。
在中医处方上，莲子通常称为莲肉、湘莲肉。
古人说，吃莲子能返老还童、长生不老。
这一点固不可信，但关于其在养心安神、健脑益智、消除疲劳等方面的药用价值，历代医药典籍多有记载。
比如在《神农本草》、《本草拾遗》、《本草纲目》、《本草备要》中都有据可查。
莲子是一种有较高食用和药用价值的特色农副产品，具有较高的经济价值，在中国尤其湖南、湖北产量比较大。
莲子中的钙、钾的含量比较高，每公斤莲子中含有蛋白质81.3克，脂肪9.8克，糖3.4克，钙436毫克，铁31.4毫克，还含有和多维生素，微量元素等物质。
除了对牙齿和骨骼有益外，还可以促进凝血，使酶活化，具有养心益肾、健脾止泻，治心悸、失眠、遗精、淋浊、久泻、虚痢、崩漏、白带的作用，主补中养神，益气力，除百病，久服轻身耐劳，不饥延年；
莲心性味苦、寒，可清心去热，清暑除烦，生津止渴，敛液止汗、清热养神。
具有平肝火、泻脾火、降肺火，治目红肿，高血压等作用；
荷叶具有生发元气，助脾胃、涩精液、散瘀血、消水肿、降血脂等功效，对高血压、心脏病[18]、肥胖症有治疗作用还有维持肌肉的伸缩性和心率等作用[19]。
莲子是我国人民喜爱的滋补食品，年加工量和出口量都是相当的巨大。
但大部分的都是通过手工进行去壳，这样算来，仅仅剥壳就要耗费很大的时间和财力，随着需求量的日益增加，就必须要有一个机械化的方法来代替人工来剥壳，提高生产效率。
最初剥壳是采用人工刀砍的方法，到手摇去壳机，在到现在的全自动剥壳机，日加工量在不断地提高，生产效率成倍增长，有效地推动的莲子产业的发展。
1.2国内外研究现状
随着人们生活水平的提高，莲子成为了一种不错的滋补食品。
我国的大部分地区都有出产，以湖南、湖北、江西较多。
但莲子的深加工领域还很落后，正是因为这样，所以我们要抓住这个机会来多开发些莲子的深加工方法。
从古至今，人们大都通过手工的方法或一些最简单的工具来剥莲子壳，相当的费时费力。
莲子剥壳机是个伟大的发明，是人们期待已久的一个设备，为以后莲子更好更快的加工带来了信心。
湘潭县花石镇是国内唯一具有规模的莲子集散加工中心，目前，莲子剥壳技术已日渐趋向成熟，生产效率大幅提高，有效地推动的湘莲加工产业的快速发展。
我国研究莲子剥壳机从20世纪60年代就已经开始，湖南省农机所率先于1981年开始对莲子剥壳机进行了试验研究，并于1983年6月鉴定且小批生产了6BR-1型莲子剥壳机。
与些同时，一些院校和科研单位也开始理论研究、实施试验、编写教程。
直到20世纪80年代，莲子剥壳机在我国还处于孕育期。
从20世纪90年代开始，许多单位研制了多种莲子剥壳机，型号达10多种，专利也有很多。
在发达国家，莲子的采收，剥壳等工序都已经实现了机械自动化[17]。
农业物料[15]是指农业生产和加工的对象，它包括植物和动物物料，以及它们为原料加工的半成品。
农业物料物理特性，是运用近代物理学理论、技术和方法，研究农业物料物理特性及各个物理因子和生物物料相互作用的一门边缘学科。
农业物料物理特性的研究成果可以作为研究和设计具有先进性能机器设备的原始依据。
国内外学者对农业物料物理特性开展了大量的研究工作。
袁巧霞、刘木华分别对银杏、鲜莲的外形尺寸、壳仁间隙、密度等物理参数进行了测试；
周祖锷、测定了杏核的物理特性；
等对不同品种的秋葵的物理性质进行了测试；
报道了松果的外形、尺寸、密度、空隙率、质量、摩擦力等物理参数。
农业物料的力学特性是设计收获、分级和加工系统的重要理论依据之一。
物料力学特性的研究国内外报道较多，其中李小昱对整个苹果进行了压缩破坏实验，王俊等对桃、梨的力学特性进行了实验研究，曹国荣采用有限元法对松籽壳在不同方向外载作用下的应力场、位移场及其随外载变化的规律进行了研究；
华南理工大学的王灵军等人通过有限元分析方法找出了银杏最佳的施力方向与施力方式。
发现了挤压位置对坚果破壳力的影响，研究了压缩破坏坚果壳所需要的力、变形和能量，测试了杏核和杏仁的力学特性，比较了压缩载荷下三种不同杏核的力学特性。
使用有限元和边界元方法研究了水果的坚实度。
探索了压缩载荷下坚果的破裂行为，华中农业大学研究生谢丽娟在对干壳莲子物理参数试验研究的基础上，应用商用有限元受力分析软件ANSYS对在各种施力状态下莲子的应力应变分布进行了仿真分析。
确定最佳脱壳的施力方式是沿莲子短轴方向加载均布线载荷，这时莲子的应力应变分布有一定方向性，有利于裂纹扩展，使莲子有效脱壳。
1.3剥壳原理
1.3.1挤压式莲子剥壳机
挤压式莲子剥壳机最早的模型为双辊式莲子剥壳设备。
设备中一辊为带有橡胶层的旋转圆柱体，另一与之相对转动的辊上带有三角形刀刃的多个盘形圆片组成。
使莲子通过两辊的中缝时，切开莲壳。
然而几经实验，莲子仅被刀刃划破了部分外壳。
由于在两辊之间的加工区较短，莲子不可能在其中滚上一两圈，因而使莲壳的切破率大大降低。
浙江大学的郑传祥教授，对于前人提出的挤压式莲子剥壳机原理进行了进一步的改进，从而在此基础上设计了一种更能适应生产实际的高效莲子剥壳机。
完善了挤压式的双辊技术。
利用高速刀具对莲子外壳进行切割、挤压使其脱壳，同时增加了脱壳切割的刀具数量，使其更适合机械化生产。
该机型可以将莲子按照其颗粒大小分类后进行脱壳，使莲子生产实现在机械化的道路上向前迈进了一大步。
1.3.2摩擦式莲子剥壳机
旋转圆桶式脱壳机是比较早期的摩擦式剥壳机，其在中部旋转轴上装有盘形刀片，外桶固定在机架上，其内壁上衬有适当厚度的橡胶层。
莲子进入后，随旋转轴的带动，在内壁与转轴的刀片中滚动，莲壳在橡胶层的衬垫下被转动的盘形刀片切破，然后从其夹缝中掉出。
但是由于被切破的莲壳均牢牢的粘附在莲肉上，为使莲壳与莲肉分离，还得专门设计一个搓壳机。
为了克服旋转圆桶式莲子脱壳机固有缺陷，在其基础上，6JD-400型莲子剥壳机设计成三个加工段——破壳段、搓壳段及软搓壳段。
每小时每台可加工70kg，脱壳率平均为75%以上，出莲肉完好率平均95%以上，且筛分率大于90%，莲子损害率小于4%以下，但每副刀片使用5-6班需重磨一次。
经生产实践表明，6JD-400型莲子剥壳机性能稳定可靠，自动化程度高，便于操作，清洁安全且经济效益比较显。
1.3.3撕搓式莲子剥壳机
代表机型以湖南省农机所研究的6BR-1型莲子剥壳机为例。
为了保证剥壳质量，提高功效和对不同形状莲子的适应性，该机采用了自动送料、自动定位和组合刀头等装置，其结构独特，且机子小巧轻便、使用方便、安全可靠，适于白莲、红莲、东瓜莲等多种莲子的剥壳作业。
该机采用一对刀头从一长径方向两端同时切入莲壳后再适当旋转一定角度，撕搓莲壳使其扭碎从而完成剥壳的方法，不仅脱壳率大为提高，而且破碎率仅在5%左右。
1.3.4冲击式莲子剥壳机
台湾嘉义大学与中兴大学的黄文禄、盛中德教授研发的莲子剥壳脱膜机子主要由供料机构、同向差速滚筒磨擦、拨杆及四只水刀喷嘴组成。
该机剥壳脱膜工作原理：
莲子在同向且具差速的滚筒间滚动，并在喷嘴高压喷头产生的水刀作用下破膜。
1.3.5切割式莲子剥壳机
在切割式莲子剥壳机的研制中，武汉工业学院机械工程系的张永林、易启伟等设计了一种基于辊刀切割原理的莲子剥壳机。
辊刀式莲子剥壳机采用供送螺杆对壳莲进行分粒供送并使莲子按照一致的位形排序上料，采用由双托辊和剥壳辊构成的剥壳通道实现莲子剥壳。
同时，为了适应不同品种，不同颗粒大小、形状莲子的剥壳，设计上采用了集总式的调节机构，以实现对主要的切割参数如切割深度、切割压力、偏置角度和螺旋辊刀空间斜置的调节。
通过基于物理样机的剥壳试验，多联辊刀式莲子剥壳机的处理量大于100kg/h，剥壳率大于90%，仁壳分离率达92%，籽仁破损率小于3%。
相对于其他剥壳机，多联辊刀式莲子剥壳机通用性较强，性能相对稳定，在设计上有所突破，同时调节维护相对于其他莲子剥壳机来说更方便快捷，基本能够满足莲子机械化剥壳的实用性需求。
1.4原有机构的缺点及发展趋势
我国幅员辽阔，各地区莲子的颗粒质量水平和大小存在较大差别。
且不同地区莲子的加工工艺也不尽相同，比如福建多采用鲜莲子加工，而湖南多采用干莲子加工。
鲜莲子和干莲子的差异性较大，干莲子外壳非常坚硬，壳仁之间间隙小，莲子抗压强度较高，而鲜莲皮较为松软，莲子抗压强度较低。
目前尚没有干鲜两用的莲子剥壳相关机械。
在目前已有的莲子剥壳机中，很多都是采用手摇驱动，或采用半手工半机械作业为主的加工方式。
虽然相对纯手工加工，很大程度上降低了生产成本，提高了生产效率，但是如果要实现大规模的加工生产，其生产效益和自动化水平还有待进一步的提高。
莲子仁的外膜和芯一样，均有苦味，在食用或者加工时都需要将其除去。
而当前市场上很多的剥壳机或者没有结合去膜功能，或者去膜成功率低，或者去膜的时候莲子破损率很高。
于是在去膜这道工艺上，为了减少莲子的损耗率，保持莲子完整的外观，仍然要耗费大量的人力。
由此滋生了个别黑心企业为降低成本，直接利用化学药剂进行莲子外膜脱落或者溶解的不法行为。
莲子剥壳机的技术发展方向大致为：
进一步提高可靠性和对不同莲子的适应性；
根据用户要求设计相应机械的生产能力；
更好的实现自动化，针对新技术研制新机型，提高机器的制造质量和可靠性；
进一步完善标准。
发展莲子剥壳机具有生产实际意义。
应结合我国国情，在分析莲子加工原理的基础上，设计自动化莲子剥壳设备，提高产量和剥壳质量，同时降低企业的生产成本，提高企业的效益，最终提升农产品竞争力。
有许多其他的机械设备都是研究人员对多种农作物料的物理机械特征进行了深入的研究，但相比之下对于干莲子特征的研究却比较少。
与之相应的，干莲子脱壳机械的研究不是建立在对于干莲子物理机械特性的研究基础之上，脱壳设备大多依据经验进行开发设计，导致在一定程度上降低了干莲子加工效率。
所以只有在干莲子物理机械特性的研究及脱壳设备开发的日益深入，才能在一定程度上解决干莲子的深加工严重滞后于市场需求，莲子脱壳以手工的脱壳方式才能淘汰，从根本上提高了干莲子加工的质量和效率，提高了干莲子的综合利用。
因此，为了解决我国干莲子加工技术落后的现状，更好的设计开发出高效干莲子脱壳设备，就必须全面的掌握干莲子的各种物理机械特性，为研制干莲子脱壳机构及脱壳设备提供基础理论依据。
要解决这些问题关键所在是，必须对剥壳机的关键技术与工作部件进行重点攻关，改革传统结构，优化结构设计，研究新的脱壳机理；
所以研究剥壳机的主要部件几何参数、工艺参数、等基础理论研究至关重要。
第二章系统总体方案确定
2.1设备布局
本莲子脱壳机采用上述原理中的切割式莲子剥壳。
机械结构如图所示，主要由莲子进料器、莲子切割剥壳系统、挤压通道、传动系统及支架等组成。
该机器设有八条通道，可以有效地提高莲子的加工效率。
原料莲子首先在外设的分选机内按直径大小进行分类,然后分类后的莲子进入莲子去芯机的料斗，料斗下方是特别设计的莲子下料机构和斜流槽，下料机构可以有效地控制莲子以一定的速率落下，能够有效地避免莲子落下过快导致莲子剥壳不干净。
然后在斜流槽上滚动进入剥壳系统，在剥壳系统中，通过莲子在与皮带上的滚动下来与刀具进行快速滚动，从而达到剥壳的目的。
刀锋高度为莲子壳厚度，保证刀具破壳但不伤到仁，每把刀具对着皮带的中间位置，莲子进入后首先莲子中间位置被切破，在随后与刀具，皮带之间被挤压，从而去壳，然后被皮带运送出剥壳装置，完成剥壳。
通过三维软件UG【5】得到的三维模型如下：
图2-1
2.2关键机构的设计
2.2.1.下料机构
莲子的尺寸在一定范围内变动，大小不一，这使不能让同时存在于切割机构内的莲子数量超过两颗，否则必然会导致一些莲子的莲壳无法被切破。
该机构主要用来实现莲子能有连续且一粒一粒的落下，能有效地解决这个问题，原理如下。
分级后的莲子通过料斗进入滚轮中的孔中，在电机的驱动下，滚轮匀速转动，转过一段弧度后，通过限流机构的下料孔落下，从而实现莲子的单个连续落下，落下速度可以通过滚轮的转速来控制。
2.2.2输送机构
该机构主要由皮带轮和皮带构成，皮带轮的粗糙度适宜。
在电机的带动下皮带轮旋转带动皮带传动，莲子从限流机构出来后通过斜流槽滚入皮带上，在进入切割机构。
2.2.3切割机构
该机构是多排排列在一起的平行刀片，用来切开莲子壳。
莲子在皮带轮的驱动下载皮带和刀具之间进行滚动运动，刀具在莲子上切割来达到去壳的目的。
剥壳机的刀架都是直接固定在机架上的，使得切壳刀刃到托住莲子的元件的表面的间距为一个定值，由于莲子的尺寸又是在一定范围内变动的，这就使得必须按莲子的短轴直径对莲子进行分级，不同级的莲子通过不同的剥壳通道到相应尺寸的剥壳单元进行莲壳切割，这样就增加了剥壳机的复杂性并且这样的设计把整仁率和莲子分级的级数联系起来了，要提高整仁率就必须增加莲子分级数，因为如果莲子分级数不够，同级的莲子尺寸变动范围依就很大，那么短轴直径较大的莲子依就可能被切壳刀切破莲仁，造成莲仁破坏。
考虑到这个因素，本机设有八条通道，每条通道上的刀具与皮带之间的距离不一样，分八个级数。
这样可以有效地避免莲子仁被破坏也可以提高生产效率。
2.2.4传动机构
该莲子去芯机采用电动机提供动力，主要由齿轮传动，皮带传动。
第三章莲子剥壳机的详细设计
我国的科研人员在几十年间已经陆续开发出各种剥壳方式的莲子剥壳机，但到现在为止莲子剥壳任然存在剥壳率低、破碎率高、莲仁表面质量差的问题，严重制约着整个莲子加工产业的发展，尤其是莲仁表面质量差的问题严重影响了莲子产品的外观质量和莲子产业的经济效益。
本章旨在设计出一种新的莲子剥壳方案，能够达到更高的剥壳要求。
3.1莲子外形特性实验研究
3.1.1莲子三维尺寸
从实验样本中随机选出100颗莲子，用游标卡尺测量每个莲子的长径长度和和短径直径，测量多次取平均值，得到如下数据。
表3-1莲子三围尺寸
纵径分布范围mm
粒数百分比%
平均中径分布范围mm
<
15mm
[11.0,11.5）
3
[15.0,15.5）
12
[11.5,12.0）
4
[15.5,16.0）
36
[12.0,12.5）
28
[16.0,16.5）
[12.5,13.0）
46
[16.5,17.0）
[13.0,13.5）
16
[17.0,17.5）
>
13.5
均值
16.03
12.43
标准差
0.15
0.53
莲子的长度分布范围在15.00mm~17.48之间，极差为1.98mm。
由上表可知，莲子直径分布在15.00~17.00mm之间的居多。
平均中径分布在11.18~13.47mm之间，极差为2.56mm，其中分布在11.50~13.50mm之间的居多。
尺寸均匀，分布比较集中。
通过对莲子三维尺寸的分析，限流机构中滚轮孔的尺寸确定D=16.00mm,B=15.00mm。
3.1.2壳厚与壳仁间隙
用游标卡尺分别测量8粒莲子的短轴直径，测量多次取平均值，再将莲子剥壳后分别测量莲仁的短轴直径和莲壳的厚度，则得到了壳厚与壳仁间隙。
L=0.5（D-D1-2d）
式中L：
莲子壳仁间隙
D：
莲子短轴平均直径
D1：
莲仁短轴平均直径
d：
莲子壳厚度
通过上述测得的数据的到如下的表格：
表3-2莲子壳厚及壳仁间隙
编号
莲子短轴直径mm
莲仁短轴直径mm
壳厚mm
壳仁间隙mm
1
13.12
11.30
0.56
0.35
2
14.28
12.48
0.62
0.28
13.94
12.2
0.60
0.27
14.98
13.08
0.66
0.29
5
15.22
13.36
0.68
0.25
6
15.18
13.24
0.70
7
14.12
12.32
8
15.38
13.38
0.32
9
14.78
13.04
10
15.64
13.56
0.72
壳厚平均值：
0.65mm
壳仁间隙平均值：
0.29mm
由测量的结果可得，莲子壳的平均厚度为0.65mm，壳仁平均间隙为0.29mm。
3.1.3百粒重
选定100颗干壳莲子、100颗莲仁和100个莲壳利用电子秤进行称重，称重结果如下所示：
表3-3莲子百粒重
项目
质量/g
数目/粒
平均质量/g
莲子
146.24
100
1.46
莲仁
102.32
1.02
半莲壳
21.16
0.21
由上表可知，莲子的百粒重为146.24g，莲仁的百粒重为102.32g，一百粒莲壳（半个）质量为21.16g。
莲子的平均质量略大于莲仁，莲子和莲仁的平均质量远大于莲壳。
3.1.4莲壳含水率
将莲子采摘以后晾干，这样含水率下降，就成为了干莲子，随着含水率的下降，莲仁和莲壳的细胞组织机构发生了变化，其硬度和抗压强度等机械特性都发生了变化。
为了找出莲壳机械特性与含水率的关系，本节将对莲壳的含水率进行测定。
莲壳材质为纤维，和木材的相近，故采用称量测定连科的含水率【16】。
准备三个干净的容器，将一定质量的样本分别放入容器中，再将容器加盖并用电子天平称重，记录总质量。
然后将装有样本的容器分别放入103±
2℃的电烤箱中加热，每烘烤二到四小时后取出，干燥后分别称其质量，当前后两次质量差≤2mg时，认为该样本质量恒定了。
样本含水率表达式为：
X=（m1—m2）/（m2—m3）×
100%
式中X：
样本含水率；
m1：
干燥前容器和样本的质量；
m2：
干燥后容器和样本的质量；
M3：
容器的质量。
莲壳含水率测试结果如下表所示。
由测量结果可知，莲子平均含水率约为12.1%
表3-4莲子平均含水率
组别
含水率/%（d.b）
12.118
12.116
12.120
3.2莲子物理性能的测定
3.2.1莲壳抗压强度
莲壳的抗压强度是指在剥壳过程中莲壳在滚刀压力作用下破裂时的最大压力。
在高科的过程中，莲壳的抗压强度大小决定着能将莲子剥开的压力大小，关系到莲子的剥壳效果。
为了分析莲子剥壳所需要的压力，将对莲壳的抗压强度进行测定。
莲壳材质近似于木材，这里参考木材的抗压强度的测定方法对莲壳抗压强度进行测定。
将莲壳剪成3×
3mm的小块，放在测力仪上面，用尖端磨成一个小平面的压杆对样本进行均匀加载，在2~10s内使样本破坏时的载荷大小。
压杆尖端面积通过20×
20mm的面积试纸测定结果约为1平方毫米，则莲壳的抗压强度公式如下：
式中
：
莲壳抗压强度
P：
加压的最大载荷
A：
顶杆尖端面积
表3-5
含水率/%（b.d）
12.1
17.3
20.7
将莲壳样本分为三组，其中第一，二组分别进行不同时间长短的加湿处理，第三组不作处理。
加湿处理的一，二组选一部分出来按照前面莲壳含水率的测定方法测定其含水率（其结果如上表所示），另外一部分和第三组一起在测力仪上进行莲壳抗压强度的测定。
莲壳抗压强度测定结果如图和表所示。
由实验结果可知，莲壳抗压强度随莲壳含水率的增大而减小，干莲子的莲壳的抗压强度近似为178MPa。
图3-1莲壳加载载荷-时间曲线
莲壳抗压强度测定结果：
表3-6莲壳抗压强度
压力
P/N
压杆面积
A/mm
抗压强度
/MPa
平均抗压强度
/MP
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