手摇式莲子剥壳机设计.docx

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手摇式莲子剥壳机设计

JIANGXIAGRICULTURALUNIVERSITY

本科毕业论文（设计）

题目：

莲子剥壳机设计

学院：

姓名：

学号：

专业：

年级：

指导教师

二0一四年五月

摘要

针对我国现有莲子剥壳机存在效率低、破碎率高、通用性和运行稳定性差等现状，根据莲子结构特点和莲壳特性，设计了一种轻便、灵活的莲子剥壳机。

如今我国各地方生产莲子以小户莲农居多，一个熟练的莲农，采用传统的莲子割壳方法，从早到晚可割壳莲5Kg。

这种既费体力，又费时间的方法使得许多莲农很是犯愁，考虑到莲农的经济情况和生活情况，我设计了这款利于广大莲农的剥壳机。

该机采用了具有弹性的导向凹槽和带专用刀片的活动刀板，对莲子的割壳可达到无碎子、不伤果肉的效果，效率高，而且结构简单，使用方便，造价低，易于推广，可满足相关的生产需要。

关键词：

莲子；剥壳机；设计

Abstract

Aimingatthelowefficiency,highcrushingrate,versatilityandlowstabilityinourexistinglotusseedsheller,accordingtothestructuralcharacteristicsandpropertiesoflotuslotusshell,alightweight,flexiblelotusseedshellerdesign.

如今我国各地方生产莲子以小户莲农居多，一个熟练的莲农，采用传统的莲子割壳方法，从早到晚可割壳莲5Kg。

这种既费体力，又费时间的方法使得许多莲农很是犯愁，考虑到莲农的经济情况和生活情况，我设计了这款利于广大莲农的剥壳机。

Nowtheproductionofourcountryeachdistricttosmalllotusliannongmajority,askilledliannong,usingthetraditionallotusseedcutshellmethod,frommorningtonightcancutshelllotus5Kg.Thisisexhausting,methodandtimeconsumingsomanyliannongisveryanxious,takingintoaccounttheeconomicsituationandlivingconditionsliannong,Idesignedthistothevastliannongsheller.

该机采用了具有弹性的导向凹槽和带专用刀片的活动刀板，对莲子的割壳可达到无碎子、不伤果肉的效果，效率高，而且结构简单，使用方便，造价低，易于推广，可满足相关的生产需要。

Thismachineadoptstheguidegroovewithelasticandmovablecuttingboardwithspecialblade,tocutlotusseedcanbeachievedwithoutbreaking,nottohurttheflesheffect,highefficiency,andhastheadvantagesofsimplestructure,convenientuse,lowcost,easypopularization,andcanmeettheneedofproductionrelated.

Keywords:

lotusseedshellingmachine;design

目录

第一章绪论………………………………………………………………1

1.1莲子剥壳传统工艺方法…………………………………………….…1

1.2莲子剥壳机械加工方法及现状…………………………………………….1

1.3设计任务及要求……………………………………………………….........3

第二章莲子剥壳机总体设计………………………………………………3

2.1莲子几何特征及其力学特性……………………………………………....3

2.2剥壳机的机架材质选取……………………….……………………….…4

2.3剥壳机的基本结构设计………………………………………….…………5

2.4剥壳机的工作原理………………………………………….………………6

第3章莲子剥壳机工作部件设计…………………………………………63.1进给料斗的设计……………………………………………………………6

3.2轮盘的结构设计…………………………………………………………….7

3.3传动轴的设计……………………………………………………………….8

3.3.1轴的材料选取………………………………………………………9

3.3.2轴的最小径计算……………………………………………………9

3.3.3轴径与轴长…………………………………………………………9

3.3.4轴的强度校核………………………………………………………9

3.4导向凹槽的设计………………………………………………………..10

3.5切割组件的结构设计……………………………………………………11

3.5.1刀架板的结构设计………………………………………………11

3.5.2弹簧的选取…………………………………………………………12

3.5.3切割刀片的选取设计………………………………………………13

第四章设计总结…………………………………………………………14

4.1结论综述………………………………………………………………....14

4.2存在的不足…………………………………………………………….…14

4.3莲子剥壳机的技术发展趋势…………………………………………….15

参考文献……………………………………………………………………………..17

致谢…………………………………………………………………………………18

第一章绪论

1.1莲子剥壳传统工艺方法

莲子按加工方法可分为硬壳莲加工成肉莲和鲜莲加工成通心白莲两种。

（1）硬壳莲手工加工方法：

①用一把镰刀和一个直径20-25cm高30-40cm的木墩，手捏壳莲的一端，用镰刀在2/5处割2-3刀一撇，掉头仍在2/5出用同样的方法割一刀，最后将剩下壳环带，割一刀一撇，即完成一颗壳莲的加工。

一个熟练的劳动者，从早到晚可砍壳莲5Kg。

这种加工方法原在湖北、湖南省普遍应用。

②用三把小尖刀装在一个圆钢管内，刃口形成锥体空间，在壳莲两端，用小刀片先挤切，后扭剥脱壳，这种加工方法在湖南和湖北省荆州地区多用。

③广东省中山县为港商加工泰国硬壳莲是将壳莲的一端放在一个特制的螺母上，用一个皮带冲子一敲，挤切剥壳。

④上海市外贸在江苏一个加工站是用一把特制剪刀，剪切剥壳。

（2）通心白莲手工加工方法：

将鲜莲外壳用小刀切开剥壳，用手搓去表内皮，再用φ1.5mm钢针通心，当天晒干，遇阴天用木炭烘干,即成通心白莲。

1.2莲子剥壳机械加工方法及现状

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，申报的有关专利有51项。

按照剥壳机的剥壳原理，归纳起来主要有以下几种形式。

1.2.1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。

1.2.2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著。

1.2.3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。

1.2.4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。

1.2.5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。

1.3设计任务及要求

1.设计一台莲子剥壳机，能对鲜莲子外壳进行连续的、无损的有效切割。

2.熟悉莲壳的切割原理，以及对剥壳机的传动部件和切割部件详细说明。

3.提交CAD零件图、装配图，PROE零件图、装配图，及设计说明书。

第2章莲子剥壳机总体设计

2.1莲子几何特征及其力学特性

莲子为小坚果。

呈椭圆形、卵形或卵圆形，千粒重1100-1400克，幼果期果皮绿色，革质，后由绿转褐色，成熟时呈棕褐色、灰褐色和黑褐色。

有细纵纹和较宽的脉纹。

一端中心呈乳头状突起，深棕色，多有裂口，其周边略下陷。

质硬，种皮薄，不易剥离。

子叶2，黄白色，肥厚，中有空隙，具绿色莲子心。

无臭，味甘、微涩。

莲子形状较规则，颗粒较为均匀，外形呈椭圆形。

通过对江西广昌县太空莲的测定，莲子长轴直径在19～25mm，短轴直径在15～19mm，壳厚在0.7～1.0mm，其中以短径为18mm、长径22mm、壳厚在0.9mm左右的莲子数量最多，占90%以上。

莲子的莲壳和莲衣、莲仁有一定的间隙，莲子壳的皮层外表1/3较坚韧、其余2/3较脆，脱壳时只需将坚韧部分切开，其余部分经适当挤压就会自然裂开，因此实现莲子机械化剥壳时，可在莲子短径最大处进行环切，切割深度为莲壳厚度的1/3，被切割的莲子经适当的挤压和搓滚以实现莲壳与莲仁的完全分离。

其结构如图1所示。

图1莲子长、短径示意

Figure1lotuslong,shortdiameter

2.2剥壳机的机架材质选取

在剥壳机的机架设计中，应考虑到机体本身重量和材料价格等方面的问题。

在设计之初，曾考虑到用钢材制作机架，但是这会使得机体显得笨重，我设计的剥壳机追求的是轻便灵活，能让莲农们携带方便，随时随地都能使用，经过网上的查阅和老师的指导，我决定使用木材来制作机架。

木材的种类比较繁多，通过相关查阅，选取了十种木材来作对比，如表1所示：

表1木材种类及特性

Table1woodspeciesandcharacteristics

木材种类

木材特性

红松

材质轻软，强度适中，干燥性好，耐水、耐腐，加工、涂饰、着色、胶结性好。

白松

材质轻软，富有弹性，结构细致均匀，干燥性好，耐水、耐腐，加工、涂饰、着色胶结性好。

桦木

材质略重硬，结构细，强度大，加工性、涂饰、胶合性好。

泡桐

材质甚轻软，结构粗，干燥性好，不变形，不翘裂。

椴木

材质略轻软，结构略细，有丝绢光泽，不易开裂，加工、涂饰、着色、胶结性好。

不耐腐、干燥时稍有翘曲。

榆木

花纹美丽，结构粗，加工性、涂饰、胶合性好，干燥性差，易开裂翘曲。

柞木

材质坚硬，结构粗，强度高，加工困难，着色、涂饰性好，胶合性差，易干燥，易开裂。

榉木

材质坚硬，纹理直，结构细、耐磨有光泽干燥时不易变形，加工、涂饰、胶合性较好。

枫木

重量适中，结构细，加工容易，切削面光滑，涂饰、胶合性较好，干燥时有翘曲现象。

樟木

重量适中，结构细，有香气，干燥时不易变形，加工、涂饰、胶合性较好。

经过对木材结构特性和材料价格的对比，这十种木材中比较符合制造要求的是泡桐木。

泡桐木材质轻软，便于加工；干燥性好，不易变形，符合制造要求；而且价格适中，经济实用。

2.3剥壳机的基本结构设计

根据莲子的结构特性以及力学性能，本次设计的剥壳机大体思路是由料斗

（1），轮盘

（2），导向凹槽（3），刀架（4），出料口（5），机架（6）等所组成。

其特征是：

在轮盘的轮柱面上开有椭圆弧凹槽与导向凹槽相对应，导向凹槽为椭圆弧弹性凹槽，在导向凹槽的出口处设置一个刀架和轮盘的凹槽相对应，导向凹槽的凹槽面为弹性橡胶，刀架通过定位栓在定位孔中连接切割刀片，刀架由选好的弹簧连接在机架上，切割刀片的刀刃部分相对轮盘的圆心形成一段圆渐开线连接一段圆弧。

刀架的右面连接出料口，方便切割好的莲子滚出。

大致基本结构如图2所示。

1.料斗；2.轮盘；3.导向凹槽；4.刀架；5.出料口；6.机架

图2基本结构图

Figure2thebasicstructurediagram

2.4剥壳机的工作原理

剥壳机的主要结构如图2所示，其主要工作原理为:

将需剥壳的鲜莲子均匀放入料斗，在轮盘的带动下进入由导向凹槽和轮盘形成的一个通道，在此通道中，莲子受到凹槽橡胶和轮盘的压力以及轮盘的切向摩擦力而处于滚动状态，在滚动过程中，莲子逐步调整滚动姿势至长轴方向与滚动方向基本垂直，达到理想的切割姿势，随后进入由刀架与轮盘构成的切割通道，莲子在此通道内继续受到刀架板与轮盘的压力以及轮盘的切向摩擦力而处于理想的纯滚动状态，刀架板的中间镶有切割刀片，当莲子滚过切割通道时被切割刀片连续环切从而完成割壳。

第三章莲子剥壳机工作部件设计

剥壳机的工作部件主要包括进给料斗、轮盘、传动轴、导向凹槽及切割组件。

3.1进给料斗的设计

良好的进给料斗是保证莲子剥壳质量特别是剥壳效率的重要环节，其应当保证莲子进料顺畅均匀不堵塞，避免结拱现象的产生。

所谓结拱就是指在料斗排料口附近物料颗粒相互支撑，形成物料不能正常排出的现象。

所以在设定料斗料口的尺寸时应考虑到放入莲子时不能造成堵塞现象，为了能让莲子能够均匀顺畅的进入轮盘凹槽，进料口的短边设置为22mm，刚好稍大于莲子的直径，长边直径设置为80mm，下料时最多一次掉落3个左右的莲子，这样莲子能均匀的进入机体，不会出现多个莲子进入导致轮盘凹槽堵塞并转不动的现象。

料斗尺寸结构和模型结构如图3、图4所示。

图3料斗尺寸结构示意

Figure3Schematichoppersizestructure

图4料斗模型示意

Figure4Schematichoppermodel

3.2轮盘的结构设计

轮盘是带动莲子滚动的唯一主动部件，其带动莲子由进料斗依次进入调整通道和切割通道，其截面的形状结构对莲子滚动调姿及切割均会产生影响，对轮盘的轮槽宽度深度形状都有相应的要求。

其结构模型如图5、图6所示。

1.莲子示意；2.轮盘示意

图5轮盘结构示意

Figure5Discstructure

图6轮盘模型示意

Figure6Theroulettewheelmodel

为了防止莲子在滚动过程中左右移动，造成切割位置和角度的较大偏差，影响切割质量，槽宽应稍大于莲子宽度，槽深接近于莲子的半径，同时轮槽底面贴上一层橡胶，这样可以更好地将莲子包裹住使其更好地滚动，调整姿势，利于切割。

3.3传动轴的设计

传动轴是莲子剥壳机的主要设计部件之一，他在莲子剥壳机正常工作过程中，承担主要转矩、扭矩、弯矩和支撑传动轴上的回转零件，传动轴的设计是很关键的一个步骤。

它的主要功用是：

一是支持轴上所安装的回转零件，使其有确定的工作位置；二是传递轴上的运动和动力。

轴按照轴线形状的不同，可以分为曲轴、直轴、软轴和挠形轴等，根据莲子剥壳机的结构特点和组成形状及工作强度和环境的要求，主轴选用直轴形式传递，而且选用直轴中的阶梯轴。

此轴的设计如下：

3.3.1轴的材料选取

选用轴的材料为45号钢，调质处理。

据机械设计基础表11-1可知σ=650mpa，用插值表11-3可知[σ]=60mpa。

3.3.2轴的最小径计算

根据机械基础：

从图中右端的直径最小为11mm，由机械设计基础11-2可知

由机械基础P209得c=118，因此取

3.3.3轴径与轴长

将左端轴径作为d1=15mm，与轮盘配合处轴径d2=18mm，往右d3=15mm，右端d4=11mm。

各段轴长L1=12.5mm，L2=40mm，L3=12.5mm，L4=25mm。

3.3.4轴的强度校核

对轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大当量弯矩的强度。

由经验公式及上面计算出的数值可得出。

公式：

式中：

—轴的抗弯截面系数，

—轴的许用应力，

。

按轴实际所受弯曲应力的循环特性，在

、

、

中选取其相应的数值，从《机械设计》可以查出。

按《机械设计》书中查得，对于

的45号钢，许用弯曲应力

3.4导向凹槽的设计

导向凹槽的作用就是使莲子进行切割之前调整好切割姿势，使切割刀片垂直于莲子的长轴方向以确保切割质量。

为了实现这一功能，以广昌县莲子为例，导向凹槽与轮盘的进口处高度为22mm，这样既可以保证莲子能够顺利地进入整理通道，又能够防止多个莲子层叠着进入整理通道从而影响整理效果。

莲子在进入整理通道后就开始受到轮盘和导向凹槽的挤压，在这种挤压力和轮盘切向分力的共同作用下，莲子基本处于纯滚动状态，根据趋稳性原则，莲子自然就调整到长轴方向垂直于滚动方向，平躺着进入切割通道。

由于在此通道内的大部分时间莲子都要受到挤压，为了防止将莲子挤破，与莲子接触的面应该是柔性的并且有一定的弹性。

为此，将导向凹槽的内曲面上中心处挖空，并在整个面上贴上富有弹性的橡胶。

这样，当莲子进入调整滑道后，就不会因为受压而破损，同时，橡胶还可以增大摩擦力而使莲子更好地滚动，调整姿势。

橡胶材质的选择也是比较重要的，橡胶大体可分为分为天然橡胶和合成橡胶，合成橡胶中通用的橡胶有丁基橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶等等，在此选用生活中常见的汽车内胎所用的丁基橡胶即可。

导向凹槽结构与模型如图7、图8所示。

图7导向凹槽结构示意

Figure7Schematicguidegroovestructure

图8导向凹槽模型示意

Figure8Schematicguidegroovemodel

3.5切割组件的结构设计

切割组件主要由刀架板、弹簧以及切割刀片等组成，共同完成对莲子的切割。

3.5.1刀架板的结构设计

滑道导轨的内圆弧面前段设计成与调整滑道内曲面相切，这样可使莲子平滑地由调整滑道过渡到切割滑道，减小莲子因跳动而产生切割位置的改变影响剥壳质量，同时，由于切割通道的空间高度小于莲子直径，莲子进入切割通道后就向下挤压切割滑道以获得继续滚动前行所必需的压力和摩擦力压力的大小可以通过刀架板下面安置的弹簧的预压缩量来调整，确保莲子获得合适的压力以保证既能够切割莲子又不会压碎莲子。

同时，由于均布的4个调节的弹簧，不仅可以保证莲子在整个切割通道都可以获得合适的切割力和切割空间，还可以保证切割通道内可以同时容纳多个莲子共同切割以提高效率。

莲子进入切割通道后就在面1上滚动，最初的设计是将该面设计成平面，但考虑到莲子在切割过程中可能没有以垂直于莲子长轴方向被切割，而是被斜着切开，说明莲子在滚动和切割时的姿势不够稳定，影响了莲子剥壳的质量为了稳定莲子的切割姿势，防止莲子在切割时的晃动，保证切割质量，该面加工成略带弧面，这样就可以解决这一问题。

其结构示意如图9所示。

1.切割刀片；2.调节弹簧

图9切割组件示意

Figure9sketchofthecuttingassembly

3.5.2弹簧的选取

由于弹簧是调整刀片切割力度的重要部件，所以在选取时应视切割的情况而定。

1、弹簧材料的选取

弹簧材料的选择，应根据弹簧承受载荷的性质、应力状态、应力大小、工作温度、环境介质、使用寿命、工艺性能、材料来源和价格等因素确定。

在确定材料截面形状和尺寸时，应当优先选用国家标准的弹簧。

常用普通弹簧一般选择70#钢或65Mn,这里我选择65Mn。

2、确定最小线径

曲度系数：

K=4C-1/（4C-4）+0.615/C

K=23/20+（0.615/6）=1.2525

确定最小线径；

3、确定弹簧有效圈数

弹簧刚度：

k=F/y=280*9.8/1000*5=0.5488N/mm

线径d=0.8mm，中径D2=13mm

查表：

材料切变模量（材料弹性系数）：

G=80000N/mm2

有效圈数：

n=G*d4/8*D23*k=80000*0.84/8*133*0.5488=3.4

总圈数N=5

3.5.3切割刀片的选取设计

切割刀片是莲子切割时最为重要的部件，要求刀片薄而锋利，并且耐磨，刀片材料采用9CrWMn，厚度为1mm，表