搜索
［制造·使用·改进］ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５２８９５．２０１７．０６．０１６收稿日期：２０１７０５１６；修回日期：２０１７０６１５基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目支持（２０１７１０２５１０５１）。第一作者简介：钱剑勇（１９９５），男，安徽安庆人，本科，主要研究方向为机械设计。Ｅｍａｉｌ：５４３３２２１５４＠ｑｑ．ｃｏｍ全自动苹果削皮去核一体机设计钱剑勇，张金辉，郑嘉镭，马新玲（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 ２００２３７）摘 要：针对目前国内市场上苹果削皮去核器具效率低、人工操作耗时费力易划伤，进口全自动削皮去核机器价格昂贵体积笨重，且对苹果的削皮去核处理效率要求较高的问题，设计了全自动苹果削皮去核一体装置。根据苹果的结构该装置利用水浮正立矫位苹果，通过齿轮传动浮动刀头配合苹果自转适应不同大小、不同形状的苹果，能准确去皮，并通过具有倾角的去核管型刀旋转配合向上进给完成去核。实现了苹果输送、摆正、插果、削皮、去核整个工作过程的自动化。该全自动苹果削皮去核一体机结构紧凑，节省人力，制成率高，应用前景广阔。关 键 词：食品机械；苹果削皮去核机；水浮正立法；浮动刀头中图分类号：ＴＨ１２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５２８９５（２０１７）０６００７２０５ＤｅｓｉｇｎｏｆＦｕｌｌＡｕｔｏｍａｔｉｃＡｐｐｌｅＰｅｅｌｅｒａｎｄＣｏｒｅｒＱＩＡＮＪｉａｎｙｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＪｉｎｈｕｉ，ＺＨＥＮＧＪｉａｌｅｉ，ＭＡＸｉｎｌｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅａｐｐｌｅｐｅｅｌｅｒａｎｄｃｏｒｅｒｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃｍａｒｋｅｔａｒｅｅａｓｙｔｏｓｃｒａｔｃｈａｎｄｈａｖｅｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｉｍｅ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔｅｄｆｕｌｌａｕｔｏｍａｔｉｃｐｅｅｌｅｒａｎｄｃｏｒｅｒａｒｅｅｘｐｅｎｓｉｖｅａｎｄｂｕｌｋｙ．Ｔｈｅｆｕｌｌａｕｔｏｍａｔｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｄａｐｐｌｅｍａｃｈｉｎｅｏｆｐｅｅｌｉｎｇａｎｄｃｏｒｉｎｇｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｅｒｍｓｏｆａｂｏｖｅｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈａｌｓｏａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓｍａｃｈｉｎｅｕｓｅｄｗａｔｅｒｆｌｏａｔｉｎｇｔｏａｌｉｇｎｔｈｅａｐｐｌｅａｎｄｍａｄｅｉｔｕｐｒｉｇｈｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｐｐｌｅ．Ｔｈｅｇｅａｒｄｒｉｖｉｎｇｔｈｅｆｌｏａｔｉｎｇｈｅａｄｃｏｏｐｅｒａｔｅｓｗｉｔｈｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｏｆａｐｐｌｅａｄａｐｔｉｎｇａｐｐｌｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｓａｎｄｓｈａｐｅｓａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｐｅｅｌｓｔｈｅａｐｐｌｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｔｕｂｅｔｙｐｅｏｆｃｏｒｉｎｇｋｎｉｆｅｗｉｔｈａｌｉｔｔｌｅａｎｇｌｅｒｏｔａｔｅｄｔｏｇｏｕｐｗａｒｄｆｏｒｃｏｍｐｌｅｔｉｎｇｔｈｅｓｔｅｐｏｆｃｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｕｌｌａｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆｌｏａｄｉｎｇ，ｐｅｅｌｉｎｇａｎｄｃｏｒｉｎｇ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｉｓｍａｃｈｉｎｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｓｔｅｐｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｖｅｙｉｎｇ，ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇａｎｄｓｅｔｔｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｏｍｉｓｉｎｇｆｕｌｌａｕｔｏｍａｔｉｃａｐｐｌｅｍａｃｈｉｎｅｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｏｍｐａｃｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｒｅａｔｉｖｉｔｙ，ｌａｂｏｒｓａｖｉｎｇ，ｈｉｇｈｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｙｉｅｌｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｏｄｍａｃｈｉｎｅ；ａｐｐｌｅｐｅｅｌｅｒａｎｄｃｏｒｅｒ；ｗａｔｅｒｆｌｏａｔｉｎｇ；ｆｌｏａｔｉｎｇｋｎｉｆｅ 提起水果，人们最先想到的就是营养价值非常高的水果之王———苹果。苹果是一个形状较不规则的异形体，它的削皮去核对于家居生活、餐饮行业以及水果制品生产工厂都很重要。现在餐饮行业及一些中小型苹果加工企业目前主要借助人力进行削皮以及去核处理。人工削皮的厚度决定于工人的削皮技术，通常果皮厚度超过２ｍｍ［１］，这会使大量的果肉随果皮被清理掉，使果品的制成率很低，只有６５％左右［２］。另外，在安全卫生方面也达不到国家对食品ＱＳ的规定，因而需采用实用高效的机械装置实现苹果削皮、去核［３４］。已有的文献设计了手摇式单果削皮机［５］、多果半自动削皮机［６］以及构造复杂的大型苹果削皮机等。手摇式和半自动式耗费人力物力，果肉损失很大，而构造复杂的削皮机［７］又非常的笨重，体积庞大，不宜推广，缺乏创意。本课题组设计了一款富含创意、微缩高效、大气美观的全自动苹果削皮去核一体机，体积小适用于家庭，效率高适用于餐饮，功能强适用于工厂，具有实际价值和市场竞争力。 第３５卷第６期２０１７年１２月 轻工机械ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０１７ １ 全自动苹果削皮去核一体机总体设计概述１．１ 全自动苹果削皮去核一体机的总体性能要求具体目标及技术参数如下：１）设计并确立苹果入料方式即完成苹果下落模块设计，目的是在最小的空间范围内实现苹果的间歇平稳下落。２）设计全自动的苹果扎取模块，使其对苹果的位置自动矫正，将苹果由下落后所处的任意自由方向矫正为头朝上正立，实现对心扎取，使苹果与机器结合，控制苹果移动。３）设计全自动的自仿形浮动削皮刀，完成削皮过程，同时要使削下果皮的厚度尽可能均匀。技术要求去皮厚度０．６ｍｍ左右［８］。４）设计去核机构，自动完成苹果与果核的分离，并最后利用去核卡爪实现自动卸除果核。１．２ 全自动苹果削皮去核一体机工作流程分析图１是本文全自动苹果削皮去核一体机的正面立体视图（为视图清晰省略了完成苹果下落的转盘部分）。以水平面为ＸＹ面、竖直方向为Ｚ方向建坐标系，该苹果削皮机的工作流程为：通过电机驱动水平转盘绕Ｚ向转动９０°，将转盘上的苹果经送果管道落入管道出口下的滤网套２中，利用直流减速电机４驱动竖直丝杆３，实现滤网套带动苹果完成Ｚ方向的上下移动；苹果随滤网套沿Ｚ轴下移进入不锈钢杯１（不锈钢杯杯中盛有清水）完成苹果浸水，借助水的浮力完成对苹果的清洗和矫正姿态，而后矫正的苹果沿Ｚ正方向被滤网套抬起带出水面。电机８驱动横向丝杆７，实现扎果针沿Ｘ方向左右移动，扎果针沿Ｘ负方向左移至滤网套中心上方，电机４驱动竖直丝杆３抬升滤网套，扎果针对心扎入苹果。扎入后滤网套下降，苹果随扎果针右移进入削皮模块５，电机６带动扎果针使苹果绕Ｚ方向转动，并通过齿轮组传动，使浮动刀头紧贴苹果表面绕Ｙ方向旋转完成削皮。削皮结束后扎果针带着削皮后的苹果沿Ｘ正方向右移进入去核阶段，此时苹果继续由电机６带动自转，去核刀１０由直流减速电机９驱动竖直丝杆螺母实现Ｚ方向上下移动，对心插入苹果去除果核。去核结束后苹果顺着去核刀滑落至下方套筒中，蜂鸣器响提醒用户苹果已处理完成。此后果核随扎果针左移被滤水工位亚克力工作台的卡爪形突起从扎果针上拉下落入果屑桶１１中。２ 全自动苹果削皮去核一体机各模块单元设计全自动苹果削皮去核一体机可分为５大模块（图２）：入料模块、矫位模块、扎取模块、削皮模块和去核模块。１—不锈钢杯；２—滤网套；３—竖直丝杆；４—电机；５—削皮模块；６—电机；７—横向丝杆；８—电机；９—电机；１０—去核刀；１１—果屑桶。图１ 全自动苹果削皮去核一体机正面的立体视图Ｆｉｇｕｒｅ１ Ｆｒｏｎｔ３Ｄｖｉｅｗｏｆｆｕｌｌａｕｔｏｍａｔｉｃａｐｐｌｅｐｅｅｌｅｒ图２ ５大模块示意图Ｆｉｇｕｒｅ２ Ｄｉａｇｒａｍｏｆｆｉｖｅｍｏｄｕｌｅｓ２．１ 入料模块设计入料模块功能：实现苹果间歇平稳下落。图３ 入料模块Ｆｉｇｕｒｅ３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｌｅｔｐｏｉｎｔ入料模块是利用具有保护环和推板构成的转盘将苹果推入管道实现入料。如图３所示，电机带动中心轴从而带动４片径向分布的推板，推板又与其外周高度为８０ｍｍ（普通苹果的平均直径）的保护环固连，该转盘整体以中心轴为转动中心旋转。底板被推板均分为４个圆心角为９０°的扇形区域，其中一个扇形区域设计有一个直径为１００ｍｍ的圆孔，圆孔下方连接有９０°的弯管。根据所需的入料速度，弯管内加设了起到·３７· ［制造·使用·改进］ 钱剑勇，等：全自动苹果削皮去核一体机设计 缓冲减速作用的橡胶减速带（图中省略）。在苹果削皮去核结束后转盘转动９０°，待处理苹果在转盘中被推板和保护环共同作用产生的的合力推入底板上的圆孔中，从而落入弯管入料，进入下一模块。２．２ 矫位模块设计矫位模块功能：清洗苹果表皮上的灰尘，将苹果由下落后的任意位置矫正为头朝上正立位置。矫位模块是利用清水的浮力对苹果进行矫位。若规定苹果带梗的一端为上端，将苹果正立后，苹果的结构关于中心轴成轴对称，而关于水平横截面不对称，水的压力始终垂直于苹果表面，使苹果在浮力的作用下达到平衡位置即正立状态。待处理苹果经入料模块后落入弯管出口的滤网套（图４）中。滤网套为可替换部件，根据用户的需要，滤网套可适应于大、中、小型的苹果，也可以适用于形状近似于球形的梨子和猕猴桃。苹果落入滤网套后其位置状态由下落过程决定，具有随机性。图４ 苹果滤网图Ｆｉｇｕｒｅ４ Ｒｏｓｅｂｏｘｓｃｅｎｏｇｒａｐｈｏｆａｐｐｌｅ如图４所示，苹果落入滤网套后滤网套在竖直丝杆带动下下移进入不锈钢杯中，不锈钢杯中的清水可以清除苹果表面的浮尘并利用浮力将苹果的位置矫正；位置矫正完成后滤网套将上移将苹果拖出水面。滤网套底部根据苹果的外形设计成内凹结构将苹果定心，苹果位置经水浮矫正后滤网套将苹果抬起，内部凹进结构保证苹果的状态稳定，受力均匀，使苹果在被扎果针扎入时不会产生歪斜。２．３ 扎取模块设计扎取模块功能：对心扎取苹果，实现苹果与机器结合，控制苹果移动。扎取模块的扎取部分是４根不锈钢针，如图５所示。不锈钢针的直径为３．５ｍｍ，刚度较高，对于苹果图５ 扎取模块Ｆｉｇｕｒｅ５ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆａｐｐｌｅｓｐｅａｒ削皮和去核时产生的扭矩具有足够的抗性，保证扎取后的所有工序中钢针不发生变形。钢针固连在不锈钢轴上，不锈钢轴细长部分直径为８ｍｍ。在苹果削皮过程中，因苹果转动产生的离心力使得不锈钢轴易发生绕中心轴自转失稳以及在削皮刀对苹果沿Ｙ方向的作用力下产生弯曲的现象。为解决这一系列问题，在不锈钢轴外设计了外径３２ｍｍ、厚度３ｍｍ的圆柱状塑料套筒。套筒内壁设计成阶梯状安装轴承，轴承将钢轴与外圆柱套筒联结，大大增强了整体的刚度与稳定性，使之符合要求。不锈钢轴经联轴器将扎果针与电机相连，可以实现苹果绕着Ｚ方向的自转。不锈钢轴上装有一个齿数ｚ＝１２的小齿轮，随扎取模块移动。在扎取模块右移进入削皮模块时小齿轮与削皮模块的齿轮啮合，此时小齿轮为削皮模块的主动轮。２．４ 削皮模块设计削皮模块功能：完成削皮过程，并使削下的果皮厚度尽可能均匀。技术指标要求去皮厚度约０．６ｍｍ。如图６所示，削皮模块是在扎取模块右移进入啮合后由扎取模块、齿轮组、削皮刀几大部件共同组成的。削皮模块的运行依然由扎取模块顶端的电机输入动力，由６个齿轮构成齿轮传动，在苹果绕Ｚ方向自转的同时，浮动刀头紧贴苹果表面绕Ｙ方向旋转完成削皮。工作中要求扎果针即苹果自身的转动角速度大约是绕Ｙ方向旋转的托盘削皮刀的转动角速度的１０～１５倍［８］。如果要更加具有普适性，对削皮的洁净程度有更高的要求，那么传动比应在１／１５～１／２０之间。此款苹果削皮去核一体机的传动比为１／２０［９１０］。苹果旋转１０～１２圈，削皮刀绕Ｙ方向旋转了左半周，即在左半周内完成对苹果的削皮；剩余右半周的旋·４