籽瓜籽瓤分離機的設計與分離輥模態分析

李聲元，黃曉鵬，胡忠強，孫浩博，趙永彪，臧澤鵬，馬國軍*

(1.甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.浙江四方股份有限公司，浙江 永康 321000)

籽瓜，俗稱打瓜，屬西瓜的一個變種，籽瓜含多種有益的營養成分，且有較高的藥用價值，其瓜肉具有止咳祛痰、利尿解溫、治療胃病的特殊功效[1]。籽瓜主要種植于我國西北地區，有種植面積800余萬畝，年產量約1 200 t[2]。目前，籽瓜的利用主要以收取瓜籽為目的，經加工后的瓜籽是一種廣受歡迎的休閑食品[3]。

目前，用于籽瓜取籽加工方面的機械很多，鐘逸巖等[4]設計了一種籽瓜挖瓤機，該機采用共軛切削原理實現了籽瓜挖瓤的機械化作業，但不能實現籽瓜籽、瓤的分離。張鋒偉等[5]設計了一種籽瓜籽汁分離機，可實現籽瓜皮、瓤、籽的一次性分離，但分離效果不佳。徐麗娜等[6]設計的籽瓜破碎取籽機結構復雜，分離輥根據人手取瓤的動作設計成仿生手結構，但各機構之間的運動配合要求高，難以滿足實際生產要求。王天書等[7]設計的多功能籽瓜分離機，需先削皮后再將籽瓜破碎分離，其過程繁瑣，不適用于籽瓜大規模加工。朱宗光等[8]研制的新型籽瓜破碎取籽機，采用兩級分離裝置對瓜皮、瓜瓤與瓜籽依次進行分離，在一定程度上提高了工作效率，但在實際應用過程中，瓜籽含雜率及損失率仍較高。

針對現有機械存在的問題，課題組自主研制了一種可調式籽瓜籽瓤分離機[9]，為提高其工作效率與使用壽命，利用Ansys 19.0對其核心部件分離輥進行有限元模態分析[10]，確定分離輥是否與籽瓜籽瓤分離機發生共振現象，以期為后續整機結構和工作參數的優化提供理論依據[11-12]。

1 籽瓜籽瓤分離機整機結構及工作原理

課題組設計的可拆卸籽瓜籽瓤分離機為軸流滾筒式，可調節分離輥轉速、刮板與篩網間距與分離輥刮板傾角等參數。整機主要由入料口、機架、分離輥、分離篩筒、瓜籽出料口、瓜汁出料口等部分組成，籽瓜籽瓤分離機如圖1所示。分離輥由電機(YE2-90S-2)驅動，電機與分離輥軸之間安裝有減速器(RV63-7.5-Y1.5-2P-TA)，轉速大小由變頻器(Goodrive20)調節，以滿足不同工況下籽瓤分離機分離輥轉速的要求。工作時，將瓜瓤和瓜籽混合物由入料口喂入，在分離輥刮板軸向和周向力作用下，瓜瓤被破碎細化后落入分離篩網網孔，然后經由瓜汁出料口流出后收集。瓜籽輸送至瓜籽出料口排出機外，最終可實現瓜瓤與瓜籽的分離作業。整機技術參數見表1。

表1 技術參數

圖1 籽瓜籽瓤分離機1.入料口；2.機架；3.分離輥；4.分離篩筒；5.瓜汁出料口；6.瓜籽出料口；7.電機

分離輥是籽瓤分離機的核心部件，主要由輥軸、支撐桿和刮板三部分組成，其結構如圖2所示。三個刮板長度均為1 150 mm，每個刮板均由兩塊不銹鋼板和一塊厚10 mm的食品級軟硅膠墊組成，兩鋼板通過螺釘連接，鋼板中間夾有軟硅膠墊。分離輥轉速是影響籽瓤分離效果的主要因素，轉速太小，物料容易擁堵阻塞，導致籽瓤混合物分離不徹底，瓜籽含雜率變大。轉速太大，瓜籽容易劃傷甚至破損，瓜籽商品率下降。綜合考慮以上因素，選擇分離輥轉速為60～180 r/min。

圖2 分離輥

分離篩筒如圖3所示，其采用圓筒形設計，篩筒與分離輥刮板間距是影響籽瓤分離效果的主要因素。間距太大，分離輥刮板與籽瓤混合物的接觸面積變小，分離效果變差，瓜籽含雜率變大。間距太小，籽瓤混合物容易在篩筒底部發生堵塞，瓜籽劃傷率變大。綜合考慮以上因素，將分離輥刮板與篩網間距的調節范圍設計為5～10 mm。將篩網總直徑設計為300 mm，可確保籽瓤混合物與篩面的接觸面積足夠大，使分離輥能夠充分作用于籽瓤混合物。篩網孔徑大小的設計要考慮到兩方面問題，一方面要保證尺寸較小的瓜籽可順利從瓜籽出料口排出，另一方面瓜瓤被打碎為瓜汁后要快速通過篩網達到瓜汁出料口，以免發生堵塞，影響機器工作效率，因此將篩網孔徑設計為6 mm。

圖3 分離篩筒

2 分離輥的模態分析

2.1 模型的建立和有限元網格的劃分

在SolidWorks中建立分離輥的三維模型，并導入到Ansys19.0中?？紤]食品機械的衛生安全標準，材料選用304不銹鋼，材料屬性見表2。采用自主網格劃分，劃分結果如圖4所示。

表2 分離輥材料屬性

圖4 分離輥模型網格劃分

2.2 分離輥模態分析結果

模態分析的目的是分析分離輥的固有頻率特性，以防止分離輥振動頻率與機器工作時的振動頻率相近而發生共振，從而影響籽瓤分離機的分離效果以及使用壽命。

選擇分離輥軸側兩端添加固定約束，設置分離輥的前10階模態分析。前10階模態頻率下分離輥的變形情況如圖5所示，前十階模態的固有頻率見表3。

表3 分離輥前十階固有頻率

從圖5可以看出，第1階振型主要是輥軸左側刮板的振動模態，第2階振型主要是輥軸上方刮板的振動模態，第3階振型除軸右側刮板的振動模態，前三階固有頻率相差不大，在86～88 Hz之間；第4階到第6階固有頻率在102～106 Hz之間，其中第4階主振型與第1階振型大致相同，第5階振型不僅包括第1階與第4階輥軸左側刮板的振動模態，還包括輥軸上方的振動模態；第6階主振型與第3階振型大致相同；第7階到第9階固有頻率在121～167 Hz之間，其中第7階振型與第5階振型大致相同，第8階主振型為輥軸左側刮板與右側刮板的振動模態，第9階主振型為輥軸右側刮板的振動模態；第10階固有頻率最高，為210.38 Hz，其主振型為輥軸左側刮板的振動模態。在分離輥的前十階模態中，一階模態時的固有頻率最低，為86.909 Hz，后面九階模態的頻率呈階段性升高的趨勢。籽瓤分離機的工作頻率為10～23 Hz，遠離分離輥最低固有頻率87 Hz，避免了共振的發生，分離輥能夠正常工作。

(c)三階模態

(d)四階模態

(e)五階模態

(f)六階模態

(g)七階模態

(h)八階模態

(i)九階模態

(j)十階模態

3 小結

設計了一種籽瓜籽瓤分離機，并利用Ansys Workbench對籽瓤分離機主要工作部件分離輥進行了模態分析，結果表明，在分離輥的前十階模態中，一階模態的固有頻率最低，約為87 Hz，遠大于分離輥的振動頻率10～23 Hz。分離輥不會和籽瓤分離機發生共振現象，能夠滿足作業需求。研究可為籽瓤分離機整機結構優化提供理論依據。