莲藕仿形去皮机设计与试验研究

作     者：陈亚欣 

作者单位：华中农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张国忠

授予年度：2023年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 

主      题：莲藕 物料特性 仿形去皮 自动控制 仿真分析 性能试验 

摘      要：莲藕是我国特色根茎类水生蔬菜之一,其收获后,经过清洗去皮等初加工,可直接售卖或制成预制菜。目前莲藕去皮主要依靠人工,存在作业劳动强度大、劳动成本高等问题,且由于莲藕形状大小各异,现有机械去皮方式尚存在去净率低、去皮损失率高、去皮后表面平整度低等问题。针对以上问题,本文以鄂莲5号为研究对象,设计了一种莲藕回转式切削仿形去皮机,对其关键部件结构参数进行了设计与分析,开展了整机工作机理研究,进行样机试制并开展了整机性能试验。主要研究内容如下:(1)莲藕表皮力学特性试验研究对莲藕外形轮廓测量并进行了莲藕表皮力学特性试验。采用质构仪,以去皮切削极限力为评价指标,以切削方向、取样部位、加载速度为试验因素,开展了全因素试验;以拉伸断裂极限强度为评价指标,以取样部位、拉伸方向为试验因素,开展了全因素试验。测得三节主藕体长、宽、高为98.16～238.57 mm、62.51～91.11mm、57.57～86.48 mm,表皮湿基含水率为80.46%～86.28%;取样部位、加载速度对去皮切削极限力均影响极显著,切削方向对去皮切削极限力影响显著;藕皮切削方向对藕皮拉伸强度影响极显著,藕皮轴向拉伸强度大于周向。沿周向设计仿形机械去皮机构,通过提高切削速度可以减小切削阻力,提高机械去皮效率。(2)莲藕回转式仿形去皮机设计开展莲藕去皮方案设计,确定去皮方式为莲藕旋转,刀具仿形移动。确定了仿形去皮机关键部件的结构和尺寸,设计了一种仿形摆杆机构和与其固联的带有限深支撑块的圆弧刀具,并对刀具去皮过程进行了理论分析;结合Recur Dyn仿真分析得出:莲藕转速在70～130 r/min范围内,刀具切削速度稳定性较高,刀具停顿时间较少;通过改进不同限深支撑块形状,综合不同限深支撑结构的削皮稳定性、刀具贴合性,确定最优限深支撑结构为圆角型。(3)莲藕仿形去皮机控制系统设计开展了莲藕仿形去皮机电气控制系统硬件选型与软件设计,实现了莲藕进料、送料、削皮、落料的自动作业化流程;进行了人机交互界面的软件开发,方便实时观察和调整作业参数。(4)莲藕仿形去皮机性能试验通过试验得出影响去皮效果的主要因素及最优参数范围,开展了刀具不同限深支撑结构单因素试验,确定圆角型限深支撑刀具去皮效果最佳,并在此基础上,以去皮均匀度、去皮损失率为试验指标,以莲藕转速、步进电机转速、扭力弹簧线径为试验因素开展Box-Behnken响应面试验,继而开展了最佳参数验证试验,得出当莲藕转速108 r/min、丝杠转速74 r/min、扭力弹簧线径1.6 mm时,莲藕去皮均匀度最高,去皮损失率为11.6%,去净率达85%以上。研究结果可为莲藕去皮机械的研究设计提供参考。