机械设计制造及其自动化专业
专业综合课程设计
设计计算说明书
题目：莲子剥壳机部分设计 姓名：祖恒旭
学号： 162540054
年级：12级机械设计制造及其自动化 指导教师：白晓虎
成绩：
完成日期：日
目录
一、设计目的与意义 ________________________________________________ 3
1.1莲子剥壳传统工艺方法 _________________________________________ 3
1.2莲子剥壳机械加工方法及现状 ___________________________________ 3
1.2.1挤压式莲子剥壳机 _________________________________________ 3
1.2.2摩擦式莲子剥壳机 _________________________________________ 4
1.2.3撕搓式莲子剥壳机 _________________________________________ 4
1.2.4冲击式莲子剥壳机 _________________________________________ 4
二、莲子剥壳机总体设计 ____________________________________________ 5
2.1莲子几何特征及其力学特性 _____________________________________ 5
2.2 剥壳机的机架材质选取 ________________________________________ 5
2.3 剥壳机的基本结构设计 ________________________________________ 6
三、莲子剥壳机工作部件设计 ________________________________________ 6
3.1轮盘的结构设计 _______________________________________________ 7
3.2传动轴的设计 _________________________________________________ 7
3.2.1 轴的材料选取 _____________________________________________ 8
3.2.2 轴的最小径计算 ___________________________________________ 8
3.2.3 轴径与轴长 _______________________________________________ 9
3.2.4 轴的强度校核 _____________________________________________ 9
四、总结 _________________________________________________________ 10
4.1 结论综述 ___________________________________________________ 10
4.2 存在的不足 _________________________________________________ 10
4.3 莲子剥壳机的技术发展趋势 ___________________________________ 10
五、参考文献 _____________________________________________________ 11
一、设计目的与意义
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。
二、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
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
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，本次设计的剥壳机部分结构是由轮盘、前板、后板、驱动轴所组成。其特征是：在轮盘的轮柱面上开有椭圆弧凹槽与与以后设计的另一个导向部分相结合。迫使莲子在槽内滚动。进而设计切刀。在出口处进行切割。前板和后板的作用是固定其他零部件的外框。
三、莲子剥壳机工作部件设计
剥壳机的部分工作部件主要包括轮盘和传动轴。
3.1轮盘的结构设计
轮盘是带动莲子滚动的唯一主动部件，其带动莲子在通道中滚动，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1所示。
1-莲子示意；2.轮盘示意
图1轮盘结构示意
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。
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。如图
2
图2 轴
3.2.1 轴的材料选取
选用轴的材料为45号钢，调质处理。据【机械设计手册]】础表11-1可知σ=650mpa，用可知[σ]=60mpa。
3.2.2 轴的最小径计算
根据【机械设计手册】
d39.5510ppc30.2[]nn
从图中右端的直径最小为11mm，
11mmcpp118nn
由【机械基础】P209得c=118，因此取
p0.0008n
3.2.3 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。
3.2.4 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。 McaM2T2
公式：caMPa WW
式中：W—轴的抗弯截面系数，mm3
—轴的许用应力，MPa。按轴实际所受弯曲应力的循环特性，在1b、0b、1b中选取其相应的数值，从《机械设计》可以查出。
caMca1108.5316.95MPa W34032
对于B640MPa的45号钢，许用弯曲应力-160MPMPaca16.95a
四、总结
4.1 结论
针对莲子的物理特性和结构特点，设计了一种莲子剥壳机，采用滚切原理，利用轮盘和刀架板的挤压与摩擦，利用弹簧调节挤压力，使得切割刀片能够对莲子的外壳进行顺利、稳定、高效地切割，从而脱离传统的手工莲子割壳效率低、工作量大的窘境。
4.2 存在的不足
1、不能实现自动化加工。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。
2、通用性不强。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，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，所以本机不适宜切割干莲子。而且在莲子选取时需要分级处理，不然个体差异过大的莲子在切割时可能会造成切伤莲仁或没造成有效切割而影响切割效率与脱壳率。
3、达不到自动脱壳、去衣的效果。本机只能切割莲壳而达不到自动脱壳、去衣的效果。
4.3 莲子剥壳机的技术发展趋势
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。
五、参考文献 ［1］鲁运江．莲子的营养价值与食疗保健［J］．蔬菜，2001(6) :37－39． ［2］倪学明，吴彦红．中国莲［M］．北京: 科学出版社，1987． ［3］濮良贵，纪名刚.机械设计 [M].高等教育出版社，2006，5.
［4］郑传祥．莲子脱壳机设计与试验［J］．农业机械学报，2003，34(5) :106－108.
[5] 王旺平，杜先锋，周均生.BK25型莲子剥壳机的研制[J].食品与机械，2009，25(2):103-105.
[6] 郑宝东,郑金鬼,曾绍校.我国主要莲子品种营养成分的分析［J］．营养学报，2003，25(2)：153-156．
[7] 高洪庆．莲籽系列食品加工技术［J］．西部粮油科技，1997，22(3)：28-29．
[8] 何铭新，钱可强，徐祖茂.机械制图 [M].高等教育出版社，2010,7.
[9] 陆剑中，孙家宁.金属切割原理与刀具 [M].机械工业出版社，2011,4.
11