摘要針對荸薺形狀復(fù)雜、去皮困難、人工去皮低效率、摩擦式去皮果肉損失大、果皮去不凈的問題，本文采用喂入-篩選分級(jí)-定位輸送-去皮-集果的工藝，設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)切削式荸薺去皮機(jī)，旨在提高荸薺的去皮質(zhì)量和去皮效率。研究內(nèi)容及結(jié)論如下：分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，了解了人工去皮、銑削式去皮、摩擦式去皮以及銑削摩擦混合式等去皮方式的特點(diǎn)，通過比較不同去皮方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)切削式荸薺去皮機(jī)，包括喂入裝置、分級(jí)裝置、定位輸送裝置、對旋式碗狀去皮裝置和集果裝置。設(shè)計(jì)了一種對旋式碗狀去皮裝置，依據(jù)荸薺的外形尺寸以及荸薺脆、軸向易壓潰的特性，分析比較了荸薺旋轉(zhuǎn)、刀具固定和荸薺固定、刀具旋轉(zhuǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用荸薺固定、刀具旋轉(zhuǎn)的方式，利用差速原理和彈簧仿形原理，設(shè)計(jì)出了去皮裝置的結(jié)構(gòu)。進(jìn)行了荸薺去皮性能試驗(yàn)，基于3D打印技術(shù)制作去皮刀具并搭建試驗(yàn)平臺(tái)，采用了單因素試驗(yàn)方法，探究了刀具轉(zhuǎn)速對刀具去皮性能的影響，實(shí)際驗(yàn)證了刀具的去皮效果。結(jié)果表明，該刀具能夠去除荸薺兩端表皮，但對于側(cè)表皮處理效果并不理想，刀具轉(zhuǎn)速提高，荸薺的去凈率和損失率都隨之增加，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為285r/min時(shí)去皮效果較好。關(guān)鍵詞：荸薺；去皮；對旋；去皮實(shí)驗(yàn)1緒論1.1研究背景與意義荸薺，俗稱“馬蹄”，因其形如馬蹄而得名（一嘉2009）。荸薺在全國各地廣泛種植，現(xiàn)我國主要分布于江蘇、安徽、浙江、廣西、廣東、福建等省的水澤地區(qū)（陳亦輝2013）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2015年荸薺全國栽培面積達(dá)5萬hm2，荸薺種植已經(jīng)成為農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效的亮點(diǎn)（柯衛(wèi)東等2015）。荸薺味甜多汁、清脆可口，享有“地下雪梨”和“江南人參”的美譽(yù)（一嘉2009）。荸薺中含有21%的碳水化合物和1.5%的蛋白質(zhì)同時(shí)還含有豐富的維生素C（陳亦輝2013），具有很高的食用價(jià)值，同時(shí)，荸薺還具有很高的藥用價(jià)值，不僅能夠清熱瀉火，還有涼血解毒、利尿通便、化濕祛痰、消食除腫等功效。此外，荸薺中還含有具有抑菌作用的荸薺英，對于降血壓也有一定效果（張怡等2013）。荸薺球莖呈卵圓形，側(cè)芽發(fā)達(dá)，臍部稍凹。雖然荸薺吃起來清脆爽口，但是荸薺個(gè)頭較小，形狀不規(guī)則，縱徑與橫徑尺寸差距大，球莖縱徑一般為2.6~3.0cm，橫徑則為4.3~4.5cm，因此荸薺去皮始終是影響荸薺加工銷售的重要問題（周國林1994）。此外，荸薺去皮對于后期荸薺深加工，延伸產(chǎn)業(yè)鏈具有重要意義，不僅可以解決新鮮荸薺儲(chǔ)存銷售問題，還可以產(chǎn)生額外的收益（余愷2016）。荸薺的價(jià)格比較穩(wěn)定，但去皮前后價(jià)格有顯著差異，目前市場上未去皮的荸薺一般價(jià)格為5元/斤左右，而去皮后的荸薺價(jià)格能達(dá)到12元/斤，是去皮前價(jià)格的兩倍還多。目前，市場上的荸薺90%用于蔬菜市場鮮銷，這些荸薺主要還是依靠人工去皮，不僅效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，還容易傷手（王銳等2015）。盡管目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)成型的摩擦式荸薺去皮機(jī)，能夠一次性處理較多荸薺，大大提高了去皮效率，但是去皮不夠徹底，且表面粗糙，影響美觀。故，針對荸薺去皮困難、人工去皮效率低、摩擦式去皮不徹底損失率高的問題，本文采用分級(jí)-定位-去皮-集果的工藝，設(shè)計(jì)出了一種全自動(dòng)切削式荸薺去皮機(jī)，旨在提高荸薺的加工質(zhì)量和去皮效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)外去皮方式概況針對荸薺去皮，目前國內(nèi)外的主要方式有人工去皮、化學(xué)去皮、熱力去皮和機(jī)械去皮等（W.H.WanZuhaetal）。人工去皮作為一種傳統(tǒng)的去皮方式，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不高的中國仍然是最為普遍的去皮方式。人工去皮常見于路邊商販或小型加工作坊，適合于荸薺的鮮銷和小規(guī)模加工銷售。相比于其他去皮方式，人工去皮具有去皮效果好、技術(shù)性要求不高等優(yōu)點(diǎn)，但是人工去皮效率不高、損失大、人工成本高，不適用于大規(guī)模荸薺加工去皮?；瘜W(xué)去皮通過使用酸堿法，用燒堿腐蝕使荸薺皮肉分離，然后用鹽酸進(jìn)行中和。荸薺的外層是一個(gè)多細(xì)胞層。該層嚴(yán)重木質(zhì)化而且緊靠果肉的內(nèi)層不連續(xù)。根據(jù)這一特性，福建閩西大學(xué)的石小瓊采用了無機(jī)銨鹽溶液浸泡的方法，使荸薺內(nèi)外表皮分離，而后采用熱堿溶液瞬時(shí)浸蘸的方法除去內(nèi)皮，最后用鹽酸進(jìn)行中和。該方法處理后的荸薺表面光滑，具有更加美觀的外表，減少了人工成本（石小瓊1988）?？傮w而言，化學(xué)去皮法能夠顯著提高荸薺出肉率，降低損失，經(jīng)過化學(xué)去皮的荸薺具有良好的外觀，但是對化學(xué)試劑和水資源的需求較大，容易對環(huán)境產(chǎn)生污染，同時(shí)容易影響荸薺的口感和風(fēng)味。熱力去皮通過使用高溫蒸汽、熱水或者紅外加熱的方式使表皮與果肉分離。陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的陳海峰等以“秦美”獼猴桃為研究對象，在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以蒸汽壓力、加熱時(shí)間、冷卻水溫度為考慮因素，通過正交實(shí)驗(yàn)得到了獼猴桃蒸汽熱燙去皮的最優(yōu)工藝，經(jīng)該工藝處理后的獼猴桃果皮易剝落，果肉損失小，外形美觀（陳海峰等2016）。YiShen等人開發(fā)了一個(gè)由催化紅外發(fā)射器、輥道輸送機(jī)和去皮器組成的中試紅外干法剝皮系統(tǒng)。研究了梨的硬度和加熱時(shí)間對去皮性能和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。為解決梨?zhèn)鹘y(tǒng)堿液脫皮過程中的長期供水和廢水處理問題提供了一種替代方案（YiShenetal）。機(jī)械去皮一般分為兩種方法：摩擦式和切削式。摩擦式通過使荸薺在滾筒中旋轉(zhuǎn)，與筒壁上的摩擦裝置摩擦，從而達(dá)到去皮效果。切削式通過讓荸薺或刀具移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使荸薺與刀具產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行去皮。摩擦去皮的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，批量加工，缺點(diǎn)在于批量加工荸薺去凈率不高，需要人工修皮，且加工后的荸薺表面粗糙，影響美觀。切削式去皮的優(yōu)勢在于去凈率高，相比于人工去皮而言，工作效率高，缺點(diǎn)在于機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。AdeshinaFadeyibi等根據(jù)表面刮擦原理設(shè)計(jì)了一款去皮機(jī)，從剝皮效率、果皮重量百分比、果肉損失等方面對機(jī)器性能進(jìn)行了測定，結(jié)果表明，隨著軸轉(zhuǎn)速的增加，所有塊莖的剝皮效率都有所提高。此外，果肉損失和果皮重量百分比也隨之提高（AdeshinaFadeyibiandOlusolaFaithAjao2020）。Jimoh等開發(fā)了一款木薯自動(dòng)剝皮機(jī)，這款機(jī)器的設(shè)計(jì)是在對原有木薯剝皮機(jī)進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，采用沖擊式剝皮原理設(shè)計(jì)而成。通過對木薯分級(jí)，以不同等級(jí)的木薯去皮效果來反映機(jī)器的工作能力（M.O.Jimoh2012）；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的梁方等采用平刀去頂芽、斜刀去底部、圓弧刀去側(cè)皮的方式設(shè)計(jì)了一款切削式荸薺去皮機(jī)，采用單因素試驗(yàn)確定了刀具合適的幾何參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，指出了損失率與去凈率呈正相關(guān)的關(guān)系（梁方等2020）；BagherEmadi等結(jié)合之前的去皮方法，開發(fā)了一種新的去皮方式，稱為“磨料切割刷”。每一個(gè)刷子作為一個(gè)切割單位，可以靈活的接觸到南瓜的不同位置，去皮過程中同時(shí)施加磨料和切削力，可以有效去除不規(guī)則區(qū)域的果皮。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種方式脫皮均勻，生產(chǎn)率高（BagherEmadietal）。1.2.2幾種去皮裝置結(jié)構(gòu)原理（1）摩擦式荸薺去皮機(jī)廣西柳州中嘉知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)有限公司的左志平發(fā)明了一種荸薺去皮裝置（左志平2016），結(jié)構(gòu)如圖1所示：1—桶體2—注水口3—立軸4—攪拌棒5—篩網(wǎng)6—出料口7—排渣口8—桶底9—桶體10—臥式電機(jī)11—桶蓋12—去皮球圖1-1摩擦式荸薺去皮機(jī)Fig.1-1frictiontypewaterchestnutpeelingmachine本裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理在于：整體呈桶狀，其他工作部件包含在桶體內(nèi)部。它的桶底有兩層，臥式電機(jī)位于兩層桶底之間，并連接驅(qū)動(dòng)一立軸，立軸上均勻地分布有多排攪拌棒組，攪拌棒組包括多個(gè)攪拌棒，攪拌棒的末端向上彎曲，可以達(dá)到充分?jǐn)嚢璧男Ч?。最下組攪拌棒組與上層桶底之間設(shè)有一篩網(wǎng)，同時(shí)桶體上部開有注水口，通過注水使摩擦掉的皮屑從篩網(wǎng)中過濾出。桶體內(nèi)還放置有多個(gè)去皮球，去皮球?yàn)閷?shí)心軟性材料，去皮球球體外均布有金屬凸起。去皮時(shí)，向桶中注水?dāng)嚢瑁馆┧j和去皮球之間相互擠壓摩擦，去皮球上的金屬凸起將荸薺皮刮掉，皮渣與水混合將通過篩網(wǎng)流到上層桶底從排渣口排除。去好的荸薺可以通過傾斜篩網(wǎng)，從出料口收集。本裝置的優(yōu)勢在于：除了具有一般摩擦去皮裝置都具備的結(jié)構(gòu)簡單、一次性處理量大、效率高等優(yōu)勢外，本裝置采用攪拌結(jié)構(gòu)能夠使荸薺與去皮球均勻混合，去皮球采用柔性材料制成的實(shí)心球體再加上球體表面的金屬凸起，使去皮球在高效去皮的同時(shí)又不至于過度傷及荸薺果肉，能夠達(dá)到較高的去凈率，去皮效率非常高。缺點(diǎn)在于不能夠?qū)崿F(xiàn)流水作業(yè)，必須在完成一批荸薺的去皮工作后，才能繼續(xù)喂入荸薺。馬鈴薯立式去皮機(jī)1—三相異步電動(dòng)機(jī)2—主動(dòng)帶輪3—曲面轉(zhuǎn)盤4—外套筒5—摩擦圓筒6—噴水裝置7—釋放裝置8—卸料裝置9—從動(dòng)帶輪10—排水裝置11—機(jī)架圖1-2馬鈴薯去皮機(jī)Fig.1-2potatopeelingmachine上圖是一種馬鈴薯立式去皮機(jī)（張日紅等2016），該機(jī)器通過電機(jī)帶動(dòng)曲面轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，以此帶動(dòng)桶內(nèi)馬鈴薯旋轉(zhuǎn)，由于離心力和曲面轉(zhuǎn)盤凸起的共同作用，馬鈴薯與筒壁和曲面轉(zhuǎn)盤不斷地摩擦，從而去除表皮，去除的表皮在上方水流的作用下排出機(jī)器，從而得到干凈的馬鈴薯。該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，生產(chǎn)效率高。缺點(diǎn)是去皮過程中需要時(shí)刻觀察去皮狀態(tài)，不易保證去皮效果，易出現(xiàn)去皮不徹底或果肉大量損失。（3）全自動(dòng)蘋果去皮機(jī)1—機(jī)械臂2—?dú)飧?—滑動(dòng)導(dǎo)軌4—電磁鐵5—?dú)庾?—蘋果插針7—卸載托圈8—搖臂9—仿形刀具圖1-3蘋果去皮機(jī)Fig.1-3Applepeeler該去皮機(jī)主要由供料機(jī)械手、蘋果工位轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)臺(tái)、刀具驅(qū)動(dòng)裝置三個(gè)部分組成。去皮機(jī)工作的前提是為其提供一供料裝置，機(jī)械手從供料裝置處夾取蘋果，旋轉(zhuǎn)到插針位置后，將蘋果插在插針上，然后轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°到去皮處，此時(shí)控制仿形刀具的電磁鐵斷電，使刀具貼合蘋果，同時(shí)插針旋轉(zhuǎn)，搖臂緩慢進(jìn)給開始去皮，去皮結(jié)束后卸載托圈上升卸載蘋果。該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于與供料裝置組合可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)去皮，仿形刀具的使用可以保證刀刃切入深度保持在一定范圍內(nèi)，減少過度削皮而浪費(fèi)果肉（曾珊琪等2009）。（4）切削式荸薺去皮機(jī)1—傳送帶2—限位機(jī)構(gòu)3—切削機(jī)構(gòu)4—清除機(jī)構(gòu)5—感應(yīng)器6—荸薺21—限位板22—推動(dòng)氣缸31—自轉(zhuǎn)軸321—弧形刀片322—擋板41—轉(zhuǎn)動(dòng)桿42—長絨毛刷圖1-4荸薺上下面去皮裝置\o"添加到收藏夾"Fig.1-4Peelingdeviceforwaterchestnut1—傳送帶2—送料機(jī)構(gòu)3—按壓機(jī)構(gòu)4—去皮機(jī)構(gòu)5—傾斜板6—吸口21—滾軸22—送料板23—第一電機(jī)31—第一按壓板32—第二按壓板33—第二電機(jī)34—壓敏感應(yīng)器35—升降氣缸41—弧形刀片42—伸縮氣缸圖1-5荸薺側(cè)面去皮裝置Fig.1-5Waterchestnutsidepeelingdevice上述兩裝置是福建碧山食品有限公司的陳志華發(fā)明的荸薺上下面去皮裝置和側(cè)面去皮裝置。上下去皮裝置中（陳志華2015a），荸薺沿著傳送帶移動(dòng)至限位板處，此時(shí)，推動(dòng)氣缸伸出將荸薺固定，感應(yīng)器感應(yīng)到荸薺使傳送帶停止。自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)使弧形刀片移動(dòng)到荸薺前端，將荸薺上面去皮，同時(shí)去除的皮被擋板遮擋經(jīng)由轉(zhuǎn)動(dòng)的長絨毛刷收集。去皮后的荸薺通過旋轉(zhuǎn)滑道進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)后，繼續(xù)通過傳送帶重復(fù)之前的步驟去除下層的荸薺皮。側(cè)面去皮裝置中（陳志華2015b），包含傳送帶和控制系統(tǒng)，處理完上下兩端的荸薺經(jīng)輸送帶運(yùn)送至按壓機(jī)構(gòu)，壓敏感應(yīng)器感應(yīng)到壓力后，升降氣缸移動(dòng)，使第一按壓板和第二按壓板壓緊荸薺并帶動(dòng)荸薺旋轉(zhuǎn)，此時(shí)側(cè)邊的弧形刀片靠近荸薺從而去除側(cè)表皮。該去皮機(jī)優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單，去皮效果好，提高了生產(chǎn)效率。小型菠蘿去皮機(jī)1—上板2—加持裝置3—去刺機(jī)構(gòu)4—傳動(dòng)裝置5—底箱6—電機(jī)7—去皮機(jī)構(gòu)8—下托盤9—自鎖裝置10—手柄圖1-6菠蘿去皮機(jī)Fig.1-6Pineapplepeeler該機(jī)器是塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院徐正通過模擬手工削皮過程及車床工作原理設(shè)計(jì)而成（徐正2019）。該機(jī)器主要由夾持機(jī)構(gòu)、去皮機(jī)構(gòu)、去刺機(jī)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。首先，手動(dòng)去除菠蘿的頭部根莖，將菠蘿尾部插入下托盤上的三爪上，然后打開上板上的鎖止螺栓，使加持裝置下移，從而固定菠蘿，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)加持機(jī)構(gòu)從而帶動(dòng)菠蘿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過絲杠控制刀具進(jìn)給分別實(shí)現(xiàn)了削皮與去刺功能。該機(jī)器采用仿形刀具有效的減少了菠蘿果肉的浪費(fèi)，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，能夠滿足鮮食菠蘿需求。一種差速荸薺去皮裝置1—安全罩2—隔板3—盤形刀4—底座5—電機(jī)6—電機(jī)軸7—馬蹄圖1-7荸薺去皮裝置Fig.1-7Waterchestnutpeeler劉曉強(qiáng)和甘艷平發(fā)明了一種荸薺去皮機(jī)（劉曉強(qiáng)和甘艷平2017），其工作原理是通過電機(jī)帶動(dòng)盤形刀高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)荸薺同向轉(zhuǎn)動(dòng)，由于荸薺轉(zhuǎn)速始終小于刀具轉(zhuǎn)速，存在一定速度差，在離心力的作用下，荸薺逐漸靠近盤形刀邊緣，從而使荸薺與刀具刃口接觸將荸薺皮切除，并從排屑口排出。一種水果去皮裝置1—外殼2—電機(jī)3—伸縮桿一4—固定桿5—固定針6—伸縮桿二7—圓環(huán)8—彈簧9—去皮塊10—去皮齒11—鉸接軸一12—?dú)どw13—腔室14—進(jìn)水孔15—孔帽16—通孔17—擋塊18—連桿19—通孔二20—連接塊21—把手22—固定柱23—軸桿24—卡扣25—卡柱26—轉(zhuǎn)板27—鉸接軸二圖1-8水果去皮裝置Fig.1-8Fruitpeeler上圖為胡文鳳發(fā)明的一種水果去皮裝置（胡文鳳2020），包括外殼，外殼內(nèi)左右壁上固定有伸縮桿二，伸縮桿二末端連接有圓環(huán)，圓環(huán)內(nèi)布置有多個(gè)上下排布的彈簧，彈簧末端固定連接有去皮塊，去皮塊內(nèi)側(cè)設(shè)置有去皮齒，去皮齒可對水果進(jìn)行去皮。裝置底部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)裝置，旋轉(zhuǎn)裝置可使固定在固定針上的水果旋轉(zhuǎn)，從而與去皮齒進(jìn)行摩擦去皮，通過設(shè)置彈簧，可使去皮塊適應(yīng)不同大小形狀的水果，使去皮齒完全貼合水果，進(jìn)而去皮徹底。該裝置的優(yōu)勢在于可以根據(jù)水果的大小和形狀來調(diào)整刀具的位置，從而可以適應(yīng)不同大小形狀的水果去皮。綜合以上對國內(nèi)外去皮機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的介紹，可以看到去皮機(jī)的結(jié)構(gòu)多樣，運(yùn)用的技術(shù)原理也有很多，有通過摩擦球或者砂輪壁摩擦去皮的，也有通過刀具旋轉(zhuǎn)或者農(nóng)產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)的切削去皮，還有包含傳感器和控制系統(tǒng)的自動(dòng)去皮機(jī)。綜合比較，可以發(fā)現(xiàn)摩擦去皮雖然一次性處理量大，但是去皮效果不佳，自動(dòng)去皮機(jī)明顯加工效率更高，因此，本設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)切削式荸薺去皮機(jī)。1.3研究內(nèi)容與研究方法1.3.1研究內(nèi)容（1）去皮機(jī)總體方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化本設(shè)計(jì)的題目為全自動(dòng)荸薺去皮機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，作用對象是荸薺，功能目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)荸薺全自動(dòng)去皮，以提高去凈率和減少果肉損失率為評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過性能測試進(jìn)一步優(yōu)化。首先通過查閱資料了解荸薺的生物學(xué)特性，確定去皮機(jī)的整體尺寸并制定整機(jī)結(jié)構(gòu)方案，包括動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、自動(dòng)分級(jí)排序裝置設(shè)計(jì)、去皮刀具設(shè)計(jì)與優(yōu)化，最后通過3D打印技術(shù)制作刀具進(jìn)行去皮實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出相應(yīng)的修改和優(yōu)化。其中，動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括傳動(dòng)方案的制定、傳動(dòng)路線的設(shè)計(jì)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和動(dòng)力匹配計(jì)算。（2）自動(dòng)分級(jí)排序裝置設(shè)計(jì)荸薺喂入后是堆積無序分布的，本設(shè)計(jì)的全自動(dòng)荸薺去皮機(jī)第一步是通過篩板將荸薺分級(jí)，并落入帶有定位孔的輸送裝置上，在輸送裝置末端設(shè)有去頂芽刀具，用于去除頂芽。（3）去皮刀具設(shè)計(jì)去皮刀具的設(shè)計(jì)包括去皮方案的確定、刀具參數(shù)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)希望能夠采用對旋切削方式實(shí)現(xiàn)荸薺的去皮處理，包括底部和側(cè)面去皮，因此需要根據(jù)荸薺的結(jié)構(gòu)特性，來設(shè)計(jì)合適的刀具結(jié)構(gòu)和參數(shù)。（4）去皮性能試驗(yàn)本設(shè)計(jì)的全自動(dòng)荸薺去皮機(jī)最基本的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)荸薺自動(dòng)去皮的功能，因此在完成去皮刀具的設(shè)計(jì)之后，需通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證去皮效果，利用3D打印技術(shù)制作去皮刀具，對影響荸薺去皮效果的因素進(jìn)行分析，從而優(yōu)化刀具參數(shù)。1.3.2研究方法查閱與果蔬去皮相關(guān)的中外文文獻(xiàn)，重點(diǎn)了解荸薺的生物學(xué)特性，荸薺去皮機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展；采用三維設(shè)計(jì)軟件UG對機(jī)器的各個(gè)零件進(jìn)行實(shí)體參數(shù)化建模、虛擬裝配、干涉檢查；通過3D打印技術(shù)打印去皮刀具，進(jìn)行荸薺去皮實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)去皮效果以此對刀具參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。1.4技術(shù)路線2荸薺去皮機(jī)整體方案通過查閱文獻(xiàn)和生活中觀察可以發(fā)現(xiàn)荸薺尺寸差別大、外形不規(guī)則、去皮困難，在分析國內(nèi)外去皮機(jī)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)銑削式荸薺去皮機(jī)。本設(shè)計(jì)通過分級(jí)處理實(shí)現(xiàn)荸薺更精確的去皮，同時(shí)分別處理荸薺頂芽和其他部分，從而在刀具設(shè)計(jì)過程中不用考慮頂芽的影響，采用刀具旋轉(zhuǎn)、荸薺不轉(zhuǎn)的方式，避免荸薺在去皮時(shí)破碎，此外，采用刀具集成分布提高了去皮效率。2.1整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理通過查閱文獻(xiàn)資料和現(xiàn)有去皮裝置的研究，本設(shè)計(jì)根據(jù)荸薺的外形特點(diǎn)，利用荸薺與刀具之間的速度差，設(shè)計(jì)了一種對旋式碗狀去皮裝置，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)銑削式荸薺去皮機(jī)。去皮機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖所示，包含喂入裝置、篩選裝置、輸送定位裝置、對旋去皮裝置、集果裝置和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。1—喂入料斗2—喂入滾筒3—篩板4—隔板-5—輸送帶6—皮帶輪7—T型轉(zhuǎn)向器8—電動(dòng)機(jī)9—下去皮室10—集果槽11—上去皮室12—移動(dòng)導(dǎo)軌13—機(jī)架14—去頂?shù)秷D2-1整機(jī)三維圖Fig.2-13Dillustrationofthewholemachine整機(jī)的工作原理如下：去皮時(shí)，將荸薺倒入喂入料斗中，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)喂入滾筒旋轉(zhuǎn)一定角度，調(diào)節(jié)荸薺的喂入量，最終落入篩選裝置中；篩板上排布有大小不同的篩孔，篩板通過曲柄搖桿裝置帶動(dòng)。荸薺落入篩板后，隨著篩板振動(dòng)，在振動(dòng)過程中，在重力和篩板的共同作用下，荸薺不斷向前移動(dòng)，從而使小的荸薺最先從小孔中落下，直徑大的荸薺從大孔落下，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)效果。荸薺從篩板中落下后會(huì)落在輸送帶上，輸送帶上設(shè)置有擋板，可以防止分級(jí)好的荸薺混合，同時(shí)輸送帶上還設(shè)計(jì)有定位孔，在輸送的過程中，荸薺遇到擋板從而不斷向中心匯聚最終落入定位孔中。落入定位孔的荸薺繼續(xù)向前輸送，并由去頂?shù)度コ斞?。?dāng)去除頂芽的荸薺移動(dòng)至上去皮板下方時(shí)，插針向下伸出插取荸薺，然后由滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)送到下去皮板，插針回收，碗狀去皮刀相扣由電機(jī)帶動(dòng)開始去皮。去皮完成后，插針再次伸出，將去皮后的荸薺輸送到集果槽中。2.2傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于該去皮機(jī)喂入部分、篩選部分、定位輸送部分和去皮部分都需要?jiǎng)恿斎耄食巳テげ糠钟眯‰姍C(jī)帶動(dòng)，喂入部分單獨(dú)用一個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)來控制荸薺的喂入量，篩選和定位輸送部分通過一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，通過T型轉(zhuǎn)向器和皮帶輸入動(dòng)力。2.2.1傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)喂入裝置的主要功能是實(shí)現(xiàn)荸薺的喂入，同時(shí)通過喂入滾筒來調(diào)節(jié)荸薺的喂入量，因此該部分單獨(dú)通過一個(gè)伺服電機(jī)經(jīng)過V帶帶動(dòng)。篩選裝置采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，通過將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成篩板水平和豎直方向的振動(dòng)，從而達(dá)到篩選作用。分級(jí)定位裝置采用帶定位孔的輸送帶，在實(shí)現(xiàn)荸薺定位的同時(shí)切除頂芽部分。輸送帶在運(yùn)動(dòng)的過程中要實(shí)現(xiàn)當(dāng)上去皮室移動(dòng)至輸送帶上方時(shí)，正好輸送一組荸薺，這時(shí)輸送帶停止運(yùn)動(dòng)，荸薺由上去皮室的插針插取至下去皮室去皮，去皮完成后，電機(jī)開始工作，輸送帶繼續(xù)運(yùn)送荸薺，當(dāng)上去皮室再次移動(dòng)至輸送帶上方插取荸薺時(shí)，輸送帶再次停止，此為一個(gè)工作循環(huán)。故，該部分采用帶傳動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)和T型轉(zhuǎn)向器將動(dòng)力傳遞給篩選裝置和定位輸送裝置。該部分動(dòng)力傳動(dòng)簡圖如下：圖2-2篩選和定位輸送裝置傳動(dòng)簡圖Fig.2-2Screeningandpositioningoftransmissiondevicetransmissiondiagram去皮裝置由上下去皮室組成，去皮室上共均布有18（3×6）個(gè)去皮單體，在去皮時(shí)，每個(gè)去皮單體的上下刀具反方向旋轉(zhuǎn)，利用刀具與荸薺之間的差速達(dá)到去皮效果。去皮部分的傳動(dòng)可采用齒輪傳動(dòng)或直接由36個(gè)小電機(jī)帶動(dòng)，因?yàn)辇X輪傳動(dòng)的制造和安裝精度要求高，且上下去皮室分別由一組齒輪傳動(dòng)時(shí)，各去皮單體相互關(guān)聯(lián)，一旦其中一個(gè)去皮單體傳動(dòng)出現(xiàn)問題則會(huì)影響整組去皮，故去皮裝置直接采用多個(gè)小電機(jī)帶動(dòng)。2.2.2傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)通過對比發(fā)現(xiàn)，PVC材質(zhì)經(jīng)過長時(shí)間陽光暴曬會(huì)自動(dòng)催化分解，導(dǎo)致物理機(jī)械性能下降，而PU材質(zhì)相較于PVC更軟，韌性好、能夠承受較大的拉力、更加耐磨，且適用于中長距離、多種速度條件下物料運(yùn)輸（齊康康2015），故選擇PU材質(zhì)的皮帶作為定位輸送帶。已知一般PU材料密度為1.25g/cm3，設(shè)計(jì)輸送帶周長2008mm，寬600mm，厚30mm，故輸送帶的體積為： （2-1）式中：a—輸送帶周長，mm；b—輸送帶寬度，mm；c—輸送帶厚度，mm又因?yàn)檩斔蛶戏植加写笮〔煌亩ㄎ豢?，定位孔的體積為： （2-2）故實(shí)際輸送帶的體積為： （2-3）輸送帶的質(zhì)量為 （2-4）式中，ρ為帶的密度取輸送帶上荸薺數(shù)量最大為18×3=54個(gè)，又已知荸薺單果重在20~30g之間，則荸薺的重量： （2-5） （2-6）根據(jù)功率的計(jì)算公式，得： （2-7）參考直線振動(dòng)篩功率，取篩選裝置功率為10W，又查閱文獻(xiàn)可知：V帶的傳動(dòng)效率，滾動(dòng)球軸承的傳動(dòng)效率（朱玉2012）。則電動(dòng)機(jī)所需要的功率為： （2-8）而 （2-9）故 （2-10）電動(dòng)機(jī)的額定功率，通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選擇YS系列三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為YS562-4，技術(shù)數(shù)據(jù)為：額定功率90W，轉(zhuǎn)速1400r/min。2.3本章小結(jié)本章主要闡述了全自動(dòng)銑削式荸薺去皮機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分別介紹了整機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理以及主要運(yùn)動(dòng)部分的傳動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)。該去皮機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由喂入裝置、篩選裝置、定位輸送裝置、去皮裝置和集果裝置組成。喂入裝置由單獨(dú)的一個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)，篩選裝置和定位輸送裝置的動(dòng)力經(jīng)電動(dòng)機(jī)、T型換向器，通過帶傳動(dòng)傳遞至動(dòng)力輸出軸。

3荸薺去皮裝置設(shè)計(jì)為了提高去皮效果，設(shè)計(jì)刀具時(shí)仿照荸薺的外形使其更加貼合荸薺的尺寸，以此設(shè)計(jì)一種對旋式碗狀去皮刀具，該去皮刀具采用刀具旋轉(zhuǎn)的方式，利用刀具與荸薺的速度差實(shí)現(xiàn)去皮功能。3.1荸薺外形和力學(xué)特性分析去皮刀具的設(shè)計(jì)是荸薺去皮機(jī)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，而去皮刀具的設(shè)計(jì)需要根據(jù)所要去皮的果蔬的形態(tài)尺寸為依據(jù)，因此在進(jìn)行去皮刀具的設(shè)計(jì)之前，首先要對荸薺的外形尺寸及特性進(jìn)行分析。如下為荸薺的二維示意圖及實(shí)物圖：圖3-1荸薺二維示意圖圖3-2荸薺實(shí)物圖Fig.3-1Two-dimensionalschematicdiagramofwaterchestnutFig.3-2Thephysicalpictureofthewaterchestnut通過對荸薺壓潰、果肉壓縮、剪切等試驗(yàn)分析，郭洲得出了荸薺相關(guān)物料特性參數(shù)：荸薺不同部位的物理特性不同，芽根部和側(cè)表皮差異較大；切除芽部所需力為60.56N，切除根部所需要的力為70.95N，荸薺側(cè)皮厚度為0.57mm，切除側(cè)芽平均需要的力為33.27N；荸薺的徑向抗壓強(qiáng)度大于兩倍的軸向抗壓強(qiáng)度，所以從荸薺軸向破壞更容易壓潰（郭洲2020）。故采用插針旋轉(zhuǎn)、荸薺固定的去皮方式有可能使荸薺破碎。另外查閱資料得到荸薺的外形尺寸，荸薺側(cè)高18~22mm，中部高11~14mm，底高2~4mm,均值為2.975mm，底寬在26~30mm，均值為26.39mm，荸薺的最大橫徑為40~49mm，較集中于45mm（梁方等2020）。3.2去皮方案對比切削式荸薺去皮的方式可以有很多種，不同方案的刀具結(jié)構(gòu)和排布各不相同，它們都有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。下面將就一些去皮方案進(jìn)行對比分析。方案一：刀具固定，荸薺轉(zhuǎn)動(dòng)（1）圖3-3單體和去底刀三維圖Fig.3-33Ddiagramofmonomerandbottomcuttingtool（2）圖3-4單體和去底刀三維圖Fig.3-33Ddiagramofmonomerandbottomcuttingtool方案一采用側(cè)刀和去底刀固定，插針插取和帶動(dòng)荸薺旋轉(zhuǎn)的方式，通過彈簧仿形使刀具與荸薺接觸從而實(shí)現(xiàn)去皮，側(cè)刀和去底刀分別留有排屑槽以及時(shí)排屑。以此分別設(shè)計(jì)了兩種去底刀，其中，圖3-3中的去底刀是仿照锪圓錐孔鉆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雖然能夠貼合荸薺底部內(nèi)凹的結(jié)構(gòu)，但是荸薺皮不同于金屬碎屑，容易堵塞排屑槽；圖3-4中的去底刀仿照生活中的削皮刀設(shè)計(jì)成荸薺底部的弧形，不同的是左右兩側(cè)刃口方向相反，但是刀具的強(qiáng)度并不能保證，且難以完全貼合荸薺底部。方案二：刀具旋轉(zhuǎn)，荸薺固定圖3-5手動(dòng)式去皮裝置和對旋式碗狀去皮裝置及刀具圖Fig.3-5manualpeelingdeviceandcounterrotatingbowlpeelingdeviceandcuttingtooldrawing方案二采用刀具旋轉(zhuǎn)，荸薺固定的方式去皮。在設(shè)計(jì)的手動(dòng)去皮的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改左右相扣為上下相扣的碗狀去皮刀具。在去皮時(shí)，首先上去皮刀具克服彈簧彈力上升，將荸薺放入下去皮刀具中，然后上去皮刀下降與下去皮刀相扣合，通過錐齒輪傳動(dòng)使上下刀具反方向旋轉(zhuǎn)，從而利用荸薺與刀具間的速度差來達(dá)到去皮效果。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于刀具完全仿照荸薺外形尺寸設(shè)計(jì)，在去皮時(shí)能夠有效貼合荸薺，同時(shí)通過兩刀具扣合代替了插針的插取固定，能夠避免當(dāng)插針轉(zhuǎn)速低時(shí)，容易去皮不暢，導(dǎo)致去不凈甚至荸薺卡住，當(dāng)轉(zhuǎn)速高時(shí)，荸薺被插針攪碎，導(dǎo)致插針空轉(zhuǎn)的情況。但是該方案的不足之處在于荸薺取放不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且由于傳動(dòng)方式導(dǎo)致單體體積龐大，不容易實(shí)現(xiàn)單體集成，從而不能一次性處理多個(gè)荸薺，大大降低了去皮效率。方案三：集成板式去皮圖3-6集成式去皮裝置及其刀具圖Fig.3-6Integratedpeelingdeviceandcuttingtooldiagram方案三同樣采用對旋式碗狀去皮結(jié)構(gòu)，在方案二的基礎(chǔ)上，通過小電機(jī)驅(qū)動(dòng)上下去皮刀具，使各去皮單體相互獨(dú)立，避免了單個(gè)單體故障時(shí)影響其他單體去皮。去皮裝置分為上下去皮室，上去皮室與機(jī)械導(dǎo)軌相連接，由機(jī)械導(dǎo)軌帶動(dòng)，同時(shí)在每個(gè)上去皮刀具中都設(shè)計(jì)了插針結(jié)構(gòu)，該插針能夠在插取荸薺時(shí)從刀具中伸出，去皮過程中則隱藏在刀具內(nèi)部，只起到插取和運(yùn)輸荸薺的作用。綜上分析，方案三在方案一和方案二的基礎(chǔ)上，既解決了方案一中刀具固定、插針帶動(dòng)荸薺旋轉(zhuǎn)時(shí)荸薺卡住、破碎或空轉(zhuǎn)的問題，又解決了方案二中自動(dòng)化程度低，難以集成化的問題，能夠很好地完成荸薺的插取和去皮過程。故采用方案三中的去皮裝置結(jié)構(gòu)。3.3對旋式碗狀去皮刀具設(shè)計(jì)對旋式碗狀去皮刀具的結(jié)構(gòu)如圖3-6，整體由上下兩部分構(gòu)成，仿照荸薺外形設(shè)計(jì)而成，呈扣碗狀，下扣碗側(cè)邊對稱布置有去皮刀刃和排屑槽，刃口方向相反，頂部與側(cè)邊垂直方向上同樣布置有去皮刀刃和排屑槽，保證能去除荸薺側(cè)邊和底部表皮的同時(shí)，連接左右兩部分。在刀具的外側(cè)均勻布置有支撐柱，起到連接支撐和傳動(dòng)作用，頂部的設(shè)計(jì)起到連接電機(jī)動(dòng)力輸出軸的作用。上扣碗結(jié)構(gòu)與下扣碗大體相似，頂部的切削刃由插針代替，在去皮前，上扣碗中的插針伸出從輸送裝置中插取荸薺，去皮時(shí)，插針回收荸薺落入下扣碗中，然后上下扣碗相扣反方向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)去皮功能。1—去皮刀2—荸薺3—刀刃圖3-7刀具切削示意圖Fig.3-7Diagramoftoolcutting如圖3-7為荸薺與刀具布置示意圖，根據(jù)荸薺的外形設(shè)計(jì)刀具的尺寸，刀具的直徑定為50mm，刀具的高度定為13mm，厚度定為2mm。如圖3-8為刀具切削示意圖，在切削時(shí)，刃口必須以一定角度才能切入荸薺，當(dāng)刃口傾角α趨近于90°時(shí)，切削刃與荸薺橫徑趨近于平行，難以切入，當(dāng)刃口傾角趨近于0°時(shí)，切削刃厚度逐漸減少，強(qiáng)度減小，故刃口傾角必須選用合適的角度，本設(shè)計(jì)中刃口傾角取40°。從荸薺特性分析中可以知道荸薺果皮側(cè)皮厚度為0.57mm，為保證排屑順暢，故排屑槽的寬度取2mm。查閱資料，在底面斜刀傾角為82°，長度為14mm，側(cè)面圓弧刀弦長為22mm的條件下，選取荸薺轉(zhuǎn)速為40r/min，此時(shí)荸薺的去皮損失和去凈率的綜合效果最好（梁方等）。假設(shè)刀具轉(zhuǎn)速為40r/min，則線速度為： （3-1）根據(jù)3.1節(jié)中切除荸薺頂芽所需力為60.56N，切除根部所需要的力為70.95N，取平均切削力為65N，則刀具所需功率為： （3-2）根據(jù)刀具所需功率，選取型號(hào)為XX37GB-520R的小電機(jī)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，額定電壓為12V，額定功率為7W。3.4本章小結(jié)本章完成了去皮裝置的設(shè)計(jì)。首先分析了荸薺的外形特性，然后根據(jù)荸薺的外形尺寸，分別采用刀具固定、荸薺旋轉(zhuǎn)和刀具旋轉(zhuǎn)、荸薺不轉(zhuǎn)的方式設(shè)計(jì)了幾種荸薺去皮方案，通過對這些去皮方案對比分析，最終確定了一種對旋式碗狀去皮刀具，能夠?qū)崿F(xiàn)荸薺的集成化和自動(dòng)化去皮。4去皮性能試驗(yàn)本設(shè)計(jì)的去皮刀具根據(jù)荸薺的外形特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成，通過上下刀具反方向旋轉(zhuǎn)，荸薺與刀具產(chǎn)生速度差，從而達(dá)到去皮效果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證刀具的去皮可行性，故通過3D打印制作去皮刀具，并設(shè)計(jì)去皮實(shí)驗(yàn)探究刀具的去皮效果以及去皮的合理轉(zhuǎn)速。4.1試驗(yàn)儀器和材料試驗(yàn)儀器包括：電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器、3D打印的去皮刀具、支撐架、電子秤、網(wǎng)格紙、衛(wèi)生紙和簽字筆等，試驗(yàn)材料采用新鮮的荸薺。1—電機(jī)2—支撐架3—下去皮刀具4—上去皮刀具5—連接裝置6—銷7—彈簧8—調(diào)速器圖4-1去皮實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和實(shí)物圖Fig4-1Schematicdiagramandphysicaldrawingofpeelingexperimentaldevice4.2試驗(yàn)方案的制定表4-1試驗(yàn)因素與水平Tab.4-1Testfactorsandlevels水平刀具轉(zhuǎn)速n（r/min）12402255327042855300本刀具在設(shè)計(jì)時(shí)仿照荸薺外形尺寸設(shè)計(jì)，且在去皮前荸薺要經(jīng)過分級(jí)處理，故刀具的尺寸不作為試驗(yàn)因素。考慮到刀具轉(zhuǎn)速對荸薺去皮效果影響較大，轉(zhuǎn)速過低，刀具切削力不夠，難以去皮，轉(zhuǎn)速過高，易損壞刀具，這里取刀具轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)各因素的各個(gè)水平分別進(jìn)行試驗(yàn)，針對刀具轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)，確定合適的工作轉(zhuǎn)速。最終的去皮效果通過去凈率和去皮損失率來反映，去凈率通過去皮后荸薺表面果肉的表面積占去皮前荸薺表面積的比值表示，其公式為： （4-1）式中：y1—去凈率，%；S0—去皮前荸薺表皮表面積，mm2；S1—去皮后荸薺剩余表皮表面積，mm2；ΔS—去皮后荸薺果肉表面積，mm2；去皮損失率通過去皮前后荸薺的質(zhì)量變化來反映，公式為： （4-2）式中：y2—去皮損失率，%；m0—去皮前荸薺的質(zhì)量，g；m1—去皮后荸薺的質(zhì)量，g；因?yàn)檩┧j呈不規(guī)則的扁圓形，其表面積測量較為復(fù)雜，通過查閱文獻(xiàn)，采用拓印法來測量荸薺去皮后的面積，通過網(wǎng)格化的柔軟紙張包裹住荸薺，用簽字筆將沿邊緣標(biāo)記，通過數(shù)出相應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)來計(jì)算荸薺的表面積（郭洲2020；梁方等2020；EmadiB2007）。4.3試驗(yàn)結(jié)果與分析根據(jù)各試驗(yàn)水平分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用更加直觀的圖表來反映試驗(yàn)結(jié)果，以此分析試驗(yàn)因素對去皮效果的影響。圖4-2去皮效果圖圖4-3網(wǎng)格紙及拓印后的紙巾Fig4-2peelingeffectdiagramFig4-3meshpaperandpapertowelafterrubbing試驗(yàn)前，先篩選好直徑大小在45mm左右的荸薺，將荸薺清洗干凈并將其頂芽去除，稱量出荸薺的重量。試驗(yàn)時(shí)，使上下刀具轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，根據(jù)設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)水平改變刀具轉(zhuǎn)速，進(jìn)行去皮試驗(yàn)，試驗(yàn)效果如圖4-2所示，稱量重量后將去皮后的荸薺表面積用紙巾拓印后得到如圖4-3所示紙巾，之后參照圖中5mm×5mm的網(wǎng)格紙數(shù)出荸薺果皮和果肉所占的格數(shù)，從而計(jì)算出荸薺的去凈率，得到如表4-2所示數(shù)據(jù)：表4-2不同刀具轉(zhuǎn)速下的去凈率和去皮損失率統(tǒng)計(jì)表Tab4-2Statisticaltableofcleaningrateandpeelinglossrateatdifferenttoolspeeds水平n（r/min）去凈率y1（%）去皮損失率y2（%）123均值123均值24012.7118.7519.0816.855.456.126.536.0325518.8230.4610.5919.968.8411.3013.6411.2627017.7922.9713.9118.225.4911.863.387.9628520.1225.5018.9021.519.136.905.247.0930036.3631.2515.3027.6413.6512.504.1210.09圖4-4去凈率折線圖Fig4-4linechartofdepurationrate圖4-5損失率折線圖Fig4-5linechartoflossrate通過去皮效果圖可以發(fā)現(xiàn)，整體的去皮效果不佳，荸薺兩端的果皮能夠去除，但側(cè)表皮很難去除，根據(jù)試驗(yàn)過程及結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)荸薺兩端能夠去皮的原因在于上刀具采用了彈簧仿形，能夠隨著荸薺高度變化而移動(dòng)，而刀具直徑固定，當(dāng)荸薺小于刀具尺寸時(shí)并不能去除側(cè)皮，當(dāng)荸薺等于或略大于刀具尺寸時(shí)，荸薺易卡住導(dǎo)致上下只有一側(cè)能夠去皮。通過對去凈率y1和去皮損失率y2的分析，可以發(fā)現(xiàn)，隨著刀具轉(zhuǎn)速的提高，整體上去凈率和去皮損失率都是逐漸增加的，雖然當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為300r/min時(shí)，去凈率最高，但損失率也較高，故綜合考慮，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為285r/min時(shí)，去皮的綜合效果更好。4.4本章小結(jié)本章節(jié)通過3D打印技術(shù)制作了去皮刀具及支撐裝置，以刀具轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素水平，進(jìn)行了去皮性能試驗(yàn)。針對試驗(yàn)因素各水平分別進(jìn)行了3次試驗(yàn)，試驗(yàn)中去皮效果評價(jià)指標(biāo)為去凈率和去皮損失率，根據(jù)各水平3次試驗(yàn)的平均去凈率和去皮損失率確定最佳去皮轉(zhuǎn)速。最終，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，發(fā)現(xiàn)去皮刀具整體去皮效果不理想，側(cè)皮去除方式還有待改進(jìn)。試驗(yàn)中，荸薺的去凈率和損失率都隨著刀具轉(zhuǎn)速提高而提高，綜合考慮得出刀具轉(zhuǎn)速為285r/min時(shí)，去凈率平均為21.51%，去皮損失率平均為7.09%，此時(shí)去皮的綜合效果更好。5總結(jié)與展望本文針對荸薺形狀復(fù)雜、去皮困難、人工去皮低效率、摩擦式去皮果肉損失大、果皮去不凈等問題，通過仿形原理設(shè)計(jì)了一種對旋式碗狀去皮刀具，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)切削式荸薺去皮機(jī)，旨在提高荸薺的去皮質(zhì)量和去皮效率。通過查閱資料了解了人工去皮、銑削式去皮、摩擦式去皮以及銑削摩擦混合式等去皮方式，在分析比較各種去皮方式和去皮裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種全自動(dòng)切削式荸薺去皮機(jī)，基于喂入、篩選分級(jí)、輸送、去皮、集果等工藝，該全自動(dòng)切削式荸薺去皮機(jī)主要包括喂入裝置、分級(jí)裝置、定位輸送裝置、對旋式碗狀去皮裝置和集果裝置等結(jié)構(gòu)。在對荸薺外形及力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上，分別采用荸薺旋轉(zhuǎn)、刀具固定和荸薺固定、刀具旋轉(zhuǎn)的方式設(shè)計(jì)了不同的去皮方案，通過對比分析，最終采用荸薺固定、刀具旋轉(zhuǎn)的方式，利用差速原理，設(shè)計(jì)了一種對旋式碗狀去皮裝置。刀具結(jié)構(gòu)仿照荸薺外形設(shè)計(jì)而成，采用彈簧結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了上下仿形，并通過刀具集成實(shí)現(xiàn)一次性處理多個(gè)荸薺提高去皮效率的功能。最后，對刀具去皮性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，利用3D打印技術(shù)制作去皮刀具并搭建試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)際驗(yàn)證刀具的去皮效果，采用單因素試驗(yàn)的方法，探究刀具轉(zhuǎn)速對刀具去皮性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，刀具能夠去除荸薺兩端表皮，但對于側(cè)表皮處理效果并不理想，通過分析發(fā)現(xiàn)，刀具轉(zhuǎn)速提高后，荸薺的去凈率和損失率都隨之增加，綜合考慮去凈率和損失率得出，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為285r/min時(shí)去皮效果較好。本設(shè)計(jì)不足之處在于，對于荸薺頂芽的處理方式粗糙，去皮刀具橫向可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)成仿形結(jié)構(gòu)，從而減少對荸薺尺寸分級(jí)的要求，解決荸薺側(cè)皮去皮效果不理想的問題。

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