芒果削皮榨汁一体机结构设计与分析

王志龙，郑伟，刘世豪*

1.北京机械工业自动化研究所有限公司（北京 100120）；2.海南大学机电工程学院（海口 570228）

芒果是一种著名的热带水果，海南地区的居民几乎每天都会食用芒果，全国范围内对芒果的需求量也在逐年上升。这些年，全球芒果种植面积在不断扩大，其产量也在快速增长。目前，世界种植芒果的国家和地区超过80个，主要分布在热带和亚热带。

芒果可以直接削皮食用或者榨汁饮用，由于其皮厚而且坚硬，给食用者带来诸多不便。针对市场的需求，很多企业开始对芒果进行加工，很多大学、企业也研究芒果的生产、加工。随着我国的经济发展，人们对芒果的需求也不仅仅限于其基本的营养需求，并且要求绿色环保。当前，大部分家庭仍使用最原始的芒果食用方式，即徒手削皮。然而，也有一部分家庭利用高速旋转的刀片来榨汁，这样在超高的离心作用力下会破坏瓜果的营养价值，也不是很合理。

目前市场上芒果榨汁的机器单一，专门的芒果削皮机械也比较少见，主要包括企业使用的大型榨汁机械和家庭使用的小型高速旋转榨汁机。企业使用的大型机械由于区域和需求的限制，不便销售。家庭小型的高速旋转榨汁机操作复杂，营养被破坏严重，效率低。榨汁的前一道工序是削皮，然而芒果削皮机械少见且还不成熟，这严重阻碍了芒果产业的发展。

综上所述，为了加快芒果产业的发展以及排除上述的尴尬局面，提出设计一种新型芒果削皮榨汁一体机，并且能实现榨现卖的销售模式，进而促进我国热带农产品产业化进程。所设计的新型芒果削皮榨汁一体机主要包括削皮机构和榨汁机构，具体设计包括果皮果肉分离设计和运输设计[1]。

1 削皮机构部分的设计与分析

1.1 芒果的物理性质

芒果的品类繁多，形状主要是椭圆形，瓜皮包括青芒的绿硬皮和成熟黄芒的软皮。芒果的尺寸长度一般在10～15 mm之间，直径一般在8～10 mm之间，质量一般在200～500 g之间，果皮厚4 mm以上。

1.2 削皮机构的设计

削皮机构设计为单刀式卧式削皮机构，如图1所示。芒果削皮机构由丝杆齿轮、丝杆、外壳、升降台、仿行弹簧、下爪齿轮、导向杆、气压缸、上刀爪、下刀爪等组成。削刀装在刀杆上，而刀杆装在升降台上，升降台随着丝杆的转动而上下移动。丝杆与丝杆齿轮刚接，下爪盘与下爪盘齿轮刚结，两个齿轮啮合，产生一定的传动比，实现削皮刀合理的削皮。上爪盘由气缸控制，起到夹紧芒果的作用。丝杆轴外接减速电动机，实现动力的输入[2]。

图1 芒果削皮机构示意图

1.2.1 芒果的受力分析

芒果在工作状态下受到刀具的切削力和上下卡爪的挤压力。为了确定刀具、刀型以及仿形力F0大小（F0决定弹簧的选择），必须对工作状态下的削皮机构进行受力分析。

仿形机构是根据杠杆原理设计的[2-3]。由图2可得，工作状态下的芒果与刀具受力平衡，满足式（1）。

图2 芒果切削受力图

式中：F0为弹簧力，N；L1为刀杆动力臂长度，mm；FA为切削力（阻力），N；L2为刀杆阻力臂长度，mm；h0为待削果皮厚度，mm；FB是B点处的仿形力，N。

芒果皮在切削力FA的作用下与果肉分开，刀具的设计还可以实现果皮厚度均匀的目的，仿形块2在仿形力的作用下可以保持与果肉的始终接触，因此凸台AB的距离则是果皮的厚度。由于果皮厚度很小，根据实际情况，这个厚度相对于刀杆的长度可以不计，则式（1）变成：

1.2.2 削皮刀的设计与入切角的选择

图2中的α角为入切角，最佳的范围在20°～40°[4]，这样可以保证削刀不至于切到过多果肉，也可以保证削刀紧贴芒果果皮。

刀型的选择是为了保证每一处瓜皮的厚度相同，故选择弧形削皮刀。其大小为r=15 mm的圆弧形。对于刀具的选择还需考虑以下因素：

1) 材料：芒果为高维生素、高糖、多汁水的水果，在削皮的过程中会流出大量的汁水，则削皮刀应该选择不容易生锈的材料，由于削皮有时冲击比较大，还要满足刚度要求和强度要求，要求耐用，故选择1Cr13材质的不锈钢。

2) 可靠性：削皮过程要保证削皮刀的稳定，不能受到机械振动、芒果表面不均匀等因素的影响，还要保持果皮的厚度均匀。

3) 调节方便：要满足不同厚度的削皮要求。

1.2.3 刀杆及弹簧的设计

选择仿形弹簧为拉伸弹簧，其工作载荷在80～100 N之间，实际情况中弹簧的工作原理图如图3所示[5]。

图3 弹簧工作原理图

由实际经验可知，芒果最大横截面的长轴径为100 mm，由于不同的芒果大小不一致，故取最大芒果的最大横截面的长轴半径为Rmax=50 mm，下卡爪的半径Rmin=10 mm。图3中的θ是指仿形刀具可以自动仿形而调节的角度，削刀可以一直紧贴芒果果皮并且沿着AB运动。A0是刀杆的起始位置，此时摆动角为0，当θ最大时，即削刀位于B点，A、B两点是削刀的两个极限位置，为了保证削刀道口恰好从下卡盘开始工作（即恰好接触到下卡盘），工作时要求θ＞0°[6-8]，以保证削刀不会与其他机构发生干涉从而破坏削刀。而弹簧的最大压拉长度h应该满足等式：

所以：

设计还要在满足使用要求的前提下尽可能地缩小整机大小，因此还需要满足：

综合上述关系可知，所需切削力的大小由芒果自身的物理性质确定，不同的芒果其需要的切削力差异不大，而弹簧的压拉长度则由刀杆的动力臂和阻力臂决定，所以设计刀杆的动力臂为20 mm，阻力臂端为40 mm，所以弹簧的压拉长度为20 mm。

2 榨汁机构的设计与分析

2.1 芒果榨汁的受力分析

所设计的榨汁方法主要是将去皮的芒果挤压，将芒果果汁与果肉分开。为方便分析，将挤压芒果几乎呈椭圆形，芒果挤出工艺简单。假设构建挤压力模型（图4），根据分析，芒果受力相对简单，向压力凸轮施加正向压力F0，于是芒果受到压力也为F0，挤压凹轮的反作用力也是F0。

而将芒果可以挤压成渣，尽可能地榨汁出更多芒果汁的挤压力F0，由芒果的物理性质确定[9-10]。根据实际经验记录可知，F0可以取1 000 N，选取安全系数1.5，即以1 500 N为设计这部分机构提供设计参数。

图4 芒果挤压的受力分析示意图

2.2 榨汁机构的进料设计

榨汁机构位于削皮机构的下方，则进料方式可以通过一个曲形管道连接到挤压凹轮处。曲形弯管形状如图5所示，其尺寸大小要通过其他机构的位置确定。

图5 进料管外形

2.3 榨汁机构具体设计

芒果的榨汁工作过程如图6所示，具体的工作原理如下：

1) 输送装置工作原理：芒果从削皮机构部分完成削皮后落入导管中，在重力的作用下沿着管壁向下滑动，直到遇到凹轮的壁被挡住。当榨汁结构开始运转时，凹轮也开始转动，而凹轮的壁上面开有足够容纳芒果的凹槽，则芒果会滑入凹轮的凹槽中。凹轮继续转动，则相继的芒果也会落入位于凹轮上面相邻的槽中，填补上一个空缺位，由此重复还可以实现重复旋转进料。补充：由于芒果的最大短轴直径为100 mm，最小短轴直径为60 mm，则取凹轮的直径为180 mm。

2) 榨汁装置的工作原理：装置运转起来，位于凹轮2中的芒果跟随凸轮2一起转动，随后跟凸轮1配合，凸轮1中的半球挤压芒果，将芒果果汁逐渐从果肉中榨出，芒果汁在重力的作用下向下流出，此时在榨汁装置的下面有个集汁料漏斗，中间是个网状挡板，通过漏斗实现果汁的收集。

3) 排渣装置的工作原理：榨汁后的芒果渣的表面摩擦因数很小，并且凹轮和凸轮都在旋转。故果渣不会粘连在凹轮或者凸轮上面。位于果汁收集漏斗上面有个倾斜的网状挡板，果渣会在重力的作用下滑至底边，方便排渣。

图6 榨汁工作原理图

3 整机结构设计及工作原理

3.1 总机传动系统结构设计

传动系统通过齿轮的传动，丝杆、下爪盘、凹轮和凸轮有个合理且固定的传动比，使削刀可以合理地切削果皮；通过凹轮和凸轮的准确配合，对芒果进行榨汁，由于齿轮的传动需要准确的中心距，因此会有固定的轴承位置，使得每次机器清洗之后更加容易安装，更加准确地定位。

外壳采取不锈钢材料，这可以对机构的其他部分起到保护作用，防止飞溅的果汁溅入传动系统中形成腐蚀而减少机构的寿命，也可以防止裸露的机构对操作人形成危险。

输送装置包括削皮后进入榨汁部分的弯管，凹轮和凸轮不仅仅是榨汁机构，也是运输果渣的装置，运输装置可以使得削皮后的芒果准确进入到凹轮中。

榨汁装置包括凹轮、凸轮、集汁料斗、传动轴等部件，使得削皮后的芒果可以顺利榨汁，合理地收集果汁。

各种传动机构中最常见的就是齿轮传动。它具有结构紧凑、传动精确、传动稳定、传动效率高、组合可以实现很大的传动比、使用寿命长等优点。设计要求传动准确、结构紧凑，则选择齿轮传动。

根据前文第1和第2节的内容以及实际经验，整机齿轮传动结构如图7所示。电动机通过联轴器带动圆柱锥齿轮主动轮旋转，圆柱锥齿轮主动轮带动圆柱锥齿轮从动轮旋转，圆柱锥齿轮从动轮与丝杆主动轮齿轮以及凸轮固定于同一轴上，传动主动轮带动直齿传动从动轮旋转，直齿传动从动轮和凹轮位于轴上，形成一级传动，下爪盘从动轮齿轮、下爪盘固定于轴上，减速电机带动传动轴4，丝杆主动轮齿轮带动下爪盘从动轮齿轮旋转。

图7 整体机器传动示意图

3.2 整机工作过程分析

结合设计结果和方法，最终设计得到的芒果削皮榨汁一体机的整机结构如图8所示。在整机的工作过程中，将芒果放入进料管（9）中，上爪盘在气缸控制器（6）的控制下将芒果加紧，交流电动机1带动丝杆的转动，位于升降台上的刀具（5）可以左右移动，同时位于丝杆传动轴（4）上的丝杆齿轮带动下爪盘转动，下爪盘旋转从而芒果旋转，在刀具的作用下完成削皮，被削皮后的芒果进入输料管中。

图8 整机三维结构

芒果在进行第一步的切削工作之后开始通过输料管进入到下一道工序。在榨汁系统中，减速电动机（15）带动主动锥齿轮转动，从动锥齿轮（14）与主动锥齿轮因为相互啮合而转动，则凸轮传动轴会带着凸轮（11）转动，同时与凸轮齿轮啮合的凹轮齿轮（13）转动，带动凹轮（12）转动。芒果通过输料管时在重力的作用下会进入凹轮槽，芒果在凹轮和凸轮的作用下完成榨汁工作。果汁会在重力的作用下流入到果汁的收集桶中。经过以上工序完成芒果的削皮、榨汁、收集等加工。

4 结论

市场缺乏对于芒果的集削皮榨汁于一体的机器，目前市场上芒果还多为人工削皮，少有机器操作。针对以上问题，设计了一种小型的、高效的、合理的、可以完成自动削皮榨汁的新型芒果削皮榨汁机，具体分析与设计总结如下：

1) 通过芒果削皮的受力分析，得出了合理的削皮仿形刀具，得出了所设计弹簧的压拉长度。

2) 通过芒果榨汁受力分析，计算出了榨汁芒果的挤压力，从而可以设计其它部件的尺寸。

3) 参考市场上瓜果的削皮方式，合理地得出了设计的削皮方式以及部分的大致位置，参考市场的榨汁方式，合理地得出了该设计特色挤压榨汁方式。