插入式椰子剥衣机的设计

万有为，樊军庆，向欢浩

(海南大学 机电工程学院，海口 570228)

椰子是我国主要的热带经济作物之一，主要产于海南地区[1]。椰子的用途广，其含有丰富的蛋白质和多种维生素，具有很高的营养价值和利用价值[2]。目前，国内外椰子剥衣加工方法较落后，主要以手工辅以简单机械操作完成，机械化程度低[3-4]。当前椰子剥衣常用的方法大致分为齿牙撕裂式、旋转盘刀式、刀具刺入剥离式等。但是这些加工设备目前还未真正形成批量生产投入市场。因此，椰子加工的前期工序椰衣的剥离均为人工操作。人工剥离椰衣不仅生产效率低，严重影响后续工序的加工，更为重要的是人工操作还极为危险，操作人员伤手情况时有发生[5-7]。为了解决这一问题，本文设计了一种椰子剥衣机，减少人工操作，提高工人的工作安全程度。

1 椰子剥衣机的工作原理

1.1 工作对象分析

椰子是棕榈科椰子属的多年生热带木本油料作物，椰子树的主要产物为椰果，其形状近球形，由外果皮、中果皮、内果皮、种皮、椰肉、椰子水等部分构成[8-9]。椰子的外果皮和中果皮俗称椰衣，一般占全果质量的33%～35%；内果皮俗称椰壳，占全果质量的12%～15%，呈黑褐色，质地十分坚实，可制椰壳炭和椰壳粉；椰肉供食用，占全果质量的28%～30%，为椰壳所包覆，富含油脂、蛋白质等营养成分；种仁与壳之间有一层紧附在椰肉上的褐色种皮，富含油脂，种皮占去衣椰子质量的3.6%～6.0%；椰子水占全果质量的22%～25%。椰子可供食用的部分为椰肉和椰子水，为全果质量的50%～55%[10]。设计的椰子剥衣机主要针对的是椰子的外果皮和中果皮。利用插刀将椰衣即图1中椰壳纤维从椰壳上分离开来。

图1 椰子结构

1.2 工作原理

图2为椰子剥衣机的结构示意图。

注：1.剥衣气缸；2.托板；3.连杆；4.椰子旋转气缸；5.机架；6.导杆；7.导套；8.刀架；9.刀具；10.升降气缸；11.压壳；12.椰子；13.升壳；14.转盘；15.曲柄连杆机构。

图2 椰子剥衣机的结构示意图

椰子剥衣机工作时，将椰子放入升壳的凹槽中，启动升降气缸，活塞杆伸出，升壳和压壳开始下降，进入机架的凹槽中，当升壳触碰机架，升壳停止下降，压壳压着椰子继续下降，使转盘上的刺刃刺入椰子中。此时停止升降气缸。然后启动剥衣气缸，活塞杆伸出，使托板上升，通过连杆使得导套向椰子方向滑动，直至刀具刺入椰子体内。此时停止剥衣气缸。启动椰子旋转气缸，通过曲柄连杆机构，将气缸的活塞运动转换为转盘的旋转运动。转盘上的刺刃卡住了椰子，所以带着椰子一起旋转。直至切割刀具将椰子外衣剥落，然后停止椰子旋转气缸。启动剥衣气缸，活塞杆收缩，拉着托板下降，通过连杆使得导套向外滑动，刀具退出，完成退刀工作，停止剥衣气缸。启动升降气缸，活塞杆收缩，压壳带着升壳上升，升壳将椰子从转盘的刺刃中抬起，取出加工过的椰子，手工去除少数残余部分椰衣。至此完成一轮作业。

1.3 工作流程

椰子剥衣机主要包括升降装置、剥衣装置和椰子旋转装置。通过转动椰子，使椰子上的椰衣纤维被插刀撕扯下来，从而达到目的。椰子剥衣机工作流程如图3所示。

图3 椰子剥衣机工作流程

2 主要机构的设计

2.1 剥衣装置

椰衣是由纤维壳组成，纤维的分布都是纵向的，能够承载较大的横向力而不断裂，剥衣是将椰衣从椰壳上撕扯下来。根据这一特点，本设计去除椰衣的方法是将刀插入椰子体内，通过旋转椰子，刀具前端不断切入分离椰衣与椰壳，刀具后端给予椰衣一个横向力，将椰衣整个从椰壳上撕扯下来。因此，所采用的插刀是在一个刀架上安装两把刀具，两把刀具垂直排列。一共四把插刀相隔90°中心对称排列，且相对的两把插刀完全相同，但相邻的两把插刀的刀具垂直方向高度不同，但是又互有部分重合。这样既能提高去椰衣的效率，又能保证椰衣的去除率，减少遗漏。

2.2 升降装置

本设计的作用是为了方便将椰子送往作业区域固定，及从作业区域将完成作业的椰子取出。由于转盘上的刺刃需要刺入椰子体内才能起到固定椰子的作用，所以升降装置在升、压椰子时需要给椰子一定的压力和拉力。橡胶材料强度较低，所以压壳和升壳选用金属材料制作。因装置受力不大，工作强度较低，考虑到成本问题，选用普通钢材即可。

升、压壳的结构如图4所示，升壳与压壳组成只有四面封闭的六面体，还有两面空着便于椰子的取放。椰子与金属质地较硬，为了防止椰子随意滚动，在升壳的底面挖有一个半径50 mm的孔洞，既能固定椰子，又能便于转盘上的刺刃刺入椰子内。

压壳与升降气缸的连接方式是法兰型，通过气缸带动升、压壳完成椰子取放和固定。

图4 升降装置

2.3 椰子旋转装置

旋转椰子的转盘结构如图5所示。

图5 转盘结构示意图

转盘上部分面板的直径大小与升壳的孔径大小一样，便于转盘上的刺刃能更好地刺入椰子体内。一般椰衣的厚度在3 cm左右，所以转盘内圈的刺刃为2.5 cm，外围的刺刃为3.5 cm。每90°设置一根刺刃。这样当椰子被压壳压下之后，椰子便被牢牢固定在转盘上，随着转盘的转动而转动。

转盘下部分的底座设有一个带键槽的通孔，便于其他机构传递扭矩来带动转盘转动。面板与底座通过四个螺栓进行固定连接。

2.4 传动机构

椰子旋转装置所用的传动机构是曲柄连杆机构。通过旋转气缸的活塞推动连杆，从而带动转盘旋转。由于设置了四把插刀，所以不需要做圆周运动，只需要将气缸的往复运动转换成不整周的回转运动即可达到目的。

插刀进退刀的传动机构也是利用了连杆机构。当活塞杆拉动托板下降时，导套向椰子方向移动，插刀插入椰子体内，完成进刀工序。当需要退刀时，只需利用气缸将托板推动上升，导套向椰子相反方向滑动，插刀从椰子体内退出，即完成退刀工序。

2.5 执行元件

本设计采用的执行元件是气缸。之所以采用气缸是因为气缸的使用操作非常简单，安装起来并不复杂，上手容易，所以对操作人员的要求不高，便于使用人员自行维修。而且气缸正常工作的环境温度范围宽，还具有一定防尘防水能力，所以该机器对使用的环境要求不高。这样可以降低使用该机器的成本，从而获得更多的效益。

3 气压传动控制回路

本设计中的气缸都选用双作用气缸，三个双作用气缸的方向控制回路如图6所示。

图6 气缸方向控制回路

此图采用了三位五通电磁阀的方向控制回路，该回路可以控制双作用气缸的伸出、缩回和停止。当电磁换向阀左边电磁铁得电时，活塞杆伸出；右边电磁铁得电时，活塞杆缩回；两边电池铁均失电时，具有自动对中功能，可使气缸停在任意位置，方便操作人员在因为椰子大小不均出现些许偏差时，根据实际操作可以自行调整。

4 椰子剥衣机的不足和改进方向

由于椰子的大小不一，而且形状不规则，椰壳表面覆盖的椰衣厚度不均，经过数次用不同大小的椰子进行实验，发现目前该机器并不能达到完全除去椰衣的任务，还会有少量椰衣附着在椰壳上。不过

经过简单的人工操作，能够很方便容易地去除残余部分。为了进一步提高工作效率，接下来我们将进一步研究如何让刀具能根据椰子大小自动调整位置，从而达到完全去除整个椰衣的目标，进一步减少人工操作工序，提高椰子加工效率。

5 结 论

经过实验验证，椰子剥衣机能有效按预期的期望完成工作任务。该设备的发明，可以使椰子加工的前期工序椰子剥衣工序由人工操作变为机器操作，不仅可以提高生产效率，为后期工序提供充足的原材料，更重要的是能够保证操作人员的人身安全，减少伤残事故的发生。同时由于前期工序采用了自动化，不仅可以节省劳动力，而且解决了椰子生产企业扩大生产规模的瓶颈问题，为企业扩大生产规模，提高经济效益开辟新的途径。