蔡耿健 管 珣 李佳玲 陈亦开

0 引言

随着我国人口数量的不断增多以及农产品产量的不断提高，人们对大豆的食用量越来越大。但获取大豆之前却存在一个棘手的问题，那就是大豆的剥出。传统的手工剥豆虽然可以剥出质量较好的豆粒，但是效率低，用时长。如果可以实现剥豆机械化、自动化，那么既可以提高生产效率，又可以节省大量劳动力。市场上现有的一些毛豆剥壳设备，功能不够完善，技术不够成熟，剥出来的豆粒多半已经破损、压瘪或还未完全从豆荚壳中剥出。而且现存的剥豆机结构单一，基本上为大型剥豆机，只适合批发市场使用，不适合在一些单次剥豆量较小的家庭、饭店中使用。

为提高剥豆效率，使豆完全从豆荚中剥出，且不被破坏，研发了一种便携式小型剥豆机。该机具有体积小、重量轻、工作可靠、外形美观、成本低等优点。

1 便携式小型剥豆机原理

便携式小型剥豆机主要由振动电机、进料板、轧辊、大带轮、分离板、小型电机、收集槽及支架组成。图1、图2为该机的结构简图和总装图。

将毛豆放在进料板上，由于重力，毛豆将沿着进料板掉落；在进料板下部放着一个振动电机，带动进料板上下抖动，毛豆嵌入进料板的凹槽中（一个槽的宽度正好是一个毛豆的宽度），进而卷入轧辊中。为防止毛豆在夹紧过程中被夹坏，在进料轴上需加上橡胶组织，由脱壳轴将毛豆挤压出豆壳。

图1 便携式小型剥豆机结构简图

便携式毛豆剥壳机主要依靠两轧辊挤压剥豆和凸轮的旋转使进料板上下抖动。毛豆豆荚为扁长条状，中间厚，两头扁平，长度在40～50 mm，籽粒在壳内纵向排列，籽粒之间存在一定的间隙。两轧辊之间存在一定的间隙，只允许空的豆荚通过，而带有豆粒的毛豆是无法通过的。两轧辊反向旋转，当毛豆的扁平端被轧辊夹持移动时，由于毛豆中间含豆粒部分无法通过轧辊，豆粒受到挤压与豆荚产生相对运动，向后移动的籽粒将荚壳撑开，脱离豆壳。此时荚壳在轧辊的前侧，籽粒在后侧，达到了粒壳分离效果。

图2 便携式小型剥豆机总装图

2 脱壳机构的参数计算

2.1 脱壳轴转速

以一个长度为5～6 cm的青豆为研究对象。假设脱壳机构中脱壳轴的直径D=3 cm，脱壳两轴的距离为青豆壳的厚度（大约为0.2 cm），脱一次豆的时长为4.5 s，则脱壳轴的转速为：

验算在4.5 s内能否将5～6 cm的青豆脱壳：

脱壳轴的周长：

豆壳长度6 cm，所以取值合理。

2.2 给料轴转速

因给料轴上附有橡胶组织，若给料轴的直径D=2 cm，加上橡胶组织后直径为3 cm，青豆的长度按6 cm计算，由 n1= 8.9 r/min，算出脱壳轴的转速：

由脱壳设计原理可知，给料轴与脱壳轴的距离应小于青豆的长度，这里取4.5 cm，给料轴两轴的距离应为青豆未脱壳前的厚度，大约为0.8 cm，脱壳轴脱一次需要4.5 s，那么给料轴应在4.5 s后将下一次料送上，故给料轴的转速为：

验算：

脱壳4.5 s后，豆移动距离是：

s1= v1×4.5= 6.3（cm）

而进料轴豆移动距离为：

s2= v2×4.5= 4.5（cm）

v2＜v1

当脱壳轴将豆脱完后，送料轴正好将下一次料送上。

2.3 青豆脱壳机所消耗的功率

脱壳机所消耗的功率可以用下式计算：

式中：T —脱壳轴的转矩（N·m），T = 2GR，其中R为摩擦臂矩R=0.4D（D脱壳轴直径）；

n —脱壳轴转速为 8.9 r/min；

η—传动效率，滚动轴承的效率值为0.86。

一次脱壳的个数为：

单个青豆的重量为8 g，则脱壳机所消耗的总功率为：

3 轴的结构设计

3.1 轴的材料选用

轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧钢圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。

由于碳钢比合金钢廉价，同时也可以用热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故被广泛应用于制造轴，其中最为常用的是45号钢。

3.2 轴的结构设计

轴的结构设计主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式，轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴连接的方法，载荷的性质、大小、方向及分布情况，轴的加工工艺等。轴的结构应满足以下要求：

（1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；

（2）轴上的零件应便于装拆和调整；

（3）轴应该具有良好的制造工艺性。

因此，可以先根据轴的不同要求，将轴的各部分分开考虑，然后再根据相互关系和加工、安装、拆卸、维修等的要求综合考虑，并相应地调整各部分的结构和尺寸。

4 关键部件设计

4.1 轧辊的布置角度

两轧辊轴心连线与水平面夹角γ称为轧辊布置角度。当γ＝45°时，毛豆能顺利进入两轧辊之间。轧辊的表面采用麻花设计，这样有利于增加轧辊与豆荚之间的摩擦力，防止豆荚还未被轧辊夹住就掉落下去。

4.2 轧辊之间的间隙

当豆荚卷入两轧辊之间时，豆壳沿轧辊移出，豆粒则反方向被挤出。经对市场上豆壳实物的多次测量，豆壳的厚度在1.5 mm左右。当轧辊之间的间隙为2.2 mm时，豆壳能很好地沿着轧辊移出，且豆荚出豆效果好。

4.3 振动进料板的设计（见图3）

进料板内边为锯齿形的管材，里面有一个个的小凹槽，板下部安装一台振动电机。当进料板上下振动时，毛豆被一个个地嵌入小凹槽之中。进料管的前边被削去上半部分，方便人们将毛豆放在进料板；而进料板的后半部分是全封闭的，防止毛豆震动时跳出进料板。

5 结论

经改进设计后的小型高效剥豆机可以满足家庭用户的需求，还可以经过拼装变成大型剥豆机。如：取消常规的剥豆机内的输送机，将轧辊的间隙改为可调节的，使剥豆机本身变成一个部件，就可将多台剥豆机组合成一个更高效的大型剥豆机。

图3 振动进料板结构简图

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社,2002.

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