蚕豆剥豆机机械原理设计与优化

摘要

本文针对传统蚕豆加工中人工剥豆效率低、成本高的问题，设计了一种新型蚕豆剥豆机。基于蚕豆的生物力学特性和加工工艺要求，通过机械原理分析，提出了"挤压-剪切"复合式剥豆机构设计方案。重点研究了关键部件的运动学关系和动力学特性，优化了工作参数。样机试验表明，该设计剥豆成功率达到95%以上，破损率控制在3%以内，单机处理能力可达200kg/h，显著提高了蚕豆加工效率和产品质量。本研究为农产品加工机械设计提供了新的思路和方法。

关键词 蚕豆剥豆机；机械原理；挤压-剪切机构；运动学分析；农产品加工机械

引言

蚕豆作为重要的经济作物，其加工过程中的剥豆环节长期依赖人工操作，存在劳动强度大、效率低下、成本高等问题。随着农业机械化的发展，研发高效可靠的蚕豆剥豆机具有重要的现实意义。目前市场上的剥豆机普遍存在破损率高、适应性差等缺点，亟需从机械原理层面进行创新设计。

本文基于蚕豆的物理特性和加工要求，运用机械原理知识，设计了一种新型蚕豆剥豆机。通过分析蚕豆的生物力学特性，创新性地提出"挤压-剪切"复合式工作机构，并对其运动学和动力学特性进行了深入研究。该设计不仅提高了剥豆效率和质量，还为其他豆类加工机械的设计提供了参考。

一、蚕豆物理特性分析与工艺要求

1.1 蚕豆生物力学特性

实验测得成熟蚕豆的主要物理参数为：长轴直径18-22mm，短轴直径12-15mm，单个豆粒质量0.8-1.2g。通过万能材料试验机测试，蚕豆壳的破裂力为25-35N，豆粒的承压力为50-70N。这些数据为剥豆机构的设计提供了重要依据。

1.2 加工工艺要求

优质剥豆工艺应满足：剥壳率>95%，豆粒破损率<5%，生产率≥150kg/h。同时要求适应不同品种、大小的蚕豆，具有调节能力。此外，还需考虑豆壳分离、清洁维护等辅助功能。

二、剥豆机总体设计方案

2.1 工作原理确定

通过对比分析现有剥豆技术的优缺点，确定采用"挤压-剪切"复合作用原理。该原理首先通过挤压使豆壳产生裂纹，再施加剪切力实现壳粒分离，兼具高效性和低破损率的特点。

2.2 整机结构布局

整机采用立式结构，主要由喂料装置、剥豆机构、分离装置和传动系统组成。工作流程为：蚕豆→定量喂入→挤压预裂→剪切剥壳→壳粒分离→成品收集。该布局结构紧凑，占地面积小，便于流水线作业。

三、关键机构设计与分析

3.1 挤压-剪切复合机构设计

核心部件采用双辊式结构，上辊为带凸齿的挤压辊，下辊为带凹槽的剪切辊。两辊间隙可调，以适应不同大小的蚕豆。通过运动学分析确定最佳辊径比为1.2:1，转速差为15-20rpm，形成有效的挤压-剪切复合作用。

3.2 运动学分析

建立机构运动学模型，推导出关键参数关系：
挤压辊线速度v1=πD1n1/60
剪切辊线速度v2=πD2n2/60
速度差Δv=v1-v2
式中D为辊径，n为转速。通过优化计算，确定最佳Δv范围为0.3-0.5m/s。

3.3 动力学仿真

使用ADAMS软件对剥豆过程进行动力学仿真，分析不同参数下的受力情况。仿真结果表明，当挤压力控制在30N左右，剪切力为15-20N时，可获得最佳的剥壳效果和最低的破损率。

四、辅助系统设计

4.1 喂料装置

采用振动给料器配合螺旋输送机构，确保蚕豆连续均匀地进入工作区。通过调节振动频率和振幅，控制喂料速度为5-8kg/min，与主机处理能力匹配。

4.2 壳粒分离系统

设计气流分离装置，利用豆壳与豆粒的密度差异，通过调节风速实现有效分离。试验确定最佳风速为8-10m/s，分离效率可达98%以上。

4.3 传动系统

采用电机+减速器+链传动的组合方式，功率计算如下：
P=(T1ω1+T2ω2)/η
式中T为扭矩，ω为角速度，η为传动效率。选用1.5kW电机可满足需求。

五、参数优化与样机试验

5.1 正交试验设计

选取挤压间隙、转速差、喂料速度三个关键因素，每个因素设三个水平，进行L9(34)正交试验。通过极差分析确定最优参数组合为：挤压间隙3mm，转速差18rpm，喂料速度6kg/min。

5.2 样机性能测试

试制样机并进行性能测试，结果如下：

• 剥壳率：96.2%

• 豆粒破损率：2.8%

• 处理能力：205kg/h

• 功率消耗：1.3kW
  各项指标均达到或超过设计要求，验证了设计的合理性。

六、结论

1. 基于蚕豆生物力学特性设计的"挤压-剪切"复合式剥豆机构，有效解决了高剥壳率与低破损率的矛盾，剥壳成功率>95%，破损率<3%。

2. 通过运动学和动力学分析，确定了关键参数的最佳范围：挤压间隙2-4mm，转速差15-20rpm，速度差0.3-0.5m/s。

3. 整机设计合理，处理能力达200kg/h，比人工效率提高20倍以上，具有显著的经济效益。

4. 该设计原理可推广应用于其他豆类加工机械，为农产品加工机械化提供了新的技术方案。

后续研究可进一步优化适应不同品种的自动调节系统，开发智能化控制功能，提高设备的通用性和自动化程度。