水果冲击破碎理论研究与应用

第２０卷第４期　机电产品开发与　新　Ｖｏ１．２０，Ｎｏ．４　２ｏ０７年７月　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｊｕｌｙ．，２００７　水果冲击破碎理论研究与应用　雷志伟，张绍英，李海涛，魏文军　（中国农业大学工学院，北京１０００８３）　摘要：在分析传统果蔬破碎方法的基础上。提出了将冲击破碎理论应用于水果破碎机上的技术方案。分　别用苹果和杏等物料对破碎机进行破碎试验。试验结果表明：水果冲击破碎机能提高压榨出汁　率，降低能耗。　关键词：水果破碎机；冲击破碎；功指数；撞击角度；破碎比；出汁率　中图分类号：ＴＨ１２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—６６７３（２００７）０４一Ｏ４４—０３　　ｌ０引言　　ｌ冲击破碎机是破碎机械中一种新型的破碎设备。与　ｌ　　ｌ传统的破碎设备相比［１－５１，它具有能耗低、磨损件少、：　重量轻等特点，因此，得到了建材、煤炭、食品和化工等　Ｉ　工业部门的普遍关注。特别是近年来，由于对降低能耗　Ｉ　的要求越来越高，相对能耗较低的冲击破碎机的应用将　：　越来越普及。目前，世界上已有几种规格和型号的冲击　ｌ　破碎机，其中主要应用于采矿业，用来破碎硬质岩石和建　ｌ　筑用砂闭。水果冲击破碎机械在我国，目前尚处于试验　ｌ研究阶段。　　：以距离旋转中心ｘ（Ｒ－　图１水果破碎机工作原理图　本文研究目的是建立水果冲击破碎模型，为水果冲　ｌ　ｘ　Ｒ２）、质量为ｍ的物料　Ｆｉｇ．１　Ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　击破碎机的设计提供理论依据，有益效果是在榨前破碎　ｌ　颗粒作为研究对象进行运ｄｉａｇｒａｍ　中增加冲击破碎工序使物料的细胞组织充分破碎，增加　ｌ　动及受力分析。以旋转中　细胞游离率，降低压榨强度，提高出汁率。　　：心为原点沿刀盘叶片建立动坐标系盯（Ｏ；ｅ（０），ｇ（０），ｋ）研，ｅ　１水果冲击破碎理论　　ｌ（０）沿刀盘叶片方向。以０为原点在机架上建立静坐标系　　ｌｏｒ。（ｏ；ｉｊ，ｋ），动坐标系初始位置与静坐标系重合（０＝０），　１．１冲击破碎原理　：　ｌ　Ｏｉｊ位于水平面内。物料速度为：Ｖａ－－Ｖ。＋ｖ　；式中：牵连　如图１所示，预切碎的小块物料自垂直水平面喂　１　速度ｖｅ￣ＯＪＸｇ（０），￣ｏｆｉｆ＇ｍａ／３０，０＝ｃｏｔ，ｎ一刀盘转速（ｒｐｍ）。　入，喂入半径为Ｒ。，沿动刀盘叶片１开始加速，物料块　１　相对速度：Ｖｒ＝譬ｅ（０）＝　ｅ（０）；所以ｖ　＝　ｅ（０）＋‘１）ｘｇ（０）。物　从抛出半径Ｒ　处离开刀盘叶片时获得较高速度ｖ　，然　ｌ　后物料块高速撞击静刀盘柱２，使物料破碎。这种破碎　：　料加速度为：ａ＝ａｄ＋ａ廿－＋ａｒ＋ａｋ，（式中：牵连切向加速度：　形式是瞬间加力给物料颗粒，使受到冲击的物料颗粒沿　ｌ　钆＝０）。牵连法向加速度：ａ锄＝一‘１）２）【ｅ（０）。相对加速度：ａｌ；　其内部固有的裂纹破碎，或者把颗粒震裂。其特点是颗　ｌ　鲁。（。）　。（。）。科氏加速度：ａｋ：２ｃｏｖ苦（。）；所以ａ：（ｘｇｇ一‘１）　）　粒受到冲击时，变形来不及扩展到整个粒子，就在碰撞处　Ｉ　Ｓ　产生相当大的局部应力。以便使物料的细胞组织充分破　：　ｅ（０）＋２ｃｏｘ　０）。　（２）物料受力分析：物料在水平面内的受力见图　收稿日期：２００７—０５—１６　ｌ　２所示，重力Ｇ＝一ｍｇｋ，刀盘对物料的法向反力为　作者简介：雷志伟（１９８０－），男，硕士研究生。研究方向：ｌ　Ｎ　＝一Ｇ＝ｍｇｋ，刀盘叶片对物料的法向反力为Ｎ。＝Ｎ。（０），　机械传动ＣＡＤ。　一　维普资讯 http://www.cqvip.com

・产品与市场・　其中：Ｎ。一物料与刀盘叶片间　法向方向正压力的大小。由　Ｎ。，Ｎ　引起的摩擦力分别为：　一　ｆ０）Ｆｌ一　・ｅ（０），Ｆｚ＝－￣ｍｇｅ（０）。　物料在水平面内所受的合外　围２物料受力图　力为Ｆ－－Ｆｌ＋Ｆ２＋Ｎｌ－，由Ｆ＝ｍａ　Ｆ　．２Ｆｒｅｅ－ｂｏｄｙｄｉａｇｒａｍ得．　－ｔＬＮｌｅ（ｏ）一Ｉ．ｃｍｇｅ（０）＋Ｎｔｇ（０）＝ｍ（ｘ－ｏ／ｘ）ｅ（０）＋２ｏＪｘｇ（０）（１）　分别用单位向量ｅ（０），　与式（１）作数积，整理得：　ｘ＋２￣ｏＪｘ一（１，　＋　ｇ　Ｏ　（２）　设物料从ｘ＝Ｒ　处加速运动到ｘ＝Ｒ　处所需时间为Ｔ。　解微分方程（２）并代入边界条件：ａＪ卸　，ｖＪ，￣－－０，ｘＪ￣＝Ｒ。，　ｘＩ　：Ｒ　，求得物料离开刀盘叶片时的相对速度为：　ｖＪ　［　１　ｃｏ　（Ｒ・＋Ｒ２）　］．Ｖ　ｏ２６（Ｒ２－　ＲＩ）　、．又：Ｖｅ￣－ｇＤＲ２；所以物料速度：ｖ　、／ｖ　ｖｒ２。　１．３物料撞击模型　由于刀盘叶片末端与刀盘柱的距离很小，可以认为　物料块撞击刀盘柱的速度Ｖｏ＝Ｖ　。设ｖ。与碰撞公法线ｎｏ　的夹角为　，反射角为Ｂ。　简化撞击模型如图３所示。　沿公法线ｎｏ方向的速度分　量：Ｖｏｌ＝ＶｏＣＯ￥Ｏ￣；沿公切线方　向速度分量：ｖ￣＝ｖｏｓｉｎｃｘ；沿　公切线方向动量守恒：ｍｖ∞＝　ｍｖ。ｓｉｎＢ；在公法线方向按正　Ｉｌ０　图３物料撞击模型示意图　碰撞处理：ＶＩＣＯＳ￣－－－ｅＶ０１；求解　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆｉｍｐａｃｔ　得：Ｖ１－－Ｖ０Ｘ／ｓｉｎ２ｏｔ＋ｅ￣ｏｓ２ｏｔ一。　ｔａｎＢ：　ｔａｎ　，式中：ｅ一恢复系数。令仁、／　；　，　ｅ　那么：ｖｔ＝ｔＶｏ　１．４物料颗粒的破碎应力与能耗　（１）撞击应力分析：物料颗粒撞击刀盘柱时的最大　冲击力Ｐ眦（Ｎ）由赫兹的接触应力理论推算可得出。在　冲击力的作用下，颗粒内部产生的应力叮ｆ（Ｐａ）由平松　公式１３１可以求出：　．３４（　一　）ｐ粥ｕ　６／５　（３）　式中：Ｅ一弹性模量（Ｐａ）；ｖ一泊松比；ｐ一物料颗　粒的密度（ｋｇ／ｍ３）；ｕ　接触点公法线方向的相对速度　（ｍ／ｓ）。符号中的下标１、２分别表示物料颗粒和刀盘　柱。体积为Ｖ。的物料颗粒的破坏强度盯。，用与碎料中　的裂隙分布相关的韦布尔公式来表示，实际工作中多采　用下列公式：盯８＝ａＶ＿ｂ口；式中的ａ，ｂ为常数。此处表示作　用于粒子上的冲击力叮ｒ比破坏强度盯。大时，引起粒子　的破碎。那么由（ｙｆ＞ｔｙ　有：　。．３４（　１－Ｖｌ２一譬）－２／５ｐ　『５　Ｖ　（４）　４５　维普资讯 http://www.cqvip.com

・产品与市场・　－＿・－－　ＩＨ嘲ＯＰ　ＤｎＴＡ　ＳＥＴＳ　ＯＮ瑚嚣ＵＩ，Ｔ８　ＰｌＬ毫－＿・－－　３刚度校核　３．１静刚度校核　桥式起重机的静刚度以当满载小车位于跨中时，主　梁由于额定起升载荷和小车自重在跨中引起的垂直静挠　ＳＥＴ　ｌＩ眦，Ｆｌｌ驹　Ｉ，ＯＡＤ　ＳＴＥＰ　１　２Ｕ璐ｌ耶１　ＣＵＨＵＩ，ＡＴＩＵＥ　１　１　３．３２２１　２　３．４１蚰　３　３．船　’　哇３．５１４２　１　１　１　２　３　｛２　３　４　图６前四阶满载自振频率　度来表征　。因此单独对主梁重新建模，加载时不考虑　动载系数，并且不计梁的自重，只考虑额定起升载荷和　小车自重在跨中引起的挠度。　ＡＮＳＹＳ计算所得的位移云图如图５所示。从图中可　３．３Ｈｚ。可知其满载自振频率满足要求。　４结论　（１）起重机的应力分布较为均匀，最危险工况的最　以看出。主梁跨中　的最大位移为　大应力小于许用应力值。　（２）模态分析表明，起重机的动刚度符合要求。　１９．７７９ｍｍ。对于中　（３）以上对桥式起重机桥架结构三维有限元分析所　级桥式起重机，挠　得到的承载应力大小及其分布状况不仅可为起重机桥架　度的许用值为　＿１７１奄４３４　２４．　１７４　ａ８　１７７　焉７２。＝．１８　９０ｌａ３．。。　８０ｏ＝２４ｍｍ，静刚度　结构的设计提供参考，同时可作为对桥式起重机承载能　图５起重机主梁的位移云图　满足要求。　力可靠性评估的研究基础。　参考文献：　３．２动刚度校核　…１张朝晖．ＡＮＳＹＳ８．０结构分析及实例解析【Ｍ】．北京．机械工业出版　结构的动态刚性以满载起重机的基频频率来表征。　社．２００６．　对电动桥式类型起重机。当满载小车位于跨中时的满载　【２］２谢慧超，陈传胜，孟亚．基于ＣＡＥ理论的起重机箱形梁有限元分　自振频率应不小于２Ｈｚ　。　析们．机电产品开发与创新，２００５，２、　【３］３张质文，虞和谦，王金诺，包起帆．起重机设计手册【Ｍ】．北京．中国　图６是直接从ＡＮＳＹＳ结果文件中拷出来的桥式起　铁道出版社．１９９８．　重机的前四阶满载自振频率，最低阶满载自振频率为　Ｉ　【４】ＧＢ３８１１—８３，起重机设计规范【Ｓ】．　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＦｉＩＩｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｃｒａｎｅ　ＹＡＮＧ　Ｊｉｎｇ，ＹＡ０　－　，ＨＥ　Ｘｉｏｏ－Ｂｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ－Ｊｕｎ，ＹＩＮ　Ｚｈｏｎｇ－Ｊｕｎ　（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｅ　ＦＥＡ　ｆｏｒ　ｓｔａｔｉｃ　ｎａｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｎａａｌｙｓｉｓ　ｏｆＢｒｉｄｇｅ　ｃｒａｎｅ．Ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆＢｒｉｄｇｅ　ｃｒａｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅ　ｃｒａｎｅ；ＦＥＡ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄｅｌ　（上接第４５页）　Ⅲ．农业工程学报，２００７，２．　对该破碎机进行破碎性能试验。最后榨汁测得出汁率为　【２】秦志英，赵月静，侯书军．物料冲击破碎过程的～种非线性力模型　８７％，与用其它破碎机破碎相同物料８２％的出汁率相比，　『Ｊ］．振动与冲击，２００６，２．　证明经该破碎机破碎后的产品榨汁能提高出汁率５％左　【３】齐国成．立式冲击破碎机的破碎机理研究咖．中国建材装备，１９９６，ｌ１．　右。　【４】孙成林．冲击式粉碎机在超细粉碎中的应用叨．硫磷设计与粉体工　程，２００１，６．　因此可以得出以下结论：将冲击破碎理论应用于水　【５】张绍英，魏文军，田国平．果蔬冲击破碎方法及装置［Ｐ］．中国　果破碎机中是一种创新，它能有效的提高果品榨汁加工　２０ｏ３１０１００２６９．９，２００４，９，１５．　的出汁率，为我国的果品加工行业提供新的创收点。　【６张路明，刘啸山，付洛林．６］破碎比功试验研究ＩＪ］．矿山机械，１９９４，１０．　参考文献：　【７］董学朱．齿轮啮合理论基础【Ｍ】．机械工业出版社，１９８９，９．　…１罗晓丽，魏文军，张绍英，李海涛、水果破碎机输送建压机理研究　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｒｕｉｔ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｃｒｕｓｈｅｄ　Ｔｈｅｏｒｙ　ＬＥ／Ｚｈｉ—Ｗｅｉ。ＺＨＡＮＧ　Ｓｈａｏ—Ｙｉｎｇ，ＬＩＨａｉ－Ｔａｏ。ＷＥｌ　Ｗｅｎ—Ｊｕｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ａｇｒｉｃｕｌｕｔｒｌａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｈｔｅ虹ａｄｉｄｏｎａ１　ｆｉ＇ｕｉｔ　ａｎｄ　ｖｅｇｅｔａｂｌｅ　ｃｒｕｓｈｅｒ．ａ　ｓｃｈｅｍｅ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｃｒｕｓｈｅｄ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｎｔｏ　ｈｔｅ　ｆｌ＇ｕｉｔ　ｃｒｕｓｈｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｅｔｓ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆｔｈｅ　ｆｒｕｉｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｃｒｕｓｈ，ｗｏｒｋｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉｌａ，ａｎａｌｙｓｅｓ　ｈｔｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｃｒｕｓｈｅｄ　ｔｈｅｏｒｙ，ｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｈｆｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｃｒｕｓｈ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｅ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ｐａｎ，ｔｈｅ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ａｒｒｉｖａｌ，ｔｈｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｅｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｏｓｅ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｓ，ｍａｎｙ　ｃｒｕｓｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｍａｄｅ　ｗｉｔｈ　ａｐｐｌｅ　ａｎｄ　ａｐｒｉｃｏｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｌｕｔ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｆｒｕｉｔ　ｃｒｕｓｈｅｒ　Ｃａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｉｄｆｕｓｉｏｎ　ｊｕｉｃｅ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｅｎｅｒｙｇ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｒｕｉｔ　ｃｒｕｓｈｅｒ；ｉｍｐａｃｔ　ｃｒｕｓｈ；ｗｏｒｋ　ｉｎｄｅｘ；ａｎｇｌｅ　ｏｆａｒｒｉｖａｌ；ｒｅｄｕｃｉｔｏｎ　ｒａｔｉｏ；ｒａｔｅ　ｏｆｄｉｆｕｓｉｏｎｊｕｉｃｅ　４７