王亮 易湘斌 梁澤芬

摘要 對設(shè)計的雞蛋剝皮機(jī)進(jìn)行計算機(jī)沖擊力模擬仿真和簡化模型試驗。在SolidWorks中建立剝皮機(jī)的三維模型，運用Motion模塊，模擬雞蛋沖擊力大小，并通過設(shè)置不同的破碎輥轉(zhuǎn)速，分析沖擊力大小變化趨勢，然后根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)定簡化試驗?zāi)Ｐ推扑檩伒乃俣龋炞C沖擊力對雞蛋殼的破壞情況，試驗?zāi)Σ凛亴ζ扑榈皻さ膭兤ばЧ?。計算機(jī)仿真結(jié)果表明：隨著破碎輥轉(zhuǎn)速的提高，雞蛋所受沖擊力也隨之增加，當(dāng)破碎輥轉(zhuǎn)速為150 r/min時，達(dá)到了破碎蛋殼所需力的大小。簡化試驗?zāi)Ｐ万炞C了計算機(jī)模擬結(jié)果的正確性以及剝皮機(jī)要取得較好的效果，需要對雞蛋施加10 N左右的壓力。采用破碎輥破碎蛋殼及橡膠摩擦輥去皮的方法是可行的，可為相關(guān)企業(yè)開發(fā)新的設(shè)備提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 雞蛋剝皮機(jī);破碎輥;沖擊力; Motion

中圖分類號 TB472文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）10-0185-02

Abstract The computerized impact simulation and simplified model experiments were carried out on the designed egg peeling machine. The 3D model of the peeling machine was built in SolidWorks， and the Motion module was used to simulate the impact force of the egg. By setting different crushing roller speeds， the impact force trend was analyzed， and then the speed of the experimental model crushing roller was set according to the simulation result. Verify the damage of the egg shell by the impact force， and test the peeling effect of the friction roller on the broken egg shell. The computer simulation results show that with the increase of the speed of the crushing roller， the impact force of the egg also increases. When the speed of the crushing roller is 150r/min， the force required to break the eggshell is reached. The simplified experimental model verifies the correctness of the computer simulation results and the skinning mechanism needs to achieve better results. It is necessary to apply a pressure of about 10N to the eggs. It is feasible to use the crushing roller to break the eggshell and the rubber friction roller to peel the skin， and provide technical reference for the related enterprises to develop new equipment.

Key words Egg peeling machine;Crushing roll;Impact force;Motion

隨著生活水平的提高，人們外出就餐的機(jī)會大大增加，隨之而來的飲食安全問題已不可忽視。雞蛋營養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)的氨基酸比例很適合人體生理需要，易為機(jī)體吸收，利用率在98%以上，是人類經(jīng)常食用的食物之一[1-2]。但是在特定情況下，自己動手剝雞蛋很不衛(wèi)生，也影響健康。目前市面上已經(jīng)有雞蛋剝皮機(jī)產(chǎn)品問世，但這類產(chǎn)品主要采用類似振動篩的方式實現(xiàn)雞蛋殼的破碎，機(jī)器噪聲比較高，整機(jī)功率較大。為此，筆者針對日常生活中的飲食健康問題，參照現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，創(chuàng)新性地設(shè)計了雞蛋殼破碎裝置，旨在減小機(jī)器噪聲、降低整機(jī)功率、減小機(jī)器體積，方便餐飲店使用。

1 雞蛋剝皮流程分析

機(jī)器要完成雞蛋剝皮有3個過程。

1.1 雞蛋入料數(shù)量控制 為了保證在剝皮過程中，不出現(xiàn)雞蛋堆積的問題，從漏斗中流出的雞蛋數(shù)量要通過機(jī)械方式進(jìn)行控制，確定雞蛋進(jìn)入的順序和數(shù)量，避免在蛋殼破碎時雞蛋發(fā)生堆積。

1.2 蛋殼破碎過程 雞蛋進(jìn)入蛋殼破碎裝置中，要求破碎裝置既能完成蛋殼的破碎，又不能對雞蛋造成損傷，還要保證裝置工作時噪聲小。

1.3 剝皮過程 經(jīng)過破碎裝置破碎蛋殼后，雞蛋被輸送到剝皮裝置中，剝皮裝置采用摩擦去皮方式，即2個圓柱摩擦輥反方向轉(zhuǎn)動，依靠摩擦輥與雞蛋殼之間的摩擦力實現(xiàn)雞蛋去皮。

通過對3個流程的分析，結(jié)合機(jī)械原理知識完成了雞蛋剝皮機(jī)三維模型的建立，如圖1所示。雞蛋數(shù)量控制由凸輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)，蛋殼破碎由破碎輥實現(xiàn)，雞蛋的輸送由螺旋機(jī)構(gòu)實現(xiàn)[3-4]，剝皮過程由橡膠摩擦輥實現(xiàn)。

2 雞蛋殼破碎理論分析

根據(jù)材料力學(xué)知識，當(dāng)物體所受應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時，材料即發(fā)生永久變形。由赫茲理論得出最大接觸應(yīng)力公式[5]：

σH=36π3ρ1+ρ2ρ1ρ2Fn

1-μ21E1+1-μ22E2（1）

式（1）中，ρ1、ρ2為兩物體接觸點處的曲率半徑（mm）;μ1、μ2為兩物體的泊松比;E1、E2為兩物體的彈性模量（MPa）;Fn為接觸力（N）。

分析公式發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2個物體形狀尺寸、材料參數(shù)不變時，最大接觸應(yīng)力與接觸力大小有關(guān)系。

由彈性力學(xué)可知，沖擊力的大小與2個碰撞物體的材料屬性、距離、速度有關(guān)系。而雞蛋的材料屬性難以準(zhǔn)確確定，故采用計算機(jī)模擬的方法，近似計算沖擊力，計算沖擊力的三維模型如圖2所示。

3 雞蛋沖擊模型仿真

在SolidWorks中建立雞蛋剝皮機(jī)的三維模型，給電機(jī)加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)以驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運轉(zhuǎn)。由于實際中，破碎輥通常用腰背按摩棍制作，雞蛋殼的主要成分是碳酸鈣[6]，碳酸鈣是一種比較脆的物質(zhì)，因此為簡化模型，近似選擇雞蛋殼材料是尼龍，破碎輥的材料是橡膠，其余參數(shù)默認(rèn)。

在SolidWorks中，有2種模型（泊松模型和沖擊模型[7-8]）來定義接觸參數(shù)，計算接觸力。

泊松模型基于對恢復(fù)系數(shù)的使用，關(guān)系式定義如下：

v′2-v′1=e（v1-v2）? （2）

式（2）中，v1和v2為碰撞前的速度（mm/s）;v′1和v′2為碰撞后的速度（mm/s）;e為恢復(fù)系數(shù)。

該模型適用于計算碰撞時系統(tǒng)能量損失的模擬。所以在模擬雞蛋破碎時不采用該計算模型，選用沖擊模型。

沖擊模型中，計算沖擊力的表達(dá)式如下：

Fn=k（x0-x）e-cv（3）

式（3）中，F(xiàn)n為接觸力（N）;x0 為接觸前位移（mm）;x 為接觸后位移（mm）;k為接觸剛度（N/mm）;e為彈力指數(shù);c為阻尼系數(shù)（N·sec/mm）;v為法向相對速度（mm/s）。

由于雞蛋的材料屬性難以確定，故選擇SolidWorks預(yù)定義的材料尼龍和橡膠（非潤滑），近似模擬沖擊力的大小。

物體所受沖擊力的大小與沖擊物體的速度有關(guān)，因此給破碎輥設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速，模擬破碎輥在不同轉(zhuǎn)速下對雞蛋沖擊力大小的變化趨勢，模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)出整理后得圖3。

4 試驗驗證

4.1 破碎試驗 為降低試驗成本，試驗?zāi)Ｐ椭校扑檩伈考?/p>

選用常見的室外健身用的腰背按摩棍，制作的簡化試驗?zāi)Ｐ?/p>

4.2 摩擦剝皮試驗 將蛋殼均勻破碎的雞蛋放在橡膠摩擦輥上，然后給橡膠摩擦輥施加一定轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)剝皮效果不是特別理想，分析原因發(fā)現(xiàn)：由于雞蛋質(zhì)量較輕，造成蛋殼與摩擦輥的摩擦力過小。經(jīng)過改進(jìn)，給雞蛋施加10 N左右的壓力，重新進(jìn)行試驗，效果較好。

5 結(jié)論

通過SolidWorks模擬仿真破碎輥對雞蛋沖擊力的大小，

設(shè)定不同轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)雞蛋所受沖擊力是不同的，隨著轉(zhuǎn)速的提高，沖擊力增大，最后通過簡化試驗?zāi)Ｐ万炞C破碎輥轉(zhuǎn)速達(dá)到150 r/min時，能夠?qū)崿F(xiàn)雞蛋殼的破碎。摩擦去皮試驗時，需要對雞蛋施加10 N左右壓力，才能取得較好的剝皮效果。因此，通過破碎輥與螺旋機(jī)組合機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以完成雞蛋殼破碎和雞蛋輸送，利用橡膠輥摩擦實現(xiàn)蛋殼去除。該研究可以為企業(yè)開發(fā)類似產(chǎn)品提供技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 井美嬌，鄧志超，李在強(qiáng)，等.普通雞蛋、柴雞蛋和烏雞蛋中銅、鉻、錳含量比較研究[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2019（4）：55-57.

[2] 韓芝洋，侯進(jìn)慧，倪若昕.富硒雞蛋的開發(fā)與分析[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2019（3）：6-9.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2008：275-276.

[4] 趙丹，張偉華.基于SolidWorks千斤頂虛擬裝配與運動仿真[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2018，31（4）：7-9.

[5] 黃劍鋒，余濤，陳江義.剛體碰撞的Hertz接觸力模型比較分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2017（8）：28-30.

[6] 羅文峰，劉崇琪，梁猛，等.基于光譜法雞蛋殼等離子體特征參數(shù)診斷[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報，2013，18（5）：70-72.

[7] 陳超祥，胡其登. Solidworks Motion運動仿真教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：66-67.

[8] 胡一龍，楊碩，蔣娜，等.基于Solidworks的發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運動仿真[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2018，36（1）：119-123.

[9] 胡茂，茍興能.雞蛋殼的性狀[J].綿陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2002，19（4）：10-14.

[10] 小花牛.10秒鐘剝出整雞蛋[J].醫(yī)食參考，2017（6）：38.