基于对辊式剥皮机的柑橘果皮剥离及果肉损伤机理研究

发布时间：2020-11-10 10:47

　　 柑橘是世界第一大水果,也是我国重要农产品,由于果实具有较高的营养价值、药用价值和保健价值,柑橘及其制品深受消费者们的欢迎和喜爱。而在柑橘加工产业中,作为柑橘产品加工的必要前处理工序,柑橘的剥皮却仍以人工剥皮为主,极大地影响了生产效率。因此,柑橘自动化剥皮方法的研究具有非常重要的意义。本文针对目前国内外柑橘机械剥皮装置较少、剥皮理论研究匮乏的现状,前期设计了一种对辊式柑橘剥皮机。以此设备为研究对象,对柑橘机械剥皮过程中果皮的剥离过程、设备部件的工作机理进行了详细的分析,建立了柑橘果皮剥离力学模型和果肉损伤有限元模型,从理论上揭示了柑橘果皮剥离和果肉损伤机理,并对现有设备进行了部分改进设计,以期为柑橘加工业中自动剥皮设备研制和发展提供理论依据和参考。本文主要研究内容和结论如下:(1)对柑橘运动过程进行了解析。借助高速摄影技术动态跟踪柑橘运动过程,明确了果型指数、果径、品种等关键因素的变化对柑橘运动形式的影响规律;明晰柑橘运动过程中的运动学特征。(2)对柑橘运动规律进行了分析,并提出了相应的控制策略。结合动力学和运动学,分析了拨板、挡杆、对辊等关键部件的结构形式、尺寸、布置方式、运行参数对柑橘运动形式的影响规律,明晰柑橘运动过程中的运动学特征,提取柑橘的运动轨迹及位移、速度、加速度等参数;明确拨板、对辊与柑橘接触时的作用点、作用力,确定能够提供连续从果面撕扯下果皮又不会因造成果皮被夹断的对辊夹持力;提出实现柑橘连续传输过程中变位翻滚的控制策略以及增大柑橘外翻果皮进入相对转动对辊之间几率的实现方法。(3)对柑橘果皮剥离机理进行了分析。结合剥离力学理论,对柑橘果皮剥离这一过程进行理论分析,建立了柑橘果皮剥离过程力学模型,分析了剥离宽度、剥离角度、剥离速度等因素对剥离过程的影响规律;并搭建基于质构仪的柑橘果皮剥离力学试验台,对柑橘果皮剥离过程进行试验,并通过试验数据对模型的准确性进行验证。(4)对柑橘果肉损伤机理进行了分析。采用非线性有限元手段,根据已有柑橘果皮与果肉的生物学特性、物理特性和力学特性参数、柑橘大小及果形指数的概率密度函数,建立可用于有限元仿真分析的柑橘三维平均几何模型;在有限元软件中结合柑橘几何模型,完成柑橘接触模型的建立,仿真分析了接触变形区域状态变化的非线性行为;并利用质构仪进行对比损伤试验,验证模型,阐述柑橘损伤机理并对柑橘剥皮过程机械损伤进行预测。(5)结合上述研究内容,对已有对辊式柑橘剥皮样机进行了部分改进设计,以期能实现更好的剥皮效果。
【学位单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：S226.4
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现况
        1.2.1 柑橘剥皮技术发展及机构机理研究现状
        1.2.2 农业物料剥皮、去壳方式及机理研究现状
    1.3 存在的关键问题
    1.4 研究内容
    1.5 技术路线
第二章 宽皮柑橘对辊式剥皮机及其工作原理介绍
    2.1 样机结构和技术参数
        2.1.1 柑橘拨动机构部件
        2.1.2 对辊机构部件
    2.2 样机工作原理
    2.3 样机试验结果
    2.4 样机存在不足
第三章 基于高速摄影的柑橘剥皮过程研究
    3.1 高速摄影技术介绍与应用
    3.2 高速摄影试验平台和试验方法
        3.2.1 试验材料与仪器
        3.2.2 试验平台的搭建
        3.2.3 试验方法
    3.3 试验结果分析
        3.3.1 柑橘总体剥皮运动过程分析
        3.3.2 不同果型指数柑橘剥皮过程研究
        3.3.3 不同果径柑橘的剥皮过程
        3.3.4 不同品种柑橘的剥皮过程
        3.3.5 柑橘剥皮过程中存在的特殊情况以及解决方案
    3.4 本章小结
第四章 对辊式柑橘剥皮机关键部件机理研究
    4.1 刮板拨动机构机理分析
        4.1.1 刮板部件受力与运动分析
        4.1.2 刮板部件和传动部件的连接及受力分析
        4.1.3 刮板拨动后柑橘的运动轨迹分析
    4.2 对辊剥皮机构工作机理分析
        4.2.1 齿形辊子啮合关系及受力分析
        4.2.2 光轴辊子受力分析
        4.2.3 对辊机构参数的确定
    4.3 本章总结
第五章 柑橘果皮剥离机理的研究
    5.1 引言
    5.2 柑橘果皮分离力学模型
        5.2.1 剥离力学模型
        5.2.2 因素分析
    5.3 模型的验证
    5.4 本章总结
第六章 柑橘果肉损伤机理的研究
    6.1 引言
    6.2 非线性有限元分析基础
        6.2.1 非线性行为产生及其原因
        6.2.2 非线性有限元基本分析理论
        6.2.3 非线性有限元分析过程
    6.3 应力和强度理论
        6.3.1 应力理论
        6.3.2 强度理论
    6.4 柑橘整果三维几何模型的建立
    6.5 机械剥皮过程中柑橘损伤有限元模型
        6.5.1 柑橘损伤形式和几何接触模型
        6.5.2 材料定义与网格划分
        6.5.3 模型的加载与求解
        6.5.4 损伤模型的验证
    6.6 本章总结
第七章 样机关键部件的改进设计
    7.1 刮板部件的改进设计
        7.1.1 刮板结构与安装形式的改进
        7.1.2 刮板高度和厚度的改进
    7.2 对辊部件的改进
        7.2.1 对辊布置形式改进
        7.2.2 对辊尺寸改进
        7.2.3 对辊传动改进
    7.3 整机结构改进设计
    7.4 本章总结
第八章 总结与展望
    8.1 本文主要结论
    8.2 不足与展望
参考文献
附录
致谢

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本文编号：2877843