2 0 2 1年3月农业机械学报第52卷第3期doi ： 10. 6041/j. issn. 1000-1298. 2021.03.014
自适应仿形甘薯削皮机优化设计与试验
俞国红郑航薛向磊
(浙江省农业科学院农业装备研究所，杭州310021)
摘要：针对甘薯人工削皮劳动强度大、效率低，传统去皮方式污染严重等问题，基于甘薯的物理特征，设计了一种柔性自适应仿形甘薯削皮机。为确保甘薯削皮厚度的一致性与削皮作业的稳定性，首先对甘薯削皮过程进行理论分析，确定了影响仿形削皮性能的关键部件结构参数及取值范围，以仿形限位球半径、仿形力、电缸与卡爪转速比为试验因素，以甘薯削皮厚度均匀性为响应值，利用Design-Expert 8. 0. 6软件采用BBD法设计三因素三水平试验，建立了各因素与甘薯削皮厚度均匀性的回归数学模型，分析了影响削皮性能的主要原因。结果表明，各因素对甘薯削皮厚度均匀性影响的主次顺序为：仿形力、仿形限位球半径、电缸与卡爪转速比；最佳参数组合为仿形力68. 1 N、仿形限位球半径28. 1 mm、电缸与卡爪转速比0. 95。甘薯削皮性能验证试验表明，在优化后的工作参数下，该甘薯削皮机削皮效果较好，平均每个甘薯削皮时间为10 S，工作效率达360个/h，满足甘薯削皮的工业化加工需求。__
关键词：甘薯；削皮；自适应仿形；响应曲面法；试验|_
中图分类号：S226.4 文献标识码：A 文章编号：1000-1298(2021)03-013548 OSID：
Optimization Design and Experiment of Auto-adaptive
Profiling Sweet Potato Peeler
Y U G u o h o n g Z H E N G H a n g X U E Xianglei
(Institute o f Agricultural Equipment，Zhejiang Academy o f Agricultural Sciences，Hangzhou310021，China)
Abstract：Aiming at the problems of high intensity and low efficiency of manual peeling of sweet potato，
a technological scheme for adaptive cutter m e c h a n i s m peeling of sweet potato was propod bad on the
analysis of the shape characteristic of sweet potato. T o ensure the consistency of sweet potato cutting thickness and the stability of peeling operation，firstly，a theoretical analysis of the sweet potato peeling process w as carried out，and the structural parameters and value ranges of key com
ponents that affected the peeling performance were determined. For further study of the improved working performance of m e c h a n i s m peeling for sweet potato，the B ox —B e h n k e n experimental design with three factors and three levels was performed，parameters such as radius of profiling ball，profiling force and rotational speed ratio of electric cylinder and jaw were lected as independent variables，which would influence the thickness uniformity of sweet potato peeling. T h e mathematical model was established，and the ma i n reasons that affected peeling performance were analyzed as well. T h e test results showed that effects orders of three parameters on the sweet potato obvious rate from primary to condary were as follows：profiling force，roller ball size，profiling force and rotational speed ratio of electric cylinder and jaw. T h e optimal working parameters were forward profiling force of 68. 1 N and radius of profiling ball of 28. 1 m m and rotational speed ratio of electric cylinder and jaw of 0. 95. Confirmatory tests showed that the sweet potato peeling machine had a better peeling effect，the average peeling time of single sweet potato was 10 s，the working efficiency was 360 pieces/h，which can meet the design requirements of the sweet potato mechanical peeling with the optimized working parameters.
K e y w o r d s：sweet potato; peeling；auto-adaptive profiling；respon surface methodology; experiment
收稿日期：2020 1117修回日期：2021 01 04
基金项目：浙江省科技计划项目（2020C26001)
作者简介：俞国红（1969—），男，高级工程师，主要从事农业机械设计与应用研究,E-mail:*******************
通信作者：郑航（1993—），男，助理研究员，主要从事智能农机装备理论与设计研究,E-mail:zhr e**********
136农业机械学报 2 0 2 1 年
0引言
我国是世界上最大的甘薯生产国，据联合国粮 食及农业组织（F A O)相关数据显示，我国甘薯产量 占世界总产量的67% ，甘薯种植单产是世界甘薯平均单产的1. 7倍[1-2]。去皮是甘薯深加工的必要环 节，国内外甘薯去皮一般采取传统的人工去皮方式，其劳动强度大、去皮效率低、成本高，甘薯去皮成为 产业链条最薄弱的环节。因此，研发一种高效的甘薯去皮机械显得尤为重要。
国内外学者针对果蔬类去皮进行了一系列研究[3-6]，主要包括化学去皮、蒸汽去皮、机械去皮、超 声
波与酶制剂去皮[7-10]等方式，其中根块类果蔬以 机械去皮为主。文献[11 -12]设计了一种马铃薯、红薯清洗脱皮机，该机在清洗槽中安装一根带有搅拌杆的长轴，利用轴上搅拌杆的螺纹进行清洗脱皮。文献[13 - 15]针对地下茎块类农作物设计了一种滚筒式茎块类农作物清洗脱皮机，该机通过内筒螺旋叶片与螺旋叶片轴转向相反、形成剪切力，在内筒 壁的砂轮以及水的作用下，对农作物进行清洗脱皮处理。高增法[16]研发的芋头去皮机采用六角形滚筒，利用卧式离心摩擦技术对芋头去皮。上述均采 用摩擦去皮方式，在去皮过程产生了大量的废液，造 成了环境污染，因此并未得到广泛应用。文献[17-18]为甘蔗榨汁设计了一种甘蔗去皮机，通过P L C 控制进给机构结合特殊刀具可实现甘蔗皮的自适应切削。吴有明等[19]设计了一种自动芒果削皮机，该机采用传送带送料、柔性滚动装置进行夹紧以及带弹性杆的切削刀具进行去皮切削。田元[20]通过分析胡萝卜切削工艺，设计了一款胡萝卜全自动削皮机，并对切削工艺参数和切削装置结构进行了优化设计，提高了切削效率，并降低了削皮损耗。上述切削去皮方式果蔬损失率低，切削工艺对环境无污染，但对于不规则物料，削皮仿形要求较高。
键盘字母练习
基于以上研究现状，本文基于甘薯的物理特性，设计一种柔性自适应仿形削刀机构，对甘薯削皮过程进行理论分析，并确定关键部件结构参数及取值范围，通过试验确定最佳参数组合，优化甘薯削皮效 果，以满足设计要求。
1结构组成与工作原理
1.1设计要求
甘薯机削皮是利用削皮刀作用甘薯表皮，均勻 地削除甘薯外表皮，根据甘薯后期加工要求及甘薯表皮平整度情况，设定削皮厚度为2 ~3 m m，要求甘薯削皮完整度达到90%以上。
1.2工作原理
甘薯削皮机采用电机驱动，通过齿轮啮合、丝杆 滑块及气缸传动控制甘薯削皮过程。主要由机架、回转工作台、转座装置、削皮机构、抬升机构以及上、下切刀装置等组成，如图1所示。
图1自适应仿形式甘薯削皮机结构简图
Fig. 1 Mechanism diagram of auto-adaptive
profiling sweet potato peeler
1.削皮机构
2.上切刀
3.下切刀
4.回转工作台
5.转座装置
6.抬升机构
7.机架
高考文化常识甘薯削皮机工作时，由人工将待削甘薯竖直插人转座装置的卡爪上，安装在机架的步进电机作为动力输出，通过齿轮啮合带动回转工作台转动，转座装置下方的齿轮与安装在机架槽钢侧面电动机带动的小齿轮啮合，配合上切刀的卡爪固定住甘薯的上端，使转座装置带动甘薯产生旋转运动；削皮机构的削皮气缸推动仿形刀具紧贴甘薯表皮，并配合丝杆滑块带动削皮机构上下运动开始削皮动作，根据甘薯的表皮形状调节气缸的进给压力，从而实现自动仿形；完成削皮后的甘薯以及削落甘薯皮掉落在回转工作台板上，通过安装在台板上的挡料块进行收集和集中处理；完成甘 薯端部切除后，步进电机转动，通过齿轮啮合，将整 个回转工作台运行180。后，依次进行夹持、削皮以 及去头等相应的工序操作。具体工作流程如图2所示。
图2自适应仿形式甘薯削皮机工作流程图知识的英文
Fig. 2 Auto-adaptive profiling sweet potato peeler
working chart
第3期俞国红等：自适应仿形甘薯削皮机优化设计与试验137
2自适应仿形机构设计
2.1甘薯主要物理参数
甘薯品种繁多，为了确定甘薯削皮机各部件的
小学数学教学随笔结构尺寸，本文选用2019年产自浙江省的同一批次
的不同品种甘薯（“浙薯13”、“浙薯75”），每一品种
随机选取50个甘薯样本，由于该批次甘薯品种外形
大都呈纺锤形或圆筒形，对甘薯样本进行了长轴径
L、短轴径D以及质量m等物理参数测量（图3)，测
量结果为：甘薯长轴径主要分布在100.5〜189. 3 m m，
平均值为157. 5 m m；短轴径主要分布在59. 8〜86. 9 m m，平均值为72. 5 m m；甘薯表皮厚度主要分布在1. 8 ~3. 2 m m，平均值为2. 5 m m；甘薯质量主要分布在303. 1〜580. 1 g，平均值为420. 3 g。
图3甘薯纵向截面示意图
Fig. 3 Schematic of longitudinal ction of sweet potato
2.2削皮仿形机构设计
甘薯表皮粗糙不平，柔性自适应削皮仿形机构是甘薯削皮机的关键，其性能直接影响削皮的效果。
如图4所示，削皮气缸推动仿形刀具紧贴甘薯表皮，并配合丝杆滑块带动削皮机构上下运动开始削皮动作，根据甘薯的表皮形状调节仿形气缸的进给压力，从而实现自动仿形。本文削刀设计为U型 刀，根据甘薯的外形尺寸参数，刀刃圆弧半径R，设 为16 m m；为了控制削刀削皮的厚度，设计了一种限 厚块，根据所测量的甘薯表皮厚度，设置限厚间隙为 2 m m；甘署在削皮过程中做高速旋转运动，其表皮 凸起部分会对削刀产生频繁的碰撞力，使削刀的角 度发生较大的偏移导致削皮不连续，效果差，因此本 文在削皮机构中设计了一个仿形限位球，来提高削 刀在削皮过程中的稳定性和削皮连续性，改善削皮 效果。
2.3仿形削皮过程分析
2.3.1仿形限位球尺寸设计
根据甘薯削皮机工作原理，分析甘薯削皮初始 工作位置，如图5所示，为便于理论分析，假设甘薯 圆周截面为圆形。甘薯固定轴心为O，刀具仿形限
Fig. 4 Diagram of cutter profile mechanism
1.电动缸
2.连接法兰
3.导杆
4.削皮气缸
5.削皮刀总成
6.仿形限位球
7.连接板
8.限厚块
9.U型削皮刀
位球中心为A，削皮过程中削皮刀总成在气缸作用下，使仿形限位球及U型削刀与甘薯表皮保持接触，接触点为C，甘薯半径为R，仿形限位球半径为r，削皮厚度为t，人切角为0，A B垂直于B C，设‘= a，1BC =b，1AC =c，角度关系如图5所示，削皮刀总成 在削皮过程中可绕气缸连接处转动，人切角随之变化。
由几何关系知
兹=仔-a-茁(1)其中a =arctan ? (2)
怎么追男孩子b
在三角形A O C中，由余弦定理可知
根据上文甘薯参数统计结果:25 m m <R <75 m m，由式（1)〜（3)结合仿形机构设计尺寸得出人切角20。<；兹<35毅，所以取值如下：当甘薯削皮点半径Ri =25 m m时，人切角兹1=35。，当甘署削皮点半径R2 =75 m m时，人切角兹2 =20。。
如图6所示，以甘薯支座中心〇1为坐标原点，建立坐标系X O l Y，削皮后甘薯半径为A R，仿形限位 球中心在坐标系X〇i Y中的位置参数为（X o, Y。）。当U型削刀人切角分别为35。和20。时，仿形限位球 位置参数为(A，F J和(X2,Y2)，
削皮后的甘薯圆周
宝宝呕吐吃什么药138农业机械学报 2 0 2 1 年
半径为驻&和A R 2，则有
^x2 + Y 〇 = ( R + r)2 < X o = A R c o s 兹 + b
(4)
.Y o = A R c o s 兹-a
代入上述边界条件得
X 2 -尤丄=A R 2C 〇s 兹2 -A R i C o s R
<X 2 - X 2 = ( R 2 + r)2-(R i + r)2 + (AR!sin^! - a )2 -
、 (A R 2sin 兹 1 - a )2
解得
(5)
(R 2 + r )2 -(Ri + r )2 + ( ARisin 兹 1 - a )2 - Xi =
(A R 2sin 兹2 - a )2 +A R f 〇s 兹1 -A R z C o s 兹2
2(A R 2C 〇s 兹2 - A R ^o s 兹1)
(6)整理得 & =k ，+ k 2a +k 3
(7)
其中
k =
R 2-R 1
1
A R 2cos ^2 - A R 1cos ^1削刀的角度发生较大的偏移影响削皮效果。
浊1为过削刀与甘薯接触点C 的切线方向，浊为 切线方向浊1与甘薯水平方向之间的夹角，浊2为仿
形限位球与甘薯接触点D 的切线方向，根据安装位 置确定切线方向浊1与浊2关于甘薯水平方向左右对 称。各接触点的受力关系为
K sin 浊k 2
A R 2sin ^2 - A R 1sin ^1
A R 2cos ^2 - A R 1cos ^1
k 2( A R 2cos^2 - A R 1 cos^1)又因为
R 2-R i =A R 2cos02 - A R j o s A
故式(7)可简化为
X 1 = r + k 2 a + k 3
将式(9)代入式(5)整理得
R 2 - k3 - ( 1 + k 2 ) a 2 + 2 ( A R 1 sin^1 - k 2k 3 ) a
2 ( ak 2 + k
3 - R 1 )
(10)
当r 有解且大于0时，得18. 53 m m <a <20 m m ，则 初定仿形限位球半径r 为28 m m 。
2.3.2仿形力范围确定
如图7所示，在甘薯削皮过程中，在切削力Fa 的作用下，甘薯表皮从甘薯体分离脱落，在仿形力
F b 的作用下，仿形限位球始终和甘薯表皮接触，减
少甘薯表皮因凸起部分对削刀所产生的碰撞力，使
Far Fbt
F a Cos浊 Fb sin 浊
(11)
cos 兹 2
^F b r = F b Cos 浊
式中Fat
一接触点C 受到的法向力，N (8)
F…r 一接触点C 受到的切向力，N Fbt
一接触点D 受到的法向力，N
(9)
10月9
F b r ——一接触点D 受到的切向力，N 甘薯与削皮刀总成的受力平衡满足
F = F + Fb
o a b (12)
式中
F o—一仿形气缸的输出推力，N
F P 〇 仔 D 2
F o 浊。- 4
(13)
式中
P 〇一仿形气缸的进气压力，
可根据调压阀来选择合适的进气压力，P a
浊o 一仿形气缸的负载率，根据时间、运行速度，取200%
D 〇
仿形气缸缸径，m m
削皮刀对甘薯的切削力为
P 〇 仔 D 〇 sin 浊F a
8浊〇
(14)
其中
浊2
兹
根据上文得刀具入切角兹范围为20。〜35毅，确
定仿形缸径D 〇 = 16 m m ，通过试验发现，当F 〇取值 范围在60〜80 N 之间时，U 型削刀能顺利切入甘薯 表皮且不会将甘薯从卡爪中顶翻。
2. 3. 3电缸与卡爪转速比计算
图8
为削皮刀在切削甘薯表皮上下运动过程示
第3期俞国红等：自适应仿形甘薯削皮机优化设计与试验139
意图。甘薯在夹具上的角速度为棕，姿为过削皮刀 与甘薯表面接触点在竖直平面的法线方向，与竖直 方向的夹角为酌。图中阴影区域表示甘署表皮已切 削部分，其中S s。表示上一圈削皮宽度，S t表示最新一圈削皮宽度，A S表示相邻两圈削皮重叠宽度。
由几何关系得
St =2^2Rtt -t1234cosy(15)根据文献[21 ]知，为实现较佳的削皮效果，A S 需满足
S t
0臆A S臆*
2
(16)
A S =—--t2cosy
n
(17)式中P丝杆导程，取10 m m
n卡爪转速，r/min
n丝杆转速，r/min
分别取U型刀圆弧半径R t为16 m m，削皮厚度 t为2〜3 m m，夹角酌为0。〜30。，则转速比i =
应满足0.68臆i臆1. 18。
3试验结果与分析
3.1试验条件
试验材料为遂昌好川薯条厂所用的加工型甘薯，品种为“浙薯13冶，平均质量为395 g，其外形如 图9所示。
图9 “浙薯13冶样品
Fig. 9 Sweet potato samples of “Zheshu 13 冶试验设备以及仪器装置包括甘薯削皮试验样机、变频器、空压机、电子秤、游标卡尺等。
3.2试验方案
由削皮原理和关键部件计算结果可知，仿形限 位球半径、仿形力、电缸与卡爪转速比是影响削皮性 能的重要参数。试验过程中通过更换不同直径的仿形限位球来对比不同限位球半径对削皮效果的影响，
仿形力由仿形气缸的压力控制，通过调节变频器 的输出频率控制电缸与卡爪转速比。甘薯的削皮性 能主要体现在甘薯的削皮完整性和削皮厚度均勻性，经过前期大量试验可知：甘薯表面凸起部分在10 m m以内，凹陷部分在6 m m以内，本文设计的自 适应仿形削皮机构削皮率可达到90%以上，满足 “浙薯13冶的机械削皮设计要求，在此基础上，重点 研究各参数对甘薯削皮厚度均勻性的影响。采用 B o x B e h n k e n设计试验方案[22- 25]，以仿形限位球半径(x j、仿形力（x2)、电缸与卡爪转速比（x3 )为 自变量，随机取削下来的甘薯皮条5段，量取每段厚 度\与设计削皮厚度h。（2〜3 m m)的差值A h为响 应值，其分值评定如表1所示，各试验因素编码如表2所示，实施17组响应面分析试验，各组试验结果如表3所示，X1、X2、X3为因素编码值，&〜Y5为 5次试验分值，Y为总分值，表征削皮厚度均勻性，Y 越大表示均勻性越好。
表1分值评定
Tab. 1 Score evaluation
等级Ah/mm分值
10〜0.303
20.31〜0.60 2
30.61〜0.90 1
4>0.90 0
表2因素编码
Tab. 2 Coding of factors
因素
编码仿形限位球半径仿形力电缸与卡爪
X j/ m m X2/N转速比x3 -126600.7
028700.9
130801.1
3.3结果与分析
米用Design-Expert 8. 0. 6软件对以上数据进行 多元回归模型拟合，得到削皮厚度与仿形限位球半径、仿形力以及电缸与卡爪转速比之间的回归方程为
Y= 14. 2 +0. 88X1 - 1. 75X2 +0. 38X3 +0. 5X1X2 -
0. 75X i X3 -2. 5X2X3 -4. 23X2 -5. 98X2 - 1. 72X3
(18)
由表4可知，二次回归模型的P <0.001，说明 该回归模型极显著；失拟项P >0. 05，失拟不显著，说明模型所拟合的二次回归方程能准确反映削皮厚 度均勻性与仿形限位球半径、仿形力和电缸与卡爪转速比之间的关系，
能够通过拟合模型对甘薯削皮中国移动查询话费
