摘要：椰子最初种植在东南亚，从印度尼西亚传播到太平洋岛屿，在我国广东南部、海南、台湾等地均有栽培。在我国，椰子是一种非常常见的生产作物。在海南，椰子主要分为青椰子和金椰子两大类，其中绿色和棕色的果实成熟时较大，颜色浅，果肉厚，是制作椰子油和蜜饯的优质原料之一。金椰子因其生长周期长、椰肉丰富，常用于椰肉加工。另外，椰子水略带甜味，非常适合直接饮用，因为青椰子切成块在市场上利润很高。此外，椰子还是一种产量高、用途广泛的经济作物，是农民增收致富的重要渠道之一。但是，椰子的生产和加工机械化程度仍然较低，导致需要大量的体力劳动。由于椰子本身具有很厚的果皮，要求较高的机械强度，从而可能会造成损坏或设备损坏。在高强度的工作环境下，传统的手工椰子切割方法存在多种风险因素，无法满足椰子生产加工的实际需要。目前，国内外正在对机械椰子脱皮技术进行深入研究，但机械椰子脱皮机械的设计和生产还不够先进。因此，机械化椰子加工被认为是未来发展趋势的必然选择。

关键词：滚刷；去椰机；机械；设计

多年来我们一直针对椰子加工行业机械化程度低的问题进行深入研究。其中椰子是海南特有的热带水果之一。海南省栽培历史悠久，产量也较大。虽然对椰子饮料加工机械的研究不多，但在目前的市场环境下，人们大多依靠手动砍刀来切割其表面。这种方法不仅效果不佳，而且容易损坏椰子等产品，造成资源的巨大浪费。因此，开发一种不仅外形美观而且状态良好的椰子切割成型机具有广阔的市场前景。为此，开发了一种可自主工作的刷状椰子去除装置，详细设计了其内部结构，解释了工作机理，研究了椰子塑料剥皮设计的实用性，并对主要部件进行了阻力测试，进一步验证设计方案的合理性。

一、滚刷去椰机机结构设计

（一）整机结构设计

滚刷去椰机机由切割机、肩切机、支撑部位、推杆、基本切割锯、旋转架和机架组成。目前，市场上的棕榈去皮剥皮机大多是手动操作，需要手动工具来完成整个过程，这不仅劳动密集，而且效率低下。滚刷去椰机利用支撑平台调节椰子的颜色，推杆对椰子施加适当的压力，使针锥体深入椰子壳内，达到切割的目的。经过多次实验，该机能有效解决椰子表面粗糙造成的破损问题，同时利用固定在机架各工作部件上的刀具，在高速旋转的同时对椰子进行切割和剥皮，从而达到同时对椰壳进行多次剥皮和剥皮的目的。

（二）关键部件结构设计与分析

1.夹持固定装置结构

刷辊椰子切割成型机主要部件包括夹紧装置、支撑工位旋转装置和转盘工位更换装置。旋转装置驱动电机，齿轮带动转盘拉紧或松开工件，带动椰子脱皮气缸做圆周运动，完成对椰子中椰肉及纤维物质的脱皮。夹紧装置的主要部件包括顶杆、针锥、弹簧、表皮密封件和固定件。滚针锥体的上端向上转动，下端贴在轴承座的圆盘上。顶出杆的两端通过两根连接轴与表皮圈连接，使整个合模机构发挥作用。加紧装置设计成拱形，其内表面有凹槽结构，有助于防止椰子与加紧装置的相对偏差。同时，可以根据椰子的大小轻松调整固定部分的尺寸，以达到最佳的固定效果。固定上部结构由推杆、弹簧和表皮垫组成。当需要剥椰子时，先轴向压紧夹紧部分，然后松开夹紧部分。在启动椰子切割成型机之前，将椰子放入夹紧装置中，并通过顶杆施加一些向下的压力，将针锥深入。此时，带动螺杆推动表皮块压紧椰皮。然后调整固定部分使椰子稳定，并利用顶出杆和针锥度保证椰子与转盘的稳定连接，顺利完成下一步的成型任务[1]。

2.支撑部位自转装置的结构

在椰壳纤维切割和成型机中，切边器、肩部切刀和修边锯在操作过程中是固定的。但通过旋转机构，使椰子与刀具之间产生相对运动，从而达到剥皮效果目的。设备主要部件包括支架站、皮带、滑轮和电机，支撑部位用于设置和调整机器中各个部件的位置。支撑部位是位于夹紧装置底部的夹紧装置，由三个连接元件和圆盘组成，其中一个固定部件有安装孔，另外两个为活动部件，可以水平或垂直移动以改变夹紧位置。支撑部位下部装有两个滑轮，主要用于连接发动机和其他支撑部位。支撑部位顶部有三个滑轮轴，用于带动每个支撑部位做圆周运动，这些支撑单元通过皮带相互连接。当电机开启时，电机带动各个支撑部位旋转，实现支撑部位自动旋转的功能。

3.工位切换的转盘装置结构

在椰子切割和成型机中，切割工具在操作过程中固定在不同的工作位置。在某一工位的剥皮工作完成后，为了保证椰子工位后续剥皮工作的顺利执行，需要设计工位折叠设备来进行各工位的剥皮工作。设备主要部件包括中心轴、主电机、旋转架、皮带和滑轮。轴保持静止并在其底部连接到滑轮，滑轮通过离合器连接到旋转框架，该皮带轮通过皮带连接到主电机，主电机带动轴旋转，带动皮带轮上下运动。主电机驱动相对于旋转框架固定的滑轮旋转，旋转架具有两个相互垂直设置的旋转轴和驱动旋转轴旋转的轴，转盘固定安装在转盘上，并与转盘同步旋转，实现椰子工位的切换[2]。

二、滚刷去椰工作机理分析

（一）滚刷去椰工艺流程

为了成功地进行生椰子的切割和成型过程，该组织需要解决几个技术难题，包括附着和固定椰子、圆柱形外表面的成型和成型以及上肩部的成型和切割。通过底部劈裂等操作，最终实现了“谷仓”风格的椰子制成的塑料结构。在此基础上，提出了椰子成型的新方法——滚刷剥皮技术。椰子切割剥皮的生产步骤包括：制作新椰子、修整外圆柱面、修整顶肩、修整底部、生产最终产品。

（二）滚刷去椰机工作机理分析

椰子切割成型机的控制机构是这样的，当所有工作位置固定在可调位置时，机器将保持稳定。在一个单元中，三个不同直径的支撑单元放置在两个圆盘之间。当设备开始接收电力时，转盘的电源被激活，导致支撑部位下方的滑轮旋转。滑轮推动支撑部位绕旋转轴旋转，主轴也同时旋转，可使刀架上下移动，每个支撑部位下方的滑轮通过皮带之间的双向连接驱动支撑部位旋转。同时，轴带动主刀架旋转，使刀具沿切线方向旋转，从而实现切割椰子茎、叶、根等的功能。椰子完成去椰工作后，执行器启动，将去椰工位上椰青的位置传输到刀上，降低肩部，使主轴旋转，达到切椰子的目的。首先将椰子在肩部进行切割，然后启动主电机从肩部切割位置到基部切割位置——即生产出椰子产品。将支撑部位移至出料口，取出切好的椰子放入生椰去椰机内，入口和出口位于同一位置。经过多次循环操作，内层椰绿色最终剥落，一层一层地形成在外面。肩刀、侧刀和底刀的角度和高度均可调节，使能够对不同大小的西兰花进行细致的切割和剥皮。经过如此多的操作，终于得到了一款体积小、结构简单、工作效率高、能够满足当前需求的滚刷去椰机。另外，电机设计为6级，理论同步转速为1000rpm。此外，该设备还采用双运动完成装卸，既提高了效率，又保证了产品质量[3]。

三、滚刷去椰机工作过程受力分析

（一）塑型切刀工作受力分析

切割机是椰子切割成型机的关键部件。为了保证椰壳刀在成型过程中不受惯性载荷的干扰，选择静态等效力法对其结构进行分析，这种分析方法根据材料的本构关系提取一个力学参数——等效静载荷系数，然后通过该参数对其施加力或力矩，从而计算整个切削系统的动态响应。通过应用有限元方法，能够比较刀具在800、900和1000N载荷下的应力、变形和形变。由于几何限制，只能获得局部区域的位移场，无法提供详细的位移场，并准确描述整个剪切区的应力，可以将基本电锯、切割刀片和肩切刀的3D模型导入ANSYSWorkbench软件中进行深入分析并设置相关边界条件。由于它们在空间中的特定位置，三个独特的切割工具将与椰子切割。同时，确定支撑部位的转速为30r·s，并考虑刀片对生坯表面粗糙度的影响。肩铣刀所用材料为2号钢，密度785g/mm3，弹性模量210GPa，泊松比0.31，生皮抗压强度355MPa。椰子是一种弹性模量为1080GPa、剪切模量为0.54GPa、泊松比为0.50、密度为0.70g/cm3的表皮。为保证加工后表面光滑平整，可采用锯切进行切割。椰子皮很软，所以切的时候一定很锋利。根据表皮切割的相关标准，基础锯齿应采用65号粗锰钢，抗拉强度应保持在825～925兆帕，屈服强度应控制在520～690兆帕。为了保证加工质量和生产效率，对基础切割锯进行了相应的改进，购买削皮刀、肩部清洁器或钢锯时，应力和伸长结果可能会根据负载条件而有所不同。

通过观察方肩铣刀的应力分布和总变形曲线，我们可以发现，在800、900和1000N的载荷条件下，从刀片背面绘制的应力分布和总变形曲线是相似的，这表明说明角刀在相同工况下具有一定的灵活性。与800N和900N的载荷条件相比，薄叶片在同一位置的应力和总变形都比较大，但在800N的载荷下，这些值都是最小的，方肩铣刀刀刃处的最大主拉应力远小于铣刀。研究发现，在不同载荷条件下，切削刀片和切削刃的应力峰值主要集中在刀片与刀柄的接触点处，并向刀片和刀片背面逐渐减小。随着载荷的增加，肩铣刀上的应力先急剧增加，然后缓慢减小。随着刀片逐渐收缩，薄刀片呈现出波浪形状。肩胛骨呈先上升后下降的趋势，最高点位于肩胛骨尖端。根据研究，在不同的载荷环境下，超薄刀具的最大总变形量以刀片为中心，具体最大变形值分别为0.15、0.17毫米和0.19毫米。随着负载的增加，肩部和身体会产生剪切力质量剪切应力水平也会增加。为了达到将屋顶塑造成“像谷仓”的效果，叶片需要根据谷仓屋顶的具体形状调整其角度，这意味着在不同的载荷条件下，最大变形发生在边缘位置。无论是去椰工具还是肩部切削工具，其最大变形都比较小，这意味着工具在椰子成型过程中不会被损坏，并且产生的最大应力明显小于材料的强度，并且不会产生过度的压力[4]。

在锯应力与总应力的关系图中，锯施加的力平行于锯片并远离锯片末端。在不同的加载环境下，应力分布图和总应变图表现出相似的趋势，这意味着随着载荷的增加，应力值也会增加，从而导致更显着的变形。这是因为在整个过程中，当负载增大时，基础切割锯所受的压力就变大，所以其上的力就越大，那么产生的电压值自然就越大。通过详细研究观察到基本锯片前后刃口的应力分布呈现出几乎对称的特征，并且这些应力在锯片垂直方向上呈现出一定的波动。这意味着随着切割过程的继续，锯片周围会产生一定的张力和压力。尤其是锯片中心区域，应力分布更为严重。此外，随着锯片速度的增加，峰值电压逐渐降低并变得稳定，锯片与高速旋转的椰子之间的相互作用是造成这种现象的主要原因。此外，随着速度的增加，作用在锯片中心部分的剪切力逐渐增大，导致该区域产生更高的剪切应变能。加载过程中，当加载方向末端接近尾部固定端时，产生的应力达到最大值，并沿方向轴逐渐减小，最终达到平衡状态。根据收集到的数据，我们观察到变形在锯片中心最为明显，两侧逐渐减小。同时，测量表明，随着锯片速度的增加，切割面积和范围逐渐变窄变大。由于这些变形的幅度相对较小，因此在实际应用中不太可能发生对椰子的形状产生不利影响的有害变形。实际操作中，椰子对工具施加过大的压力并没有导致工具内应力过度集中，这一发现为进一步提高该工具的性能提供了关键的理论基础。

（二）椰子顶杆受力分析

顶针的主要作用是固定椰子，当椰子进行快速成型过程时，顶针对椰子的垂直方向施加一定的夹紧力，以保证其固定。由于椰色形状复杂，加工难度大，因此研究挤压针的张力就显得尤为重要。创建了挤压销的3D模型，并将其导入ANSYSWorkbench软件进行机械分析。在生产过程中，顶针需要具有足够的机械强度和相对较低的重量。为了承受足够大的载荷且不易断裂，需要具有较高的结构稳定性，这对加工技术是一个挑战。因此，决定采用铝合金作为主要生产材料，该材料密度为27g/mm3，弹性模量为70GPa，泊松比为0.3，屈服强度为455MPa。同时，为了保证结构的完整性和安全性，我们对顶针的静载荷进行了有限元模态分析和实验验证。基于运动载荷定义的边界条件的计算表明，我们成功获得了顶出杆在800、900N和1000N载荷下的应力和应变数据。

顶针传递的力在不同的负载条件下特别明显，顶针是键合力的主要来源，力的方向与插入弹射盒中的表皮产生的波的方向一致。表皮层内部产生较大的内压力，因此上压块对整个结构有良好的支撑作用。在下压块与表皮垫接触的核心区域，应力达到最大值，上压块的压力值是整个装置中最低的。因此，该类材料的应力远低于其屈服强度，因此可以正常使用。通过对整个装置的有限元分析，得到各部分的位移云图和等效应力分布云图，以及它们之间的关系曲线。观察大体变形曲线，观察到最大变形发生在顶针与胶层接触区域。而且，由于表皮具有一定的弹性，当受到外力作用时，它会向上变形，所以在支撑部位板上增加了针锥、针锥和指状部件，以保证椰子能够得到足够的稳定性[5]。

结语

总而言之，本文根据海南椰子切割的需求，设计了一种创新型脱壳机，详细介绍了该机的基本概念、主要结构以及椰子切割过程中一些关键部件的设计。同时，对椰子去椰机的主要部件进行了优化和改进，以达到更加理想的效果。通过将机械剥离技术与高压气体去除相结合，期待可以得到更好的结果。此外，这种新的椰子切割方法还可以确保椰子表面完整，而不会损坏椰子肉的内部组织，从而确保最终产品更加完美。目前，国内已有多家企业成功研发出滚刷去椰机，这不仅提高了椰子加工的工业化、自动化水平，也支持了椰子的规模化生产，支持了椰子的广泛种植和椰子食品的传播。目前，滚刷去椰机是应用最广泛的椰子切割设备。然而，这种类型的去皮机还没有完全自动化去皮过程，所以还存在很大的发展空间。

参考文献

[1]王禹涵，邵丽颖，姜思达，谭殷霖.椰子采摘机器人机械系统设计[J].工程机械，2023，54（12）：111-114+12.

[2]邓宝华，李向阳，杨建振，何鑫，钱春，包琪，杨晔，解万翠.椰子副产物精深加工及高值利用研究进展[J].中国果菜，2023，43（11）：25-30.

[3]童彤.肯尼亚：椰子加工公司获资助以增加出口[J].中国果业信息，2023，40（09）：47.

[4]李铭，盛政，李则均，张海华.椰子粉对小麦粉热机械流变特性的影响[J].食品与机械，2022，38（08）：50-54.

[5]中国热科院椰子所与2家单位合作研发油棕机械采果机[J].世界热带农业信息，2019，（03）：53.

课题来源：河北省高等学校科学技术研究项目_自筹，项目编号ZC2023100