全 文 ：山楂去核定位机理的研究与
⒇
定位机构的初步设计
陈　芳
(河北农技师院农工系 ,昌黎 066600)
刘法治
(河南职技师院 )
邓春岩
(河北农技师院 )
摘要　通过对山楂的物理结构分析及机械式山楂去核的受力分析 ,论述了外圆定位对山楂去核的影响。 提
出以山楂核的中心进行定位的方案 ,以解决山楂去核时因定位不准而造成的破碎率高、残核剩余率高的问题 ,
并进行了定位机构的初步设计。
关键词　定位 ;上位点 ;下位点 ;山楂核 ;力学
中图分类号　 T S255. 35
在中、小型罐头厂山楂罐头的加工过程中 ,山楂的去核尚都是采用手工操作。一般每人每天 (以 8h
计 )加工山楂 50～ 60kg ,但劳动强度大。虽然目前也有山楂去核的机械 ,但因其在加工过程中破碎率高、
残核剩余率高 ,不能很好地完成去核工艺而不利于应用和推广。
机械去核的工艺过程一般为:山楂的喂入、定位、夹持、切削与去核、成品与下脚料的分别收集。在去
核过程中 ,整个工艺的每一步都必须精确完成 ,才能顺利实现山楂的机械式去核。 首先需对山楂进行定
位研究。山楂的定位是整个工艺过程中关键的一步 ,直接关系到山楂的加工质量。由于山楂的外形是非
规则的 ,其定位基准难以确定 ,若采用外圆定位方式 ,虽保证了山楂的中心与刀具的中心重合 ,但不能保
证山楂核的中心与刀具的中心重合和去核的精度 ,故先分析山楂的物理结构。
1　山楂的物理结构分析
山楂品种多 ,外形尺寸差别较大 ,即使同一品种 ,其外形尺寸也有一定差别 ,形状有:近似球形、近似
图 1　山楂物理结构简图
1上位点　 2山楂果肉
3山楂核　 4下位点　
长圆形、近似扁圆形及不规则形。
1. 1　尺寸分析
采集本地山楂 ,测得 100只山楂中其最大直径在 25～ 35mm之
间的占总量的 84%。 为测定方便 ,从中取 10只并将其分成两个等
级 ,每个等级各 5只 ,分析其结构、形状尺寸。结构形状如图 1。
图中: Dmax—山楂最大的外圆直径
Dmin——与 Dmax同一截面的最小直径
d—— 山楂核的最大直径
△ 1—— Dmax的中心线与上下位点连线间的最大距离
△ 2—— d的中心线与上下位点连线间的最大距离
山楂各部分的尺寸见表 1。
第 27卷　第 1期
Vol. 27　No. 1
河 南 职 技 师 院 学 报
Journal of Henan Vocation-Technical Teachers Colleg e
1999年　 3月
Mar. 1999
⒇ 收稿日期: 1998-07-07.
第一作者简介 :女 , 32岁 ,讲师 .
表 1　山楂各部分尺寸 (单位: mm )
30≤ Dmax≤ 35 25≤ Dmax < 30
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Dmax 32. 7 32. 6 31. 6 31. 5 33. 2 29. 6 27. 2 28. 5 27. 9 25. 5
Dmin 29. 8 29. 9 29. 4 29. 7 29. 6 27. 4 26. 0 25. 9 25. 5 24. 4
d 15. 0 15. 5 15. 3 15. 7 15. 8 14. 7 12. 7 13. 8 12. 4 13. 6
△ 1 0. 9 2. 6 1. 5 0. 7 1. 9 1. 0 0. 5 3. 0 1. 9 0. 7
△ 2 0. 1 0. 2 0. 5 0. 1 0. 4 0. 2 0. 4 0. 2 0. 6 0. 7
1. 2　分析结果
1. 2. 1　 Dmax的变化对 d的影响很小 ,但总的趋势是 Dmax大 ,则 d也大。
图 2　山楂切削时均匀受力简图
1. 2. 2　△ 1值对于不同外形尺寸的山楂的变化较大。
1. 2. 3　△ 2值对于不同外形尺寸的山楂都较小 ,即山楂的中
心与上下位点的连线接近重合。
1. 2. 4　同一个山楂的外圆不是规则的圆形 ,即: Dmax≠ Dmin。
2　外圆定位山楂切削与去核的受力分析
2. 1　外圆定位山楂切削时的受力分析
为了分析山楂在切削时的受力 ,根据平面力学模型的建
立原理 ,假设山楂的任意横截断面为规则的圆形。去核的刀具
是规则的空心圆管 ,直径为 d′。 托放山楂的装置为空心圆台。
这样刀具与山楂接触时为均匀接触 ,刀具对山楂的力均匀分
布在刀具圆周上 ,方向向下。托放山楂的圆台面对山楂的支撑
力也分布在一个水平圆周上 ,方向垂直于圆台面斜向上。据力
学简化原理 ,将其分别简化到 A、 B、 C三点 ,为 Fa、 Fb ,方向向下 ; Nc ,方向向上 ;山楂的切削用力为 F,其
重力为 G,其受力如图 2所示。
则有:
图 3　山楂切削时非均匀受力简图
F

a + F

b + N

c+ G

= 0, F

= F

a + F

c , F

a = F

b。
对 C点取矩 ,有:　 Mc = Fa× d′
2
- Fb× d′
2
= 0
在这种情况下对山楂进行切削 ,山楂为均匀受力 ,不存在
扭转力矩 ,山楂不会发生转动。
在实际中 ,山楂的水平截面不是规则的圆形。刀具与山楂
接触时 ,会出现非均匀接触 ,受力可能为一段圆弧 ,同理 ,据力
学简化原理 ,可以把切削山楂的力 F简化到圆弧的对称线上 ,
托放山楂的圆台面对山楂的力与图 2相同 ,此时山楂的受力
如图 3。则有:
F

=∫x 1x 2d f ( x ) =∫x 1x 2 f′(x ) × dx
∫x 1x
2
f′(x ) × dx + N c+ f 1 + f 2 = 0
　　其中 f ( x )为简化后切削力的表达式 ; x1、 x2为作用力区间的横坐标 ; f1、 f2为简化后的静摩擦力 ,其
31第 1期 陈　芳等:山楂去核定位机理的研究与定位机构的初步设计
距离点 C均为 r。 对山楂的中心取矩 ,则有:
M′=∫x 1x
2
f′(x )× x× dx - f 1× r - f 2× r
　　上式表明 ,在此种受力情况下 ,山楂可能受到一个力矩的作用 ,此力矩会使山楂在切削时偏转一个
角度 ,从而加大切刀在接触山楂核时偏离山楂核中心的距离。
2. 2　外圆定位山楂去核时的平面力学模型的建立与受力分析
　　为了研究方便 ,假设山楂核的中心与刀具的中心重合 ,山楂核的横截断面为均匀的圆形。开始去核
时 ,刀具去核的力 F0均匀地分布在刀具与山楂核接触的圆上 ,方向垂直向下 ;果肉对山楂核的阻力均匀
地分布在果核的下半部 ,方向斜向上集中在果核中心线上某一点。 据力学简化原理 ,分别把它们简化到
A1、 B1、 C1三点 ,为 Fa1、 Fb1 ,方向垂直向下 ; Nc1 ,方向垂直向上 ,果核的重力为 G1 ,方向垂直向下 ,如图 4。
据平衡原理 ,则有:
F

a 1+ F

b 1+ N

c1+ G

1 = 0,　 F o = F a 1 + F b1 ,　 F a 1 = F b 1 = F

0
2。
　　对 C1点取矩有:　 M1 = Fa1× d′
2
- Fb 1× d′
2
= 0
图 4　山楂去核均匀受力简图　　　　　图 5　山楂去核非均匀受力简图
上式表明 ,在此种受力状态下 ,果核所受力矩为零 ,即果核在力 Fo的作用下 ,沿直线向下运动。
在实际中 ,由于山楂核的中心线与刀具的中心线间存在一个偏差△ 2 ,刀具对山楂核的力会有所变
化 ,在刀具与核开始接触时是一段圆弧 ,取该段圆弧的对称面为研究平面 ,则可把空间力转化到平面上 ,
如图 5.据平衡原理有:
∫x 1x
2
f′(x ) × dx + G 1 + N c1 = 0
　　对 C1点取矩有:　　　　　　 M′1 =∫x1x
2
f′(x )× x× dx
上式表明 ,在此种受力状态下 ,果核会受到一个力矩的作用 ,△ 2越大 , M′越大 ,偏转距离越大。 当
△ 2达到某一值 ,即果核偏转过一个角度后 ,随着刀具的下行 ,会使果核被捅散、捅偏 ,造成山楂的破裂
或在果肉内留有残核。 所以要想完好地捅出果核 ,必须尽量保证果核的中心线与刀具的中心线重合 ,即
△ 2尽量小。
3　中心定位时山楂的切削与去核的受力分析
　　中心定位时 ,切削与去核的平面力学模型的建立与外圆定位时相同。由于山楂核的中心与上下位点
连结间距离非常接近 ,可近似看作一直线 ,采用上下位点作定位基准 ,则可以找到去核时的近似最佳位
置 ,即采用上、下双针定位 ,并使去核的刀具与双定位针的中心重合 ,保证去核刀具与山楂核中心偏移量
32 河　南　职　技　师　院　学　报 1999年
图 6　中心定位山楂切削
非均匀受力简图
最小。切削时 ,如切刀与山楂均匀接触 ,其受力同图 2。若切刀与山楂
是非均匀接触 ,其受力简化后如图 6.则:
F

=∫x 1x 2 f′(x ) × dx
∫x 1x
2
f′(x ) × dx + N c + f 1 + f 2+ N 1 + N 2 = 0
　　其中 f (x )、 f1、 f2、Nc同图 3, N1、 N2为双针对山楂的作用力 , N1、
N 2的大小与偏转力矩 M′有关 , N1× h1+ N2× h2= M′,式中 h1、 h2分
别是 N1、 N2对点 C的力臂。当 M′大时 , N1、 N2相应增大 ;当 M′小
时 , N1、 N2相应减小 ; M′= 0时 , N1、 N2为零。即在切削时 ,偏转力矩
被定位针消除 ,则山楂不会发生转动。去核时 ,由于保证了初始定位
精度 ,即△2足够小 ,且在切削过程中 ,偏转力矩被消除 ,△ 2不发生
变化 ,因此可保证山楂核中心与刀具中心基本重合 ,避免果核被捅
散、捅偏。
图 7　山楂中心定位简图
4　力学分析结果
经分析 ,机械式山楂去核 ,采用外圆定位 ,山楂核中心与外圆中
心存在较大偏量 ,且在切削果肉时 ,会加大此偏移量 ,造成加工山楂
时较高的破碎率和残核剩余率。采用中心定位 ,基本可保证山楂核的
中心线与刀具的中心线重合且在切削过程中不发生改变 ,使破碎率
和残核剩余率显著降低。因此 ,采用中心定位的效果好于外圆定位。
5　定位机构的设计
根据山楂去核的加工工艺 ,首先把山楂插在下定位针上 ,之后上
定位针下行 ,插在山楂上位点处 ,进行二次辅助定位 ;然后进行山楂
的夹持、切削与去核等。定位机构见图 7.
参考文献
1　郭详超 .果品加工及设备 .北京:农业出版社 , 1989
2　华中农学院、北京农业机械化学院主编 .理论力学 .北京 :农业出版社 , 1986
On Positioning Mechanism of Removing Haw tho rn-pit
Chen Fang et al.
( Dept. o f Ag ricul tural Engineering, HATC, Chang li 066600)
ABSTRACT
Physical st ructure of haw tho rn and mechanics of mechanical removal haw tho rn-pi t w ere anal-
y sed. On the basis of haw thor n s physical st ructural characteristic, a plan w as put fo rwa rd to po sition
using the center of haw tho rn-pi t to slov e the problem that posi tio ning inco rrectly can bring about
high-broken rate and high-surplus rate of pi t in the case of pro ess o f mechanical removal haw tho rn-
pi t. At the same time a preliminary design of posi tioner w as done.
KEY WORDS　 positioning, epigynous point, hypogynous point, hawthorn-pit, mechanics
33第 1期 陈　芳等:山楂去核定位机理的研究与定位机构的初步设计