CN203164056U - 一种坚果破壳力学特性测试实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式坚果破壳力学特性测试实验系统，该系统机械装置、测试系统、电脑，机械装置包括固定机架、垂直导向牵引机构、压制机构；测试系统包括红外测距传感器、拉力传感器、拉力变送器、数据采集卡、传感器电源模块，坚果可用坚果压制机构挤压，将升降挤压托板上提时，可由测试系统测出坚果受到的压力及其变形，并将其传输到便携式笔记本电脑，并通过测试记录软件对信号进行分析和储存记录，本系统结构简单且可分拆组装，故可方便的携带到工作场所开展坚果抗压力学特性参数现场测试实验，可实时记录实验结果，因而能准确地反映坚果破裂的不同程度的力学状况。

Description

一种坚果破壳力学特性测试实验系统

技术领域

本实用新型涉及一种坚果破壳力学特性测试实验系统，特别是一种可拆装、移动的应用电子测试技术对各种坚果破壳力学特性进行测试的便携式实验系统，属于电子测试技术领域。

背景技术

我国的坚果生产历史悠久，经验丰富，优良品种多，在国际市场上享有很高的声誉。坚果不仅营养丰富，并且具有一定的药用价值。而绝大多数坚果类农作物的产品开发和深加工都需要对其进行脱壳处理。脱壳率的高低直接影响到后续产品的加工质量和原料的利用率，因此壳体果实脱壳已成为现代食品加工与开发初期的质量保证措施之一。但我国相关产业起步较晚，缺乏完善的相关采后处理、产品加工技术和装备。面对近年来我国出口的坚果在结构上呈坚果减少而仁增加的趋势。坚果脱壳技术的研究和完善已经成为国内研究热点之一。由于不同坚果物料外壳的性质不同，从而针对不同的坚果物料选择适合的脱壳方法和脱壳设备，对提高脱壳率、减少碎仁率显得尤为重要。研究脱壳方法或研制脱壳设备必不可少的关键步骤就是对不同坚果物料脱壳过程做受力分析；目前这样可以广泛针对不同坚果壳体受挤压过程中做精准专业的受力分析的设备还很少，而且不完善。本实用新型就针对这样的问题提供了一种可以测量不同坚果脱壳过程中，坚果果壳刚刚破裂的最大应力具体数值的系统。

发明内容

本实用新型的目的在于针对坚果脱壳技术的研究及实验测试的需要，提供一种坚果破壳力学特性测试实验系统，这是一种结构简单、使用和携带方便、能对各种坚果果壳破裂时的极限应力进行准确测量的坚果脱壳极限应力测试系统。

本实用新型包括机械装置、测试系统、电脑，测试系统和电脑与机械装置连接，其中机械装置包括固定机架、垂直导向牵引机构、压制机构，垂直导向牵引机构和压制机构设置在固定机架上，通过垂直导向牵引机构和压制机构将坚果破壳的压力转化为拉力进行测量；测试系统包括红外测距传感器、拉力传感器、拉力变送器、数据采集卡、传感器电源模块，红外测距传感器和拉力传感器设置在机械装置上，红外测距传感器与数据采集卡连接，传感器电源模块、拉力变送器输入端分别与拉力传感器连接，拉力变送器输出端与数据采集卡连接，测试系统的数据采集卡与电脑连接。

本实用新型中所述固定机架包括机架基座1、机架立柱2、V字形导轨7、机架顶部19、基座调平螺钉11，机架基座1和机架顶部19通过机架立柱2固定连接，V字形导轨7设置在机架立柱2内侧，基座调平螺钉11设置在机架基座1上，机架顶部19上有一通孔。

本实用新型中所述垂直导向牵引机构包括牵引拉杆5、牵引基座9、牵引圆盘15、固定挂钩16、牵引挂钩17、牵引螺杆20，牵引拉杆5与牵引圆盘15连接，固定挂钩16设置在牵引圆盘15上，牵引圆盘15通过固定挂钩16、牵引挂钩17与拉力传感器18的下端连接，拉力传感器18的上端连接牵引螺杆20，牵引螺杆20穿过牵引基座9。

本实用新型所述牵引基座9包括轴承支撑座23、圆锥滚子轴承24、转轮25，轴承支撑座23安装固定在机架顶部19的中心位置，并通过过盈配合与圆锥滚子轴承24的内圈连接，转轮25下端通过过盈配合与圆锥滚子轴承24的外圈连接，转轮25中心轴线方向开有内螺纹通孔，牵引螺杆20从中心螺孔穿过。

本实用新型所述转轮25上端加工为外六角螺母形状。

本实用新型所述压制机构包括带有导向轮的升降挤压托板3和上压机构4，升降挤压托板3上设置有固定盘13，上压机构4上设置有与固定盘13相匹配的固定盘，上压机构4设置在牵引圆盘15与升降挤压托板3之间，固定在机架立柱2上，升降挤压托板3通过3根牵引拉杆5穿过上压机构4上的开孔与牵引圆盘15连接，可以上下垂直移动。

机架立柱2下端通过下端连接螺栓12固定在机架基座1上，其上端通过上端连接螺栓8与机架顶部19固定连接，三者固定连接为一体，基座调平螺钉11设于机架基座1底面，三根V字形导轨7安装于机架立柱2内侧；装于升降挤压托板3上的三个顶点处的导向轮22，可以在机架立柱2内侧的V字导轨7的轨道内上下滚动，升降挤压托板3通过牵引拉杆5与牵引圆盘15连接，牵引圆盘15上端通过固定挂钩16、牵引挂钩17与拉力传感器18的下端连接，拉力传感器18的上端连接牵引螺杆20，牵引基座9的轴承支撑座23用固定螺栓10安装固定在机架顶部19的中心位置，并通过过盈配合与圆锥滚子轴承24的内圈连接，转轮25下端通过过盈配合与圆锥滚子轴承24的外圈连接；牵引螺杆20从转轮25中心螺孔穿过，与螺孔构成螺母螺杆连接；坚果固定盘13安装在垂直导向牵引机构牵引的升降挤压托板3上，固定挤压上压机构4通过固定螺栓14固定在机架立柱2上，固定挤压上压机构4中心位置装有一个与升降挤压托盘3上的坚果固定盘13相对应的固定盘；红外测距传感器26、27和28以牵引螺杆20为中心在机架顶部19的底面的三个顶点方向布置；拉力变送器29的输入端与拉力传感器18的信号输出端连接，拉力变送器29输出端、红外测距传感器26、27、28与数据采集卡31输入端连接，数据采集卡31输出端与笔记本电脑32连接， QTC300测试记录软件33装在笔记本电脑32内，所述数据采集卡31采用12位多通道的A/D转换器，传感器电源模块30由可充电的小型蓄电池组成，为拉力传感器提供直流电源。

本系统机械装置的各部分可以拆分为各个部件或单件，以方便携带和减小空间尺寸；转轮上端加工为外六角螺母形状，便于用扳手转动。

本实用新型便携式坚果破壳力学特性测试系统的使用方法和工作原理是：本实验系统在欲测坚果的地方支架起来以后，利用基座调平螺钉11将固定机架调整至V字导轨与水平面垂直，以保障升降挤压托板3通过其外侧的导向轮22沿机架立柱内侧V字形导轨的轨道垂直上下升降。将待测坚果取出后，选择合适的坚果固定盘安装在挤压机构的上下压板上，将坚果固定在升降挤压托盘上的坚果固定盘上，用扳手沿顺时针方向轻轻转动转轮25上方的螺母驱动牵引螺杆20向上产生轴向移动，从而带动升降挤压托板3沿立柱内侧的V字形导轨7滚动实现垂直上升，直至坚果刚被压碎裂。由于牵引基座9中轴承支撑座23、圆锥滚子轴承24、转轮25三部分的结构设计，加之升降挤压托板3三顶点上导向轮受到机架立柱2内侧V字形轨道的导向作用，和坚果固定盘固定住坚果位置，保证了转动转轮对坚果进行挤压时，即使压力很大的情况下，牵引螺杆20能保持垂直升降，所测坚果只受轴向压力的作用，而不会随着转轮转动造成坚果在挤压的过程中受剪切向应力或表面应力而被破坏。测试系统由红外测距传感器、拉力传感器、拉力变送器、数据采集卡、传感器电源模块构成。由于固定机架及垂直导向牵引机构的刚度远远大于坚果外壳，在对坚果挤压的过程中，用红外测距传感器测量牵引圆盘15到机架顶部19的垂直距离变化即可得到坚果被挤压的变形量，为了避免升降台在水平方向上有轻微的倾斜，以牵引螺栓为中心在机架顶部的底面对称布置三个红外测距传感器，用三个红外测距传感器测得的距离变化平均值作为坚果挤压变形量。数据采集卡采用12位多通道的A/D转换器，传感器电源模块由可充电的小型蓄电池组成，为传感器提供直流电源。测试记录软件QTC300是自行开发的软件，安装在笔记本电脑上，记录实验过程中坚果受到的压力和坚果变形量，并提示测量人员通过对话框输入坚果直径、坚果挤压前的高度，然后自动计算得到坚果的抗压强度、应变和挤压弹性模量，其计算方法是：（1）用坚果挤压过程中的最大压力除以坚果截面积得到坚果的抗压强度，坚果截面积可由坚果直径计算得到；（2）用坚果最大变形量除以坚果挤压前的高度即可得到坚果的最大应变；（3）用坚果的抗压强度除以坚果的最大应变即可估算出坚果的挤压弹性模量。

本实用新型的有益效果是：由于本实验系统结构简单且可分拆组装，故可方便的携带到工作场所开展坚果抗压力学特性参数现场测试实验，可实时记录实验结果，因而能准确地反映坚果破裂的不同程度的力学状况；且由于牵引基座中轴承支撑座、圆锥滚子轴承、转轮三部分的结构设计，大大减小了转动转轮对坚果施加轴向挤压力时的摩擦阻力，从而减小了牵引螺杆跟随转轮转动的运动趋势；加之升降挤压托盘三顶点上的导向轮受到机架立柱内侧V字形轨道的导向作用，和坚果固定盘的固定作用，保证了转动转轮对坚果进行挤压时，即使压力很大的情况下，牵引螺杆能保持垂直升降，所测坚果只受轴向压力的作用，而不会随着转轮转动造成坚果在挤压的过程中被扭转破坏，由于可通过转轮均匀稳定的对坚果根系沿轴向进行挤压加载，为测试坚果抗压强度的较准确数值提供了保证，提高了坚果抗压强度测试实验的可靠性。由于本系统操作简单，配置有计算机测试系统，可对实验结果进行实时记录，并通过计算机自动计算得到坚果抗压强度、应变、挤压弹性模量等参数，大大减轻了实验强度和工作量，便于对大量坚果的力学特性进行快速实验测试。

附图说明

图1是本实用新型装置的结构示意图；

图2是本实用新型中升降挤压托板的结构示意图；

图3是本实用新型中牵引基座的剖面结构示意图；

图4是本实用新型中红外测距传感器的安放位置示意图；

图5是测试系统的连接框图。

图中：1是机架基座，2是机架立柱，3是升降挤压托板，4是固定挤压上压机构，5 是牵引拉杆，6是固定螺栓，7是V字形导轨，8是上端连接螺栓，9是牵引基座，10是固定螺栓，11是基座调平螺钉，12是下端连接螺栓，13是坚果固定盘，14是固定螺栓，15是牵引圆盘，16是固定挂钩，17是牵引挂钩，18是拉力传感器，19是机架顶部，20是牵引螺杆，22是导向轮，23是轴承支撑座，24是圆锥滚子轴承，25是转轮， 26、27、28是红外测距传感器，29是拉力变送器，30是传感器电源模块，31是数据采集卡，32是笔记本电脑，33是测试记录软件。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型保护范围不局限于所述内容。

本实用新型包括机械装置、测试系统、电脑，测试系统和电脑与机械装置连接，其中机械装置包括固定机架、垂直导向牵引机构、压制机构，垂直导向牵引机构和压制机构设置在固定机架上，通过垂直导向牵引机构和压制机构将坚果破壳的压力转化为拉力进行测量；测试系统包括红外测距传感器、拉力传感器、拉力变送器、数据采集卡、传感器电源模块，红外测距传感器和拉力传感器设置在机械装置上，红外测距传感器与数据采集卡连接，传感器电源模块、拉力变送器输入端分别与拉力传感器连接，拉力变送器输出端与数据采集卡连接，测试系统的数据采集卡与电脑连接；

其中固定机架包括机架基座1、机架立柱2、V字形导轨7、机架顶部19、基座调平螺钉11，机架基座1和机架顶部19通过机架立柱2固定连接，V字形导轨7设置在机架立柱2内侧，基座调平螺钉11设置在机架基座上，机架顶部19上有一通孔；垂直导向牵引机构包括牵引拉杆5、牵引基座9、牵引圆盘15、固定挂钩16、牵引挂钩17、牵引螺杆20，牵引拉杆5与牵引圆盘15连接，固定挂钩16设置在牵引圆盘15上，牵引圆盘15通过固定挂钩16、牵引挂钩17与拉力传感器18的下端连接，拉力传感器18的上端连接牵引螺杆20，牵引螺杆20穿过牵引基座9；牵引基座9包括轴承支撑座23、圆锥滚子轴承24、转轮25，轴承支撑座23安装固定在机架顶部19的中心位置，并通过过盈配合与圆锥滚子轴承24的内圈连接，转轮25下端通过过盈配合与圆锥滚子轴承24的外圈连接，牵引基座9中心轴线方向开有内螺纹通孔，牵引螺杆20从中心螺孔穿过；转轮25上端加工为外六角螺母形状；压制机构包括带有导向轮的升降挤压托板3和上压机构4，升降挤压托板3上设置有固定盘13，上压机构4上设置有与固定盘13相匹配的固定盘，上压机构4设置在牵引圆盘15与升降挤压托板3之间，固定在机架立柱2上，升降挤压托板3通过3根牵引拉杆5穿过上压机构4上的开孔与牵引圆盘15连接，可以上下垂直移动（见图1-4）。

实验测试前，首先将为方便携带已拆卸的实验系统机械装置各部分重新组装，机架立柱2下端通过下端连接螺栓12固定在机架基座1上，其上端通过上端连接螺栓8与机架顶部19固定连接，三者固定连接为一体，用固定机架底面的基座调平螺钉11调整机架的水平，牵引基座9的轴承支撑座23用固定螺栓10安装固定在机架顶部19中心位置，轴承支撑座23通过过盈配合与圆锥滚子轴承24内圈连接，转轮25下端通过过盈配合与圆锥滚子轴承24外圈连接，转轮25中心轴线方向开有通孔，通孔内壁加工有内螺纹，外部在转轮上端加工为六角螺母形状，便于用扳手转动，牵引螺杆20从转轮25中心螺孔穿过，与螺孔形成螺母螺杆连接，螺孔转动将带动牵引螺杆20产生轴向移动，使用较小的力转动转轮25就可获得较大的轴向力。升降挤压托板3通过导向轮放置机架支柱2上，固定挤压上压机构4穿过牵引拉杆5固定在机架立柱2上，牵引拉杆5通过固定螺栓6固定在牵引圆盘15上，牵引圆盘15通过固定挂钩16、牵引挂钩17与拉力传感器18下端相连，拉力传感器18上端与牵引螺杆20相连；连接好测试系统、笔记本电脑；

选择大小合适的坚果固定盘13安装在升降挤压托板3上后，待测坚果置于坚果固定盘13上，首先，用扳手沿顺时针方向轻轻转动转轮25上方的螺母驱动牵引螺杆20向上产生轴向移动，从而带动升降挤压托板3沿立柱内侧的V字形导轨7滚动实现垂直上升，直至坚果刚刚被挤压，用游标卡尺测量坚果中间位置的直径，用直尺测量坚果在上、下两挤压点间的长度得到坚果挤压前的长度；继续用扳手转动转轮25上方的螺母，使升降挤压托板3继续垂直上升，并启动测试记录软件33开始记录数据，当升降挤压托板3向上移动时，升降挤压托板3与固定挤压上压机构4间产生压力对坚果进行挤压，直至坚果被压裂。由于牵引基座9中轴承支撑座23、圆锥滚子轴承24、转轮25三部分的结构设计，加之升降挤压托板3三顶点导向轮受到机架立柱2内侧V字形导轨7的导向作用，保证了转动转轮25对坚果进行挤压时，即使压力很大的情况下，牵引螺杆20能保持垂直升降，而不会随着转轮25转动造成根系在拉伸的过程中被扭转破坏。测试过程中，用拉力传感器18测量坚果受到的轴向压力，用红外测距传感器26、27和28测量坚果受压过程中的变形量。参见图5，拉力变送器29的输入端与拉力传感器18的信号输出端连接，对拉力传感器18输出信号进行放大处理，拉力变送器29的输出端及红外测距传感器26、27和28连接到数据采集卡31上，数据采集卡31采用12位多通道的A/D转换器，数据采集卡31对模拟量的拉力传感器18信号及红外测距传感器26、27、28信号进行数字化采样后传输到便携式笔记本电脑32，并通过自行开发的QTC300测试记录软件33对信号进行分析和储存记录，自动计算得到坚果的抗压强度、应变和挤压弹性模量，传感器电源模块30由可充电的小型蓄电池组成，为传感器提供直流电源。每一次坚果测试完成后，用扳手沿逆时针方向转动转轮25上方的螺母驱动牵引螺杆20向下产生轴向移动，从而带动升降挤压托板3沿立柱内侧的V字形导轨7滚动，垂直下降到初始位置，即可进行下一次坚果的力学特性测量，所有坚果测量实验完成后，为方便携带，可将垂直导向牵引机构、坚果挤压机构从固定机架上拆卸下来，然后将固定机架拆卸，分解为各个小部件分别携带，减小空间尺寸。

Claims (6)

1.一种坚果破壳力学特性测试实验系统，其特征在于：其包括机械装置、测试系统、电脑，测试系统和电脑与机械装置连接，其中机械装置包括固定机架、垂直导向牵引机构、压制机构，垂直导向牵引机构和压制机构设置在固定机架上，测试系统包括红外测距传感器、拉力传感器、拉力变送器、数据采集卡、传感器电源模块，红外测距传感器和拉力传感器设置在机械装置上，红外测距传感器与数据采集卡连接，传感器电源模块、拉力变送器输入端分别与拉力传感器连接，拉力变送器输出端与数据采集卡连接，测试系统的数据采集卡与电脑连接。

2.根据权利要求1所述的坚果破壳力学特性测试实验系统，其特征在于：固定机架包括机架基座（1）、机架立柱（2）、V字形导轨（7）、机架顶部（19）、基座调平螺钉（11），机架基座（1）和机架顶部（19）通过机架立柱（2）固定连接，V字形导轨（7）设置在机架立柱（2）内侧，基座调平螺钉（11）设置在机架基座（1）上，机架顶部（19）上有一通孔。

3.根据权利要求1所述的坚果破壳力学特性测试实验系统，其特征在于：垂直导向牵引机构包括牵引拉杆（5）、牵引基座（9）、牵引圆盘（15）、固定挂钩（16）、牵引挂钩（17）、牵引螺杆（20），牵引拉杆（5）与牵引圆盘（15）连接，固定挂钩（16）设置在牵引圆盘（15）上，牵引圆盘（15）通过固定挂钩（16）、牵引挂钩（17）与拉力传感器（18）的下端连接，拉力传感器（18）的上端连接牵引螺杆（20），牵引螺杆（20）穿过牵引基座（9）。

4.根据权利要求3所述的坚果破壳力学特性测试实验系统，其特征在于：牵引基座（9）包括轴承支撑座（23）、圆锥滚子轴承（24）、转轮（25），轴承支撑座（23）安装固定在机架顶部（19）的中心位置，并通过过盈配合与圆锥滚子轴承（24）的内圈连接，转轮（25）下端通过过盈配合与圆锥滚子轴承（24）的外圈连接，转轮（25）中心轴线方向开有内螺纹通孔，牵引螺杆（20）从中心螺孔穿过。

5.根据权利要求4所述的坚果破壳力学特性测试实验系统，其特征在于：转轮（25）上端加工为外六角螺母形状。

6.根据权利要求1所述的坚果破壳力学特性测试实验系统，其特征在于：压制机构包括带有导向轮的升降挤压托板（3）和上压机构（4），升降挤压托板（3）上设置有固定盘（13），上压机构（4）上设置有与固定盘（13）相匹配的固定盘，上压机构（4）设置在牵引圆盘（15）与升降挤压托板（3）之间，固定在机架立柱（2）上，升降挤压托板（3）通过牵引拉杆（5）穿过上压机构（4）上的开孔与牵引圆盘（15）连接，可以上下垂直移动。

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