2819 弧板-滾筒式核桃破殼機設計

2819 弧板-滾筒式核桃破殼機設計,弧板,滾筒,核桃,破殼機,設計 弧板--滾筒式核桃破殼機學生：李文正指導老師：張宏（塔里木大學，阿拉爾）摘 要：本文首先提出核桃機械剝核取仁的必要性和重要性。提出了弧板--滾筒式剝核原理及最優(yōu)設計方案，并研制了核桃脫殼機。其中主要包括總體方案的確定，各部件的設計與計算，總裝與零部件裝圖紙；完成設計后，分析了它的特點、優(yōu)勢，以及存在的不足，需要改進，提出了一些改進措施。關鍵詞：核桃；機械；剝核1 引言核桃，是人們常見的食物。它營養(yǎng)豐富，具有健腦、補腎、美容、降血脂四大功效。核桃和核桃仁還是我國傳統(tǒng)的出口商品。但是，由于核桃殼堅硬，手工剝核極其不便而且費時費力。因此，提高核桃取仁的機械化程度，是生產過程中急需解決的問題。鑒于此，本設計根據以往的研究與資料，提出了弧板—滾筒式核桃破殼原理，研制了核桃破殼機。本機能完美的解決核桃難剝核和人工剝核不能保證仁的完全性難題，且又有較高的生產率和較高的高路仁率。本次設計采用常見的電機作動力源，利用 V 帶傳遞功率。利用軸旋轉帶動滾筒的轉動，利用氣缸和弧板的擠壓力來實現(xiàn)破殼，從而使機器能夠連續(xù)的工作，大大提高了生產率。2 國內（外）研究現(xiàn)狀及分析2.1 堅果類破殼機現(xiàn)狀國外早在 20 世紀 60 年代初,就著手研制堅果破殼機具,至 80 年代初,美國、意大利、法國等已相繼推出了各種堅果破殼機,如夏威夷果破殼機、杏仁破殼機等。經過數(shù)十年的發(fā)展,堅果破殼機具已日趨成熟,目前,正朝著機電一體化方向發(fā)展。近幾年來,國內有些加工企業(yè)和科研院所已逐步研制開發(fā)出一些堅果類破殼加工設備,但多數(shù)破殼機具一次性破殼率偏低,碎仁率偏高,致使生產效率低,加工損失大。我國在傳統(tǒng)脫殼設備的基礎上,盡管正在積極研制和開發(fā)各種類型脫殼機械,但其發(fā)展相當緩慢,同時成熟的機型及進行批量生產的不多,遠遠落后于農產品深加工的需求。在技術上還存在如下問題: a)脫殼率低,脫殼后的籽仁破碎率高,損失大; b)機具性能不穩(wěn)定,適應性差; c)通用性差:多數(shù)脫殼機只適應某一種籽粒的脫殼作業(yè),而不能夠通過更換主要工作部件來適應其他籽粒的脫殼,利用率低; d)作業(yè)成本偏高:我國脫殼機械尚未形成規(guī)模和系列,多數(shù)是單機制造,制造的工藝水平較低,故制造成本偏高; e)有些產品僅進行了樣機試制或少量試生產,未進行大量生產性考核和示范應用, 作業(yè)性能、可靠性、耐久性及商品性等方面還存在不少問題 。]1[2.2 堅果類破殼機常見的機械脫殼方法 （1）撞擊法脫殼:撞擊法脫殼是物料籽粒高速運動時突然受阻而受到沖擊力, 使外殼破碎而實現(xiàn)脫殼。物料由高速回轉甩料盤使籽粒產生一個較大的離心力撞擊壁面,只要撞擊力足夠大,籽粒外殼就會產生較大的變形,進而形成裂縫。當籽粒離開壁面時,由于外殼和粒仁具有不同的彈性變形而產生不同的運動速度,籽仁受到的彈性力較小,運動速度也不如外殼,阻止了外殼迅速向外移動而使其在裂縫處裂開,從而實現(xiàn)籽粒的脫殼。撞擊脫殼法適合于仁殼間結合力小,仁殼間隙較大且外殼較脆的籽粒。(2)碾搓法脫殼:物料籽粒在固定磨片和運動著的磨片間受到強烈的碾搓作用,使籽料的外殼被撕裂而實現(xiàn)脫殼。籽粒經進料口進入定磨片和動磨的間隙中,動磨片轉動的離心力使籽粒沿徑向向外運動,也使籽粒與定磨間產生方向相反的摩擦力;同時,磨片上的牙齒不斷對外殼進行切裂,在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產生裂紋直至破裂,并與籽仁脫離,達到脫殼的目的。(3)剪切法脫殼:籽粒在固定刀架和轉鼓之間受到相對運動刀板的剪切力作用,外殼被切裂并破開,實現(xiàn)外殼與籽仁的分離。刀板轉鼓和刀板座為主要工作部件,在刀板轉鼓和刀板座上均裝有刀板,刀板座呈凹形且?guī)в姓{節(jié)機構,可根據籽粒堅果的大小調節(jié)刀板座與刀板轉鼓之間的間隙。當?shù)栋遛D鼓旋轉時,與刀板之間產生剪切作用,使物料外殼破裂和脫落。(4)擠壓法脫殼:擠壓法脫殼是靠一對直徑相同轉動方向相反,轉速相等的圓柱輥,調整到適當間隙,使籽粒通過間隙時受到輥的擠壓而破殼。在破殼的過程中籽粒能否順利地進入兩擠壓輥的間隙,取決于擠壓輥及與籽粒接觸的情況。要使籽粒在兩擠壓輥間被擠壓破殼,籽粒首先必須被夾住,然后被卷入兩輥間隙被擠壓破殼。兩擠壓輥間的間隙大小是影響籽粒破碎率和脫殼率高低的重要因素。(5)搓撕法脫殼:搓撕法脫殼是利用相對轉動的橡膠輥筒對籽粒進行搓撕作用而進行脫殼。兩膠輥水平放置,分別以不同轉速相對轉動,輥面之間存在一定的線速差,橡膠輥具有一定的彈性,其摩擦系數(shù)較大。籽粒進入膠輥工作區(qū)時,與兩輥面相接觸,如果此時籽粒符合被輥子嚙入的條件,即嚙入角小于摩擦角,就能順 利進入兩輥間。此時籽粒在被拉入輥間的同時,受到兩個不同方向的摩擦力的撕搓作用;另外,籽粒又受到兩輥面的法向擠壓力的作用,當籽粒到達輥子中心連線 附近時法向擠壓力最大,籽粒受壓產生彈性——塑性變形,此時籽粒的外殼也將在擠壓作用下破裂,在上述相反方向撕搓力的作用下完成脫殼過程。3 弧板-滾筒式核桃破殼機的工作原理1.滾筒 2.弧板 3.活塞 4.彈簧 5.氣壓裝載系統(tǒng)圖 3-1 設計原理圖該裝置是由弧形板 2 和滾筒 1 組成，在滾筒上裝有兩個角度成 180°的活塞，兩活塞由彈簧支撐。 當分級后的核桃喂入旋轉滾筒后， 自行定位在活塞的頂端，隨滾筒轉動，在活塞和弧板的共同擠壓下破裂，而后進入料斗。半仁以上的占 75%，碎仁占 15%，未破殼的約占 6%，生產能力 30kg/h。3.1 破殼機的總體裝配思路本裝置主要有入料斗﹑上箱蓋﹑箱體﹑滾筒﹑弧板﹑氣缸等組成。入料斗和上箱蓋通過螺紋連接，然后和箱體連接，在滾筒上有對稱的四排凹槽，用來固定從入料斗下來的核桃，然后電機通過 V 帶帶動滾筒轉動，當滾筒轉動 90 度的的時候，氣動裝置打擊一次核桃，通過氣動裝置上的撞針和弧板的擠壓力實現(xiàn)對核桃的破殼。破殼以后的核桃隨著滾筒繼續(xù)轉動，然后掉落，最后通過出料斗輸出。如圖 3-2：圖 3-2 總裝圖4 氣動裝置的選取由于本裝置設計體積不大，所使用的氣缸又必須能到實驗的要求，綜合考慮本裝置選取單作用微型氣缸。型號表示方法：C D J 2 B 16 - 45 S R - C73 s/nD 處：無標記表示無內置磁環(huán)，有符號 D 則表示內置磁環(huán)。B 表示安裝形式：B 是基本型，F(xiàn) 表示桿側法蘭型，L 表示腳座型，D 表示雙耳環(huán)型。16 表示缸徑45 表示行程R 表示軸向，無 R 表示徑向C73 表示磁性開關的型號，如果無型號則表示無磁性開關C73 后面如果無標記則表示有 2 個磁性開關，是 s 則表示磁性開關個數(shù)是 1，是 n 則表示有 n 個磁性開關[2]。本裝置綜合考慮選取的氣缸型號為：CDJ2B16-35 SR-C73 5 電動機的選擇根據資料得主軸的轉速在 800-1000 轉/分，按《機械設計實用手冊》推薦的傳動比合理取值范圍，取 V 帶的傳動比為 2～4，即可滿足電動機的轉速與主軸的轉速相匹配 。]2[由《機械設計課程設計手冊》查出三種適宜的電動機型號，因此有三種不同的傳動比方案，如表：表 5-1 電動機的型號和技術參數(shù)及傳動比方案 電動機型號額定功率P/kW同步轉速r/min滿載轉速r/min效率（%）電動機重量（KG）功率因數(shù)1 Y90S-2 1.5 3000 2840 78 22 0.852 Y90S-4 1.1 3000 1400 79 27 0.793 Y90S-6 0.75 1000 910 82 25 0.86綜臺考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量以及帶傳動的傳動比，可知方案 2 比較適合,因此選定電動機型號為 Y90S-4。所選電動機的額定功率 P＝1.1kw ，滿載轉速 n=1400r／min，總傳動比適中，傳動裝置結構較緊湊。如表 5-2：表 5-2 Y90S-4 主要參數(shù)如下表型 號 額定功率 KW轉速r/min電流/A 效率（%）功率因數(shù)額定電流額定轉矩最大轉矩Y90S-41.11400 3.65 820.866.52.0 2.0表 5-3 電動機尺寸列表 單位 mm中心高H外形尺寸 HDACL???)2(底腳安裝尺寸 BA地腳螺栓孔直徑 K軸伸尺寸ED?裝鍵部位尺寸 GF90 1905.431254 10 5024 208?6 帶及帶輪的設計表 6-1 V 帶主要參數(shù)如下表P （KW）caV 帶轉速（m/s）從動輪直徑（mm）傳動中心距（mm）帶長（mm）上包角 V 帶根數(shù)V 帶初拉力（N)軸上的壓力（N）1.298 5.35 224 400 1258 ?5.19 3 73.5 433.937 V 帶帶輪的設計7.1 帶輪的材料選擇因為帶輪的轉速 ，即 ，轉速比較底，所以材料選定為灰鑄鐵，smv5.10?sv25＜硬度為 。5HT7.2 結構設計帶輪的結構設計主要是根據帶輪的基準直徑，選擇帶輪的結構形式，根據帶的型號來確定帶論輪槽的尺寸，設計如下：主動帶輪的結構選擇 因為根據主動帶輪的基準直徑尺寸 ，而與主動帶輪md71?配合的電動機軸的直徑是 ，因此根據經驗公式 ，所以主動 md24?）＜ （ 3~5.21帶輪采用腹板式。帶輪參數(shù)的選擇：通過查《機械設計手冊》一書，可以確定主動帶輪的結構參數(shù)，結構參數(shù)如下表，其他的相關尺寸可以根據相應的經驗公式計算求得?！　　　”?7-1　主動帶輪的結構參數(shù) 單位（mm）槽型 dbminahinfe minf??Z 8.5 2 7 12±0.3 7 13 ?34主動帶輪的厚度可以由計算公式： 求得 （7-dL??)2~5.1(1）即 ： L48?主動帶輪的結構如圖 7-1：圖 7-1　主動帶輪的結構7.3 從動帶輪的設計從動帶輪的結果選擇 因為根據主動帶輪的基準直徑和傳動比來確定，即 ， ，所以從動帶輪采用腹板式。md24?d302＜從動帶輪的參數(shù)選擇：通過查《機械設計手冊》一書，可查得帶輪的結構參數(shù)間表，其他一些相關尺寸可以根據相應的經驗公式計算求得：表 7-2　從動帶輪的結構參數(shù) 單位（mm）槽型 dbminahinfe minf??Z 8.5 2 7 12±0.3 7 13 ?34從動帶輪的厚度可以由計算公式： ，當 B＜1.5d 是，L=B 求得dB??)2~5.1( 即 ： mBL48?從動帶輪的結構如圖 6-2：圖 7-2　從動帶輪的結構8 傳動軸的設計根據軸的扭轉強度來初步計算確定其最小直徑，可利用經驗公式：（8-30npAd?1） 其中： —軸常用的幾種材料的 的 值0??T?0A—主軸上的功率 pkw—主軸上的轉速 nminr軸上的材料由《機械設計基礎》一書中表 18—1 可以查到，應選取調質處理的 45 號鋼， ，書中表 18—2 取 ，于是得 ： MPB650??0?Ad845.13min??輸出軸上的最小直徑顯然是安裝帶輪的內孔，必在軸上開有鍵槽，因此，為了開鍵槽又不消耗輸出軸的強度，可以使周的直徑增加 7%以上，這樣增加輸出軸的尺寸，因而可以提高軸的工作強度。即：md26.19%)7(18)7(???主輸出軸的最小直徑是安裝帶輪處的直徑，為了使所選的軸直徑與帶輪相配合，故使輸出軸端的軸徑選為 20 。在《機械設計手冊》一書 。查表可以得知帶輪的厚度][，則取輸出軸的次段軸徑為 ，其長度為 。mB48?d058.1 根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度為了滿足帶輪的軸向定位要求，Ⅰ—Ⅱ軸段右端需要制出一個軸肩，故?、瘛蚨魏廷鳌妮S直徑 ，輸出軸的徑向定位由普通平鍵來完成。選用鍵的型號為普通d35?平鍵 為 。鍵的型號可以通過查《機械設計實用手冊》一書取得 。lhb?406? ]3[8.2 初步選擇輸出軸系 由破殼機的結構和相關尺寸可知所設計的軸上裝有帶輪和滾筒，根據 ，初md25?步選取支撐的軸承為角接觸球軸承，在《機械設實用冊》查得 7202AC 型角接觸球軸承，由手冊中查得 a=21mm，它的結構尺寸 為 ，取Ⅱ—Ⅲ段的直徑相等，即BDd?17235?。md42?考慮到機體的制造誤差等原因造成的安裝錯位或是借口不齊等，滾動軸承應在機體內有一段移動的位移，查《機械設計手冊》可等位移量 。ms8?]4[又因為此次設計所使用的軸為懸臂軸，因此軸的設計很有講究，綜合考慮，設計圖形如下： 圖 8-2 懸臂軸 8 影響核桃破殼的因素多次試驗的結果證明,破殼效果與多種因素有關。機械的結構因素有進入角、摩擦角、電機轉速、破殼板間隙﹑破殼板硬度、破殼板上網格形狀和大小等;物料因素有品種﹑含水率、粒型大小、飽滿程度、均勻度、表面粗糙度、殼的厚薄和內隔膜面積等。除此之外,還和喂料速度有關。13.1 核桃的性質13.1.1 核桃的品種由于核桃品種繁雜,形狀不規(guī)則,尺寸差異較大,殼仁間隙小,殼完全破裂所要求的變形量大于殼仁間隙,所以破殼取仁難度較大。核桃仁與殼之間的空隙大,仁殼結合松懈,易剝殼分離,否則難以剝殼分離。因此,應盡量選擇殼薄與橫隔膜(夾層)退化的核桃,從而易于破出更多的整仁或半仁。8.1.2　核桃飽滿程度和均勻度核桃飽滿程度和均勻度對剝殼效果也產生影響。核桃粒度不均勻,剝殼設備最佳操作條件的確定困難,使剝殼效率和粉末度無法達到最佳的平衡,剝殼效果下降。為提高剝殼效果,可采取循環(huán)剝殼和二次剝殼的工藝,當粒度相差太大時,最好采取分級剝殼,才能達到好的工藝效果。8.1.3 核桃的濕度要適中核桃水分含量對外殼的強度、彈性、塑性以及仁的粉碎度都有直接影響。一般情況下,核桃含水量越低,其外殼越脆,剝殼時易破殼,但剝殼后混合物的粉末度增加;反之,外殼的韌性好,剝殼時的破殼率低,但剝殼后的整仁率提高。在核桃剝殼時,應保持最適當?shù)乃趾?使外殼和仁具有最大彈性變形和塑性變形的差異,這樣一方面使外殼含水量低到使其具有最大的脆性更易破碎剝殼,另一方面又不致于使仁在機械外力的作用下粉末度太大。因此,控制核桃剝殼時的最佳水分含量,對提高剝殼效率和減少粉末度都十分重要。試驗結果證明,核桃濕度 15%左右時破殼較為合適。8.1.4 破殼板的硬度破殼板硬度對破殼有較大影響,適當?shù)挠捕燃皬椥钥色@得與核桃殼之間所需的摩擦力。若硬度太低,破殼板容易摩擦受熱發(fā)軟而過快磨損,使用壽命短;若硬度太大,則彈性差,對核桃擠壓力大容易傷核桃仁,同時變形小,與核桃殼之間摩擦減小,使撕剝作用相對較弱,影響破殼。試驗結果證明,采用 HRC 硬度 40-50 的 45 號鋼較合適。8.2 喂料速度對破殼效果的影響在兩板間隙不變的情況下,喂料速度越高,單位時間通過的核桃量越多,生產率越高。但經過實驗證明,當喂料速度遠大于生產率時,核桃破碎率增加,而破殼質量則嚴重下降。因此,喂料速度應控制在一定范圍內 。]7[9 對堅果類破殼機械未來展望分析堅果生產機械化是農業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分,是農業(yè)和農村經濟持續(xù)快速發(fā)展的重要保證,近年來,堅果機械裝備總量不斷穩(wěn)步增長,作業(yè)水平進一步提高,社會化服務規(guī)模不斷擴大,雖然目前堅果破殼機械化水平較高,但是多應用于經濟發(fā)達地區(qū)與示范推廣區(qū),并且小型機械多、大型機械少,低檔機械多、高性能機械少。在一些地區(qū),特殊用途的堅果仁仍采用傳統(tǒng)的手工剝殼,勞動生產率低,區(qū)域性發(fā)展不平衡。進入 21 世紀,我國堅果生產機械化開始了新的發(fā)展階段,農業(yè)結構調整發(fā)生了新的變化,也對堅果機械的發(fā)展產生了積極而深遠的影響,不僅拉動了新的有效需求,而且構筑了適合堅果生產機械化發(fā)展的新舞臺,為堅果生產機械化真正成為農村經濟發(fā)展的推動器提供了廣闊的市場發(fā)展條件。在一些地區(qū)推進堅果生產機械化的過程中,相繼出臺了鼓勵和扶持農民購買堅果機械、開展堅果機械作業(yè)服務的優(yōu)惠政策和措施,調動了農民購買堅果機械的積極性,形成了新的市場需求。隨著堅果種植業(yè)的不斷發(fā)展,國內外對堅果深加工產品的需求不斷增大,提高堅果破殼機械化作業(yè)水平成為必然。堅果破殼機在提高勞動生產率,減輕勞動強度方面起到了積極的作用,促進了堅果加工業(yè)的科技進步,為堅果破殼機械的發(fā)展提供了空間。綜上所述，在堅果的破殼設備中，更多的為機械擠壓設備，與傳統(tǒng)手工法相比,機械法省工、省力、高效、環(huán)保，但這種設備仍存在著破殼率低、碎仁率高、機械適性差等缺點。而對于堅果破殼設備及破殼技術的研究，均基于堅果的機理研究。我認為在堅果破殼技術與破殼機理的研究中，尚存在著以下幾方面需要解決的問題，這也是將來堅果破殼機械研究的發(fā)展方向 。]5[a)堅果的微觀結構研究。微觀結構是宏觀性能的決定因素，堅果的破殼力學變形都是基于其可破殼的微觀結構組成，但可惜的是目前人們對此尚未研究。由于這一根本性問題的存在,使人們進一步在理論上研究堅果破殼力學特性時遇到了很大困難。b)破殼力學特性研究。目前，人們對堅果的破殼物理力學性能、機械性能的研究主要采用實驗的方法進行定性分析，從理論上進行定量研究的很少。而堅果破殼可破殼性機理復雜,力學特性參數(shù)甚多。因此,這方面問題的解決僅靠實驗研究 是不夠的。c)影響因素的確定與控制。影響堅果破殼開口的因素眾多,各因素之間相互影響，關系極為復雜。在某一特定破殼操作中，對影響參數(shù)條件的控制操作不易掌握，這就使得堅果的破殼設備在很大范圍內推廣使用受到限制。參考文獻[1]鐘海雁等. 核桃生產加工利用研究的現(xiàn)狀與前景[J]. 食品與機械,2008,(04).[2]吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊.北京：高等教育出版社，2009.[3]成大先.機械設計圖冊：第 1 卷.北京：化學工業(yè)出版社，2000.[4]濮良貴.機械零件.5 版.北京：高等教育出版社，1989.[5]辛動軍,史建新. 核桃剝殼機導向裝置試驗研究[J]. 農業(yè)大學學報 , 2008,(03).[6]于俊一，鄒青.機械設計技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社.2010.[7]喬園園，史建新，董遠德.影響核桃殼仁脫離的主要因素[J].農機化研究，2008， （04）.