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碰撞式核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)
付志凱
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘要：我國是核桃種植大國，尤其是地區(qū)核桃產(chǎn)量居全國前列，但核桃加工技術(shù)相對落后，沒有先進(jìn)的核桃破殼機(jī)械。針對核桃的加工和核桃破殼取仁的工藝方法，設(shè)計(jì)了碰撞式核桃破殼機(jī)，對其結(jié)構(gòu)及其原理作了介紹。該裝置采用滾筒和輻條篩使核桃碰撞和擠壓達(dá)到破殼的目的。通過對核桃破殼實(shí)驗(yàn)研究和主要影響因素分析表明此設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)合理可以實(shí)現(xiàn)殼仁的分離。
關(guān)鍵詞：核桃破殼; 取仁
1引言
無論在國際還是國內(nèi)市場上核桃都是很受歡迎的一種干果，但我國核桃產(chǎn)量卻遠(yuǎn)落后于國際上其他國家。在我國核桃種植主要集中在西北、西南地區(qū)，在種植業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)核桃年產(chǎn)量已達(dá)12萬噸。[1]
隨著核桃種植面積的擴(kuò)大，產(chǎn)量的增加，與核桃相關(guān)的加工開始發(fā)展，如核桃的破殼、清洗、分級等 等，大量生產(chǎn)加工不能依靠人力，必須有相應(yīng)的機(jī)械換設(shè)備和自動生產(chǎn)線，因此這些加工設(shè)備的研究成為當(dāng)務(wù)之急。
針對當(dāng)前核桃加工存在的問題和市場需求設(shè)計(jì)了核桃破殼機(jī)械代替人力脫殼。
2 核桃破殼取仁方法及核桃破殼裝置
2.1核桃破殼取仁方法
有離心碰撞式破殼法、化學(xué)腐蝕法、真空破殼取仁法、超聲波破殼法和定間隙擠壓破殼法。離心碰撞方法碎仁太多,所以應(yīng)用很少;化學(xué)腐蝕方法由于在實(shí)際操作中不好控制,仁易受到腐蝕,處理不好還會造成對環(huán)境的污染;真空破殼和超聲波破殼方法設(shè)備昂貴,破殼成本高,且破殼效果不夠理想;定間隙擠壓破殼方法值得探索[2]。
核桃破殼取仁裝置有很多種，常見的有機(jī)械打擊破殼、圓盤剝殼裝置、齒輥剝殼裝置、離心剝殼裝置、錘擊式剝殼裝置、軋輥式剝殼裝置、對輥窩眼式開口裝置、沖壓式破殼裝置、核桃鋸口破殼裝置、核桃破殼挖核裝置以及平板擠壓式破殼裝置等。[3]
3碰撞式核桃破殼機(jī)的介紹
通過對核桃破殼的實(shí)驗(yàn)分析，采用碰撞擠壓破殼的方法。通過滾筒的拋送，核桃與輻條篩碰撞，進(jìn)而在滾筒與輻條篩的擠壓下破殼。其整體結(jié)構(gòu)圖如下：
1.機(jī)架 2.、9.螺母 3、10.墊圈 4、11.螺栓 5.電機(jī) 6.鍵 7.主動帶輪 8.V帶 12.滾筒 13.輻條篩 14.上機(jī)殼
圖 1 碰撞式核桃破殼機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖
3.1破殼機(jī)的工作原理
該裝置由上機(jī)殼與下機(jī)殼，以及傳動部件組成。上機(jī)殼下部設(shè)置和傳動部件相連的滾筒，滾筒與上機(jī)殼的外壁之間設(shè)置數(shù)根固連在上機(jī)殼兩側(cè)與滾筒平行的輻條篩，輻條篩與滾筒之間形成上大下小漏斗形狀的脫殼室，輻條篩的下部和滾筒之間形成脫殼室的咽喉，進(jìn)入脫殼室的核桃在凸筋的拋送下與輻條篩碰撞擊并擠壓碎核桃殼。
3.2破殼機(jī)的主要結(jié)構(gòu)
輻條篩部分：
輻條篩起碰撞擠壓作用，它是由一定數(shù)量的圓鋼焊接在上機(jī)殼兩側(cè)鋼板上，與滾筒平行安裝，每兩根圓鋼之間的縫隙可以將核桃卡住，然后快速旋轉(zhuǎn)的滾筒將被卡住的撞破的核桃擠碎。
滾筒的設(shè)計(jì)：
滾筒部分主要是由滾筒、凸筋、圓板焊接而成。核桃在滾筒和凸筋之間被拋出，使其撞在輻條篩上，落到脫殼室咽喉處，由滾筒與輻條篩擠壓破碎，破碎的核桃掉入下部出口。
滾筒是核桃破殼機(jī)的主要部件之一，它直接關(guān)系到核桃破殼機(jī)正常工作時整體的破殼效果情況。它的功能是采用滾筒上的凸筋，均勻快速的轉(zhuǎn)動情況下，將進(jìn)入的核桃拋出，被拋出的核桃與輻條篩撞擊破裂，當(dāng)其進(jìn)入脫殼室咽喉出被凸筋與輻條篩擠壓破殼。凸筋是數(shù)條鋼筋焊接在滾筒上的，圓筒用的是鋼管，圓通兩端通過圓鋼板使?jié)L筒與軸通過焊接方式連接在一起，核桃破殼機(jī)的主要功能是碰撞擠壓破殼，而滾筒在工作中起到了重要作用，因此，滾筒是破殼機(jī)的設(shè)計(jì)的主要部件。
入料口及破殼機(jī)上蓋的設(shè)計(jì)：
入料口與核桃破殼機(jī)的上蓋部分相連，它是利用薄鋼板制成，入料部位與滾筒的凸筋部位相切，將從入料口進(jìn)入的核桃，下滑到凸筋部位，由凸筋拋出進(jìn)行撞擊。
入料口是將核桃填入核桃破殼機(jī)機(jī)體內(nèi)的一個重要部分，它是核桃破殼機(jī)上的一個部件，它的作用在于通過入料口可以將核桃順利的填入機(jī)體內(nèi)，而且不會將核桃從入料口飛濺出來，造成人員傷害等事故發(fā)生，而且在填入的過程中或是填入后的工作過程中，破殼機(jī)機(jī)能安全的工作，因此，核桃破殼機(jī)的入料口的設(shè)計(jì)，即關(guān)系到核桃破殼機(jī)的工作質(zhì)量及安全。
在設(shè)計(jì)核桃破殼機(jī)入料口時應(yīng)當(dāng)考慮到設(shè)計(jì)不當(dāng)可能發(fā)生的危害，需要精心的設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵趯⒑颂姨砣肫茪C(jī)時，電動機(jī)在高速的旋轉(zhuǎn)，連同它的主軸一起旋轉(zhuǎn)，這種填料方式對主軸、對機(jī)體都有很大的副作用，有可能瞬時加大主軸的承擔(dān)負(fù)載，即同時加大主軸的彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等，如果入料口的填料方式不利于主軸的工作，就會加大了滾筒上的凸筋的磨損和老化等。如果入料口的設(shè)計(jì)不當(dāng)，會造成主軸的瞬時被卡死，電動機(jī)悶車等現(xiàn)象發(fā)生，這些現(xiàn)象對電動機(jī)和核桃破殼機(jī)的主軸有及大的破壞性。核桃破殼機(jī)的入料口與破殼機(jī)的上蓋相連接為一體，即入料口安裝在核桃破殼機(jī)的上蓋上，兩者均采用2mm的薄鐵板制成，焊接連接，核桃破殼機(jī)的上蓋成方形。
核桃破殼機(jī)的上蓋的兩端部位、入料口的兩側(cè)及中間部位，均采用鐵條加固，其連接的方式采用焊接，這樣可以提高核桃破殼機(jī)的上蓋的剛度，不宜變形，同樣也有支撐作用。破殼機(jī)的上蓋整體焊接兩個角鐵上，目的是便于與破殼機(jī)的下半部分安裝，將破殼機(jī)上蓋的緣地腳與角鐵焊接相連，起加固作用的鐵條同樣焊接在兩個角鐵上，以加堅(jiān)固。在核桃破殼機(jī)上蓋的兩端設(shè)有兩個半圓形狀的鐵板，其采用的材料是一樣的，目的一是保障工作人員的安全，因?yàn)樵谄茪C(jī)正常工作時，它的主軸高速旋轉(zhuǎn)，如果沒有兩打的鐵板擋住，有可能工作人員不甚將手或衣服絞進(jìn)破殼機(jī)中，造成人員傷亡等事故發(fā)生。二是阻擋破殼后的核桃飛濺，核桃被破殼機(jī)破殼后，由于主軸的高速旋轉(zhuǎn)擊打破殼下的核桃四處飛濺，致使核桃不能很好的收集起來，如果核桃破殼機(jī)上蓋的兩端沒有著兩快鐵板的攔擋，同時飛濺的核桃碎殼也給工作人員帶來危險，因此核桃破殼機(jī)上蓋兩端的擋板設(shè)計(jì)是必要的，也是必須的。而且，根據(jù)它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擋板在核桃破殼機(jī)安裝中是縱向布置的，兩個擋板都應(yīng)該騎壓軸承座，即擋板的設(shè)計(jì)即要考慮到它與破殼機(jī)上蓋的連接又要考慮到它與軸承座的配合，而且，兩端開口，它與軸承相交處的形狀根據(jù)軸承來確定
機(jī)架的設(shè)計(jì)：
機(jī)架是核桃破殼機(jī)的主要支撐部件，機(jī)架的堅(jiān)固是核桃破殼機(jī)的工作穩(wěn)定、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的基礎(chǔ)，它是承擔(dān)所有來自軸及電動機(jī)、滾筒的沖擊和應(yīng)力，因此機(jī)架無論是從結(jié)構(gòu)上還是從材料上，都應(yīng)該采用堅(jiān)固的穩(wěn)定的材料和樣式制成。在機(jī)架上有兩段橫梁，要求它的工作強(qiáng)度大，承載能力強(qiáng)，受沖擊載荷、彎矩、扭矩不會變形，因此這兩端橫梁選為角鐵，這樣的材料來支撐核桃破殼機(jī)的主要載荷部分。核桃破殼機(jī)的機(jī)架上安裝有一出口，目的是當(dāng)破殼機(jī)將核桃破殼后，核桃從脫殼室中漏出，落到出出口上，核桃順著斜板下滑，從而滑出機(jī)體之外，達(dá)到將核桃破殼的完成，而隨時地將核桃排出機(jī)體之外，它的材料也同樣是選用鐵板制成。
傳動部分：
傳動部分采用帶傳動。帶傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳遞動力，且其造價低廉、不需潤滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)。
4破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)因素
4.1滾筒轉(zhuǎn)速的選用
破殼機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速與拋送效果和碰撞效果有一定關(guān)系，但速度過大也會是震動過大，造成機(jī)械不穩(wěn)定，選用400~600r/min較為合適。選擇如下電機(jī)：
表4-1 Y90L-2主要參數(shù)如下表
型 號
額定功率KW
轉(zhuǎn)速r/min
電流/A
效率（%）
功率因數(shù)
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
Y90L-4
1.5
1400
3.65
79
0.79
6.5
2.2
2.2
4.2帶輪及傳送帶的設(shè)計(jì)
表4-2 傳動部分主要參數(shù)如下表
帶型
傳動比
主動輪直徑
從動輪直徑
帶長
主動輪包角
V帶根數(shù)
帶初壓力
從動輪轉(zhuǎn)速
Z型帶
3.15
71
224
1250
159.5
3
73.5
4.3主軸校核
表4-3 主軸受力主要參數(shù)如下表
電機(jī)輸出扭矩
滾筒上的力N
水平面內(nèi)軸承支反力
水平面內(nèi)軸承支反力
垂直面內(nèi)支反力
垂直面內(nèi)支反力
31345.73
31.9
345.23
251.83
表3-2 主軸彎矩主要參數(shù)如下表
水平彎矩（）
水平彎矩（）
垂直彎矩（）
垂直彎矩（）
合成彎矩（）
扭矩圖
31345.73
進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大當(dāng)量彎矩的強(qiáng)度（既危險截面c的強(qiáng)度）。由經(jīng)驗(yàn)公式及上面計(jì)算出的數(shù)值可得出。
公式 ：
（4-1）
式中 ： —軸的抗彎拋面模量，
—軸的許用應(yīng)力，。
按軸實(shí)際所受彎曲應(yīng)力的循環(huán)特性，在、、中選取其相應(yīng)的數(shù)值，從《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》可以查出。
按《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》書中查得，對于的碳鋼，承受對稱循環(huán)變應(yīng)力時的許用應(yīng)力。
其他截面雖然引起的應(yīng)力集中削弱疲勞強(qiáng)度，但由于最小直徑按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕確定的，所以無需校核。
4.2滾筒與輻條篩的硬度
滾筒和輻條篩與核桃擠壓部分的硬度對破殼有影響，若硬度太低,滾筒及輻條篩容易磨損和產(chǎn)生變形,使用壽命縮短。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,影響破殼。[5]試驗(yàn)結(jié)果證明,采用HRC硬度為40~50的45鋼較合適。
4. 3 喂料速度對破殼效果的影響
在入料口兩板有間隙每次可以使一排核桃同時掉落進(jìn)去,喂料速度越高,單位時間通過的核桃量越多,生產(chǎn)率越高。但當(dāng)喂料速度遠(yuǎn)大于生產(chǎn)率時,核桃破碎率增加,而破殼質(zhì)量則嚴(yán)重下降。因此,喂料速度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。
5結(jié)論
核桃破殼機(jī)主要靠碰撞和擠壓使核桃破殼，其影響因素主要有轉(zhuǎn)速、咽喉間隙、材料硬度、喂料速度等。
增加破殼效率可適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，增大喂料量，增長滾筒長度。
參考文獻(xiàn)
[1] 李忠新,楊軍,楊莉玲等.核桃破殼取仁工藝及關(guān)鍵設(shè)備[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008,(12):27-29,89.
[2] 史建新,辛動軍.國內(nèi)外核桃破殼取仁機(jī)械的現(xiàn)狀及問題探討[J].農(nóng)機(jī)化,2001,(6):29-32.
[3] 李忠新,楊軍,楊莉玲等.核桃破殼取仁工藝及關(guān)鍵設(shè)備[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008,(12):27-29,89.
[4] 董詩韓,史建新.多輥擠壓式核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(1):62-65.