偏心擊打式核桃破殼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

高 警 鄭甲紅 安碾糧 閆 茹 劉夢(mèng)飛

（1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.西北有色地質(zhì)勘查局七一二總隊(duì)，陜西 咸陽 712000）

核桃具有很高的營養(yǎng)價(jià)值。無論何種形式的核桃深加工，破殼取仁都是首要的工序［1］。現(xiàn)在核桃破殼取仁的方式基本上都是采用人工砸取，效率極為低下，隨著人工成本的提高，使得破殼取仁的成本也隨之增加。

國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)核桃破殼進(jìn)行了一些研究。在中國，何義川［2］、史建新［3］等根據(jù)核桃的物理參數(shù)，從破殼力和有限元分析方面著手，探討核桃受擠壓時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系以及力的加載方位與破殼效果等問題。梁莉［4］、楊銳［5］等還分別研究了微波作用和激光技術(shù)對(duì)核桃破殼的影響。喬園園等［6］還通過對(duì)新疆主產(chǎn)的幾種核桃的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、殼厚度及內(nèi)褶面積等物理特性的研究，分析了影響核桃殼仁脫離特性的主要因素。除核桃外，山核桃［7］、板栗［8］、蓮子［9］、銀杏［10］等堅(jiān)果的破殼機(jī)理和設(shè)備也有了一些研究成果。在國外，Sezai等［11］通過研究不同核桃品種、核桃棱長、厚度等，分析核桃破殼過程中其對(duì)核桃的影響；還有一些研究人員［12，13］構(gòu)建有限元模型分析了核桃破殼過程中的力學(xué)特性；Faroogh Sharifian等［14］通過力學(xué)測試儀器檢測分析了破殼過程中破殼力及破殼角度。

國內(nèi)外的研究人員對(duì)核桃的破殼機(jī)理方面研究得比較多，但對(duì)核桃破殼機(jī)械的設(shè)計(jì)研究比較少。比較成熟的核桃破殼機(jī)械主要有史建新等［15］設(shè)計(jì)的6HP-150型核桃破殼機(jī)和多輥擠壓式核桃破殼機(jī)，李忠新等［16］設(shè)計(jì)的錐籃式核桃破殼裝置。6HP-150型核桃破殼機(jī)實(shí)現(xiàn)了分級(jí)、導(dǎo)向、破殼的自動(dòng)化，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，但也存在一些缺點(diǎn)，如分級(jí)滾筒是由4個(gè)滑輪支撐，調(diào)整困難，運(yùn)轉(zhuǎn)阻力大，轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)，原導(dǎo)向機(jī)構(gòu)起不到應(yīng)有的導(dǎo)向作用等［17，18］。多輥擠壓式核桃破殼機(jī)和錐籃式核桃破殼裝置也可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)、導(dǎo)向、破殼的自動(dòng)化，但是這兩種破殼設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且破殼率和整仁率還有待提高。

為解決核桃破殼機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、破殼設(shè)備價(jià)格昂貴、核桃的破殼率和整仁率不高等問題，本課題組擬根據(jù)定間隙擠壓破殼原理設(shè)計(jì)偏心擊打式核桃破殼設(shè)備，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定破殼機(jī)械的主要參數(shù)。

1 破殼力以及最佳擠壓方向的確定

在陜西省種植的核桃品種中，香玲的種植面積較大，所以本試驗(yàn)以香玲為研究對(duì)象。以核桃的中心為原點(diǎn)，以原點(diǎn)指向短軸方向定義為X軸，以原點(diǎn)指向縫合線方向定義為Y軸，以原點(diǎn)指向長軸方向定義為Z軸，見圖1。使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)的平板式壓頭分別沿核桃X、Y、Z軸進(jìn)行擠壓，得到的破殼力的數(shù)據(jù)被導(dǎo)入origin軟件得到破殼力隨時(shí)間變化的曲線，見圖2。

圖1 核桃的三維模型Figure 1 Three dimensional model of walnut

圖2 不同方向加載時(shí)破殼力F與時(shí)間T的關(guān)系Figure 2 Relationship between shelled force Fand time T when different direction loading

由圖2可知，沿X軸方向（橫軸方向）進(jìn)行擠壓時(shí)所需要的破殼力最小，其平均值為24.45kg（239.61N），并且在擠壓的過程中，核桃會(huì)以被擠壓點(diǎn)為中心向四周擴(kuò)散，這樣就使得核桃破裂比較充分，為后期的取仁提供了方便。同時(shí)，沿X軸（橫軸）擠壓比沿其它兩個(gè)方向進(jìn)行擠壓時(shí)的破殼率和整仁率高。所以，在設(shè)計(jì)破殼機(jī)械的時(shí)候要對(duì)核桃進(jìn)行導(dǎo)向，使核桃在X軸方向（橫軸方向）進(jìn)行擠壓以保證小的破殼力和高的破殼率和整仁率。同時(shí)，由于在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中平板壓頭的下降速度為1mm/s，由圖2可以看出核桃外殼被擠壓破裂時(shí)的壓縮距離處于5～10mm。當(dāng)壓縮距離小于5mm時(shí)，由于核桃果殼的彈性而使核桃未被壓破；當(dāng)壓縮距離大于10mm時(shí)，核桃的果殼會(huì)對(duì)果仁產(chǎn)生擠壓而破壞果仁的完整性。

2 核桃破殼機(jī)總體方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

偏心擊打式核桃破殼機(jī)主要由進(jìn)料口、上蓋、下蓋、滾子、傳動(dòng)軸、端蓋、擊打裝置等部件組成，見圖3。

圖3 偏心擊打式核桃破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of eccentric-hitting style walnut broken shell machine

2.2 工作原理

在工作時(shí)，核桃由上蓋2的進(jìn)料口1進(jìn)入破殼機(jī)中，核桃在隨著滾子滾動(dòng)的過程中進(jìn)入滾子4，同時(shí)滾子上面的弧形凸起推動(dòng)擠壓裝置里面的擠壓桿9，當(dāng)擠壓桿的底端脫離滾子上面的弧形凸起時(shí)，擠壓桿在彈簧的作用下對(duì)核桃進(jìn)行擊打，在左、右端蓋的內(nèi)側(cè)也焊接有弧形的凸起，在滾子轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，滾子兩側(cè)的擠壓桿因?yàn)楸煌苿?dòng)而對(duì)核桃的兩側(cè)進(jìn)行擠壓，最后，被擠壓的核桃隨著滾子的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過下蓋的開口處脫離核桃破殼機(jī)。

該偏心擊打式核桃破殼裝置的結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)核桃的物理特性和力學(xué)特性調(diào)節(jié)擊打裝置中擠壓桿的擊打力和擊打距離，以保證核桃破殼時(shí)有較高的整仁率和破殼率。

3 核桃破殼機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

3.1 滾子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核桃破殼機(jī)的滾子部分的主要任務(wù)是使核桃有規(guī)律地放在凹槽里面，并且推動(dòng)擊打裝置對(duì)核桃進(jìn)行擊打。經(jīng)過對(duì)香玲核桃品種的測量，得到其平均橫徑為32.8mm，平均縱徑為39.4mm。由核桃的壓縮試驗(yàn)可知：沿核桃的橫徑方向?qū)颂沂┘恿Φ臅r(shí)候破殼率和整仁率比較高，為了保證核桃能夠沿橫徑方向被擊打，將滾子的凹槽部分的長設(shè)為4 5mm，寬設(shè)為36mm，凹槽的深度為18mm，滾子的機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 滾子的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 Schematic diagram of the roller

滾子的上側(cè)焊接有圓弧形的凸起，在滾子轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，圓弧形的凸起會(huì)推動(dòng)擊打裝置里面的擠壓桿，使得擠壓桿上面的彈簧被壓縮，當(dāng)擠壓桿與圓弧形的凸起脫離時(shí)，擠壓桿就會(huì)在彈簧的作用下對(duì)核桃進(jìn)行擊打。滾子上面凹槽的兩側(cè)開有圓孔并焊接有圓管，圓管的內(nèi)部也裝有彈簧和擠壓桿，由于在兩側(cè)端蓋上也焊接有弧形的凸起，在滾子兩側(cè)的擠壓桿隨著滾子轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中也會(huì)對(duì)核桃的兩端進(jìn)行擠壓，這樣對(duì)核桃進(jìn)行3個(gè)方向的擠壓可以保證高的破殼率。

3.2 擊打裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擊打裝置主要負(fù)責(zé)對(duì)核桃沿橫徑方向進(jìn)行擊打，擊打裝置由擠壓桿、螺母、擠壓架、彈簧組成，擊打裝置的機(jī)構(gòu)如圖5所示。由核桃的壓縮試驗(yàn)得，在沿核桃的橫徑方向進(jìn)行擠壓時(shí)所需要的破殼力的平均值為24.45kg，滾子上面圓弧形的凸起的最大高度為20mm。由于擠壓桿對(duì)核桃的擊打?yàn)闆_擊載荷，當(dāng)在擊打的過程中滿足假設(shè)：① 核桃和彈簧的慣性忽略不計(jì)；② 核桃的變形和作用力成正比，而不是時(shí)間的函數(shù)；③ 擊打時(shí)沒有能量損失，那么擊打時(shí)作用在核桃表面的載荷所產(chǎn)生的最大應(yīng)力，是同樣大靜載荷所產(chǎn)生的最大應(yīng)力的2倍［19］。由胡克定律：

式中：

F——彈力，N；

K——彈性模量，N/mm；

Δx——彈簧長度變化量，mm；

取F＝24.45（kg）×10（kg/N）×0.5＝122.25（N），Δx＝20mm，所以彈簧的彈性系數(shù)取為7N/mm。

擠壓桿的上端帶有螺紋，并且和螺母進(jìn)行配合，這樣便于調(diào)節(jié)擠壓桿對(duì)核桃的打擊行程，擠壓桿的中間焊接有圓形鐵片，彈簧的下端與圓形鐵片接觸，鐵片對(duì)彈簧起到支撐作用。

圖5 擊打裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of the hitting device

3.3 端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核桃破殼機(jī)的端蓋部分由3mm厚的鋼板構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。端蓋通過螺栓和核桃破殼機(jī)的上、下蓋連接，在端蓋的內(nèi)側(cè)焊接有一塊圓弧形的凸起，圓弧形的凸起的高度呈漸增趨勢(shì)，其最高處的高度為6mm，端蓋上開有軸承孔，軸承孔的中心和端蓋的中心不在同一點(diǎn)，這樣使得滾子在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中與上、下蓋之間的距離先變小后變大，有利于核桃可以按照一定的規(guī)律有序的排列。

圖6 端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 Schematic diagram of the end cap

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于核桃的大小存在差異，所以在對(duì)核桃破殼之前需進(jìn)行分級(jí)處理。以核桃縱徑的長度作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以將核桃分為三類，見表1。

表1 各類核桃所占比例Table 1 The proportion of various types of walnuts

由前期的核桃破殼試驗(yàn)可知，當(dāng)對(duì)核桃沿橫軸方向進(jìn)行擠壓時(shí)，核桃殼是在集中力的施加位置最先破裂，然后裂紋從加載點(diǎn)向四周擴(kuò)展。當(dāng)對(duì)核桃擠壓5～8mm時(shí)破殼效果最好，且破殼率和整仁率最高。由于處于第Ⅱ類的核桃占的比例比較大，先對(duì)第Ⅱ類核桃進(jìn)行試驗(yàn)，取第Ⅱ類核桃中縱徑尺寸為35mm的核桃100顆，通過擰動(dòng)擊打裝置上面的螺母將擠壓距離分別設(shè)定為5，6，7，8，9mm進(jìn)行試驗(yàn)，以破殼率和整仁率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果擠壓距離為6mm時(shí)效果最好。再分別取第Ⅱ類核桃中其他縱徑尺寸的核桃進(jìn)行試驗(yàn)得到擠壓距離與核桃縱徑尺寸滿足關(guān)系式（2）：

為了提高破殼機(jī)械的工作效率，并且兼顧核桃破殼時(shí)有高的破殼率和整仁率，對(duì)每一組核桃進(jìn)行破殼時(shí)需要設(shè)定一個(gè)固定的擠壓距離，通過擰動(dòng)擊打裝置上面的螺母來調(diào)劑擠壓距離，參考擠壓距離與核桃縱徑尺寸滿足的關(guān)系，并通過試驗(yàn)觀察在不同距離下核桃的破殼率和整仁率來確定最佳的擠壓距離。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同擠壓距離下破殼率和整仁率的對(duì)比Table 2 Shell breaking rate and the whole rate comparison under different extrusion distance

由表2可知，當(dāng)擠壓距離為7mm時(shí)，核桃的破殼率和整仁率都比較高。同樣，參考擠壓距離與核桃縱徑尺寸滿足的關(guān)系，并對(duì)第Ⅰ類和第Ⅲ類核桃進(jìn)行試驗(yàn)，得到最佳的擠壓距離分別為5mm和9mm。

5 結(jié)論

用準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，對(duì)核桃進(jìn)行不同方向的擠壓破殼，測得核桃破殼時(shí)需破殼力的大小，得出沿橫徑方向?yàn)樽罴训钠茪D壓方向。

根據(jù)擊打原理設(shè)計(jì)了偏心擊打式核桃破殼裝置，依據(jù)核桃橫徑尺寸的大小將核桃分為三類，然后根據(jù)不同的類別擰動(dòng)擊打裝置上面的螺母來調(diào)劑擠壓距離，并分別對(duì)核桃進(jìn)行破殼，當(dāng)擠壓距離與核桃縱徑尺寸滿足式（2）時(shí)，三類核桃的破殼率和整仁率都在90%以上。

在對(duì)核桃進(jìn)行擊打破殼時(shí)，為了得到更高的破殼率及整仁率，對(duì)核桃進(jìn)行預(yù)處理是十分必要的。

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