（陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，陜西咸陽(yáng) 712000）

0 引言

核桃是陜西主要經(jīng)濟(jì)樹(shù)種之一，也是種植群眾最多的經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種。據(jù)陜西統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)：截止2018年底，全省核桃面積為78萬(wàn)公頃，總產(chǎn)量30萬(wàn)噸［1］，面積、產(chǎn)量居全國(guó)第二位。目前，陜西已形成了陜南秦巴山區(qū)、渭北旱原兩大核桃產(chǎn)區(qū)。商洛市和黃龍、鎮(zhèn)安、洛南等縣已先后被國(guó)家林業(yè)局授予“中國(guó)核桃之都”和“中國(guó)核桃之鄉(xiāng)”稱號(hào)［2-5］。

隨著核桃盛果期的來(lái)臨，陜西核桃產(chǎn)量迅速提高，原核桃銷售市場(chǎng)趨于飽和，核桃的精深加工越來(lái)越被重視，為推動(dòng)核桃產(chǎn)業(yè)的精深加工的深度發(fā)展，解決人工效率低下、衛(wèi)生條件差、成本高的問(wèn)題［6-7］，近年來(lái)核桃機(jī)械化破殼出現(xiàn)了研究熱的現(xiàn)象。史建新［8］研究了弧板滾筒擠壓式核桃破殼機(jī)的分級(jí)滾筒的轉(zhuǎn)速、錐角以及擠壓滾筒的的大小對(duì)破殼效果的影響。董詩(shī)韓［9］針對(duì)多輥擠壓式核桃破殼機(jī)主、從動(dòng)輥轉(zhuǎn)速，以及最小間距對(duì)破殼效果的影響。李忠新［10］設(shè)計(jì)了錐籃式核桃破殼裝置，分析在不同錐度下破殼效果。目前大多數(shù)設(shè)備存在調(diào)節(jié)不方便、破殼性能差，且難以滿足生產(chǎn)線規(guī)?；a(chǎn)要求。為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種柔性剪切擠壓破殼裝置，通過(guò)定筒周向游動(dòng)和動(dòng)筒線速度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，有望提高核桃破殼率。該設(shè)計(jì)可為核桃機(jī)械化破殼提供參考。

1 主要結(jié)構(gòu)、工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 主要結(jié)構(gòu)

6HP-400型錐籃式破殼機(jī)主要由變頻器、進(jìn)料斗、蝸輪減速器、電機(jī)、機(jī)架、動(dòng)筒、定筒及收料斗組成，見(jiàn)圖1。

圖1 6HP-400型錐籃式破殼機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of 6HP-400 cone-basket sheller

1.2 工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

首先接通電源，打開(kāi)變頻器，根據(jù)核桃的大小、殼厚，調(diào)試至最佳頻率，打開(kāi)頻率旋鈕，變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)與蝸輪減速器通過(guò)鍵連接，蝸輪減速器將動(dòng)力傳遞給動(dòng)筒軸，帶動(dòng)動(dòng)筒旋轉(zhuǎn)，動(dòng)筒和定筒在周向上形成破殼區(qū)，核桃從進(jìn)料斗喂入，核桃在重力的作用下掉落至動(dòng)筒的上臺(tái)面，通過(guò)動(dòng)筒的旋轉(zhuǎn)使核桃進(jìn)入破殼區(qū)，為了使核桃順利進(jìn)入，定筒上半部分筒壁光滑，下半部分采用去除材料的方法加工成三段柵條狀結(jié)構(gòu)。定筒分三段加工成柵條狀結(jié)構(gòu)，一方面確保定筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，防止型材加工出現(xiàn)變形；另一方面防止長(zhǎng)期加工核桃出油，導(dǎo)致內(nèi)筒壁滲油打滑，柵條狀結(jié)構(gòu)在擠壓過(guò)程中有利于核桃破殼過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展，提高破殼率。動(dòng)筒的錐度為6°，根據(jù)物料的基本物理特性不同，動(dòng)筒與定筒的游動(dòng)間隙可調(diào)，動(dòng)筒與定筒最小處間隙可調(diào)，動(dòng)筒軸的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可適應(yīng)不同殼厚、不同大小的核桃破殼。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)性能指標(biāo)Tab.1 Performance indexes of main technical parameters

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 變頻裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 20398—2006《核桃堅(jiān)果質(zhì)量等級(jí)》和用戶分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同一品種的核桃按橫徑分為三個(gè)等級(jí)，結(jié)合前期研究［11-14］，不同等級(jí)核桃的基本物理參數(shù)不同，破殼時(shí)需要的擠壓剪切力不同，因此為設(shè)備增加變頻裝置，變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)與蝸輪減速器直連，直接控制動(dòng)筒的轉(zhuǎn)速，見(jiàn)圖2。為了提高設(shè)備通用性，控制器上3個(gè)頻率旋鈕，旋鈕頻率的值可以根據(jù)需要通過(guò)試驗(yàn)確定。

圖2 變頻器控制圖Fig.2 Control diagram of frequency converter

2.2 定筒和動(dòng)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定筒和動(dòng)筒是錐籃式破殼機(jī)的關(guān)鍵部件，對(duì)破殼的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，主要功能是將核桃硬殼破開(kāi)，以便桃仁與硬殼分離，動(dòng)筒采用花紋鋼，設(shè)計(jì)為圓錐形，錐度為6°，上端面封閉，軸線方向有旋轉(zhuǎn)軸，上端與蝸輪減速器連接，下端與機(jī)架連接。核桃通過(guò)進(jìn)料斗進(jìn)入掉落到動(dòng)筒的上端面，隨著動(dòng)筒的旋轉(zhuǎn)甩進(jìn)破殼區(qū)。定筒為圓柱形，上下端均有法蘭與機(jī)架通過(guò)螺栓連接，安裝時(shí)，連接螺栓直徑均小于法蘭孔徑2～4 mm，使定筒在圓周方向游動(dòng)。防止定間隙擠壓造成桃仁表面損傷和碎仁率增加?？紤]到結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和表面的粗糙度，將定筒破殼區(qū)設(shè)計(jì)為三段柵條，以提高破殼率。定筒結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 定筒結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of stationary cylinder

3 試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)物料基本物理特性

圖4為陜西黃龍地區(qū)主產(chǎn)的香玲核桃，該品種果形為圓形，果基較平，果頂微尖，殼面光滑美觀，淺黃色，縫合線窄而平，結(jié)合緊密，香玲核桃品種可取整仁。核仁充實(shí)飽滿，味香不澀， 出仁率65.4%，種仁出油率為65.3%左右。

圖4 陜西香玲核桃Fig.4 Shaanxi Xiangling walnut

每次取不少于10個(gè)核桃，共取3次，測(cè)量平均果重、仁重、橫徑、棱徑、縱徑、殼厚，待測(cè)物料的基本物理參數(shù)如表2所示。

表2 香玲核桃的基本物理參數(shù)Tab.2 Basic physical parameters of Xiangling walnut

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

性能試驗(yàn)時(shí)，每次加工的核桃不少于小時(shí)生產(chǎn)率的10%，且不少于50 kg。試驗(yàn)開(kāi)始前，在待加工的核桃中分三次隨機(jī)取樣，每次取樣不少于10個(gè)核桃。

（1）破殼率

在破殼機(jī)出口處分3次隨機(jī)取樣，每次取樣不少于1 kg，共取3次，人工挑選出破殼的核桃，并稱重，按下式計(jì)算破殼率。

式中 Q1——破殼率；

m1——已破開(kāi)物料質(zhì)量，kg；

M ——樣品核桃總質(zhì)量，kg。

（2）高露仁率

高露仁為核桃仁中大于或等于四分仁的核桃仁，與破殼率同時(shí)測(cè)定，人工挑選出路仁為高露仁的核桃仁，按下式計(jì)算高露仁率。

式中 Q2——高露仁率；

m2——高露仁質(zhì)量，kg；

M1——核桃仁總質(zhì)量，kg。

（3）半仁率

與破殼率同時(shí)測(cè)定，人工挑選出路仁為半仁的核桃仁，按下式計(jì)算半仁率。

式中 Q3——半仁率；

m3——半仁質(zhì)量，kg；

M1——核桃仁總質(zhì)量，kg。

（4）殼仁分離率

與破殼率同時(shí)測(cè)定，人工挑選出用手容易分開(kāi)的核桃殼、仁，按下式計(jì)算殼仁分離率。

式中 Q3——?dú)と史蛛x率；

M4——容易分離的核桃殼、仁質(zhì)量，kg。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及檢測(cè)結(jié)果

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

在不考慮交互作用的情況下［15］，采用 L9（34）正交表安排試驗(yàn)，通過(guò)3因素3水平的正交試驗(yàn)分析各指標(biāo)與各個(gè)因素之間的量化關(guān)系，因素的水平隨機(jī)排列。因素水平、方案及結(jié)果和結(jié)果分析分別見(jiàn)表3、表4及表5。

表3 試驗(yàn)因素及水平Tab.3 Factors and level of the experiment

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.4 Scheme and results of the experiment

表5為3種試驗(yàn)因素在不同的水平因素組合下的核桃破殼效果指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)于不同指標(biāo)而言，各因素影響程度是不一樣的，故不能簡(jiǎn)單的將3個(gè)因素對(duì)3個(gè)指標(biāo)影響的重要性的主次順序統(tǒng)一起來(lái)。所以采用綜合平衡法來(lái)得到綜合優(yōu)方案，評(píng)判過(guò)程如下：

表5 試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.5 Analysis of test results

從極差來(lái)看，A因素主要影響高露仁率，B因素主要影響殼仁分離率，C因素主要影響半仁率，對(duì)于高露仁率和半仁率來(lái)說(shuō)A因素最佳取值為A2，對(duì)于殼仁分離率和半仁率來(lái)說(shuō)B因素最佳取值為B2，對(duì)于半仁率和高露仁率來(lái)說(shuō)C因素的最佳取值為C1，但對(duì)客戶來(lái)說(shuō)高露仁的含量越高越好，且半仁率不得低于60%，故綜上分析，優(yōu)方案為A3B2C1，即動(dòng)筒轉(zhuǎn)速70 r/min，定筒與動(dòng)筒最小間距19 mm，定筒游動(dòng)間隙2 mm時(shí)，破殼效果較好。此時(shí)破殼率為100%，高露仁率為90.5%，半仁率為68.9%，殼仁分離率為78.8%。

3.3.2 檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)總站檢測(cè)，結(jié)果如表6所示。

表6 檢測(cè)結(jié)果Tab.6 Detection result

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)不同地區(qū)核桃基本物理特性，設(shè)計(jì)一種柔性剪切擠壓的破殼裝置，設(shè)備增加變頻裝置便于動(dòng)筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。定筒下端去除材料的設(shè)計(jì)，提高了破殼率，定筒周向游動(dòng)的連接方式，提高了高露仁率和半仁率。

以陜西香玲核桃為試驗(yàn)及檢測(cè)物料，進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)動(dòng)筒轉(zhuǎn)速為70 r/min，定筒與動(dòng)筒最小間距為19 mm，定筒游動(dòng)間隙為2 mm時(shí)，綜合破殼效果較好。其性能指標(biāo)分別為破殼率100%，高露仁率90.5%，半仁率為68.9%，殼仁分離率78.8%。

經(jīng)陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)總站檢測(cè)，其破殼率為97.3%、高露仁率為90.3%、半仁率為65.1%、殼仁分離率為77.3%，檢測(cè)結(jié)果合格。