賴浩然，黎駿軒，劉雨潔，何志良，曾嘉俊

(廣東工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院，廣東 揭陽 515200)

0 引言

核桃是世界著名的四大堅(jiān)果之一,果仁中富含多種微量元素、礦物質(zhì)和維生素[1]。其種植投入較小、收益高,國內(nèi)外市場對商品核桃的需求量大。我國核桃栽培面積和總產(chǎn)量均居世界首位[2],隨著核桃產(chǎn)量的逐年增加,開發(fā)核桃的適時(shí)采收及適合的青皮剝離技術(shù)對于核桃后期的開發(fā)利用來說十分重要。由于青皮核桃成熟期集中、季節(jié)性強(qiáng)的特點(diǎn),過晚采收,青皮成熟裂開時(shí)間較長,易增加蟲害和霉菌感染的風(fēng)險(xiǎn),使核桃硬殼表面產(chǎn)生黑斑,降低核桃品質(zhì)和市場競爭力[3]。目前主流的脫青皮的方法是堆漚脫皮法和化學(xué)脫皮法,青皮核桃脫青皮的機(jī)械化程度低,而且對青皮的利用率低。

本文針對高效青皮核桃處理一體機(jī)進(jìn)行研究,在保證核桃品質(zhì)及去皮效率、操作簡單、適用范圍廣的條件下,使之能夠?qū)⒉煌叽绾颂业那嗥ね暾撀?同時(shí)還能對脫掉的青皮進(jìn)行提取利用。青皮含有胡桃醌成分,因此可將青皮作為原料生產(chǎn)染料,也可以利用青皮治療皮膚病、胃炎、胃潰瘍及十二指腸潰瘍,開發(fā)藥品[4-6]。而剩下的青皮渣可以作為原料制備土壤消毒劑,而且能夠增加土壤的養(yǎng)分[7]。這樣不僅提升了核桃加工的產(chǎn)品附加值,還能增加農(nóng)民的收入。

1 一體機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

青皮核桃處理一體機(jī)由青皮核桃入料斗、輸送絞龍、圓柱滾筒、柵格、榨汁裝置、核桃青皮收集器和電機(jī)等裝置組合而成。青皮核桃處理一體機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-青皮核桃入料斗;2-大帶輪;3-圓柱滾筒;4-輸送絞龍;5-皮帶;6-小帶輪;7-扭矩傳感器;8-電機(jī);9-榨汁電機(jī)支架;10-榨汁裝置電機(jī);11-聯(lián)軸器;12-榨汁裝置;13-機(jī)架;14-核桃青皮收集器;15-核桃收集器;16-軸承支座;17-柵格支架;18-柵格;19-鋼刷區(qū)

青皮核桃入料斗通過螺栓連接在柵格上,柵格通過螺栓連接固定在機(jī)架上。圓柱滾筒兩端安裝圓錐滾子軸承并放置在軸承支座上,圓柱滾筒在靠近青皮核桃入料斗的一端連接一個(gè)大帶輪,大帶輪通過皮帶與小帶輪相連。輸送絞龍通過焊接與圓柱滾筒連接在一起。與圓柱滾筒同心的柵格通過螺栓連接在柵格支架的一側(cè)上,兩者通過螺栓固定在機(jī)架上。圓柱滾筒、輸送絞龍、柵格組成去皮工作區(qū)的核心構(gòu)件。柵格支架另一側(cè)連接核桃收集器,去皮后的核桃通過核桃收集器落在指定的容器里。在柵格下方是核桃青皮收集器,青皮經(jīng)收集器匯集后進(jìn)入青皮榨汁裝置,榨汁裝置通過兩個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)的擠壓作用,最終實(shí)現(xiàn)青皮的汁與渣分離。

1.2 工作原理

工作時(shí),電機(jī)可根據(jù)轉(zhuǎn)速扭矩傳感器的信號調(diào)節(jié)速度,不同大小的核桃,滾筒的負(fù)載不同,從而使帶輪的扭矩不同,轉(zhuǎn)速扭矩傳感器發(fā)出信號,電機(jī)調(diào)節(jié)到相應(yīng)速度,從而提高核桃的適應(yīng)性和去皮率,降低核桃破損率。連接著扭矩傳感器的小帶輪通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)圓柱滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。柵格上安裝有傾角為15°的刀片,當(dāng)青皮核桃進(jìn)入工作區(qū)后會(huì)被輸送絞龍帶動(dòng)向前,同時(shí)在圓柱滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到離心作用而緊貼柵格,圓柱滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向與刀刃的方向相反,當(dāng)核桃青皮與刀片接觸時(shí)可以獲得更大的作用力,以取得最好的去皮效果,同時(shí)在圓柱滾筒的每根小圓柱上有鋼刷,可以有效去除殘留在核桃表皮中的青皮。柵格采用漏斗式設(shè)計(jì),其中接近入料口的一段口徑較大,在核桃通過輸送絞龍推動(dòng)前進(jìn)的過程中,柵格的半徑逐漸變小,使得核桃能夠充分地接觸刀片,增加去皮的時(shí)間,達(dá)到預(yù)期的去皮效果。相鄰刀片間隔約3 cm,使去除的青皮能夠落入位于柵格下方的收集器,最后進(jìn)入榨汁裝置。

2 去皮區(qū)域的參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)前,根據(jù)去皮區(qū)域所需的生產(chǎn)率,計(jì)算絞龍的轉(zhuǎn)速、去皮區(qū)域?qū)嶋H的生產(chǎn)率和格柵的縱向長度。

為了方便計(jì)算,假設(shè)以下條件:

(1) 青皮核桃連續(xù)進(jìn)入一體機(jī)的去皮部分區(qū)域。

(2) 青皮核桃相互緊密接觸且相鄰的核桃之間無間隙。

(3) 青皮核桃的形狀近似地看成球形且每個(gè)球直徑都為0.05 m。

(4) 假設(shè)一體機(jī)去皮區(qū)域所需的生產(chǎn)速率為3 750 kg/h。

2.1 絞龍轉(zhuǎn)速的計(jì)算[8]

根據(jù)文獻(xiàn)《農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械與設(shè)備》中螺旋輸送生產(chǎn)速率整理可得以下公式:

(1)

其中:Q為一體機(jī)去皮部分的生產(chǎn)速率,Q=3 750 kg/h;D為絞龍外直徑,D=0.34 m;d為轉(zhuǎn)軸外直徑,d=0.28 m;P為絞龍的螺距,P=0.15 m;n為絞龍的轉(zhuǎn)速,r/min;Ψ為物料充滿系數(shù),Ψ=0.3;ρ為物料密度,ρ=800 kg/m3。

將相關(guān)數(shù)值代入式(1)計(jì)算并取整得:n=60 r/min。

2.2 一體機(jī)去皮區(qū)域?qū)嶋H生產(chǎn)率的計(jì)算

絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)一圈推入去皮區(qū)域的核桃重量的計(jì)算公式為:

q=2πRSPλρΨ.

(2)

其中:q為絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)一圈推入去皮區(qū)域的核桃重量,kg;R為轉(zhuǎn)軸的半徑,R=0.14 m;S為核桃直徑,S=0.05 m;λ為直徑0.05 m的球的體積與邊長0.05 m的立方體的體積之比,λ=0.52。

一體機(jī)去皮部分實(shí)際生產(chǎn)速率的計(jì)算公式如下:

Q實(shí)=60qn.

(3)

聯(lián)立式(2)和式(3)計(jì)算并取整可得:Q實(shí)=2 963 kg/h。

2.3 柵格縱向長度的計(jì)算

當(dāng)核桃以單層的方式均勻地布滿格柵時(shí),格柵上核桃數(shù)量的計(jì)數(shù)公式如下:

(4)

其中:N為核桃以單層的方式均勻地布滿格柵時(shí)的核桃數(shù)量,根據(jù)文獻(xiàn)[9],取N=10;L為柵格的縱向長度,m;r為青皮核桃的平均半徑,m;r=0.025 m。

一體機(jī)去皮部分的生產(chǎn)速率公式如下:

(5)

其中:k為每個(gè)青皮核桃的平均質(zhì)量,k=0.06 kg/個(gè)。

聯(lián)立式(4)和式(5)計(jì)算并取兩位小數(shù)得:L=1.03 m。

2.4 去皮部分電機(jī)的功率

去皮部分中所有機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)總效率的計(jì)算公式如下[10]:

η總=η1η2η3.

(6)

其中:η總為剝皮部分中所有機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)的總效率;η1為帶傳動(dòng)的效率,η1=96%;η2為聯(lián)軸器的機(jī)械傳動(dòng)效率,η2=99%;η3為中心軸上的球軸承的機(jī)械傳動(dòng)效率,η3=99%。

經(jīng)計(jì)算得:η總=94%。

中心軸轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下:

(7)

其中:T為轉(zhuǎn)矩,N·m;μ為核桃青皮與柵格之間的摩擦因數(shù),查機(jī)械手冊μ=0.5;Fn為核桃被擠壓的正擠壓力,根據(jù)文獻(xiàn)[9],Fn=196 N;z為柵格內(nèi)徑,z=0.37 m。

經(jīng)計(jì)算得:T=181.3 N·m。

電機(jī)輸入功率:

電機(jī)輸出功率:

核桃大小不同,核桃達(dá)到最好去皮效果所需要的絞龍轉(zhuǎn)速也不同,根據(jù)計(jì)算確定絞龍轉(zhuǎn)速為40 r/min～80 r/min。去皮部分的電機(jī)根據(jù)滾筒轉(zhuǎn)速要求選用型號為YCT132-4B的YCT電磁調(diào)速電機(jī),額定功率為1.5 kW,輸出轉(zhuǎn)速為125 r/min～1 230 r/min。

3 去皮區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 去皮結(jié)構(gòu)

采用切割去青皮的方法,柵格主體由18根刀口夾角為15°的刀片組成,相鄰刀片間隔3 cm。在連接入料斗的一端,去皮結(jié)構(gòu)采用內(nèi)接的連接方式,節(jié)省了用料并提高了穩(wěn)定性,同時(shí)設(shè)計(jì)了支座的結(jié)構(gòu),使柵格在工作時(shí)能夠保持穩(wěn)定性。柵格的內(nèi)徑由大變小,可以使不同的青皮核桃緊貼去皮內(nèi)壁,達(dá)到更好的去皮效果。圖2為柵格結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 柵格結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 滾動(dòng)結(jié)構(gòu)

滾動(dòng)結(jié)構(gòu)采用圓柱式設(shè)計(jì),圓柱滾筒的長軸連接帶輪和軸承,短軸則只連接軸承,并通過軸承放置在機(jī)架上。圓柱滾筒采用直徑為2 cm的圓柱條構(gòu)成,在靠近短軸的圓柱部分設(shè)置了鋼刷區(qū)域,從而增加青皮核桃的去皮能力。圖3為圓柱滾筒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 圓柱滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 輸送結(jié)構(gòu)

輸送結(jié)構(gòu)采用輸送絞龍進(jìn)行輸送,輸送絞龍與圓柱滾筒焊接,圓柱滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)絞龍旋轉(zhuǎn),從而推動(dòng)青皮核桃向前。圖4為輸送絞龍結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 輸送絞龍結(jié)構(gòu)示意圖

4 榨汁裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

4.1 榨汁裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

榨汁裝置采用“8”字型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),兩根榨汁螺桿上一端連接了軸承和齒輪,另一端連接軸承,使兩根榨汁螺桿放置在榨汁裝置機(jī)架上,通過傳動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5為榨汁裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

1-傳動(dòng)齒輪;2-上榨汁螺桿;3-下榨汁螺桿;4-榨汁裝置機(jī)架;5-汁水收集器;6-出汁口;7-出渣口;8-彈簧;9-榨汁裝置外殼;10-錐圈;11-青皮入料斗

4.2 榨汁裝置工作原理

青皮從入料斗進(jìn)入榨汁裝置。榨汁裝置內(nèi)部設(shè)置有雙螺桿結(jié)構(gòu);參考文獻(xiàn)[10],雙螺桿采用“前端嚙合,后端相切”的設(shè)計(jì),這樣的設(shè)計(jì)使得軸向推力更大,壓榨更加充分。下方的榨汁螺桿使用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),通過傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)上方的榨汁螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。雙螺桿的前半部分為輸送和預(yù)榨部分,青皮通過輸送部分向壓榨部分移動(dòng)并進(jìn)行預(yù)壓榨。在雙螺桿的后半部分,榨汁螺紋相切,且設(shè)置有錐圈。青皮在錐圈處第一次擠壓,隨后進(jìn)入第一級榨汁區(qū)域,再通過一次錐圈,進(jìn)入二級榨汁區(qū)域,最后通過一次錐圈,進(jìn)入三級榨汁區(qū)域,在青皮通過的過程中,青皮處于壓縮-松弛-壓縮-松弛-壓縮-松弛的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)間歇性壓榨。末尾段兩個(gè)彈簧接在榨汁裝置機(jī)架上,彈簧呈上下分布,兩個(gè)彈簧與可軸向移動(dòng)的擋板相連,擋板通過密封圈與榨汁裝置外殼內(nèi)接。當(dāng)青皮渣對擋板的壓力大于彈簧提供的推力時(shí)會(huì)推動(dòng)擋板,開啟出渣口,使青皮渣順利落下。

5 結(jié)語

本文基于對傳統(tǒng)去皮方式以及現(xiàn)有去皮機(jī)械的研究,為了進(jìn)一步提高去皮效率和實(shí)現(xiàn)對青皮的回收利用,設(shè)計(jì)出了一種全新的青皮核桃處理一體機(jī)。首先,基于理論分析與數(shù)據(jù)計(jì)算,確定了去皮柵格的長度及絞龍的轉(zhuǎn)速。其次,榨汁部分采用雙螺旋擠壓方式,再加上彈簧擋板的作用,提高了青皮的出汁率。最后,青皮核桃處理一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了核桃從去青皮到青皮榨汁,大大提高了青皮核桃的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。