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碰撞式核桃破殼機的設計
付志凱
（塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300）
摘要：我國是核桃種植大國，尤其是地區(qū)核桃產量居全國前列，但核桃加工技術相對落后，沒有先進的核桃破殼機械。針對核桃的加工和核桃破殼取仁的工藝方法，設計了碰撞式核桃破殼機，對其結構及其原理作了介紹。該裝置采用滾筒和輻條篩使核桃碰撞和擠壓達到破殼的目的。通過對核桃破殼實驗研究和主要影響因素分析表明此設計設計合理可以實現殼仁的分離。
關鍵詞：核桃破殼; 取仁
1引言
無論在國際還是國內市場上核桃都是很受歡迎的一種干果，但我國核桃產量卻遠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)達的地區(qū)核桃年產量已達12萬噸。[1]
隨著核桃種植面積的擴大，產量的增加，與核桃相關的加工開始發(fā)展，如核桃的破殼、清洗、分級等 等，大量生產加工不能依靠人力，必須有相應的機械換設備和自動生產線，因此這些加工設備的研究成為當務之急。
針對當前核桃加工存在的問題和市場需求設計了核桃破殼機械代替人力脫殼。
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,所以應用很少;化學腐蝕方法由于在實際操作中不好控制,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碰撞式核桃破殼機的介紹
通過對核桃破殼的實驗分析，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，進而在滾筒與輻條篩的擠壓下破殼。其整體結構圖如下：
1.機架 2.、9.螺母 3、10.墊圈 4、11.螺栓 5.電機 6.鍵 7.主動帶輪 8.V帶 12.滾筒 13.輻條篩 14.上機殼
圖 1 碰撞式核桃破殼機整體結構圖
3.1破殼機的工作原理
該裝置由上機殼與下機殼，以及傳動部件組成。上機殼下部設置和傳動部件相連的滾筒，滾筒與上機殼的外壁之間設置數根固連在上機殼兩側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破殼機的主要結構
輻條篩部分：
輻條篩起碰撞擠壓作用，它是由一定數量的圓鋼焊接在上機殼兩側鋼板上，與滾筒平行安裝，每兩根圓鋼之間的縫隙可以將核桃卡住，然后快速旋轉的滾筒將被卡住的撞破的核桃擠碎。
滾筒的設計：
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。
滾筒是核桃破殼機的主要部件之一，它直接關系到核桃破殼機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，均勻快速的轉動情況下，將進入的核桃拋出，被拋出的核桃與輻條篩撞擊破裂，當其進入脫殼室咽喉出被凸筋與輻條篩擠壓破殼。凸筋是數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，滾筒是破殼機的設計的主要部件。
入料口及破殼機上蓋的設計：
入料口與核桃破殼機的上蓋部分相連，它是利用薄鋼板制成，入料部位與滾筒的凸筋部位相切，將從入料口進入的核桃，下滑到凸筋部位，由凸筋拋出進行撞擊。
入料口是將核桃填入核桃破殼機機體內的一個重要部分，它是核桃破殼機上的一個部件，它的作用在于通過入料口可以將核桃順利的填入機體內，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，破殼機機能安全的工作，因此，核桃破殼機的入料口的設計，即關系到核桃破殼機的工作質量及安全。
在設計核桃破殼機入料口時應當考慮到設計不當可能發(fā)生的危害，需要精心的設計其結構。因為在將核桃添入破殼機時，電動機在高速的旋轉，連同它的主軸一起旋轉，這種填料方式對主軸、對機體都有很大的副作用，有可能瞬時加大主軸的承擔負載，即同時加大主軸的彎曲應力、扭轉應力等，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。如果入料口的設計不當，會造成主軸的瞬時被卡死，電動機悶車等現象發(fā)生，這些現象對電動機和核桃破殼機的主軸有及大的破壞性。核桃破殼機的入料口與破殼機的上蓋相連接為一體，即入料口安裝在核桃破殼機的上蓋上，兩者均采用2mm的薄鐵板制成，焊接連接，核桃破殼機的上蓋成方形。
核桃破殼機的上蓋的兩端部位、入料口的兩側及中間部位，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的上蓋的剛度，不宜變形，同樣也有支撐作用。破殼機的上蓋整體焊接兩個角鐵上，目的是便于與破殼機的下半部分安裝，將破殼機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，以加堅固。在核桃破殼機上蓋的兩端設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，因為在破殼機正常工作時，它的主軸高速旋轉，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破殼機中，造成人員傷亡等事故發(fā)生。二是阻擋破殼后的核桃飛濺，核桃被破殼機破殼后，由于主軸的高速旋轉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，因此核桃破殼機上蓋兩端的擋板設計是必要的，也是必須的。而且，根據它的結構設計，擋板在核桃破殼機安裝中是縱向布置的，兩個擋板都應該騎壓軸承座，即擋板的設計即要考慮到它與破殼機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軸承來確定
機架的設計：
機架是核桃破殼機的主要支撐部件，機架的堅固是核桃破殼機的工作穩(wěn)定、運轉平穩(wěn)的基礎，它是承擔所有來自軸及電動機、滾筒的沖擊和應力，因此機架無論是從結構上還是從材料上，都應該采用堅固的穩(wěn)定的材料和樣式制成。在機架上有兩段橫梁，要求它的工作強度大，承載能力強，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的主要載荷部分。核桃破殼機的機架上安裝有一出口，目的是當破殼機將核桃破殼后，核桃從脫殼室中漏出，落到出出口上，核桃順著斜板下滑，從而滑出機體之外，達到將核桃破殼的完成，而隨時地將核桃排出機體之外，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。帶傳動具有結構簡單、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、維護容易等特點。
4破殼機的結構因素
4.1滾筒轉速的選用
破殼機滾筒轉速與拋送效果和碰撞效果有一定關系，但速度過大也會是震動過大，造成機械不穩(wěn)定，選用400~600r/min較為合適。選擇如下電機：
表4-1 Y90L-2主要參數如下表
型 號
額定功率KW
轉速r/min
電流/A
效率（%）
功率因數
額定電流
額定轉矩
最大轉矩
Y90L-4
1.5
1400
3.65
79
0.79
6.5
2.2
2.2
4.2帶輪及傳送帶的設計
表4-2 傳動部分主要參數如下表
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
帶初壓力
從動輪轉速
Z型帶
3.15
71
224
1250
159.5
3
73.5
4.3主軸校核
表4-3 主軸受力主要參數如下表
電機輸出扭矩
滾筒上的力N
水平面內軸承支反力
水平面內軸承支反力
垂直面內支反力
垂直面內支反力
31345.73
31.9
345.23
251.83
表3-2 主軸彎矩主要參數如下表
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
進行校核時，通常只校核軸上承受最大當量彎矩的強度（既危險截面c的強度）。由經驗公式及上面計算出的數值可得出。
公式 ：
（4-1）
式中 ： —軸的抗彎拋面模量，
—軸的許用應力，。
按軸實際所受彎曲應力的循環(huán)特性，在、、中選取其相應的數值，從《機械設計基礎》可以查出。
按《機械設計手冊》書中查得，對于的碳鋼，承受對稱循環(huán)變應力時的許用應力。
其他截面雖然引起的應力集中削弱疲勞強度，但由于最小直徑按扭轉強度較為寬裕確定的，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]試驗結果證明,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去,喂料速度越高,單位時間通過的核桃量越多,生產率越高。但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。
5結論
核桃破殼機主要靠碰撞和擠壓使核桃破殼，其影響因素主要有轉速、咽喉間隙、材料硬度、喂料速度等。
增加破殼效率可適當提高轉速，增大喂料量，增長滾筒長度。
參考文獻
[1] 李忠新,楊軍,楊莉玲等.核桃破殼取仁工藝及關鍵設備[J].農機化研究,2008,(12):27-29,89.
[2] 史建新,辛動軍.國內外核桃破殼取仁機械的現狀及問題探討[J].農機化,2001,(6):29-32.
[3] 李忠新,楊軍,楊莉玲等.核桃破殼取仁工藝及關鍵設備[J].農機化研究,2008,(12):27-29,89.
[4] 董詩韓,史建新.多輥擠壓式核桃破殼機的設計與試驗[J].農業(yè)大學學報,2011,34(1):62-65.