椰殼自動粉碎機的設計

摘要：針對椰子（Cocos nucifera L.）殼質地堅硬、難以粉碎的特點，結合目前中國南方熱帶城市的椰子加工現(xiàn)狀，設計了一種椰殼粉碎設備，介紹了其擠壓裝置、液壓傳動裝置、粉碎刀的設計。結果表明，設計的椰殼自動粉碎機粉碎率為93%，粉碎時間不到人工粉碎時間的1/5。該設備的實現(xiàn)可降低人工勞動強度，操作簡便，可靠性高，提高了椰子產(chǎn)品的綜合利用率，符合目前椰子綜合處理的需求。

關鍵詞：椰子（Cocos nucifera L.）；椰殼；粉碎機

中圖分類號：S226.4；S667.4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）07-1739-03

椰子（Cocos nucifera L.）屬棕櫚科椰子屬單子葉多年生常綠喬木，其主要產(chǎn)物為椰子果，簡稱椰子。海南享有“椰島”的美譽，其椰子產(chǎn)量占中國椰子總產(chǎn)量的80%[1]。椰子表皮由革質粗纖維組成，強度大，韌性高，木質素含量較高[2]。由于椰子殼質地堅硬，冷熱不變形，很難粉碎，目前普遍采取用刀具人工粉碎的方法[3]，但這種方法不僅效果不佳，人工勞動強度高，還容易導致工人誤傷自己。

目前海南省有椰子加工企業(yè)近300家，但是大部分企業(yè)規(guī)模小、技術薄弱，產(chǎn)品加工的機械化水平較低，難以提高椰子的經(jīng)濟效益和資源利用率[4]。國內外市場粉碎機種類繁多，中國粉碎設備主要應用于礦山、建設、飼料、藥材、秸稈等行業(yè)，如廣泛應用于食品、醫(yī)藥、飼料等行業(yè)的中小規(guī)模粉碎的齒爪式粉碎機，即“萬能粉碎機”[5]。但是鮮有專門為椰殼這種較為特殊的原料設計的粉碎機，為此，設計了一種可以有效粉碎椰殼的機械裝置，以期為中國熱帶椰子產(chǎn)區(qū)椰子的綜合處理打下基礎。

1 椰殼粉碎機總體結構及工作原理

1.1 總體結構

機構主要由粗粉碎裝置、擠壓裝置和細粉碎裝置組成。粗粉碎裝置為類似于鄂式粉碎機的釘板機構，活動釘板連接凸輪機構用來實現(xiàn)目標運動；擠壓裝置為液壓傳動系統(tǒng)，推桿連接液壓沖頭實現(xiàn)左右運動；細粉碎裝置由伺服電機加粉碎刀具構成，實現(xiàn)二次粉碎。圖1為椰殼粉碎機整體結構。

1.2 工作原理

椰殼自動粉碎機主要由兩部分構成?；谝瑲ね獗砻鏋榻茩E圓型結構，上半部分設計為改裝后的鄂式粉碎機，這樣的裝置擠壓椰殼圓形表面時不易打滑；下半部分為主要的粉碎裝置；椰殼由上方的入料口進入機體內，經(jīng)過鄂式粉碎機擠壓變形，使它大大減小弧度結構，這樣更利于粉碎。底部的液壓結構主要用于改變椰殼的粉碎速度，如果僅僅由重力作用使椰殼經(jīng)過粉碎刀粉碎，必然粉碎得不是很完全。經(jīng)過液壓裝置的推動，不僅能提高機械效率，更能控制椰殼的粉碎率。

1.3 工作流程圖

廢棄椰殼由進料口進入粗粉碎裝置，凸輪擠壓活動釘板對椰殼進行一次粉碎。完成一次粉碎后，活動釘板后移，椰殼下落進入細粉碎通道，推桿連接液壓活塞將椰殼向刀具方向傳送擠壓。粉碎刀具后方連接還田出料口，刀具在此完成二次粉碎。工作流程圖如圖2。

2 椰殼粉碎機主要結構設計

2.1 擠壓裝置

為了確定椰殼擠壓后實際變形尺寸，進行了相關的試驗，研究椰殼在不同力的擠壓下可達到的最大變形尺寸，分為橫向擠壓和縱向擠壓兩組試驗，結果如表1。

由表1可知，椰殼橫向壓縮基本無法實現(xiàn)，這主要因為椰殼自身的結構與硬度所致。基于此類情況，在壓縮板與椰殼的接觸面上安裝了許多尖銳的釘狀物，這樣不僅能起到一定的粉碎效果，還能破開椰殼堅韌的表面，使后續(xù)的粉碎過程更加容易?？v向椰殼壓縮率取88%較為合適，壓縮出料口設計為23 mm（不包含釘狀物長度），釘狀物之間最小間距為1.5 mm左右。由于椰殼含水量較低，在鋼材的選擇方面不用考慮腐蝕性問題，應側重耐磨性能與抗拉性能，所以壓縮板與釘狀物的材料建議選用ZG310-570。壓縮頻率不宜過低，否則將給后續(xù)的粉碎裝置帶來麻煩，過高則會浪費不必要的機械效率。經(jīng)試驗測定，壓縮頻率應控制在200～300 Hz。另外，由于裝置的封閉式滾子推桿凸輪機構，在其外殼上應延伸一段弧形擋板，防止卡料。

2.2 液壓傳動裝置

2.2.1 液壓傳動系統(tǒng) 液壓傳動是以液體為工作介質來進行能量傳遞的傳動方式，傳遞能量的方式主要是利用液體的壓力能。液壓傳動相比其他傳動，眾多優(yōu)點在近幾年逐年顯現(xiàn)，因此，它被廣泛應用于各行各業(yè)。在自動化機械設備中，液壓傳動系統(tǒng)是極為重要的控制系統(tǒng)結構，利用液壓傳動可完成數(shù)據(jù)系統(tǒng)程序下達的信號指令，保證了數(shù)控設備按照原先設計好的指令完成加工處理。

相比其他傳動方式，液壓傳動有以下優(yōu)點：①液壓傳動可以輸出大的推力，實現(xiàn)大噸位運動，這樣可保證椰殼順利傳送至粉碎刀具，不會產(chǎn)生阻塞等問題；②相同功率條件下，液壓傳動元件體積小，結構緊湊，在機構中的布局、安裝將會有很大的靈活性；③液壓傳動反應速度快，可以實現(xiàn)頻繁換向，保證了機械在椰殼推遞中不會因傳動系統(tǒng)的不穩(wěn)定而產(chǎn)生大的故障；④操作簡單，機電聯(lián)合使用時可以更方便地實現(xiàn)自動工作循環(huán)；⑤機構在進行椰殼粉碎工作中，由于椰殼投入量不同，機器極有可能會過載運行；而液壓系統(tǒng)便于實現(xiàn)過載保護，使用安全可靠。

綜上所述，液壓系統(tǒng)安全實用，更適合作為椰殼粉碎機構的傳動系統(tǒng)。

2.2.2 液壓系統(tǒng)工作原理 圖3為椰殼粉碎機液壓系統(tǒng)。從圖3可以看出，液壓泵在電動機的帶動下旋轉，油液由油箱經(jīng)過濾器被吸入液壓泵。由液壓泵輸入的壓力油經(jīng)過電磁換向閥、節(jié)流閥進入液壓缸一側推動活塞帶動推桿運動，液壓缸另一腔的油液經(jīng)過換向閥流回油箱。同時在連桿的帶動下，夾板向內收縮夾緊椰子。推桿的移動速度可通過節(jié)流閥來調節(jié)。當節(jié)流閥開大時，進入液壓缸的油液增多，推桿的移動速度增大；當節(jié)流閥關小時，推桿的移動速度減小。液壓泵輸出的壓力油除了進入節(jié)流閥外，其余的打開溢流閥流回油箱。

2.3 粉碎刀

2.3.1 粉碎刀轉速 粉碎裝置為椰殼粉碎機設計的核心，合理的粉碎刀轉速不僅能最大限度地粉碎椰殼，還能降低功率，提高機械效率。目前，一般的大型粉碎機粉碎刀轉速為200～400 r/min，中小型粉碎機為750～1 600 r/min。結合椰殼粉碎機的綜合設計，粉碎刀轉速取850 r/min較合適。粉碎刀具為彎齒狀，以便于粉碎，三維圖如圖4。

2.3.2 粉碎刀具的鋼種選擇 用于粉碎的刀具必須具有良好的耐磨性、良好的沖擊韌性且不易變形，以及很高的硬度。由于椰殼含水量較低，如同擠壓裝置一樣，不用考慮其防腐蝕性能?？紤]經(jīng)濟因素與實用因素，選用T12A比較合理，并在其表面做滲碳處理。

3 試驗結果

接受試驗的椰殼基本條件為：椰殼平均縱徑220 mm，平均橫徑40 mm，含水率9%，每組質量為3 kg，單個椰殼平均重250 g。每組12個椰子，3次重復，試驗共用了36個椰子，主要測試其粉碎率、機械粉碎時間與人工粉碎時間。

從試驗結果（表2）可知，設計的椰殼粉碎機粉碎率高于90%，粉碎時間不到人工粉碎時間的1/5，且試驗測試期間椰殼粉碎機運轉流暢，異動小，粉碎較均勻。表明設計的椰殼自動粉碎機符合椰殼粉碎的技術要求，大大提高了粉碎效率，可以用于實際生產(chǎn)操作中。

4 小結

研究表明，設計的椰殼粉碎機平均粉碎率為93%，粉碎時間不到人工粉碎時間的1/5，說明椰殼自動粉碎機能夠較好地完成粉碎工序；且運轉流暢，生產(chǎn)率高，可連續(xù)作業(yè)，結構簡單，操作方便，避免人工粉碎時誤傷自己，提高了機械化程度，縮短了勞動時間，為之后椰殼烘干、揉絲等工序提供了理想的原料，在椰子主要產(chǎn)區(qū)具有廣闊的推廣前景和很大的利用價值[6]。

參考文獻：

[1] 鄭淑娟.中國椰子產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析[J].熱帶農業(yè)工程，2009，33（6）：32-34.

[2] 李秀娟，李小慧.新鮮椰子的綜合加工[J].食品科技，1999（1）：47-49.

[3] 張馨月，張 燕，李朋偉，等.椰殼自動粉碎機的設計與ANSYS分析[J].廣東農業(yè)科學，2013（7）：175-177.

[4] 夏秋瑜，李 瑞，趙松林，等.椰子的利用價值及綜合加工技術[J].中國熱帶農業(yè)，2007（3）：37-38.

[5] 戴林坤，曹念正.齒爪式粉碎機及其在水產(chǎn)飼料行業(yè)中的應用[J].飼料工業(yè)，2010，31（17）：1-6.

[6] 李昌如.國外椰子加工和利用[J].熱帶作物研究，1987（1）：78-81.