花生剝殼機(jī)的設(shè)計(jì)

佟慶坦，王延耀，王東偉，張?zhí)鹛?，韓文平，周家鵬

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

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花生剝殼機(jī)的設(shè)計(jì)

佟慶坦，王延耀，王東偉，張?zhí)鹛?，韓文平，周家鵬

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

花生可以在剝殼后直接食用，也可以經(jīng)深加工后制成各種產(chǎn)品，而剝殼是花生發(fā)揮其重要價(jià)值的必不可少的環(huán)節(jié)。目前，花生剝殼機(jī)的剝殼質(zhì)量相對(duì)較低，花生仁的破碎率較高。為降低花生仁的損傷，本機(jī)器模仿手工剝殼原理，采用橡膠滾筒與橡膠凹板組成的間隙進(jìn)行花生剝殼，滾筒與凹板之間的間隙可調(diào)，凹板的背面有可調(diào)節(jié)減震機(jī)構(gòu)，從而完成花生的柔性剝殼。同時(shí)，該機(jī)對(duì)花生仁具有一定的尺寸分級(jí)功能，并可適應(yīng)我國(guó)花生的眾多品種。

花生剝殼機(jī)；柔性剝殼；二次剝殼

0 引言

我國(guó)是世界上重要的花生生產(chǎn)國(guó)之一，總產(chǎn)量、總消費(fèi)量、出口量均居首位[1]?；ㄉ鷱V泛用于加工各種食用植物油，而脫脂后的花生餅粑的蛋白粉又可以加工成各種乳制品。人造奶油、調(diào)和油、色拉油的制造都離不開(kāi)花生油作為其重要原料?；ㄉ梢栽趧儦ず笾苯邮秤茫部梢越?jīng)深加工后制成各種產(chǎn)品，很大程度上提高了花生的經(jīng)濟(jì)效益。不管是簡(jiǎn)單剝殼食用，還是精加工成各種美味食品，都必須對(duì)花生進(jìn)行剝殼加工，剝殼是花生發(fā)揮其重要價(jià)值的必不可少的環(huán)節(jié)[2]。

花生剝殼機(jī)是把花生莢果去除外殼而獲得花生仁的作業(yè)機(jī)械。因?yàn)榛ㄉ鷦儦ひ蠡ㄉ暮式档揭欢ǖ姆秶鷥?nèi)，所以在田間收獲花生時(shí)，就不能一同將花生剝殼以達(dá)到花生的完全聯(lián)合收獲。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)花生的收獲采用的是兩段收獲法，雖然花生經(jīng)過(guò)在田地的晾曬，含水率降低了許多，但也不能在收獲的同時(shí)剝殼入倉(cāng)[3-4]。國(guó)內(nèi)目前所使用的花生剝殼機(jī)廣泛采取的是搓擦式的滾筒-凹板篩結(jié)構(gòu)[5-8]，其工作原理是：花生進(jìn)入到剝殼機(jī)剝殼間隙內(nèi)后，花生外殼因受到剝殼滾筒反復(fù)搓擦而破裂，花生仁則從凹板柵條的縫隙中出來(lái)，以達(dá)到花生剝殼的目的。然而，這種剝殼方式還不能適應(yīng)我國(guó)花生的諸多品種，剝殼機(jī)構(gòu)是非柔性機(jī)構(gòu)；而且如果剝殼后的花生仁與花生外殼及未完全剝殼的花生混到一塊，就會(huì)很容易損傷剝殼后的花生仁。其雖然減少了人的勞動(dòng)、提高了生產(chǎn)效率，但剝殼質(zhì)量相對(duì)較低，花生仁的破碎率較高，花生加工的成本也較高[9-10]。為此，筆者研制出一種剝殼原理新穎、剝凈率高、破損率低的花生剝殼機(jī)，對(duì)促進(jìn)花生產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

花生剝殼機(jī)主要由剝殼裝置、清選裝置、喂入裝置、傳動(dòng)裝置及機(jī)架等零部件組成，如圖1所示。該機(jī)采用喂入裝置使花生莢果單層喂入。剝殼裝置和清選裝置均有兩級(jí)： 第1級(jí)完成尺寸較大的花生莢果的剝殼；第2級(jí)完成尺寸較小的花生莢果的剝殼。

1.喂入裝置 2.剝殼裝置 3.清選裝置 4.傳動(dòng)裝置 5.機(jī)架

1.2 工作原理

該機(jī)采用橡膠滾筒橡膠凹板進(jìn)行花生剝殼，主要是模仿破碎率較低的手工花生剝殼的原理，依靠轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠滾筒和橡膠凹板對(duì)花生產(chǎn)生擠壓和搓擦，使花生莢果破裂。

工作過(guò)程：花生莢果從進(jìn)料斗進(jìn)入花生剝殼機(jī)，在撥料器的撥動(dòng)下單層進(jìn)入剝殼間隙，花生莢果在橡膠滾筒與橡膠凹板的擠壓搓擦下剝殼；剝殼后的花生仁和未剝殼的花生莢果均往下下落，在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流下，質(zhì)量較小的花生殼被吹出機(jī)外，質(zhì)量較大的花生莢果、花生仁和雜物下落到篩箱的第1層篩面上。由于第1層篩面只允許不大于花生仁的大小的物料下落，所以未剝殼的花生莢果便順著第1層篩面滑落到剝殼間隙更小、篩面篩孔更小的第2級(jí)剝殼裝置和清選裝置繼續(xù)完成剝殼任務(wù)；從第2層篩面下落到第2層篩面的花生仁及其他雜物經(jīng)篩面篩選，在篩面尾部被收集排出機(jī)外。本花生剝殼機(jī)兩級(jí)排出的花生仁尺寸不同，第1級(jí)的要比第2級(jí)的花生仁尺寸大，對(duì)花生仁具有一定的尺寸分級(jí)功能。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 剝殼裝置的設(shè)計(jì)

剝殼裝置的主要功能是將花生莢果剝殼，為后續(xù)花生仁的清選收集創(chuàng)造條件。針對(duì)常見(jiàn)花生剝殼機(jī)較易損傷花生仁的問(wèn)題，模仿手工剝殼的原理，采用橡膠滾筒橡膠凹板式的脫殼方式進(jìn)行剝殼。

2.1.1 滾筒與凹版間隙的確定

橡膠滾筒與橡膠凹板的間隙是花生剝殼破碎率和剝凈率的關(guān)鍵影響因素。花生莢果以厚度方向進(jìn)入間隙，間隙e須滿足

e≤d+2δ

(1)

其中，d為花生仁的厚度；δ為花生在厚度方向上的殼的厚度。

當(dāng)花生莢果受到橡膠滾筒與橡膠凹板的擠壓搓擦，而花生仁受到的力為零時(shí)，為花生剝殼最理想的狀態(tài)，此時(shí)e=d+2δ，花生仁剛好不碎。然而，花生仁有一定彈性，可以承受一定的壓力，只要在其彈性范圍內(nèi)，就可以適當(dāng)減小橡膠滾筒與橡膠凹板的間隙，以滿足剝殼需求。

本花生剝殼機(jī)設(shè)計(jì)選取的是白沙莢果的尺寸(見(jiàn)表1)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。所參照的花生尺寸為：花生莢果長(zhǎng)寬厚分別為35、12、12mm，花生仁長(zhǎng)寬厚分別為16、9、9mm。確定橡膠滾筒與橡膠凹板之間的間隙入口處的尺寸為40～45mm，出口處的尺寸為8～10mm。

表1 白沙花生尺寸參數(shù)

2.1.2 橡膠滾筒參數(shù)的確定

根據(jù)本機(jī)器花生剝殼原理，要求花生莢果為單層喂入，橡膠滾筒不能太長(zhǎng)，否則影響花生莢果在間隙中的均勻性?？紤]到橡膠滾筒的長(zhǎng)度過(guò)短會(huì)降低花生剝殼的生產(chǎn)率，選取橡膠滾筒的長(zhǎng)度為600mm。橡膠滾筒的直徑直接決定著花生莢果在間隙中的所走的軌跡的長(zhǎng)短，考慮到花生莢果的喂入角α=40°，選取橡膠滾筒的直徑為D=220mm。橡膠滾筒的線速度為v=3m/s，轉(zhuǎn)速為n1=60000v/πD=220r/min。橡膠滾筒上的橡膠層采取硫化壓合的方式固定，橡膠層厚度為20mm。

2.1.3 橡膠凹版參數(shù)的確定

橡膠凹板主要是配合橡膠滾筒擠壓搓擦花生莢果的，凹板表面也有橡膠層，橡膠層為硫化壓合方式固定，厚度為20mm。凹板的寬度即凹板在滾筒軸心線方向上長(zhǎng)度，是兩個(gè)花生莢果的長(zhǎng)度，為70mm。凹板之間采用的是套筒間隔，總共有8個(gè)橡膠凹板和7個(gè)間隔套筒，套筒的厚度為5.7mm。

2.1.4 減震機(jī)構(gòu)的確定

剝殼裝置減震機(jī)構(gòu)的主要作用是降低花生莢果中雜物對(duì)剝殼過(guò)程的影響。當(dāng)有雜物進(jìn)入橡膠滾筒與橡膠凹板之間的間隙時(shí)，橡膠凹板對(duì)其擠壓的力不足以使其破碎，但又超過(guò)了減震彈簧的彈力，此時(shí)橡膠凹板會(huì)繞凹板轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直到橡膠滾筒與橡膠凹板之間的間隙足夠雜物通過(guò)，或者是減震彈簧的彈力增加到足以使橡膠凹板對(duì)雜物的力達(dá)到破碎的條件。

減震機(jī)構(gòu)主要由減震彈簧、彈簧銷(xiāo)、彈簧導(dǎo)桿及彈簧擋板組成。彈簧導(dǎo)桿上有若干彈簧銷(xiāo)孔，其安裝位置不同，減震機(jī)構(gòu)彈簧的彈力就不一樣，橡膠凹板對(duì)花生莢果剝殼過(guò)程的減震效果也不一樣。剝殼機(jī)上有眾多調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以適應(yīng)不同尺寸的花生莢果。

2.2 清選裝置的設(shè)計(jì)

剝殼后的混合物中混有花生仁、花生殼及未完成剝殼的花生莢果，必須對(duì)其分離清選。未剝殼的花生莢果要送到后面的二級(jí)剝殼機(jī)構(gòu)再次剝殼；已完成剝殼的花生莢果要對(duì)其清選，清除出破碎的花生仁、細(xì)小的花生殼及細(xì)小雜物?；ㄉ式?jīng)過(guò)清選后，質(zhì)量和和清潔度提高，尺寸均勻，有利于運(yùn)輸、貯存和后續(xù)加工。清選出的小粒花生仁和破碎花生仁還可以作為飼料或者加工原料。

2.2.1 篩箱的確定

篩箱的作用主要是根據(jù)混雜物尺寸的差異，利用其兩層運(yùn)動(dòng)的篩面將花生莢果、花生仁及細(xì)小雜物分離。在篩箱的第1層篩面，篩孔的尺寸小于花生莢果的尺寸，大于花生仁的尺寸，所以未被剝殼的花生莢果不能通過(guò)篩面，只能向篩尾移動(dòng)進(jìn)入后面的剝殼裝置或剝殼機(jī)外的收集箱；而花生仁可以通過(guò)第1層篩面落到第2層篩面上。在篩箱的第2層篩面，篩孔的尺寸小于花生仁的尺寸，花生仁不能通過(guò)篩面，只能向篩尾移動(dòng)，經(jīng)篩尾的收集通道便可經(jīng)出仁口排出；而和花生仁一同落到第2層篩面上的細(xì)小雜物，則通過(guò)第2層篩面被排出到花生剝殼機(jī)的機(jī)外。

篩面選擇的是平面篩，篩孔為長(zhǎng)圓孔，沿縱橫方向呈交錯(cuò)分布。長(zhǎng)圓孔的工作尺寸是篩孔的寬度 ，篩孔長(zhǎng)度雖非篩子的工作尺寸，但對(duì)物料的分離性能有很大影響。篩孔的配置為棋形。

白沙花生莢果長(zhǎng)寬厚分別為35、12、12mm，花生仁長(zhǎng)寬厚分別為16、9、9mm。查找《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的表22-2-5確定篩孔尺寸[11]，如表2所示。篩面的寬度為600mm，篩面的長(zhǎng)寬比一般為1～2，這里取1.5，故篩面的長(zhǎng)為900mm。

表2 篩孔尺寸參數(shù)

2.2.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定

物料要通過(guò)篩孔，在篩面上要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。篩箱通過(guò)平行四桿機(jī)構(gòu)與機(jī)架連接，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用下，篩箱做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。篩面上物料的受力分析如圖2所示。

(2)

(3)

(4)

把篩面傾角α=5°、振動(dòng)方向角ε=20°、物料與篩面的摩擦角φ=19°、曲柄轉(zhuǎn)速n=220r/min、曲柄半徑r=15mm代入式(3)和式(4)得：183.5r/min

圖2 物料受力分析

2.2.3 風(fēng)機(jī)的確定

風(fēng)機(jī)的主要作用是利用物料在氣流中的不同軌跡進(jìn)行清選的，被吹物料依其飄浮特性被風(fēng)吹至不同的距離，依其距離遠(yuǎn)近來(lái)進(jìn)行分離。質(zhì)量輕的花生殼被吹送到剝殼機(jī)外，質(zhì)量大的花生仁和未被剝殼的花生莢果被吹送得近，下落到篩箱上，然后進(jìn)行花生莢果和花生仁的分離。

查找有關(guān)資料[12]，可得花生剝殼后物料各成分的飄浮速度，如表3所示。

表3 各成分飄浮速度和飄浮系數(shù)

確定離心風(fēng)機(jī)出口的氣流速度為6m/s，風(fēng)量為Qs=2400m3/h，風(fēng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)速為n=880r/min，氣流從風(fēng)機(jī)出來(lái)后到達(dá)篩箱周?chē)?，?/3風(fēng)速最大，中間風(fēng)速漸緩，后1/3風(fēng)速較小。

風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速為

葉輪進(jìn)口直徑為

葉輪外徑為

D2=60μ2/πn

葉片寬度為

計(jì)算得風(fēng)機(jī)葉片的尺寸如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)葉片

風(fēng)機(jī)采用雙面進(jìn)氣，風(fēng)量通過(guò)進(jìn)氣口面積調(diào)節(jié)，風(fēng)向通過(guò)風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)；葉片平直型，葉片的數(shù)量為4個(gè)。風(fēng)機(jī)吹出的氣流方向與水平面夾角為25°，風(fēng)機(jī)外殼為1mm的白鐵皮。

2.3 喂入裝置的設(shè)計(jì)

花生剝殼機(jī)工作時(shí)，其工作效率的大小很大程度上由喂入裝置決定。在本花生剝殼機(jī)上，喂入裝置的主要作用是盡量使無(wú)序下落的花生莢果單層喂入，為下面剝殼裝置的有效擠壓搓擦剝殼創(chuàng)造條件。喂入裝置主要由撥料器及其傳動(dòng)部件組成。根據(jù)本花生剝殼機(jī)的生產(chǎn)率 和白沙花生莢果的百果質(zhì)量[13]為153.3g，計(jì)算出撥料器的葉片數(shù)為8個(gè)。

2.4 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

花生剝殼機(jī)的動(dòng)力來(lái)自電動(dòng)機(jī)，動(dòng)力在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸處分為兩路：一路動(dòng)力用來(lái)滿足一級(jí)剝殼機(jī)構(gòu)的動(dòng)力需求，電機(jī)動(dòng)力經(jīng)皮帶減速到達(dá)一級(jí)剝殼機(jī)構(gòu)的風(fēng)機(jī)(即一級(jí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸)，一級(jí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸又通過(guò)皮帶將動(dòng)力傳遞到一級(jí)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)軸。此時(shí)，動(dòng)力又分為兩路：一路經(jīng)皮帶到達(dá)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸，一路經(jīng)皮帶到達(dá)撥料器轉(zhuǎn)動(dòng)軸。從電機(jī)出來(lái)的另一路動(dòng)力用來(lái)滿足二級(jí)剝殼機(jī)構(gòu)的動(dòng)力需求，經(jīng)皮帶到達(dá)二級(jí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，再?gòu)娘L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸經(jīng)皮帶到達(dá)二級(jí)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)軸[14-16]。具體傳動(dòng)的配置如圖4所示。

1.撥料器軸 2.偏心輪軸 3.一級(jí)滾筒 4.一級(jí)風(fēng)機(jī) 5.電機(jī) 6.二級(jí)滾筒 7.二級(jí)風(fēng)機(jī)

3 結(jié)論

1)本機(jī)集花生剝殼、清選為一體，在第1級(jí)剝殼機(jī)構(gòu)未成功剝殼的花生莢果經(jīng)篩箱的篩選后進(jìn)入剝殼間隙更小的第2級(jí)剝殼機(jī)構(gòu)，對(duì)花生仁具有一定的尺寸分級(jí)功能。

2)本機(jī)利用橡膠滾筒與橡膠凹板之間的間隙對(duì)花生進(jìn)行柔性剝殼，橡膠凹板背面還有減震機(jī)構(gòu)。減震機(jī)構(gòu)的彈簧彈力可以通過(guò)改變彈簧壓縮長(zhǎng)度調(diào)進(jìn)行節(jié)，可有效降低花生在剝殼過(guò)程中的損傷。

3)本機(jī)的剝殼間隙的入口間隙和出口間隙均為可調(diào)，可以適應(yīng)我國(guó)眾多花生品種，適應(yīng)性較好。

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Design of Peanut Sheller

Tong Qingtan, Wang Yanyao, Wang Dongwei, Zhang Tiantian, Han Wenping, Zhou Jiapeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Peanut can be eaten directly after shelling, and can be made of a variety of products by deep processing. Peanut shelling is an essential part to play its important value. Currently, peanut shelling quality is relatively low, and the rate of broken peanut kernel is high. In order to reduce the damage to peanut kernel, the machine imitates the principle of shucking peanut by hand, uses the space between rubber roller and rubber concave plate to shuck, the space between rubber roller and rubber concave plate is adjustable, there is an adjustable damping mechanism on the back of the concave plate, thus peanut is shucked flexible. The machine has the function of size grading of peanut kernel, and can adapt to many varieties of Chinese peanut.

peanut sheller; flexible sheller; secondary sheller

2016-01-04

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201203028.9)

佟慶坦(1991-)，男，山東梁山人，碩士研究生，(E-mail)qingstein@163.com。

王延耀(1957-)，男，山東青州人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wyy57@126.com。

S225.7+3

A

1003-188X(2017)02-0112-05