巴旦木殼仁分離機(jī)的試驗(yàn)研究

吐魯洪·吐爾迪，楊會(huì)民，阿依木妮莎·拜克熱

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所, 烏魯木齊　830091)

0　引言

目前，新疆巴旦木種植面積6.67萬(wàn)hm2，產(chǎn)量7萬(wàn)t左右。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出售的巴旦木仁大部分是靠手工或簡(jiǎn)易堅(jiān)果機(jī)砸取，殼仁通過手工分離，勞動(dòng)生產(chǎn)率非常低，導(dǎo)致巴旦木仁的衛(wèi)生狀況難以達(dá)到食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)巴旦木殼仁分離加工技術(shù)裝備的研制現(xiàn)處在起步階段，因此加快巴旦木初加工設(shè)備的研制迫在眉睫。對(duì)巴旦木破殼后的殼仁分離是巴旦木進(jìn)行深加工前的一項(xiàng)重要處理工序，現(xiàn)國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的巴旦木殼仁分離設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)主要還是通過簡(jiǎn)單的堅(jiān)果加工設(shè)備解決巴旦木殼仁分離問題，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，制約了巴旦木產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。常用堅(jiān)果殼仁分離機(jī)如圖1所示。現(xiàn)新疆杏加工廠和巴旦木加工廠進(jìn)行杏核殼仁分離和巴旦木殼仁分離基本上都用該機(jī)型，其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便；缺點(diǎn)是分離效果不理想，杏仁和巴旦木仁中含雜率較高，還需要人工分揀。

通過市場(chǎng)調(diào)研，該堅(jiān)果分級(jí)機(jī)機(jī)型在新疆杏核加工和巴旦木加工企業(yè)占用比例較大(20臺(tái))。因加工的杏仁和巴旦木仁中含雜率較高，還需要人工分揀，致使勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高，很多堅(jiān)果分級(jí)機(jī)閑置沒用。為此，在該機(jī)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加了負(fù)壓清選系統(tǒng)，研制出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、分離效果理想的巴旦木殼仁分離機(jī)。

1　主要結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1主要結(jié)構(gòu)

巴旦木殼仁分離機(jī)主要由機(jī)架、搖桿、曲柄連桿、電機(jī)、風(fēng)機(jī)殼、風(fēng)機(jī)、魚鱗振動(dòng)篩、負(fù)壓清選系統(tǒng)、負(fù)壓離心機(jī)、皮帶輸送機(jī)、風(fēng)道和旋風(fēng)降塵器組成，如圖1所示。

圖1　常用堅(jiān)果殼仁分離機(jī)

1.2工作原理

破殼后的巴旦木通過輸送器輸送，殼仁在輸送器出料口下落過程中，巴旦木仁較重下落速度相對(duì)快，破殼后的巴旦木殼比巴旦木仁輕下落速度慢，從而將巴旦木殼和仁分離；通過負(fù)壓系統(tǒng)將密度較小的巴旦木碎殼和粉塵吸附到旋風(fēng)降塵器里，避免污染環(huán)境，較大的巴旦木殼和果仁落至魚鱗振動(dòng)篩上；振動(dòng)篩采用物料上行運(yùn)動(dòng)體制，振動(dòng)面采用單層篩面，魚鱗振動(dòng)篩通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；魚鱗振動(dòng)篩下有風(fēng)機(jī)，風(fēng)選機(jī)采用吹氣式的氣流供應(yīng)方式,風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流通過魚鱗孔向上吹，由于破殼后巴旦木果殼分成1/2、1/3、1/4等相對(duì)果仁較輕，在風(fēng)力及魚鱗振動(dòng)篩的作用下，物料處于疏松狀態(tài)并迅速得到分層。由于巴旦木殼質(zhì)量較輕且懸浮速度較小，在碎殼與巴旦木仁分離過程中，巴旦木殼浮在物料上層，而質(zhì)量較大的巴旦木仁沉入物料底層與篩面接觸，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分級(jí)。巴旦木仁表面粗糙，在魚鱗振動(dòng)篩振動(dòng)作用下向上運(yùn)動(dòng)從上出料口排出；巴旦木殼表面光滑在魚鱗振動(dòng)篩振動(dòng)作用下(魚鱗振動(dòng)篩傾斜)向下運(yùn)動(dòng)從下出料口排出，完成殼仁分離。

1.仁出料口　2.機(jī)架　3.擺桿　4.曲柄連桿　5.電機(jī) 6.風(fēng)機(jī)殼　7.農(nóng)用風(fēng)機(jī)　8.魚鱗振動(dòng)篩　9.負(fù)壓清選系統(tǒng)吸口　10.殼出料口 11.負(fù)壓離心機(jī)　12.皮帶輸送機(jī)　13.振動(dòng)篩角度調(diào)節(jié)螺栓　14.風(fēng)管　15.旋風(fēng)降塵器

2　關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1負(fù)壓系統(tǒng)

巴旦木破殼機(jī)通過三級(jí)破殼將巴旦木核破殼后，殼分成1/2、1/3、1/4及細(xì)小雜質(zhì)，用現(xiàn)有堅(jiān)果分離機(jī)很難將殼和仁分離，分離效果不理想，分離后巴旦木仁中含雜率較高，還需要人工分揀。設(shè)計(jì)的負(fù)壓系統(tǒng)是在負(fù)壓氣流流場(chǎng)下利用巴旦木仁和殼的物料懸浮速度的差異，將1/3、1/4和細(xì)小雜質(zhì)與仁分離出來。

工作原理：負(fù)壓離心機(jī)啟動(dòng)后，風(fēng)管與負(fù)壓離心機(jī)連通，風(fēng)管內(nèi)產(chǎn)生氣流，負(fù)壓清選系統(tǒng)吸口將皮帶輸送機(jī)輸送的殼仁在落入堅(jiān)果分離機(jī)時(shí)，將1/3、1/4和細(xì)小雜質(zhì)吸入旋風(fēng)降塵器；雜質(zhì)進(jìn)入旋風(fēng)降塵器后，氣流在旋風(fēng)降塵器內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣流中的碎殼在離心力作用下向外壁移動(dòng)，到達(dá)壁面，在氣流和碎殼重力作用下，碎殼落入旋風(fēng)降塵器內(nèi)，達(dá)到將碎殼分離目的。

旋風(fēng)降塵器設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括旋風(fēng)降塵器高度、旋風(fēng)降塵器筒體直徑和旋風(fēng)降塵器錐角。

1)旋風(fēng)降塵器高度。旋風(fēng)降塵器高度涉及到進(jìn)入筒體的碎殼停留時(shí)間和效果，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)一般旋風(fēng)降塵器高為筒體直徑的1．5～2.0倍。

2)旋風(fēng)降塵器筒體直徑。旋風(fēng)降塵器筒體直徑越小，碎殼所受的離心力越大，除雜效果越高；但過小容易引起旋風(fēng)降塵器堵塞，降低工作效率。該旋風(fēng)降塵器筒體直徑設(shè)計(jì)為800mm。

3)旋風(fēng)降塵器筒體錐角。旋風(fēng)降塵器筒體高度一定時(shí)，筒體錐角不易過大，否則影響吸碎殼效率。設(shè)計(jì)角度在13°～15°之間。

2.2魚鱗振動(dòng)篩傾角調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

在參考文獻(xiàn)〔1〕中論述了單個(gè)杏仁在振動(dòng)篩面上的運(yùn)動(dòng)分析，分析了單個(gè)杏仁在魚鱗振動(dòng)篩面上受篩面的傾角α°、仁的質(zhì)量G(kg)、仁與篩面的摩擦角ψ(°)、氣流穿過物料層的速度v(m/s)、仁與殼漂浮系數(shù)K、物料迎風(fēng)面積f(m2)、振動(dòng)方向與鉛垂線夾角β及空氣重度γ(N/m3)等因素的作用。同時(shí)，推導(dǎo)出仁在篩面上的運(yùn)動(dòng)公式。

仁沿篩面下滑，曲柄的臨界轉(zhuǎn)速為

(1)

仁沿著篩面上滑時(shí)，曲柄的臨界轉(zhuǎn)速為

(2)

在生產(chǎn)使用的堅(jiān)果分級(jí)機(jī)在使用過程中發(fā)現(xiàn)：殼仁在振動(dòng)篩上不是單個(gè)殼仁運(yùn)動(dòng)而是受到周圍其它殼仁干擾和影響，機(jī)械干擾因素較多，地面不平也影響分離效果。分離效果主要與魚鱗振動(dòng)篩傾角有很大關(guān)系。原堅(jiān)果分級(jí)機(jī)在制造過程中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、魚鱗篩傾角為固定值，魚鱗振動(dòng)篩傾角通過擺桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)很不方便，兩邊擺桿調(diào)節(jié)精度不一致，導(dǎo)致殼仁分離不理想。用簡(jiǎn)易方法在機(jī)架安裝機(jī)座，在機(jī)座下安裝有振動(dòng)篩角度調(diào)節(jié)螺栓，通過調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行微調(diào)傾角，可達(dá)到殼仁分離效果。

3　試驗(yàn)內(nèi)容與方法

3.1試驗(yàn)內(nèi)容及其評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)巴旦木破殼后殼仁的物理特性。根據(jù)現(xiàn)設(shè)計(jì)的巴旦木殼仁分離機(jī)結(jié)構(gòu)，巴旦木的物理特性主要以巴旦木的碎殼和仁的外形尺寸進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2)殼仁分離作業(yè)性能。以殼仁分離率和純小時(shí)生產(chǎn)率評(píng)價(jià)。

3.2試驗(yàn)方法

目前，新疆巴旦木品種有48個(gè)，種植面積較大的主要有4個(gè)品種?，F(xiàn)主要以硬殼巴旦木加工為主，本試驗(yàn)中采用的巴旦木是新疆莎車縣國(guó)營(yíng)二林場(chǎng)果園產(chǎn)地的3號(hào)巴旦木品種。

3.2.1破殼后殼仁物料形態(tài)尺寸特征分析與測(cè)定

由于巴旦木核在加工時(shí)一般采用擠壓和揉搓原理，在受到擠壓和揉搓力的作用下，巴旦木核多數(shù)易于厚度方向開裂，極少部分沿著其縫合線開裂。由于該破殼過程使用的破殼機(jī)為三級(jí)破殼三級(jí)分離篩，相對(duì)一級(jí)破核，殼破碎形狀大小不一致，所以測(cè)量的對(duì)象主要為巴旦木仁與巴旦木核破碎后中殼和小殼，篩孔的尺寸要以兩者中尺寸較小的確定，從這兩種物料中隨機(jī)取樣6次進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，每次從這兩種殼仁物料中隨機(jī)各取樣100個(gè)，取其平均值。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1破殼后巴旦木殼仁物料特性尺寸測(cè)定

Table 1Determination of material properties of almond shell and kernel size after the shell

次數(shù)巴旦木仁尺寸(長(zhǎng)、寬、厚)/mmA1B1C1小殼尺寸(長(zhǎng)、寬、厚)/mmA3B3C3127．58．212．17．83．32．8228．78．411．86．64．23．5331．29．210．28．75．64．6

續(xù)表1

通過對(duì)上述巴旦木仁及巴旦木殼兩種物料在外形尺寸上的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)巴旦木仁與巴旦木核破碎后中殼在厚度方向上存在顯著差異，而殼的厚度尺寸將作為選取振動(dòng)篩篩孔高度尺寸。魚鱗篩孔尺寸A﹤7mm、B﹤4mm、C﹤3.5mm,如果大于該尺寸，小碎片就會(huì)落入風(fēng)機(jī)殼內(nèi)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無(wú)法工作或高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)敲打碎殼發(fā)生火災(zāi)。

3.2.2負(fù)壓系統(tǒng)分離參數(shù)的選擇

影響風(fēng)選系統(tǒng)的因素主要有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)管直徑和吸口大小。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由德力西變頻有限公司生產(chǎn)的CDI-E180G2R2T4B變頻調(diào)速器控制，該試驗(yàn)設(shè)計(jì)在風(fēng)管尺寸一定條件下，考慮風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和吸口大小對(duì)殼仁分離效果進(jìn)行正交試驗(yàn)，如表2所示。

表2負(fù)壓系統(tǒng)殼仁分離試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)
Table 2Negative pressure system shell kernel separation test factors and the level of design

水平喂入量A/r·min-1傾角B/(°)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速C/r·min-1120102602251528033020300

3.2.3試驗(yàn)指標(biāo)

在巴旦木負(fù)壓系統(tǒng)殼仁分離試驗(yàn)中，只需要考慮殼中的含仁率和仁中的含殼率兩個(gè)指標(biāo)。

3.2.4負(fù)壓正交試驗(yàn)分析

利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓把密度較小的堅(jiān)果外殼吸進(jìn)旋風(fēng)降塵器進(jìn)行分離，而比重較大的殼落入振動(dòng)分級(jí)篩上。負(fù)壓系統(tǒng)正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過表3可以看出：影響殼仁分離效果的主要因素為B(吸風(fēng)口)，吸口越小吸力越強(qiáng)，殼中含仁率越高；吸風(fēng)口越大，吸力越弱，吸殼量越少，風(fēng)選效果差。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的負(fù)壓式風(fēng)選系統(tǒng)可知：B2對(duì)殼仁分離影響較大，控制風(fēng)口的大小350mm×200mm×150mm,可以很好地控制巴旦木仁的損失與含雜率。

表3　負(fù)壓系統(tǒng)正交試驗(yàn)結(jié)果

3.2.5振動(dòng)篩殼仁分離參數(shù)的選擇

影響振動(dòng)篩的因素較多，包括篩面傾角、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(風(fēng)量)、喂入量、振動(dòng)方向角、曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度(振動(dòng)頻率)、曲柄長(zhǎng)度(振幅)、篩面傾角、振動(dòng)頻率和曲柄轉(zhuǎn)速。該試驗(yàn)在其它因素不變的條件下選取篩面傾角、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂入。試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)如表4所示。

表4巴旦木殼仁分離試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

Table 4Almond shell kernel separation experimental factor and level design

水平A風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速/r·min-1吸風(fēng)口(長(zhǎng)×寬×高)/mm1500300×150×1002550350×200×1503600400×250×200

3.2.5.1試驗(yàn)指標(biāo)

在巴旦木殼仁分離的試驗(yàn)中，主要考慮兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即殼中含仁率D(%)和仁中含殼率E(%)。在振幅一定條件下，決定選取振動(dòng)篩面傾斜角、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和喂入量為試驗(yàn)因素。各因素的變化范圍是：物料喂入量取20～30kg/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速取260～280r/min。在不考慮各因素之間交互作用的情況下， 進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)，如表5所示。

3.2.5.2振動(dòng)篩殼仁分離性能正交試驗(yàn)分析

通過表5的直觀分析可知：3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)巴旦木殼仁分離效果的影響大小依次為B>C>A。當(dāng)魚鱗振動(dòng)篩的傾角為15°、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為280r/min、喂入量為25kg/min時(shí)，通過計(jì)算各因素的水平和，求出平均值，可分析各因素水平的變化對(duì)殼中含仁率D(%)和仁中含殼率E(%)的影響，從而找出各因素的最好水平。從表5中分析結(jié)果可以看出：當(dāng)取A2B2C2時(shí)，殼仁分離率指標(biāo)較好。

表5　振動(dòng)篩試驗(yàn)性能結(jié)果

4　結(jié)論

1)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機(jī)出料口位置相對(duì)與篩面位置偏上時(shí)，頂部風(fēng)速普遍較低，在偏下位置篩面風(fēng)速較高；當(dāng)物料較少時(shí)，篩偏下位置的氣流將殼和仁吹到出仁口上端，殼和仁難分離，分離效果較差。如果得到較好的分離效果，魚鱗篩上端2/3處篩孔要大于下端篩孔1～1/2倍。

2)傾角的大小與振動(dòng)篩的處理量和分離效果有密切關(guān)系。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：傾角過大,殼中含仁率較高；傾角過小，仁中含殼率增多。試驗(yàn)表明：在振動(dòng)頻率和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定條件下，振動(dòng)篩傾角在15°時(shí)分離效果較好。

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