全自動(dòng)核桃劃口機(jī)的設(shè)計(jì)研究

張恩銘 ，鄭 霞 ※，丑維新 ，王久金 ，陳華軍 ，陳佳敏

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

中國核桃種植面積廣，產(chǎn)量高，發(fā)展速度快[1]。目前我國核桃主要以整果銷售為主，隨著核桃種植面積和產(chǎn)量的增加，整果銷售利潤低。為了開發(fā)多樣化的休閑食品核桃，我們需要研制能夠工業(yè)化生產(chǎn)的核桃加工機(jī)械。

近年來出現(xiàn)了一些對(duì)堅(jiān)果劃口加工機(jī)械，劃口后的堅(jiān)果一方面有利于堅(jiān)果破殼，另一方面也有利于核桃休閑食品的入味。如針對(duì)板栗的劃口機(jī)，福建農(nóng)林大學(xué)的張素梅[2]設(shè)計(jì)的改良后的機(jī)械板栗劃口機(jī)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的肖宏偉[3]等研究人員研制激光板栗劃口機(jī)。鄭甲紅[4]等人設(shè)計(jì)了一種鋸口擠壓式核桃破殼機(jī)，先對(duì)核桃劃口再破殼，研究證明劃口預(yù)處理更有利于核桃破殼。

本文設(shè)計(jì)了一種由PLC控制的全自動(dòng)核桃劃口機(jī)，以實(shí)現(xiàn)核桃批量劃口加工，提高核桃破殼取仁加工過程時(shí)的破殼率和高露仁率，還便于帶殼核桃食品加工時(shí)入味。

1 全自動(dòng)核桃劃口機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)式核桃劃口機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括喂料斗、導(dǎo)位輥、硬毛刷輥、排序滑道、機(jī)架、機(jī)械自動(dòng)劃口裝置和儲(chǔ)料箱等。其中機(jī)械自動(dòng)劃口裝置包括：切割鋸片、電缸、核桃夾具和氣缸等。利用PLC控制系統(tǒng)使全自動(dòng)式核桃劃口機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工生產(chǎn)，大大減少了人力成本。PLC控制技術(shù)有較為突出的優(yōu)良特性，如：適用范圍廣泛、具有很高的可靠性、通信功能良好等特征[5]。

圖1 全自動(dòng)式核桃劃口機(jī)

1.2 工作原理

喂料斗的底部是傾斜的平面，喂料斗出口通向硬毛刷輥和導(dǎo)位輥之間。核桃在重力作用下，從喂料斗滑落到硬毛刷輥和導(dǎo)位輥之間。為了防止核桃擁堵，硬毛刷輥不停旋轉(zhuǎn)，利用毛刷將核桃掃進(jìn)導(dǎo)位輥的導(dǎo)位孔中。上述硬毛刷輥和導(dǎo)位輥均由PLC控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。導(dǎo)位輥與硬毛刷輥緊貼，防止核桃從兩輥之間的縫隙滑漏出去。導(dǎo)位輥轉(zhuǎn)動(dòng)將核桃轉(zhuǎn)到排序滑道上方，核桃在重力作用下從導(dǎo)位孔進(jìn)入排序滑道，順利完成排序，為核桃劃口加工做準(zhǔn)備。排序滑道底部擋板是收緊的，使核桃能夠沿著收緊的軌道出口精準(zhǔn)的滑落到核桃可移動(dòng)的夾具當(dāng)中。一半核桃夾具固定在機(jī)架上，另一半可移動(dòng)核桃夾具與氣缸相連接。傳感器監(jiān)測到核桃夾具中有核桃從滑道落入，然后通過處理電路來轉(zhuǎn)為電平信號(hào)，PLC接收到轉(zhuǎn)化的電平信號(hào)后，控制氣缸來推動(dòng)核桃夾具，將夾住核桃。核桃被固定好后，傳感器將信號(hào)傳送給PLC，PLC再控制電缸上的切割鋸片移動(dòng)，利用鋸片將核桃依次劃口。機(jī)架上的調(diào)節(jié)條孔通過調(diào)節(jié)螺母，將電缸的位置上下移動(dòng)調(diào)節(jié)，來適應(yīng)不同大小尺寸核桃的劃口加工以及控制鋸片對(duì)核桃的劃口深度。核桃劃口完成后，傳感器通過監(jiān)測切割鋸片的位置，將信號(hào)通過處理電路轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)，PLC接收到電平信號(hào)后，控制氣缸將另一半核桃夾具撤回，完成劃口加工后的核桃落入儲(chǔ)料箱內(nèi)。傳感器監(jiān)測到核桃落下后，PLC接收到傳感器的信號(hào)后控制氣缸把撤回的另一半核桃夾具推回到原位置。

1.3 主要的技術(shù)參數(shù)

1.4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

圖2 機(jī)械劃口裝置

如圖2所示，機(jī)械自動(dòng)劃口裝置包括電缸、氣缸、核桃夾具、切割鋸片等。核桃的一半夾具安裝在機(jī)架上，另一半可移動(dòng)的核桃夾具與氣缸相連。傳感器監(jiān)測到有核桃從滑道落入時(shí)，將信號(hào)通過處理電路轉(zhuǎn)化成電平信號(hào)，電平信號(hào)傳送給PLC后，PLC控制氣缸推動(dòng)可移動(dòng)的核桃夾具部分，將核桃夾住。核桃被夾住后，傳感器將信號(hào)傳給PLC系統(tǒng)。PLC接收到電平信號(hào)后，控制電缸上的切割鋸片移動(dòng)，切割鋸片將核桃依次劃口。電缸的位置可通過調(diào)節(jié)螺母在機(jī)架上的調(diào)節(jié)條孔上的位置進(jìn)行上下移動(dòng)，來適應(yīng)不同尺寸大小的核桃和調(diào)節(jié)核桃劃口的深度。核桃完成劃口處理后，傳感器將感應(yīng)到切割鋸片的位置的信號(hào)傳送給PLC系統(tǒng)，PLC控制氣缸將可移動(dòng)的核桃夾具部分撤回，使核桃能夠順利的落入到核桃儲(chǔ)料箱中。傳感器感應(yīng)到核桃已從核桃夾具中落下后，再將信號(hào)傳給PLC系統(tǒng)，PLC控制氣缸再將可移動(dòng)的核桃夾具部分推出，準(zhǔn)備進(jìn)行下一批核桃的劃口加工。

如圖3所示是排序裝置，其中包括硬毛刷輥、導(dǎo)位輥、排序軌道和減速電機(jī)等。PLC控制減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，減速電機(jī)通過鏈帶動(dòng)導(dǎo)位輥和硬毛刷輥轉(zhuǎn)動(dòng)。由于硬毛刷輥的硬毛刷與導(dǎo)位輥的間隙較小，既能將核桃刷進(jìn)導(dǎo)位輥的導(dǎo)位孔中，又能防止核桃從兩輥之間漏出。排序軌道與導(dǎo)位輥相接，核桃能平穩(wěn)的落入到軌道中，當(dāng)導(dǎo)位孔轉(zhuǎn)到排序軌道上方時(shí)，核桃從導(dǎo)位孔落入排序軌道，排序軌道利用核桃的重力使其沿排序軌道滑落。軌道之間由擋板隔開，防止核桃在滑落過程中錯(cuò)道，擋板之間的距離可通過移動(dòng)螺母的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同尺寸大小的核桃。軌道在出口滑落處收緊，以確保核桃準(zhǔn)確落入到夾具中。出口處擋板可通過移動(dòng)螺母位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 排序裝置

2 試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

破殼率和高露仁率是衡量破殼取仁質(zhì)量的重要指標(biāo)[6]。由于核桃殼的木質(zhì)纖維素含量較高，物料的進(jìn)給速度對(duì)其切割質(zhì)量的影響較顯著[7-9]。在石河子大學(xué)農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室通過搭建關(guān)鍵部件的試驗(yàn)臺(tái)，得出核桃劃口機(jī)的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。劃口機(jī)上切割鋸片相對(duì)于核桃物料的加工速度就相當(dāng)于物料的進(jìn)給速度，將切割鋸片在電缸上的移動(dòng)速度設(shè)為0.10 m/s、0.12 m/s和0.14 m/s做單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明切割鋸片在電缸上的移動(dòng)速度越慢，核桃劃口率越高，當(dāng)切割鋸片在電缸上的移動(dòng)速度設(shè)為0.10 m/s時(shí)，核桃的劃口率在96%以上，劃口位置在核桃肚部附近達(dá)83%以上，劃口寬度在2.85～3.72 mm，劃口長度為 1.77～1.91 cm。

利用對(duì)輥擠壓核桃破殼取仁設(shè)備驗(yàn)證劃口后的核桃可以提升一次性破殼率和高露仁率。未劃口預(yù)處理的核桃放入對(duì)輥擠壓核桃破殼取仁設(shè)備加工，9組試驗(yàn)平均一次性破殼率在86%以上，平均高露仁率72%以上[10]。經(jīng)過全自動(dòng)式核桃劃口機(jī)劃口預(yù)處理的核桃放入對(duì)輥擠壓核桃破殼取仁設(shè)備加工，平均一次性破殼率95%以上，平均高露仁率在84%以上，一次性破殼率提高了9%，高露仁率提高了12%。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)核桃劃口機(jī)，其主要包括喂料斗、導(dǎo)位輥、硬毛刷輥、排序滑道、機(jī)架、機(jī)械自動(dòng)劃口裝置和儲(chǔ)料箱等。其中機(jī)械自動(dòng)劃口裝置包括：切割鋸片、電缸、核桃夾具和氣缸等。由PLC系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)加工。

核桃的劃口和破殼試驗(yàn)表明，核桃的劃口率隨著切割鋸片在電缸上的移動(dòng)速度的減小而增加，劃口后的核桃一次性破殼率和高露仁率明顯增加，平均一次性破殼率95%以上，平均高露仁率在84%以上，一次性破殼率提高了9%，高露仁率提高了12%。

本文的預(yù)期成果可為核桃劃口加工后實(shí)施休閑核桃食品的入味生產(chǎn)和提高工業(yè)化大規(guī)模破殼取仁的效益提供技術(shù)基礎(chǔ)。