曹成茂 李 正 羅 坤 汪天宇 吳正敏 謝承健
(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 合肥 230036)
安徽省寧國市所產(chǎn)山核桃[1],其特征類似扁圓形,沿縫合線兩端較為尖銳,中間類似球狀體,果殼相對(duì)于普通山核桃較厚,其內(nèi)壁有3大分隔,再分為9個(gè)小分隔[2]。傳統(tǒng)破殼方式以敲擊為主,浪費(fèi)大量人力物力,生產(chǎn)效率低下。因此有必要研究山核桃機(jī)械化破殼取仁問題[3]。
在堅(jiān)果機(jī)械化破殼方面,國內(nèi)外學(xué)者早在20世紀(jì)80年代便開始研究,提出了早期的破殼機(jī)理[4-6]并完成樣機(jī)試制。在破殼機(jī)械設(shè)備[7-10]方面,OJOLO等[11]設(shè)計(jì)出一種轉(zhuǎn)輪式破殼取仁機(jī)械設(shè)備,利用破殼機(jī)構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)盤,對(duì)落入其中的腰果進(jìn)行擠壓,完成破殼。但實(shí)際加工過程中,因籽粒個(gè)體差異較大,破殼效果參差不齊。奉山森等[12]研制了一種滾壓式核桃破殼機(jī),通過設(shè)置定錐形筒和螺旋槽筒,使進(jìn)入的核桃籽粒在旋轉(zhuǎn)槽筒的帶動(dòng)下邊向下運(yùn)動(dòng)邊受到兩者之間的擠壓力作用,表面的裂紋逐漸擴(kuò)大,最終核桃殼破碎完成破殼。但該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,且加工效率低下。
綜上所述,對(duì)于山核桃破殼機(jī)理的研究以及破殼機(jī)械的研制均關(guān)注于殼體的破碎,而對(duì)于如何在得到高破殼率的同時(shí),保持果仁的低損傷率以及獲得更高的加工效率方面卻鮮有報(bào)道[13]。針對(duì)這一現(xiàn)狀,本文提出在原有的一次破殼機(jī)械的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)山核桃二次破殼取仁機(jī),兩臺(tái)設(shè)備協(xié)同作業(yè),提高有效破殼率的同時(shí),降低果仁損傷率。
基于碰撞破殼旋轉(zhuǎn)裝置和錐形圓筒碰撞壁,將傳統(tǒng)的被動(dòng)破殼改為主動(dòng)撞擊破殼,設(shè)計(jì)了山核桃二次破殼取仁機(jī),以解決山核桃完成一次破殼后,二次破殼核仁損傷率高的難題。
圖1 山核桃二次破殼取仁機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of secondary damage of pecans1.機(jī)架 2.SIEMENS MM440型變頻器 3.喂料機(jī)構(gòu) 4.破殼機(jī)構(gòu) 5.出料機(jī)構(gòu) 6.動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
山核桃進(jìn)入山核桃加工生產(chǎn)線后,利用敲擊式山核桃破殼機(jī)完成一次破殼,然后通過傳送帶送入山核桃二次破殼取仁機(jī)的喂料機(jī)構(gòu)中,在導(dǎo)料錐的導(dǎo)流作用下,利用自身重力均勻有序地滑落至破殼機(jī)構(gòu)中的離心旋轉(zhuǎn)裝置,在離心旋轉(zhuǎn)裝置的加速孔道中做邊旋轉(zhuǎn)邊沿?fù)馨寮铀俚倪\(yùn)動(dòng),直至穿過加速孔道,被高速拋出,與錐形圓筒碰撞壁發(fā)生碰撞,因山核桃殼與仁的泊松比、彈性模量等特性不同,桃仁所受到的彈性力相對(duì)較小[14],運(yùn)動(dòng)速度較低,能夠有效阻止山核桃殼的外移,將碰撞力集中在外殼表面的裂紋處,裂紋縫隙受力逐漸擴(kuò)大,最終完成二次破殼。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 山核桃二次破殼機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Pecan secondary shell breaking machine technical parameters
喂料機(jī)構(gòu)主要由喂料斗和導(dǎo)料錐兩部分組成。山核桃被喂入喂料機(jī)構(gòu)中,在導(dǎo)料錐的分流下,均勻有序滑落進(jìn)下方的破殼機(jī)構(gòu)。具體運(yùn)動(dòng)如圖2所示。
圖2 喂料系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.2 Diagram of feed system movement1.喂料斗 2.導(dǎo)料錐
為解決非等徑顆粒狀球在相互運(yùn)動(dòng)時(shí),因球形度比較低,造成裸露核仁損傷的問題,設(shè)計(jì)導(dǎo)料錐裝置,提高破殼效果,是喂料機(jī)構(gòu)中最關(guān)鍵的部件。
山核桃與導(dǎo)料錐壁面接觸,發(fā)生斜碰撞,運(yùn)行速度和軌跡發(fā)生變化。根據(jù)實(shí)際情況,碰撞過程中,山核桃的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于其破殼的最小撞擊速度,故可以忽略對(duì)山核桃自身質(zhì)量的影響。假設(shè)山核桃與導(dǎo)料錐壁面發(fā)生碰撞的接觸點(diǎn)為P,忽略山核桃質(zhì)心的高度,建立二維直角坐標(biāo)系xPy,定義碰撞接觸點(diǎn)P的公切線方向?yàn)閤軸,公法線方向?yàn)閥軸,具體碰撞過程的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示。
圖3 山核桃與導(dǎo)料錐碰撞示意圖Fig.3 Sketch of collision between pecan and guide cone
根據(jù)動(dòng)量守恒定律,可得
(1)
分別沿x、y軸投影可得
(2)
式中v10——山核桃碰撞前原速度,m/s
v1——山核桃碰撞后速度,m/s
v2——導(dǎo)料錐速度,m/s
v10x——原速度x軸分量,m/s
v10y——原速度y軸分量,m/s
μ——原速度與x軸夾角,(°)
η——碰撞后速度與x軸夾角,(°)
m——二次破殼山核桃平均質(zhì)量,g
m2——導(dǎo)料錐質(zhì)量,g
v1x——v1在x軸上分量,m/s
v1y——v1在y軸上分量,m/s
v2x——v2在x軸上分量,m/s
v2y——v2在y軸上分量,m/s
e——恢復(fù)系數(shù)
忽略摩擦以及山核桃自身質(zhì)量的影響,山核桃完成碰撞前后,僅速度方向發(fā)生改變,大小未改變??傻?/p>
(3)
此次碰撞為彈性碰撞, 即e∈(0,1),故η<μ。所以,為保證山核桃籽粒在完成碰撞后可以完全從導(dǎo)料錐與喂料斗之間的間隙滑過,μ要小于45°,本設(shè)計(jì)初步確定μ為30°。綜合以上以及二次破殼山核桃本身情況,初步確定導(dǎo)料錐的核心參數(shù)為:錐度30°,母線長度120 mm。
山核桃二次破殼取仁機(jī)的破殼機(jī)構(gòu),主要由離心旋轉(zhuǎn)裝置和錐形圓筒碰撞壁兩部分組成,山核桃進(jìn)入離心旋轉(zhuǎn)裝置,穿過加速孔道,被高速甩出,與錐形圓筒碰撞壁發(fā)生碰撞,在撞擊作用下使山核桃籽粒外殼破裂,完成二次破殼。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 破殼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of breaking shell mechanism1.旋轉(zhuǎn)主軸 2.錐形圓筒碰撞壁 3.引流圓筒 4.離心旋轉(zhuǎn)裝置 5.焊接底板 6.焊接軸套
2.2.1離心旋轉(zhuǎn)裝置
離心旋轉(zhuǎn)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要由旋轉(zhuǎn)上圓盤、旋轉(zhuǎn)下圓盤以及8組完全相同的撥板組成。其中每組撥板由直面和曲面兩部分組成。
圖5 離心旋轉(zhuǎn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram of centrifugal rotating device1.旋轉(zhuǎn)下圓盤 2.旋轉(zhuǎn)上圓盤 3.加速孔道 4.曲面撥板 5.直面撥板
山核桃在加速孔道內(nèi)做復(fù)合運(yùn)動(dòng),其實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡為復(fù)雜的曲線,為便于理論分析,將離心旋轉(zhuǎn)裝置中的旋轉(zhuǎn)圓盤參數(shù)化,建立二維直角坐標(biāo)系xOy,隨機(jī)選取山核桃運(yùn)動(dòng)路徑中的一點(diǎn)s,定義過s點(diǎn)沿?fù)馨逑嗲蟹较驗(yàn)閤軸,垂直方向?yàn)閥軸,具體如圖6所示。
圖6 山核桃在加速孔道中的運(yùn)動(dòng)分析Fig.6 Movement in accelerating tunnel
根據(jù)理論力學(xué)分析,可得山核桃在s點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)微分方程組
(4)
式中ψ——離心力方向與撥板在s點(diǎn)處切向方向夾角,(°)
r——s點(diǎn)到圓心距離,mm
t——運(yùn)動(dòng)時(shí)間,s
vr——線速度,m/s
ar——相對(duì)加速度,m/s2
ae——離心加速度,m/s2
Fk——科氏力,NFe——離心力,N
Ff——摩擦力總和,N
F1——山核桃與旋轉(zhuǎn)圓盤摩擦力,N
F2——山核桃與撥板間摩擦力,N
ω——離心旋轉(zhuǎn)裝置角速度,(°)/s
f——摩擦因數(shù)
由x軸方向受力平衡可得
mar=Fecosψ-Ff
(5)
整合以上方程組,代入?yún)?shù),可得
(6)
可以得出,影響山核桃運(yùn)動(dòng)能量的主要因素包括:離心旋轉(zhuǎn)裝置角速度ω、s點(diǎn)到圓心距離r、摩擦因數(shù)f、離心力方向與撥板切向方向夾角ψ等。摩擦因數(shù)f為定值,s點(diǎn)到圓心距離r由離心旋轉(zhuǎn)裝置邊緣與錐形圓筒撞擊壁間距L決定,可以通過調(diào)節(jié)離心旋轉(zhuǎn)裝置的高度來調(diào)節(jié)L。
通過結(jié)果分析,可以初步設(shè)計(jì)兩種不同撥板形式的離心旋轉(zhuǎn)裝置,如圖7所示。
圖7 兩種形式的撥板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagrams of two forms of dial
根據(jù)圖7幾何關(guān)系,可得
(7)
式中x1——s點(diǎn)橫坐標(biāo),mm
y1——s點(diǎn)縱坐標(biāo),mm
δ——撥板與豎直方向夾角,(°)
Ls——s點(diǎn)與撥板起點(diǎn)距離,mm
q——旋轉(zhuǎn)上圓盤內(nèi)圓半徑,mm
整理得
(8)
山核桃在離心旋轉(zhuǎn)裝置運(yùn)動(dòng)過程中,忽略空氣阻力影響。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程滿足能量守恒定律,可得
(9)
式中Ek——山核桃運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能,J
T——運(yùn)動(dòng)周期,s
n——運(yùn)動(dòng)頻率,Hz
因s點(diǎn)是山核桃在加速孔道內(nèi),運(yùn)動(dòng)軌跡過程中隨機(jī)選取的任意一點(diǎn),所以對(duì)s點(diǎn)的各項(xiàng)力的分析同樣適用于運(yùn)動(dòng)軌跡中所有的點(diǎn),故當(dāng)山核桃處于即將被甩出離心旋轉(zhuǎn)裝置的瞬間,其相關(guān)運(yùn)動(dòng)關(guān)系同樣適用以上方程,所以方程式(8)中的Ls、r可擴(kuò)展為L、R,得
(10)
式中L——撥板直線距離總長,mm
R——旋轉(zhuǎn)下圓盤半徑,mm
整合方程(8)~(10),可得
(11)
所以山核桃運(yùn)動(dòng)過程中任意時(shí)刻的速度v與n、L、q、δ有關(guān)[15-16]。根據(jù)實(shí)際情況,撥板與豎直方向夾角δ適宜取值范圍,得
(12)
當(dāng)q固定時(shí),v與L成正比,可以通過改變L改變Ek。所以,當(dāng)山核桃運(yùn)動(dòng)軌跡的初始位置和最終位置確定后,即撥板水平投影長度H確定,兩位置之間的距離相比于直線,曲線更長,若選擇曲面撥板作為實(shí)際工作撥板,加速位移相對(duì)較長,同樣的離心旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速,山核桃被甩出的瞬時(shí)速度更大,適用于果殼完整度高、所需二次破殼能量較大的山核桃;反之,選擇直面撥板作為實(shí)際工作撥板,降低因碰撞速度過大造成的果仁損傷率。
2.2.2錐形圓筒碰撞壁
山核桃被甩出離心旋轉(zhuǎn)裝置,運(yùn)動(dòng)至錐形圓筒碰撞壁表面,在撞擊作用下使山核桃外殼破裂,完成二次破殼。為避免完成二次破殼后的山核桃再次反彈到離心旋轉(zhuǎn)裝置,與后喂入的山核桃相碰撞,破殼后反彈過程中與離心旋轉(zhuǎn)裝置邊緣的安全距離要大于整個(gè)山核桃的半徑,即a至少為11 mm。完成碰撞后,受到?jīng)_擊力作用,較完整的山核桃被破碎成多個(gè)碎殼、碎仁,并以不同的角度飛濺回來,故錐形圓筒碰撞壁的設(shè)計(jì)必須考慮飛濺角度σ的影響。
具體運(yùn)動(dòng)路徑如圖8所示。
圖8 破殼運(yùn)動(dòng)路徑簡(jiǎn)圖Fig.8 Diagram of shell movement path
根據(jù)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,可得M、σ、α、β、γ、a幾何關(guān)系為
(13)
式中α——碰撞壁與豎直方向夾角,即錐度,(°)
β——初速度與法線夾角,(°)
γ——碰撞后回彈方向與法線夾角,(°)
M——錐形圓筒撞擊壁與離心旋轉(zhuǎn)裝置邊緣間距,mm
根據(jù)工業(yè)加工安全可靠性原則,a取極限值11 mm,α初步確定為20°。則錐形圓筒碰撞壁的核心參數(shù)為:M至少54 mm,錐度20°。
整機(jī)動(dòng)力全部來源于電動(dòng)機(jī),其輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)變頻器的調(diào)節(jié),通過帶輪、傳動(dòng)帶、軸承等構(gòu)件,傳遞給離心旋轉(zhuǎn)裝置,完成山核桃在破殼機(jī)構(gòu)中的持續(xù)加速、碰撞破殼。破殼機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速由山核桃破殼能量決定,故可以通過山核桃與錐形圓筒碰撞壁破殼過程的分析,確定完成破殼所需碰撞速度,尋求離心旋轉(zhuǎn)裝置最合適的轉(zhuǎn)速,確定撞破殼過程中各參數(shù)值,提高破殼率的同時(shí),降低果仁損傷率[17]。假設(shè)山核桃與錐形圓筒碰撞壁發(fā)生撞擊的碰撞點(diǎn)為Q點(diǎn),忽略豎直方向速度變化,可得撞擊運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,見圖9。
圖9 撞擊過程運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.9 Schematic diagram of impact process
法向速度vn使山核桃與碰撞壁發(fā)生垂直撞擊,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為山核桃殼的分裂能。切向速度ve使山核桃與錐形圓筒碰撞壁之間產(chǎn)生剪切滑移作用,便于殼仁分離。根據(jù)圖形幾何關(guān)系和能量守恒定律可得
(14)
式中T1——初始動(dòng)能,J
T2——完成二次破殼后的動(dòng)能,J
ΔT——碰撞過程中損失的動(dòng)能,J
va——入射絕對(duì)速度,m/s
vn——入射法向分速度,m/s
ve——入射切向分速度,m/s
un——反射法向分速度,m/s
λ——入射絕對(duì)速度與入射法向分速度夾角,(°)
整合簡(jiǎn)化后可得
(15)
試驗(yàn)測(cè)得山核桃完成二次破殼所需能量為0.60 J≥W≥0.45 J,即0.60 J≥ΔT≥0.45 J。根據(jù)絕對(duì)速度與角速度關(guān)系可得
(16)
式中N——主軸理論轉(zhuǎn)速,r/min
N1——主軸有效轉(zhuǎn)速,r/min
ζ——相對(duì)滑動(dòng)率
根據(jù)實(shí)際情況,本次設(shè)計(jì)初步選用的相對(duì)滑動(dòng)率為1.15。則山核桃碰撞的核心參數(shù)為:入射絕對(duì)速度范圍6.72~7.74 m/s,離心旋轉(zhuǎn)裝置有效轉(zhuǎn)速范圍382~438 r/min。
試驗(yàn)材料為完成一次破殼后的寧國山核桃。平均長度約為22 mm(沿縫合線方向),圓度系數(shù)0.98[18],含水率為14.55%~16.35%,具體如圖10a所示。
圖10 山核桃一次破殼效果圖Fig.10 First breaking shell effect of pecans
試驗(yàn)設(shè)備及儀器裝置等包括:山核桃二次破殼取仁機(jī)、電子秤、游標(biāo)卡尺、計(jì)時(shí)器等。
山核桃二次破殼取仁機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及試驗(yàn)效果如圖11所示。選取L9(34)正交表安排試驗(yàn),離心旋轉(zhuǎn)裝置適宜轉(zhuǎn)速范圍為382~438 r/min;根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)際情況,計(jì)算出離心旋轉(zhuǎn)裝置邊緣與錐形圓筒碰撞壁適宜的間距范圍為40~80 mm;喂料速度的適宜調(diào)節(jié)范圍為150~250 g/s。試驗(yàn)因素與水平如表2所示,試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。A、B、C為因素水平值,根據(jù)適宜范圍均分三等份,選取每份均值作為正交試驗(yàn)水平參數(shù)。
圖11 樣機(jī)試驗(yàn)與試驗(yàn)效果Fig.11 Prototype test and test results
定義完成二次破殼后的山核桃,根據(jù)破殼效果[19]:殼仁未分離、整體依舊完整的山核桃為未破殼山核桃;殼仁分離部分小于整個(gè)山核桃體積1/2的為不完全破殼山核桃;殼仁分離部分為整個(gè)山核桃體積1/2~3/4的為較完全破殼山核桃;殼仁分離部分大于整個(gè)山核桃體積3/4的為完全破殼山核桃。根據(jù)實(shí)際要求,定義較完全破殼山核桃和完全破殼山核桃兩類為破殼成功的山核桃。
表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Experimental factors and levels
表3 試驗(yàn)方案結(jié)果與極差分析Tab.3 Test plan and analysis of experimental data
根據(jù)核仁的完整程度及體積定義:核仁體積占整個(gè)核桃仁1/2以上的,為一路仁;介于整個(gè)核桃仁體積1/4~1/2的,為二路仁;小于整個(gè)核桃仁1/4的,為碎仁[20]。根據(jù)實(shí)際要求,一路仁與二路仁均符合損傷率要求,定義為未損傷,碎仁定義為損傷。
有效破殼率和核仁損傷率結(jié)果如表3所示。
由于兩個(gè)指標(biāo)單獨(dú)分析得到的最優(yōu)條件并不一致,所以必須根據(jù)因素對(duì)兩個(gè)指標(biāo)影響的主次順序,綜合考慮,確定最優(yōu)條件。
對(duì)因素A:從主次順序來看,對(duì)有效破殼率和核仁損傷率的影響都排在第一位。從初選的最優(yōu)水平組合中可以看出,對(duì)有效破殼率選A2為好,而對(duì)核仁損傷率,則選A1為好。從表3可知,當(dāng)取A2時(shí),核仁損傷率比取A1時(shí)提高12.21%,而有效破殼率比取A1時(shí)提高30.77%,因此,綜合考慮選取A2水平。對(duì)因素B:從主次順序來看,對(duì)有效破殼率和核仁損傷率的影響都排在第2位,為次要因素,因此確定方法與因素A的相同,通過計(jì)算,綜合考慮選取B3水平。對(duì)因素C:從主次順序表中和初選最優(yōu)水平中可知,因素C對(duì)有效破殼率的影響排在第3位,且遠(yuǎn)小于其他因素影響;對(duì)核仁損傷率的影響也排在第3位,但與第2位相差不大,故因素C選取可根據(jù)核仁損傷率初選最優(yōu)水平,確定為C2水平。
所以,本試驗(yàn)的最優(yōu)條件組合為A2B3C2。在該條件下山核桃二次破殼取仁樣機(jī)的有效破殼率大于等于87.85%,果仁損傷率小于等于16.14%,生產(chǎn)率超過500 kg/h,實(shí)際性能達(dá)到最優(yōu)效果。
采用3.2節(jié)正交試驗(yàn)得出的最優(yōu)條件組合,優(yōu)化樣機(jī)參數(shù),進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)效果如表4、5所示。
經(jīng)動(dòng)態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果表明:經(jīng)優(yōu)化調(diào)節(jié)后的山核桃二次破殼取仁機(jī)有效破殼率平均值為87.87%,果仁損傷率平均值為16.17%,與正交試驗(yàn)中所得到的結(jié)果基本一致,作業(yè)性能穩(wěn)定,加工效率高。
表4 有效破殼率驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Verification test results of effective shell breaking rate
表5 核仁損傷率驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Verification test results of kernel damage rate
(1)從山核桃的物料特性以及破殼力學(xué)研究出發(fā),將傳統(tǒng)的被動(dòng)破殼改為主動(dòng)撞擊破殼,實(shí)現(xiàn)了在破殼過程中對(duì)核桃質(zhì)量差異的自適應(yīng),提高有效破殼率的同時(shí),降低了果仁損傷率。
(2)建立山核桃顆粒在山核桃二次破殼取仁機(jī)中運(yùn)動(dòng)模型,得出影響破殼效果的主要因素為:離心旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速、離心旋轉(zhuǎn)裝置邊緣與撞擊壁間距、喂料速度等,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),分析結(jié)果得出最優(yōu)條件組合:離心旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)速為410 r/min,離心旋轉(zhuǎn)裝置邊緣與錐形圓筒碰撞壁間距為80 mm,喂料速度為200 g/s,在此條件組合下山核桃二次破殼取仁機(jī)有效破殼率大于等于87.85%,果仁損傷率小于等于16.14%。試驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)基本一致,滿足山核桃加工產(chǎn)業(yè)的實(shí)際要求。