云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究

劉海江,王應(yīng)彪,羅思藍(lán),張賽,陳 健

云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究

劉海江,王應(yīng)彪*,羅思藍(lán),張賽,陳 健

西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院, 云南 昆明 650224

針對(duì)因核桃破殼效果不佳而產(chǎn)生的云南核桃產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)能不足的問題，對(duì)漾濞核桃進(jìn)行了破殼受力仿真與分析并設(shè)計(jì)了云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備。使用Solidworks軟件對(duì)核桃建立幾何模型，并使用Simulation有限元軟件對(duì)核桃不同方向的受力進(jìn)行了仿真與分析，結(jié)果顯示：在橫軸方向施加范圍分布載荷是最佳的破殼方向和方式，核桃最大位移0.282692 mm，最大應(yīng)力3.92881e+007 N/m^2，應(yīng)變范圍廣裂紋分布范圍大且位移量較小不會(huì)傷及核桃仁。在破殼設(shè)備的設(shè)計(jì)中采用了差速帶定向的方法對(duì)核桃做定向處理，對(duì)破殼裝置的擠壓頭做了鑲嵌橡膠材料的處理用來提供給核桃一對(duì)范圍分布載荷，滿足了核桃破殼所需的高整仁率和高脫殼率。

核桃; 定向破殼; 力學(xué)分析; Solidworks; 有限元分析

核桃產(chǎn)業(yè)是云南省的重要產(chǎn)業(yè)，云南省129個(gè)縣區(qū)90%以上種植核桃，核桃種植面積居全國(guó)首位[1]。核桃破殼技術(shù)制約著核桃產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。近年來，逐漸有學(xué)者提出定向破殼在核桃破殼中的優(yōu)越性[2]。目前農(nóng)產(chǎn)品的定向處理一般為設(shè)備與農(nóng)作物之間產(chǎn)生的振動(dòng)或摩擦力使農(nóng)作物調(diào)整空間姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)定向處理，如玉米種子的定向排列[3]，鮮杏的差速帶擠壓摩擦定向[4]，蘋果的摩擦輪與摩擦帶結(jié)合實(shí)現(xiàn)定位運(yùn)輸[5]，大棗的定向棍搓動(dòng)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)定向等[6]。本文通過對(duì)云南漾濞核桃外觀特性的研究與基于有限元分析的核桃破殼力學(xué)分析，確定了破殼的定向位置及差速帶夾持定向的方式，設(shè)計(jì)了定向破殼設(shè)備的結(jié)構(gòu)，確定了其技術(shù)參數(shù)。

1 核桃破殼有限元分析

1.1 漾濞核桃外觀特性研究

云南漾濞核桃市場(chǎng)上最常見的品種為白皮103果。使用游標(biāo)卡尺對(duì)隨意挑選的100顆白皮103果進(jìn)行縱向，橫向，棱向三軸尺寸和核桃殼厚的測(cè)量，如圖1所示。測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

圖 1 核桃外觀特性測(cè)量示意圖

表 1 白皮103果外觀物理特性測(cè)定結(jié)果

1.2 有限元模型的建立

根據(jù)對(duì)漾濞核桃外觀特性的研究，取縱向尺寸36.52 mm，橫向尺寸32.432 mm，棱向尺寸29.037 mm，核桃殼壁厚1.3 mm；因殼仁間隙較小不宜測(cè)量，參考文獻(xiàn)[11]取殼仁間隙1.8 mm。使用三維建模軟件Solidworks對(duì)云南漾濞核桃進(jìn)行建模并用Simulation有限元仿真分析軟件其進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。

漾濞核桃果殼和果仁纖維化不明顯，因此可以將果殼和果仁的近似假定為各向同性材料[8]。參考生物材料及其他堅(jiān)果類殼體的泊松比設(shè)定核桃殼彈性模量10 MPa，泊松比0.29，核桃仁彈性模量取核桃殼的10%，取1 MPa[12]。Simulation提供固體網(wǎng)格、中面、表面三種網(wǎng)格劃分方法，取實(shí)體網(wǎng)格對(duì)核桃殼和核桃仁進(jìn)行劃分[10]，單元大小為1.05218 mm，公差為0.052609 mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為41170，單元總數(shù)為21352，建立好的高品質(zhì)網(wǎng)格有限元模型如圖2所示。

圖 2 核桃網(wǎng)格圖

Fig.2 Walnut grid

圖 3 核桃縱軸載荷圖

1.3 有限元分析

分別對(duì)核桃的不同位置施加不同的載荷。

1.3.1 在核桃縱軸方向施加載荷對(duì)核桃縱軸方向施加300 N的法向集中力[8]，如圖3所示。對(duì)核桃縱向方向施加載荷的靜態(tài)應(yīng)變力，靜態(tài)位移，靜態(tài)應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

如圖4所示，當(dāng)對(duì)縱軸方向施加300 N集中法向力時(shí)，核桃在施加載荷處存在最大位移1.749 mm，核桃的應(yīng)力應(yīng)變主要出現(xiàn)在核桃縱軸頂部的小曲面區(qū)域，且由受力點(diǎn)向外逐步擴(kuò)散并減小，但沒有沿裂紋擴(kuò)展。由此可推斷出：核桃受力時(shí)施加載荷處最先破裂逐步向核桃中心擴(kuò)散，只會(huì)出現(xiàn)局部破裂的情況，且破裂過程中會(huì)傷及核桃仁，不滿足高質(zhì)量破殼的要求。對(duì)核桃縱軸方向的有限元分析結(jié)果如表2所示。

圖 4 核桃縱軸方向有限元分析結(jié)果圖

表2 核桃縱軸方向的有限元分析結(jié)果

1.3.2 在核桃棱軸方向施加載荷對(duì)核桃棱軸方向施加300 N的法向集中力[8]，如圖5所示。對(duì)核桃縱向方向施加載荷的靜態(tài)應(yīng)變力，靜態(tài)位移，靜態(tài)應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖 5 核桃棱向載荷圖

圖 6 核桃棱軸方向有限元分析結(jié)果圖

如圖6所示，當(dāng)對(duì)棱軸方向施加300 N集中法向力時(shí)，結(jié)果與縱軸方向施加載荷類似。核桃在施加載荷處存在最大位移5.38756 mm，此位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于核桃殼仁間隙1.8 mm，不利于整仁率的破殼要求。如圖4（a），圖4（c）靜態(tài)應(yīng)力圖與靜態(tài)應(yīng)變圖相差不大，由此可知核桃在施加載荷處出現(xiàn)裂縫并沒有沿裂紋線向外擴(kuò)展，而是局部破裂，不利于較大脫殼率的破殼要求。

對(duì)核桃縱軸方向的有限元分析結(jié)果如表3所示。

表 3 核桃棱軸方向的有限元分析結(jié)果

1.3.3 在核桃橫軸方向施加不同載荷對(duì)核桃橫軸方向施加300 N的法向集中力[8]，如圖7所示。對(duì)核桃橫向方向施加法向集中力的靜態(tài)應(yīng)變力，靜態(tài)位移，靜態(tài)應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。

圖 7 核桃橫向法向集中力載荷圖

圖 8 核桃橫軸方向法向集中力有限元分析結(jié)果圖

如圖8所示，當(dāng)對(duì)橫軸方向施加300 N集中法向力時(shí)，核桃在施加載荷處存在最大位移1.14553 mm，核桃的應(yīng)力應(yīng)變主要出現(xiàn)在核桃縱軸頂部的小曲面區(qū)域，且由受力點(diǎn)向外逐步擴(kuò)散并減小，如圖8（a），圖8（c）靜態(tài)應(yīng)力圖與靜態(tài)應(yīng)變圖存在較小差別，由此可知核桃受力破裂時(shí)存在細(xì)微的裂紋擴(kuò)展，但效果依然不能滿足高脫殼率的破殼要求。

對(duì)核桃橫軸方向法向集中力的有限元分析結(jié)果如表4所示。

比較對(duì)核桃的縱軸，棱軸，橫軸三個(gè)方向施加300 N的法向集中的有限元分析結(jié)果可知：對(duì)縱軸施加載荷，其脫殼率不高；對(duì)棱軸施加載荷其整仁率不高；對(duì)橫軸施加載荷其脫殼率和整仁率較對(duì)縱軸和棱軸施加載荷的破殼效果好，但仍不能保證高脫殼率和高整仁率的破殼要求。

表4 核桃橫軸方向法向集中力的有限元分析結(jié)果

對(duì)核桃橫軸方向施加300 N的范圍集中力[8]，如圖9所示。對(duì)核桃橫向方向施加范圍分布力的靜態(tài)應(yīng)變力，靜態(tài)位移，靜態(tài)應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。

如圖10（a）所示，當(dāng)對(duì)橫軸方向施加300 N范圍分布力時(shí)，當(dāng)應(yīng)力值到達(dá)屈服力200e+007 N時(shí)核桃破裂產(chǎn)生裂紋。如圖10（b）所示，核桃在施加載荷的曲面范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的破殼位移0.282692 mm，位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于殼仁間隙1.8 mm，不會(huì)傷及核桃仁。如圖10（c）所示，核桃受力產(chǎn)生的應(yīng)變范圍廣，與圖10（a）相比核桃靠近縫合線的兩側(cè)有明顯差異，說明裂紋擴(kuò)展廣，核桃在施加載荷處破裂后沿裂紋繼續(xù)分裂，不會(huì)形成局部破殼的情況。

圖 9 核桃橫向范圍分布力的載荷圖

Fig.9 Walnut load chart of distribution force in transverse axis

圖10 核桃橫軸方向范圍分布力有限元分析結(jié)果圖

對(duì)核桃橫軸方向范圍分布力的有限元分析結(jié)果如表5所示。

表5 核桃橫軸方向范圍分布力的有限元分析結(jié)果

綜合以上對(duì)核桃的不同位置施加不同的載荷的有限元分析得出：對(duì)核桃橫軸方向施加范圍分布力可保持破殼的高整仁率，高脫殼率，滿足高質(zhì)量破殼的要求。

2 破殼設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)基于有限元分析的核桃破殼力學(xué)分析可知：對(duì)核桃橫軸方向施加范圍分布力為最佳的破殼方式。這就要求核桃破殼設(shè)備要有定向裝置，且破殼裝置能夠?qū)颂沂┘臃秶植剂Α?/p>

本文研究的云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖11所示。由7部分組成：入料裝置，分選裝置，排列裝置，定向裝置，破殼裝置，料斗，機(jī)架；分選裝置采用篩籠式分選，定向方式采用差速帶夾持定向，破殼方式采用擠壓破殼。三相異步電機(jī)提供電力，整機(jī)外形尺寸為3000 mm×930 mm×1050 mm，整機(jī)質(zhì)量120 kg，電機(jī)功率1.5 kW，扭矩14.3 Nm。

2.2 工作原理

將待加工的核桃倒入入料裝置（1），核桃落入分級(jí)裝置（2）中，由自身重力和離心力的作用將核桃分為四級(jí)待加工，分級(jí)后的核桃經(jīng)分級(jí)裝置出料口（4）落入排列裝置（5），排列裝置（5）將核桃一一排列運(yùn)輸至定向裝置（14），在最小作用量原理的作用下將核桃以橫軸垂直于地面的方向輸送至破殼裝置（11），最終破殼裝置（11）對(duì)運(yùn)送至破殼工位的核桃擠壓破殼，完成破殼的核桃落入料斗（9），破殼工作結(jié)束。

圖 11 云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備

1.入料裝置 2.分選裝置 3.螺旋葉片 4.分選裝置出料口 5.排列裝置 6.排列定位條 7.運(yùn)輸鏈 8.機(jī)架 9.料斗 10.三相異步電機(jī) 11.破殼裝置 12.導(dǎo)管 13.限高梁 14.定向裝置 15.排列裝置出料口 16.側(cè)面帶轉(zhuǎn)軸

1. Feeding device 2. Sorting device 3. Spiral blade 4. Sorting device outlet 5. Arrangement device 6. Arrangement positioning bar 7. Transport chain 8. Frame 9. Hopper 10. Three-phase asynchronous motor 11. Shell breaking device 12. Conduit 13. Limited sorghum 14. Directional device 15. Arrangement device outlet 16. Side with rotating shaft

3 主要工作部件及技術(shù)參數(shù)

3.1 分選裝置設(shè)計(jì)

本云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備的分選裝置采用篩桶式分選，采用不同的篩網(wǎng)尺寸在離心力和核桃自身重力的作用下對(duì)投入篩桶的核桃進(jìn)行分級(jí)。分選裝置主要由篩桶（2），葉片軸（3），螺旋葉片（4），分選出料口（5）組成，分選裝置結(jié)構(gòu)如圖12所示。

落入分選裝置的核桃由螺旋葉片（4）的推動(dòng)自左向右移動(dòng)，分別在對(duì)應(yīng)的分選區(qū)間落下。核桃外觀呈近球形，當(dāng)核桃投入篩桶（2）時(shí)以任意姿勢(shì)待分選，為核桃分選完全，避免因核桃各方向尺寸的差異而導(dǎo)致分選效果不好的情況，根據(jù)對(duì)云南漾濞核桃白皮103果的外觀特性的測(cè)定，將占大比例分布的25~45 mm尺寸數(shù)值分為ABCD四級(jí)分選。篩網(wǎng)分選間隙參數(shù)見表6。

圖 12 分選裝置結(jié)構(gòu)圖

1.入料裝置 2.篩桶 3.葉片軸 4.螺旋葉片 5.分選出料口

1. Feeding device 2. Screen barrel 3. Blade shaft 4. Spiral blade 5. Separation outlet

表6 分選間隙參數(shù)

考慮云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理性要科學(xué)合理的設(shè)計(jì)A、B、C、D四區(qū)間的長(zhǎng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[16]，篩桶分級(jí)設(shè)計(jì)應(yīng)秉承各級(jí)篩網(wǎng)長(zhǎng)度L與各級(jí)下篩的核桃數(shù)量N的函數(shù)關(guān)系為：

式中：L-A分選區(qū)間長(zhǎng)度/mm；L-B分選區(qū)間長(zhǎng)度/mm；L-C分選區(qū)間長(zhǎng)度/mm；L-D分選區(qū)間長(zhǎng)度/mm；N—待分選核桃數(shù)量/mm。

合理擬定篩網(wǎng)總長(zhǎng)度為820 mm。計(jì)算得L:L:L:L=300:277:126:21。合理調(diào)整后取L=300 mm，L=250 mm，L=150 mm，L=120 mm。

根據(jù)核桃在篩桶（2）內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)為方便分析核桃的受力情況，我們將核桃在分級(jí)裝置篩桶（2）內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分為：受螺旋葉片（4）給的推動(dòng)力沿篩桶（2）軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)；受離心力和核桃自身重力于垂直于篩桶（2）軸線的平面內(nèi)做的斜拋運(yùn)動(dòng)。根據(jù)對(duì)核桃在篩桶（2）運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力分析，計(jì)算得葉片軸（3）最高轉(zhuǎn)速76.43 r/min，正常工作轉(zhuǎn)速34.3 r/min。

3.2 排列裝置設(shè)計(jì)

排列裝置由四條排列通道組成，每條排列通道有一條運(yùn)輸鏈（2），每個(gè)鏈節(jié)焊接有一個(gè)長(zhǎng)50 mm的定位條（4），兩個(gè)相鄰的定位條形成一個(gè)果仁槽。排列裝置有兩個(gè)鏈軸（3），四條運(yùn)輸鏈（2），每條運(yùn)輸鏈（2）上有38個(gè)定位條（4）兩兩形成37個(gè)果仁槽，其長(zhǎng)寬高均為50 mm。排列入料口（1）與分選出料口間隙配合，當(dāng)核桃經(jīng)過分選出料口進(jìn)入排列入料口（1）時(shí)。鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)，核桃則被一一排列運(yùn)輸至排列出料口（5）進(jìn)入定向裝置。排列裝置結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖 13 排列裝置結(jié)構(gòu)圖

1.排列入料口 2.運(yùn)輸鏈 3.鏈軸 4.定位條 5.排列出料口

1. Arrangement of inlet and outlet 2. Transportation chain 3. Chain shaft 4. Location bar 5. Arrangement of products outlet

式中：-頻率；-轉(zhuǎn)速；-齒數(shù)。計(jì)算得排列裝置運(yùn)輸鏈轉(zhuǎn)速=14.1 r/min。

3.3 定向裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)基于有限元分析的核桃破殼力學(xué)分析可知：對(duì)核桃橫軸方向施加范圍分布力為最佳的破殼方式。這就要求定向裝置的設(shè)計(jì)要求是將隨機(jī)姿態(tài)進(jìn)入定向裝置的核桃以橫軸垂直底面的姿態(tài)輸出。

定向裝置分為四通道定向作業(yè)工作區(qū)，如圖14所示，每個(gè)通道由四條差速帶實(shí)現(xiàn)定向，差速帶橫截面呈近三角形布置，兩側(cè)帶速度相同轉(zhuǎn)向相反，兩底部帶（3）速度相同轉(zhuǎn)向相同且?guī)俦葍蓚?cè)帶速度大，兩側(cè)差速帶有對(duì)應(yīng)放置的彈性夾片（2）對(duì)帶進(jìn)行向內(nèi)夾持，定向裝置的四個(gè)出料端設(shè)計(jì)有限高梁（4），限高梁（4）可通過高度為對(duì)應(yīng)工位的核桃橫向尺寸。

圖 14 定向裝置結(jié)構(gòu)圖

1.側(cè)面帶棍軸 2.彈性夾片 3.底面帶 4.限高梁

1. Side with stick axle 2. Elastic clip 3. Bottom tape 4. Limited beam

圖 15 核桃定向過程中的受力分析圖

3.3.1 定向原理及受力分析最小作用量原理是物理學(xué)中描述客觀事物規(guī)律的一種重要方法[13]。其內(nèi)容是說：從某一個(gè)特定角度比較客體一切可能的運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為客體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)可以由作用量求極值得出，作用量最小的那個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡即為客體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。本云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備的定向裝置工作原理即以最小作用量原理為理論基礎(chǔ)，核桃在定向裝置中的受力分析圖如圖15所示。

如圖15所示：FO1，F(xiàn)O2為側(cè)面帶對(duì)核桃的摩擦力，方向與核桃運(yùn)動(dòng)方向相反；FI1，F(xiàn)I2為底部帶對(duì)核桃的摩擦力，方向與核桃運(yùn)動(dòng)方向相反；FP1，F(xiàn)P2為側(cè)面帶對(duì)核桃的擠壓力，方向?yàn)檫^接觸點(diǎn)指向核桃質(zhì)心；FQ1，F(xiàn)Q2為底部帶對(duì)核桃的支撐力，方向垂直帶面向上。

核桃在定向裝置中的受力分析為：

（1）當(dāng)核桃縱軸垂直于側(cè)面帶進(jìn)入定向裝置時(shí)，側(cè)面帶對(duì)核桃的擠壓力FP1，F(xiàn)P2達(dá)到最大值，且核桃左右兩側(cè)有輕微尺寸差異，側(cè)面帶對(duì)核桃的摩擦力FO1，F(xiàn)O2大小也有輕微差別，這樣就使擠壓力FP1，F(xiàn)P2和核桃的質(zhì)心存在力矩，核桃會(huì)調(diào)整自身姿勢(shì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，核桃縱軸向與側(cè)面帶方向平行的趨勢(shì)偏轉(zhuǎn)；

（2）當(dāng)核桃縱軸與側(cè)面帶呈45°角時(shí)，兩側(cè)面帶對(duì)核桃的擠壓力FP1，F(xiàn)P2隨縱軸與兩側(cè)面的角度的減小而減小，兩側(cè)面帶對(duì)核桃的摩擦力FO1，F(xiàn)O2隨縱軸與兩側(cè)面的角度的減小而增加（接觸面積增加），兩底面帶對(duì)核桃的摩擦力FI1，F(xiàn)I2變化不大，此時(shí)核桃的縱軸依然向與側(cè)面帶方向平行的趨勢(shì)偏轉(zhuǎn)，核桃依然在調(diào)整自身姿勢(shì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)；

（3）當(dāng)核桃縱軸與兩側(cè)面方向平行時(shí)，兩側(cè)面對(duì)核桃的擠壓力FP1，F(xiàn)P2此時(shí)達(dá)到最小值，兩側(cè)面對(duì)核桃的摩擦力FO1，F(xiàn)O2逐漸增大，此時(shí)核桃不斷以縱軸始終與側(cè)面帶平行的姿勢(shì)發(fā)生自轉(zhuǎn)，核桃運(yùn)動(dòng)逐漸趨向穩(wěn)定。即棱軸始終與側(cè)面帶垂直，當(dāng)核桃自傳運(yùn)動(dòng)至限高梁時(shí)，限高梁允許橫軸垂直地面的核桃通過，若核桃縱軸垂直底面將原地繼續(xù)做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)橫軸垂直于地面時(shí)核桃通過限高梁，進(jìn)入破殼裝置。

3.3.2 定向裝置參數(shù)設(shè)計(jì)由圖15核桃定向過程中的受力分析，可知兩側(cè)面帶負(fù)責(zé)保持合理的夾持和約束作用并配合底面帶對(duì)核桃形成對(duì)核桃質(zhì)心的力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)阻力距。因此兩側(cè)面帶的摩擦系數(shù)要小于兩底面帶的摩擦系數(shù)，經(jīng)查詢市場(chǎng)相關(guān)傳送帶的材料確定了兩側(cè)面帶的材料為較為光滑的PVC帶，兩底面帶的材料為摩擦系數(shù)高的錦綸復(fù)合平帶。

為避免處于定向裝置中的兩兩核桃之間相互影響，兩兩核桃之間要有一定的間距。參照梁勤安[15]等對(duì)鮮杏有效距離的研究確定鮮杏之間距離為147~205 mm?？紤]核桃比鮮杏的尺寸大，所以兩兩核桃之間相互影響比鮮杏大，則取兩兩核桃之間保持250 mm的距離。結(jié)合排列裝置的轉(zhuǎn)速，綜合選取兩轉(zhuǎn)向相反的側(cè)面帶轉(zhuǎn)速為0.25 m/s，兩轉(zhuǎn)向相同的底面帶轉(zhuǎn)速為0.5 m/s。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[4]=1.25max

式中—側(cè)面帶帶寬/mm；max—對(duì)應(yīng)定向通道內(nèi)核桃的最大尺寸/mm。由上式計(jì)算可得各工位側(cè)面帶寬度見表7。

表 7 各工位側(cè)面帶寬度

參照劉向東等針對(duì)三通道鮮杏定向運(yùn)輸裝置中的夾持片的夾持力研究可知[4]，鮮杏適用的彈簧加持片的夾持力變化區(qū)間為1.6至70 N。核桃較鮮杏尺寸較大，且表面粗糙度較大，因此不需要像鮮杏適用的夾持片一樣大的夾持力，經(jīng)綜合分析取適用于核桃定向裝置的彈性夾片的夾持力的變化區(qū)間為1.6至50 N。

3.4 破殼裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)基于有限元分析的核桃破殼力學(xué)分析可知：對(duì)核桃橫軸方向施加范圍分布力為最佳的破殼方式。這就要求破殼裝置需要對(duì)經(jīng)過定向處理的核桃施加一對(duì)范圍分布力，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量破殼。

破殼裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖15所示。破殼裝置采取擠壓的方式對(duì)核桃進(jìn)行破殼。渦輪蝸桿嚙合和齒輪齒條的嚙合傳遞電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，上壓頭滑塊（6）在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上壓頭（9）通過螺紋連接安裝在上壓頭滑塊（6）下部與下壓頭（12）配合對(duì)核桃進(jìn)行施加載荷，且上壓頭（9）與核桃接觸的表面鑲嵌一層1.5 mm厚的橡膠材料。下壓頭（12）安裝在下壓頭棍上，有四個(gè)工位呈90°圓周分布，下壓頭棍通過間歇機(jī)構(gòu)與工作主軸聯(lián)接。破殼裝置還設(shè)計(jì)有微調(diào)螺母（5），通過微調(diào)螺母（5）與二號(hào)齒條（7）和三號(hào)齒條（8）嚙合對(duì)核桃的擠壓間隙做微調(diào)處理。

圖 15 破殼裝置結(jié)構(gòu)

1.撥盤 2.擺齒 3.一號(hào)齒輪 4.一號(hào)齒條 5.微調(diào)螺母 6上壓頭滑塊.7.二號(hào)齒條8.三號(hào)齒條 9.上壓頭 10.導(dǎo)管 11.螺桿 12.下壓頭

1. Dial disc 2. Swing teeth 3. No. 1 gear 4. No. 1 rack 5. Fine tuning nut 6 upper pressure head slider. 7. No. 2 rack 8. No. 3 rack 9. Upper pressure head 10. Conduit 11. Screw 12. Downward pressure head

三相異步電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)破殼主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，破殼主軸上安裝有間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)接下壓頭棍軸。當(dāng)核桃經(jīng)定向裝置定位從導(dǎo)管（10）滑落至下壓頭（12）破殼工位時(shí)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺桿（11）轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿（11）與一號(hào)齒輪（3）嚙合，一號(hào)齒輪（3）轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)撥盤（1）旋轉(zhuǎn)，撥盤（1）上的凸臺(tái)帶動(dòng)擺齒（2）轉(zhuǎn)動(dòng)，擺齒（2）的齒輪部分與上壓頭滑塊（6）上的一號(hào)齒條（4）嚙合，從而上壓頭滑塊（6）在擺齒（2）的帶動(dòng)下做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上壓頭（9）到達(dá)最底部行程時(shí)，上壓頭（9）與下壓頭（12）對(duì)待破殼的核桃進(jìn)行擠壓，完成破殼動(dòng)作，此時(shí)經(jīng)間歇機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)下壓頭棍軸轉(zhuǎn)動(dòng)，下壓頭（12）做90°旋轉(zhuǎn)，將破殼完成的核桃落入出料裝置，上壓頭（9）復(fù)位，進(jìn)入下一輪破殼工作。

4 結(jié)語

根據(jù)基于有限元分析的核桃破殼力學(xué)分析可知：在橫軸方向施加范圍分布載荷核桃最大位移0.282692 mm，最大應(yīng)力3.92881e+007 N/m^2，應(yīng)變范圍廣裂紋分布范圍大且位移量較小不會(huì)傷及核桃仁。所以對(duì)核桃橫軸方向施加范圍分布力為最佳的破殼方式。

本文設(shè)計(jì)了云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備，采用差速帶定向的方法設(shè)計(jì)了定向裝置，可使核桃以橫軸方向的姿態(tài)施加載荷。采用擠壓破殼的方法設(shè)計(jì)了破殼裝置，對(duì)壓頭做了鑲嵌橡膠材料的處理，以達(dá)到對(duì)核桃施加范圍分布力的效果。

該云南漾濞核桃定向破殼設(shè)備與傳統(tǒng)核桃破殼機(jī)構(gòu)有明顯差異?？捎行У奶岣吆颂移茪ぶ械恼事屎兔摎ぢ?，對(duì)云南漾濞核桃破殼方式提供了一種的技術(shù)借鑒。

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Design and Research on Directional Shell Cracking Equipment for Yangbi Yunnan Walnut

LIU Hai-jiang, WANG Ying-biao*, LUO Si-lan, ZHANG Sai, CHEN Jian

650224,

In order to solve the problem of insufficient production capacity of Yunnan walnut industry caused by the poor effect of walnut shell breaking, we simulated and analyzed the shell breaking force of the walnut and designed the directional shell breaking equipment of the walnut. Solidworks software was used to establish the geometric model of walnut, and simulation finite element software was used to simulate and analyze the forces exerted on walnut in different directions. The results showed that the range distribution load applied in the transverse axis direction was the best way to break the shell, the maximum displacement of walnut was 0.282692 mm, the maximum stress was 3.92881e+007 N/m^2, the strain range was wide, the crack distribution range was large and the displacement was small, which will not hurt walnut kernel. In the design of shell breaking equipment, the method of differential speed band orientation was used to conduct directional treatment on walnut, and the extrusion head of shell breaking device was treated with inlaid rubber material to provide a pair of range distribution load for walnut, which met the requirements of walnut shell breaking with high kernels and high hulling rate.

Walnut; directional cracking; mechanical analysis; Solidworks; finite element analysis

S2

A

1000-2324(2020)03-0487-08

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.019

2019-03-01

2019-03-28

云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2019J0186);西南林業(yè)大學(xué)校級(jí)科研專項(xiàng)(111709)

劉海江(1995-),男,碩士研究生,研究方向:農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程. E-mail:515012869@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wybjob@163.com