分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機的設(shè)計與試驗

王 維，王亞妮，盧軍黨，王 佩，劉東琴

（陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所，陜西 咸陽 712100）

核桃仁的蛋白、脂肪、礦物質(zhì)和維生素含量豐富，其含有的維生素B 和E 可以健腦和延緩衰老。近幾年，隨著核桃種植規(guī)模的增加，核桃的產(chǎn)量也在不斷增加，農(nóng)村勞動力嚴(yán)重短缺和人工破殼工價的上漲，使得用戶采購設(shè)備的積極性提高，有利于核桃機械化設(shè)備的推廣應(yīng)用。

核桃機械化破殼取仁生產(chǎn)線主要包括破殼機、殼仁混合物料分級機、殼仁分離機及配套提升輸送設(shè)備等[1-2]。核桃殼仁混合物料分級是核桃機械化破殼、殼仁分離過程中一道重要的工序。經(jīng)破殼機破殼后產(chǎn)生的物料稱為殼仁混合物料，目前分離應(yīng)用最為廣泛的是風(fēng)選式，風(fēng)選分離利用風(fēng)機產(chǎn)生的氣流場使混合物料中的殼、隔膜等輕雜被帶走，而果仁被收集。對混合物料分級有利于提高風(fēng)選分離的效率和質(zhì)量。與原核桃分級機不同之處，混合物料分級要求不能對物料進(jìn)行二次損傷，同時盡量提高工作效率、降低混級率。在分級裝置設(shè)計和試驗方面，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，取得了較大的成果[3-7]，但是在殼仁混合物料分級方面卻鮮有報道。

本文針對殼仁混合物料分級裝置，設(shè)計了一種分段滾筒式殼仁混合物料分級裝置，通過設(shè)計計算確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)，并進(jìn)行臺架試驗，驗證分段滾筒式分級裝置的性能，為殼仁混合物料分級設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

桃仁市場收購價格從高到低依次為1/2仁、1/4仁、1/8仁、1/16仁及碎末，故篩分裝置設(shè)計為6段，從進(jìn)料斗到出料口方向篩網(wǎng)規(guī)格依次增大，分別篩選出碎末、1/16 殼仁混合物料、1/8 殼仁混合物料、1/4 殼仁混合物料、1/2 殼仁混合物料及未破開物料。

圖1 分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of the structure

1.2 工作原理

經(jīng)破殼后的核桃殼仁混合物料由進(jìn)料斗進(jìn)入滾筒篩網(wǎng)，電機轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器和鏈傳動2 次減速后將動力傳遞給滾筒軸，滾筒軸與焊合滾筒通過絲桿螺栓連接，通過滾筒軸旋轉(zhuǎn)帶動焊合滾筒旋轉(zhuǎn)，焊合滾筒內(nèi)部設(shè)有螺旋輸送機構(gòu)，篩網(wǎng)通過喉箍與焊合滾筒連接為一體，進(jìn)入篩網(wǎng)的混合物料通過焊合滾筒的旋轉(zhuǎn)游經(jīng)各段篩網(wǎng)，各級殼仁混合物料由小到大分別透過篩網(wǎng)經(jīng)出料板排出，未完全破開的核桃與大殼的混合物送至滾筒末端出料口排出，完成一輪分級工作。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)的確定

2.1 篩網(wǎng)規(guī)格的選擇及長度設(shè)計

篩網(wǎng)規(guī)格主要根據(jù)破殼后未破開、1/2 仁、1/4 仁、1/8 仁、1/16 仁及碎末的大小確定，物料大小不同，篩網(wǎng)規(guī)格不同，篩網(wǎng)與焊合滾筒通過喉箍連接，可方便更換；混合物料剛進(jìn)入進(jìn)料斗時，物料量最多，為了能保證所有物料均能接觸到篩網(wǎng)，將進(jìn)料處篩網(wǎng)長度稍微加長，考慮到整機長度，中間四級長度次之，末級篩網(wǎng)長度最短。本機以云南泡核桃為例，結(jié)合各級物料平均尺寸和人工多次試驗，選擇篩網(wǎng)規(guī)格見表1。

表1 人工初步確定基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters determined manually

2.2 滾筒轉(zhuǎn)速

要求物料在0 ≤θ≤90°時掉落，則物料在上升的過程中受到重力G、滾筒壁的法向反力N和切向反力F的作用力，見圖2，其質(zhì)點的運動微分方程在主法線上的投影式：

圖2 物料在滾筒內(nèi)臨界點的受力分析Fig.2 The stress analysis of critical point of material in drum

質(zhì)點在未離開滾筒壁時的速度為：

物料落下，此時N=0，則根據(jù)計算轉(zhuǎn)速取值范圍為0＜n＜95 r/min。滾筒轉(zhuǎn)速是分級設(shè)備的一個重要參數(shù)，轉(zhuǎn)速過快會對桃仁損傷嚴(yán)重，混級率增加、嚴(yán)重堵塞，在滿足生產(chǎn)效率的前提下轉(zhuǎn)速盡量慢一些。

2.3 螺旋輸送

根據(jù)物料特性，選擇帶式葉片螺旋輸送，帶寬根據(jù)最大物料的基本參數(shù)確定，為使給料均勻，采用給料段為較短的變螺距螺旋[8-10]。本物料的充填系數(shù)較小，可以取較大螺距。

螺距應(yīng)滿足：

其中：ρ——物料對螺旋面的摩擦角，°；D——螺旋直徑，m。

螺旋的最大許用轉(zhuǎn)數(shù)有下面經(jīng)驗公式確定：

式中：A——經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)物料特性查表取A為50。

3 試驗設(shè)計

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

確定分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機的最佳參數(shù)，保證混級率和傷果率最小的工況下工作效率最大化。

3.2 試驗條件

本試驗采用陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所原有的混合物料分級機進(jìn)行改造[11]，將送料方式由傾角式改為帶式變距螺旋輸送；分級級數(shù)為6 級，可將物料從大到小依次分為：未破開物料、1/2 殼仁混合物料、1/4 殼仁混合物料、1/8 殼仁混合物料、1/16 殼仁混合物料及碎末殼仁混合物料；傳動裝置采用變頻控制器和電機及鏈條組成，轉(zhuǎn)速可調(diào)，進(jìn)料采用提升輸送機勻速進(jìn)料。試驗物料采用云南泡核桃，破殼前未對原核桃進(jìn)行分級處理。

3.3 試驗因素與水平

影響分級機性能指標(biāo)因素有滾筒內(nèi)螺旋螺距、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒長度、滾筒直徑、喂料量等，根據(jù)生產(chǎn)線殼仁分離的加工要求，確定滾筒內(nèi)螺旋螺距和滾筒轉(zhuǎn)速，研究其對分級質(zhì)量的影響，采用二因素三水平的正交試驗L4（23），試驗因素與水平、試驗結(jié)果及結(jié)果分析如表2、表3及表4所示。

表2 試驗因素及水平Tab.2 The factors and level of the experiment

表3 正交試驗方案與結(jié)果Tab.3 The orthogonal test scheme and results

表4 試驗結(jié)果分析Tab.4 The analysis of test results

本表中的混級率和生產(chǎn)率按照J(rèn)B/T12443-2015 的性能測定方法測定。

從表2 與表3 可以看出，分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機的因素A滾筒內(nèi)螺旋螺距的影響比因素B滾筒轉(zhuǎn)速的影響顯著，因此，因素的主次順序為A、B。在實際生產(chǎn)的過程中，因為設(shè)備的生產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工，所以用戶要求最大化降低混級率，從而提高商品附加值。因此因素的較優(yōu)組合為A2B3，即滾筒內(nèi)螺旋螺距為100 mm，滾筒轉(zhuǎn)速20 r/min。

4 結(jié)論

分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機的內(nèi)螺旋螺距對核桃殼仁混合物料分級的混級率和生產(chǎn)率影響較大，滾筒轉(zhuǎn)速次之。經(jīng)過試驗及實際生產(chǎn)需要，確定設(shè)備的較優(yōu)因素組合為滾筒內(nèi)螺旋螺距為100 mm，滾筒轉(zhuǎn)速20 r/min。本試驗結(jié)果為18×18×Φ1.5規(guī)格的較優(yōu)因素組合，試驗同時也驗證滾筒轉(zhuǎn)速為20r/min 時，其余篩網(wǎng)規(guī)格的最佳篩網(wǎng)長度和內(nèi)螺旋螺距的最優(yōu)組合。

在實際生產(chǎn)中碎末和1/16 桃仁均用于榨油，且此部分的質(zhì)量占比為5%左右，故將其篩網(wǎng)規(guī)格合二為一，取規(guī)格型號為6×6×Φ0.8，經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)，1/2 仁中混的1/4 仁較高，通過仔細(xì)觀察1/4仁有大小之分，見圖3。此部分的質(zhì)量占比為85%以上，為了降低混級率，在18×18×Φ1.5 規(guī)格之后增加20×20×Φ1.5，通過驗證試驗，可以有效降低1/2 仁中的混級率，最低可以降低到4%左右，能夠滿足用戶要求。

圖3 大1/4仁和小1/4仁Fig.3 The large 1/4 kernel and small 1/4 kernel

本試驗中的原核桃在破殼工序前未進(jìn)行大小分級，破殼前對原核桃分級可以進(jìn)一步降低混級率，提高生產(chǎn)率。有待驗證。