二次擠壓式核桃破殼機

程國梁

鄭甲紅

王 超

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

核桃是胡桃科植物，又稱為胡桃、羌桃。因其具有豐富的營養(yǎng)素，而成為人們喜愛的堅果類食品之一。作為世界上核桃起源中心之一，中國擁有廣闊的種植面積，其年產(chǎn)量也僅次于美國，成為世界第二大生產(chǎn)國[1-2]。

目前，核桃破殼機主要分為對輥擠壓式核桃破殼機、錐籃式離心碰撞破殼機和柔性帶剪切擠壓核桃破殼機等[3-5]，市場上絕大多數(shù)都是通過調(diào)整擊打力以保證核桃的破殼效果，但是無法保證核桃的整仁率、高露仁率及核仁的品相。由于核桃品種繁雜、尺寸差異較大，往往需經(jīng)過分級后再破殼，而市場上的大多數(shù)設(shè)備并不能調(diào)節(jié)擠壓行程，或者調(diào)節(jié)行程困難，導致碎仁率高、破殼率低等問題。文章擬針對陜西西安、商洛、咸陽等地的核桃品種，設(shè)計一種新型的核桃破殼裝置，旨在為多尺寸核桃破殼設(shè)備的研發(fā)提供依據(jù)。

1 總體方案

1.1 方案設(shè)計

1. 槽輪機構(gòu) 2. 縱向擠壓板 3. 凸塊 4. 機架 5. 料斗 6. 曲軸 7. 連桿 8. 導桿 9. 直線軸承 10. 破殼支撐板 11. 運輸盒 12. 電機 13. 彈簧 14. 凸輪導向器

試驗設(shè)計的核桃破殼機在對核桃進行破殼，核桃分級后，一個工作循環(huán)中，每個工位只對一個核桃進行破殼，即單果破殼。故在設(shè)計核桃入料系統(tǒng)時，機架內(nèi)采用多個平行鏈條傳動機構(gòu)，兩個鏈條傳動機構(gòu)之間連接有頂部開口的擠壓盒，每個擠壓盒內(nèi)均設(shè)計成凹球面，方便核桃的落入和擠壓定位。對于尺寸差異較大的核桃，設(shè)計擠壓行程可調(diào)的擠壓裝置。核桃破殼設(shè)備原理示意圖如圖1所示，其具體實施方式為：電機驅(qū)動后，利用同步帶和槽輪機構(gòu)帶動鏈輪來實現(xiàn)間歇運動，機架頂部連接有曲軸，曲軸上連接有連桿，連桿的下端鉸接有導桿，導桿的下端開設(shè)有螺紋孔，螺紋孔內(nèi)螺紋連接有豎向擠壓桿，豎向擠壓桿的下端連接有擠壓板，通過調(diào)節(jié)豎向擠壓桿的螺紋璇入深度，以螺母固定，實現(xiàn)調(diào)節(jié)豎向擠壓桿距離擠壓盒的距離，即縱向擠壓行程。當曲軸轉(zhuǎn)動時，曲軸帶著連桿上下往復運動，連桿帶動導桿運動，導桿通過法蘭式直線軸承，帶動豎向擠壓桿上下往復運動，實現(xiàn)擠壓板在豎直方向?qū)颂业耐鶑蛿D壓，同時在擠壓盒下方設(shè)計有一塊破殼支撐板，提高破殼效果和防止縱向破殼對鏈條的損害。同理，帶動擠壓盒和擠壓盒兩側(cè)的擠壓桿一起運動，當擠壓盒兩側(cè)的擠壓桿上的導向滾輪與對應的凸塊接觸后，在凸塊斜面的作用下，兩個橫向擠壓桿相互靠近，進而通過擠壓板實現(xiàn)對核桃的橫向擠壓；當導向滾輪與對應的凸塊脫離后，在彈性件的作用下，橫向擠壓桿復位，實現(xiàn)下一次的擠壓操作。每個凸塊距離擠壓盒的距離能夠調(diào)節(jié)，根據(jù)核桃尺寸等級，通過調(diào)節(jié)凸塊距離擠壓盒的距離，實現(xiàn)對橫向擠壓行程的調(diào)節(jié)。因為橫向擠壓和豎向擠壓行程能夠調(diào)節(jié)，根據(jù)核桃的大小來調(diào)節(jié)豎向擠壓桿距離擠壓盒的距離以改變擠壓行程，從而達到破殼的目的，相對于市場上現(xiàn)有的破殼機，可以降低破殼過程中的碎仁率，提高破殼率。

利用同步帶和槽輪機構(gòu)帶動鏈輪來實現(xiàn)間歇運動，通過電機裝置驅(qū)動同步帶傳動，帶動曲軸和槽輪機構(gòu)(8個槽)運動，轉(zhuǎn)速為 60 r/min，槽輪機構(gòu)的撥盤每轉(zhuǎn)一圈，槽輪轉(zhuǎn)動45°，因為鏈輪齒數(shù)為16，故鏈條帶動一個擠壓盒移動，實現(xiàn)間歇式運動。試驗設(shè)計的擠壓板的擠壓面呈弧面，擠壓半徑為33.64 mm[6-7]。

試驗樣機共4組鏈，最左側(cè)包括橫向擠壓和縱向擠壓，其余3排均為縱向擠壓。主要破殼運動原理：利用同步帶和槽輪機構(gòu)帶動鏈輪實現(xiàn)間歇運動，通過曲軸運動和鏈條運動之間的配合實現(xiàn)單工位擠壓、破殼，單工位可以達到破殼4個/s，即生產(chǎn)率可達到280 kg/h，此時破殼效率高，破殼效果較好。

1.2 技術(shù)參數(shù)

1. 凸塊 2. 彈簧 3. 擠壓盒 4. 凸輪導向器圖3 橫向擠壓結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of transverseextrusion structure

主要技術(shù)參數(shù)性能指標見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)性能指標Table 1 Performance indexes of main technical parameters

2 主要部件設(shè)計

2.1 料斗設(shè)計

為了單工位上料方便，設(shè)計料斗時，料斗底部與擠壓盒頂部開口對應，擠壓盒寬度66 mm，料斗底部開口寬度74 mm。每個料盒內(nèi)部設(shè)計一個凹球面的槽(見圖2)，方便核桃落入后定位，且設(shè)計每個盒子只能落入一個核桃。分級后的核桃入盒后，在鏈條的驅(qū)動下，再分別對核桃進行縱向擠壓和橫向擠壓。

圖2 料斗示意圖Figure 2 Hopper diagram

2.2 破殼機構(gòu)設(shè)計

兩個鏈條傳動機構(gòu)之間連接有頂部開口的擠壓盒，每個鏈條傳動機構(gòu)的外鏈板與對應的擠壓盒的側(cè)壁之間貫通滑動設(shè)置有橫向擠壓桿，每個橫向擠壓桿上套設(shè)有彈性件，每個彈性件的一端抵在對應的擠壓盒的外側(cè)壁上，另一端抵在橫向擠壓桿上；每個橫向擠壓桿伸進擠壓盒內(nèi)的一端連接有擠壓板，每個橫向擠壓桿的另一端設(shè)置有凸輪導向器(見圖3)；機架兩側(cè)正對設(shè)置有凸塊，每個凸塊上朝向擠壓盒的一端為斜面，斜面能夠與凸輪導向器接觸，且每個凸塊距離擠壓盒的距離能夠調(diào)節(jié)；機架頂部連接有曲軸，曲軸上連接有連桿，連桿的下端鉸接有導桿，導桿的下端開設(shè)有螺紋孔，螺紋孔內(nèi)螺紋連接有豎向擠壓桿，豎向擠壓桿距離擠壓盒的距離能夠調(diào)節(jié)，豎向擠壓桿的下端連接有擠壓板(見圖4)。

圖4 縱向擠壓裝置結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Structure of longitudinal extrusion device

設(shè)計核桃破殼縱向擠壓時，曲柄滑塊機構(gòu)行程S為

64 mm,對于曲柄滑塊機構(gòu)，其曲柄長為32 mm,考慮到安裝問題和避免出現(xiàn)自鎖[8]，曲柄滑塊機構(gòu)的連桿長為138 mm,如圖5兩個極限位置均不會出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象。

圖5 曲柄滑塊機構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of crank slider mechanism

對曲柄滑塊進行受力分析，在任一時刻滑塊、壓桿受力情況如圖6所示。

圖6 曲柄滑塊機構(gòu)受力分析圖Figure 6 Stress analysis diagram of crank slidermechanism

對滑塊進行力平衡分析有：

(1)

曲柄轉(zhuǎn)矩M1=FAB·m1，

(2)

力臂m1=Rsin(α+θ),

(3)

在弧形擠壓面接觸核桃的瞬間，以最大破殼力和最大擠壓行程為標準，最佳加載力為580 N[9], 根據(jù)已知尺寸和相關(guān)公式計算，單個破殼工位需要的破殼功率為0.116 kW。

2.3 傳動機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)破殼機的工作需求，確定設(shè)備的傳動路線。電機的運動輸出經(jīng)過V帶傳動到驅(qū)動軸，帶動撥盤轉(zhuǎn)動，進而槽輪進行運動，帶動送料機構(gòu)進行運動。通過同步帶的運動，帶動曲柄機構(gòu)進行運動，將運動傳遞到驅(qū)動導桿上，帶動破殼機構(gòu)進行往復運動，完成核桃破殼工作。其整機傳動方案結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

圖7 整機傳動方案結(jié)構(gòu)簡圖Figure 7 Machine transmission scheme structurediagram

電機的選型：電機在穩(wěn)定載荷下所需的工作功率為：

Pd=Pw/ηa，

(4)

式中：

Pw——破殼機所需的工作效率；

ηa——電機至破殼工驅(qū)動端的總效率。

系統(tǒng)ηa是構(gòu)成系統(tǒng)的各個機構(gòu)所有運動副效率之積，即

(5)

式中:

η1——滾動軸承傳遞效率，查表得0.99；

η2——帶傳遞效率，查表得0.95；

η3——同步帶傳遞效率，查表得0.99；

η4——減速器傳遞效率，查表得0.98；

則ηa=0.99×0.95×0.99×0.98=0.912，電機的總功率為：

Pd=4P/ηa(4工位)=0.51 kW。

綜合考慮破殼設(shè)備在運行過程中，電機在為破殼工位提供動力時，還需要同時帶動送料機構(gòu)的運動，故電機功率取0.75 kW。

單個工位的破殼速率設(shè)定為60 r/min，即為驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速。對傳送帶取i=2，而減速器的傳動比為6～56，則電機轉(zhuǎn)速的可選范圍為1 080～10 080 r/min?？紤]電動機的安裝方式及成本因素，電機型號最終定為CH28-750 W 380 V(轉(zhuǎn)速1 400 r/min，減速比為12)。

3 破殼機驗證實驗

針對上述運動和破殼原理，對核桃破殼機進行試制，并進行相關(guān)驗證實驗。陜西核桃圓度較高，故試驗材料為陜西省內(nèi)地的香玲核桃，首先對核桃進行尺寸分級，分級范圍為Ⅰ級30～35 mm，Ⅱ級36～40 mm，Ⅲ級41～45 mm，再將每級分為兩組，每組30個核桃，配套電機為CH28-10-750 W，380 V。根據(jù)核桃尺寸等級調(diào)整相應的破殼擠壓行程。啟動電機后，機器正常運轉(zhuǎn)，從料斗口送料。試驗結(jié)果見表2。

表2 試驗結(jié)果分析Table 2 Analysis of test results

由表2可知，一次擠壓平均破殼率為99.28%，二次擠壓平均破殼率為100.00%；一次擠壓平均整仁率為42.69%，二次擠壓平均整仁率為77.58%。

4 結(jié)論

結(jié)合當前市場上的破殼設(shè)備以及破殼時存在的各種問題，試驗設(shè)備通過多點擠壓原理和單工位破殼方式實現(xiàn)了對核桃的完整破殼。該破殼設(shè)備的特點：① 采用多點擠壓式破殼和二次破殼的機理[10]，提高了核桃破殼機的破殼率和整仁率。② 核桃破殼機中破殼工位設(shè)計的擠壓裝置行程可調(diào)。對于不同大小的核桃，完成核桃分級后，可通過改變擠壓裝置的運動行程，使一臺機器完成多種尺寸核桃的破殼工作。③ 結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，經(jīng)濟實用。后續(xù)可對其他品種核桃及殼仁分離進行研究。