低損花生脫殼裝置設(shè)計

陸 榮

（遼寧生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，沈陽 110000）

花生含油量豐富，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的經(jīng)濟地位。相關(guān)研究顯示，花生機械脫殼的工作效率是人工作業(yè)的40 倍以上，但是果仁在機械脫殼過程中難免受損傷，容易失油、污染、霉變和遭到黃曲霉毒素侵染，嚴重影響質(zhì)量，因此研制低損高效的花生脫殼裝置對于實現(xiàn)花生脫殼的機械化具有重要意義[1]。

1 花生脫殼原理分析與方案比較

1.1 花生脫殼原理分析

目前，機械式脫殼原理主要有打擊式、碾搓式和擠搓式，多采用滾筒和凹板篩作為脫殼部件。打擊式脫殼部件采用打板或打桿配合柵條式凹板篩或網(wǎng)式凹板篩?；ㄉv果受到快速旋轉(zhuǎn)的打板或打桿的打擊撞在機殼內(nèi)壁上，隨內(nèi)壁角度被彈回，再次進入打擊區(qū)域。果殼在反復(fù)打擊、碰撞下開裂實現(xiàn)脫殼。打擊式脫殼生產(chǎn)率高，但是果仁破損率為10%～20%，因此主要用于榨油或深加工用花生的脫殼，不適用于育種[2]。碾搓式脫殼對果殼的作用力既有碾壓又有剪切。脫殼部件為滾齒和凹板篩。滾齒轉(zhuǎn)動，凹板篩固定，落入的花生莢果被帶入滾齒與凹板篩的間隙，受到碾壓后開裂。擠搓式脫殼使花生莢果同時受到擠壓力和剪切力。為達到良好的擠壓效果而不增大破碎率，脫殼部件多采用橡膠材質(zhì)。

3 種機械脫殼原理中，打擊式脫殼效率最高，多應(yīng)用于大中型脫殼機，但是果仁破損率高，比較適合榨油用花生脫殼。碾搓式脫殼效率次之，果仁破損率較低，多用于小型花生脫殼機，供農(nóng)戶在田間使用或育種脫殼。擠搓式脫殼由于采用柔性脫殼部件導(dǎo)致脫殼效率最低，體積較大，雖然果仁質(zhì)量較好，但是市場應(yīng)用并不多。

1.2 脫殼布置方案比較

現(xiàn)行花生脫殼機包括臥式和立式兩種。臥式脫殼機構(gòu)雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整和操作要求不高、可靠性好等優(yōu)點，但是有效脫殼面積不到脫殼部件的1/2，導(dǎo)致整體脫殼效率較低。脫殼后的花生果仁易隨滾筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，不能及時從凹板篩縫隙脫出，增加損傷概率，導(dǎo)致脫殼破損率較高。立式脫殼部件軸線垂直，凹板篩（或碎殼壁）與滾筒均為圓錐形，同心套在滾筒外側(cè)，有效工作區(qū)為360°，脫殼面積大。脫殼后可利用自身重力離開脫殼區(qū)，減少果仁損傷，降低花生的破損率，可應(yīng)用于對果仁質(zhì)量要求較高的出口和育種花生的脫殼。文章針對立式倒置錐體滾筒花生脫殼裝置展開研究。

2 倒置錐體花生脫殼裝置設(shè)計

倒置錐體花生脫殼裝置由均布喂料裝置、錐形脫殼滾筒和錐形凹板篩組成。倒錐式脫殼筒為上大下小的中空圓臺，外側(cè)安裝螺旋橡膠筋條。脫殼過程中，筋條與花生莢果產(chǎn)生相對運動，增加對莢果的擠壓和碾搓，與篩條共同作用實現(xiàn)脫殼。使用橡膠材質(zhì)可以避免剛性沖擊，而且采用螺旋設(shè)計能夠?qū)ηv果群產(chǎn)生向下的導(dǎo)向作用，使已經(jīng)脫殼的莢果在脫殼后盡快離開脫殼區(qū)間，減小損傷，并驅(qū)動未脫殼的莢果向下流動。直立錐滾筒式花生脫殼裝置模型，如圖1 所示。為設(shè)計合理的筒與篩的結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)，有必要分析花生莢果脫殼時的受力情況。

圖1 脫殼裝置模型

2.1 脫殼受力分析

倒錐式脫殼筒、脫殼篩具有一定的錐角。為方便花生莢果流入脫殼筒、脫殼篩縫隙，篩子錐角應(yīng)略大于脫殼筒的錐角，且兩錐角的角度不能相差太大?；ㄉv果在脫殼區(qū)間內(nèi)受到筒壁、筋條、篩條及其他花生莢果的作用力，既有脫殼部件的擠壓、剪切和摩擦作用，又有莢果與莢果之間的擠壓、摩擦作用，受力較為復(fù)雜。為深入分析，進行如下簡化：將花生莢果視為軸徑為零的質(zhì)點，所受各力均過質(zhì)心；將篩條視為全部沿著母線方向的絕對圓錐形；將兩個角度近似視為相同角度，以簡化分析過程；將篩條與內(nèi)層莢果、筒壁的作用力簡化為沿筒壁的切向力Nsz和法向力Nsx?；ㄉv果隨脫殼滾筒以轉(zhuǎn)速n順時針旋轉(zhuǎn)，與滾筒筋條在P點接觸，如圖2 所示。

圖2 花生莢果受力分析

建立空間力系平衡方程為

式中：α為脫殼篩、脫殼筒的傾角，半錐角，°；β為橡膠筋條與水平軸的夾角，°；Fa為花生莢果所受離心力，N；G為花生莢果的重力，N；Nj為筋條壓力，N；Ffs為篩條摩擦力，N；Ffj為筋條摩擦力，N。

花生莢果所受離心力公式為

式中：m為花生莢果質(zhì)量，kg；ω為花生莢果角速度，rad；R為花生莢果所處位置的脫殼篩半徑，m。

篩條與筋條的摩擦力公式分別為

式中：μs為花生莢果與篩子間的摩擦系數(shù)。

式中：μj為花生莢果與脫殼筒筋條間的摩擦系數(shù)。

令式（1）中各項為0，經(jīng)過推導(dǎo)可得出篩條與內(nèi)層莢果、筒壁作用力的法向力、切向力和筋條壓力公式，即

為保證脫殼篩的剛度，脫殼筋條采用45#鋼，其與花生莢果的摩擦系數(shù)為0.437[3-4]。由受力分析可知，莢果受力與轉(zhuǎn)速n、篩筒傾角α、筋條傾角β有關(guān)。轉(zhuǎn)速越大，莢果所受剪切力和擠壓力就越大，更易造成果仁損傷。考慮旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，n取300～400 r·min-1。篩筒傾角α越小，莢果所受擠壓力越大，剪切力也越大。為使莢果能夠在重力下自由下落，應(yīng)使篩筒傾角α＜66°。綜合考慮力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)限制，選取半錐角α為30°～50°。筋條傾角β控制脫殼間隙中物料的下落速度，β越大，莢果所受剪切力越大，對莢果的螺旋推動作用就越小，可減輕脫殼損傷，取30°～60°為宜。

2.2 脫殼裝置設(shè)計

脫殼裝置由倒錐式脫殼筒和倒錐式篩組成，為適應(yīng)不同品種花生脫殼，脫殼筒上方設(shè)置脫殼間隙調(diào)整連接盤。選用圓柱狀的柵條篩，篩頂平面高于筒頂平面，上部篩筒間隙大于底部篩筒間隙，篩條間的底部縫隙小于頂部縫隙，便于未能在上方脫殼的尺寸較小的花生莢果能在靠近底部處脫殼，提高脫凈率[5]。為防止莢果未經(jīng)脫殼便從篩縫中流出，設(shè)計篩子頂部間隙小于93%的莢果直徑，大于99%的花生仁直徑，最終取頂端間隙為11 mm。直徑大于11 mm 的莢果在脫殼過程中果殼破裂，果仁從縫隙下落。底部篩條間隙應(yīng)略小于頂部篩條間隙，以適應(yīng)較小尺寸的莢果，改善擠壓和剪切效果，可取為9 mm。令脫殼篩與筒之間頂部圓周間隙為t1，底部圓周間隙為t2，底部垂直距離為t3，脫殼筒、脫殼篩間隙設(shè)計如圖3 所示。

圖3 脫殼筒、脫殼篩間隙設(shè)計

為使花生順利流入，頂部間隙應(yīng)大于花生寬或厚的最大值，且不大于3 倍莢果寬度或厚度的最大值，同時不大于莢果長度的最大值[6]，綜合分析后取t1=30 mm。能夠落到脫殼區(qū)間底部的莢果一般尺寸較小，底部間隙應(yīng)小于最小莢果寬或厚的尺寸，大于最小果仁的尺寸，取t2=6～10 mm。t3的大小變化直接影響t1和t2值。間隙調(diào)整通過在固定脫殼筒、脫殼篩處增加墊片來實現(xiàn)，脫殼筒、脫殼篩的設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 脫殼篩、筒設(shè)計參數(shù)

3 結(jié)語

文章分析了花生脫殼原理，研究了花生脫殼布置方案的特點并進行比較，根據(jù)低損花生脫殼機的基本要求，確定了立式倒置錐體滾筒式花生脫殼方案。對花生在脫殼區(qū)間進行受力分析可知，莢果受力與篩筒傾角α、筋條傾角β和轉(zhuǎn)速n有關(guān)。根據(jù)錐形脫殼滾筒和脫殼凹板篩的幾何設(shè)計參數(shù)，確定了環(huán)形脫殼間隙等關(guān)鍵部件的參數(shù)范圍，可為參數(shù)優(yōu)選提供理論基礎(chǔ)。