碰撞式核桃破壳机的设计30doc.docx
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碰撞式核桃破壳机的设计30doc
碰撞式核桃破壳机的设计
1核桃破壳技术现状
国外早在20世纪60年代初,就着手研制坚果破壳机具,至80年代初,美国、意大利、法国等已相继推出了各种坚果破壳机,如夏威夷果破壳机、杏仁破壳机等。
经过数十年的发展,坚果破壳机具已日趋成熟,目前,正朝着机电一体化方向发展。
我国在传统脱壳设备的基础上,尽管正在积极研制和开发各种类型脱壳机械,但其发展相当缓慢,同时成熟的机型及进行批量生产的不多,远远落后于农产品深加工的需求。
目前开发出的绝大部分设备都是采用机械方式来脱壳。
常见的机械脱壳方法如下:
（1）撞击法脱壳:
撞击法脱壳是物料籽粒高速运动时突然受阻而受到冲击力,使外壳破碎而实现脱壳。
物料由高速回转甩料盘使籽粒产生一个较大的离心力撞击壁面,只要撞击力足够大,籽粒外壳就会产生较大的变形,进而形成裂缝。
当籽粒离开壁面时,由于外壳和粒仁具有不同的弹性变形而产生不同的运动速度,籽仁受到的弹性力较小,运动速度也不如外壳,阻止了外壳迅速向外移动而使其在裂缝处裂开,从而实现籽粒的脱壳。
撞击脱壳法适合于仁壳间结合力小,仁壳间隙较大且外壳较脆的籽粒。
（2）碾搓法脱壳:
物料籽粒在固定磨片和运动着的磨片间受到强烈的碾搓作用,使籽料的外壳被撕裂而实现脱壳。
籽粒经进料口进入定磨片和动磨的间隙中,动磨片转动的离心力使籽粒沿径向向外运动,也使籽粒与定磨间产生方向相反的摩擦力;同时,磨片上的牙齿不断对外壳进行切裂,在摩擦力与剪切力的共同作用下使外壳产生裂纹直至破裂,并与籽仁脱离,达到脱壳的目的。
（3）剪切法脱壳:
籽粒在固定刀架和转鼓之间受到相对运动刀板的剪切力作用,外壳被切裂并破开,实现外壳与籽仁的分离。
刀板转鼓和刀板座为主要工作部件,在刀板转鼓和刀板座上均装有刀板,刀板座呈凹形且带有调节机构,可根据籽粒坚果的大小调节刀板座与刀板转鼓之间的间隙。
当刀板转鼓旋转时,与刀板之间产生剪切作用,使物料外壳破裂和脱落。
（4）挤压法脱壳:
挤压法脱壳是靠一对直径相同转动方向相反,转速相等的圆柱辊,调整到适当间隙,使籽粒通过间隙时受到辊的挤压而破壳。
在破壳的过程中籽粒能否顺利地进入两挤压辊的间隙,取决于挤压辊及与籽粒接触的情况。
要使籽粒在两挤压辊间被挤压破壳,籽粒首先必须被夹住,然后被卷入两辊间隙被挤压破壳。
两挤压辊间的间隙大小是影响籽粒破碎率和脱壳率高低的重要因素。
（5）搓撕法脱壳:
搓撕法脱壳是利用相对转动的橡胶辊筒对籽粒进行搓撕作用而进行脱壳。
两胶辊水平放置,分别以不同转速相对转动,辊面之间存在一定的线速差,橡胶辊具有一定的弹性,其摩擦系数较大。
籽粒进入胶辊工作区时,与两辊面相接触,如果此时籽粒符合被辊子啮入的条件,即啮入角小于摩擦角,就能顺利进入两辊间。
此时籽粒在被拉入辊间的同时,受到两个不同方向的摩擦力的撕搓作用;另外,籽粒又受到两辊面的法向挤压力的作用,当籽粒到达辊子中心连线附近时法向挤压力最大,籽粒受压产生弹性——塑性变形,此时籽粒的外壳也将在挤压作用下破裂,在上述相反方向撕搓力的作用下完成脱壳过程[1]。
新型脱壳方法
（1）微波法:
原理主要是通过微波加热籽粒内部形成高压水气,当高压水气对果皮压力大于果皮的拉伸极限应力时,果皮破裂,实现破壳。
微波法破壳过程中,坚果果皮的致密结构是其内部形成高压的重要保证;坚果含的水分是内部产生高压水气的物质基础;微波的加热温度则是导致产生高压水气的外部动力。
但是快速加热会造成产品的过渡膨胀甚至爆炸。
（2）高压膨胀法:
原理是使果实处于很高的压力室中,让果实在其中停留较长时间,以使籽粒内外达到气压平衡,然后瞬间卸压,内外压力平衡打破,壳体内气体在高压作用下产生较大的爆破力而冲破壳体,从而达到脱壳的目的。
（3）能量法:
原理是让坚果进入一个高压高温环境中经受一定时间的高压高温作用,使大量热量聚集于坚果壳内,随后籽粒瞬间脱离高温高压环境,此时,聚集在坚果壳与仁间的压力瞬时爆破,实现脱壳的目的,此法适宜于加工熟食品。
（4）高真空度法:
将坚果放在真空爆壳机中,在真空条件下,将具有一定水分的坚果加热到一定温度,在真空泵的抽吸下,坚果吸热使其外壳的水分不断蒸发而被去除,其韧性与强度降低,脆性大大增加;真空作用又使壳外压力降低,壳内部处于较高压力状态。
在内外压力差的作用下,壳内的压力达到一定数值时,就会使外壳爆裂,使外壳脱去。
（5）激光法:
用激光逐个切割坚果外壳。
试验显示,用这种方法几乎能够达到100%的整仁率,但因其费用昂贵、效率较低等原因,很难得到推广。
（6）超声波法:
采用超声波发生器产生大于20kHz的超声波作用在坚果籽粒外表面上,经冲击、碰撞、摩擦等多种力综合作用进行破壳。
可应用于果皮结构不太坚硬的坚果。
（7）燃烧法:
该法用液化气火焰在高温下将坚果物料外壳烧掉,然后对未烧尽的物料进行挤压刮皮,使仁、衣分离,将仁、衣一起进入分离器,仁在此被分离出,再将仁进行清洗即可。
这种方法脱壳率高,但燃烧温度较难控制,很容易使物料熟化甚至焦化,这种脱壳工艺独特,是国外技术专利,故整套设备价格昂贵。
（8）化学腐蚀法:
化学脱壳主要是将待脱壳的坚果浸入脱壳溶液中。
该溶液用来软化物料外壳并溶去一部分外壳,然后取出果实再利用机械方式脱去外壳。
这种方法需添加其它化学成分如碱、酶等,这些添加物会使产品具有异味异质,影响成品品质风味,但此方法整仁率较高。
（9）复合型:
对一些坚果使用一种方法不能达到很好的破壳效果时,可利用几种破壳原理,合理地组合在一起,以克服和弥补单一脱壳法的不足,实现坚果的高效脱壳[2]。
在技术上还存在如下问题:
a）脱壳率低,脱壳后的籽仁破碎率高,损失大。
b）机具性能不稳定,适应性差。
c）通用性差:
多数脱壳机只适应某一种籽粒的脱壳作业,而不能够通过更换主要工作部件来适应其他籽粒的脱壳,利用率低。
d）作业成本偏高:
我国脱壳机械尚未形成规模和系列,多数是单机制造,制造的工艺水平较低,故制造成本偏高。
e）有些产品仅进行了样机试制或少量试生产,未进行大量生产性考核和示范应用,作业性能、可靠性、耐久性及商品性等方面还存在不少问题[3]。
2核桃破壳机总体结构
核桃破壳机主要组成部分：
入料口、上机壳、滚筒、机架等部分组成。
整体组成如图1所示：
图1破壳机结构图
入料口与核桃破壳机的上盖部分相连，它是利用2mm厚的钢板制成，入料部位与滚筒的凸筋部位相切，将从入料口进入的核桃，下滑到凸筋部位，由凸筋抛出进行撞击。
上机壳与入料口固定连接，采用焊接方式连接，所用材料为3mm厚钢板，下部与15mm厚钢板焊接，与机架通过螺栓固定连接。
滚筒部分主要是由滚筒、凸筋、圆板焊接而成。
核桃在滚筒和凸筋之间被抛出，使其撞在辐条筛上，落到脱壳室咽喉处，由滚筒与辐条筛挤压破碎，破碎的核桃掉入下部出口。
辐条筛起碰撞挤压作用，它是由一定数量的圆钢焊接在上机壳两侧钢板上，每两根圆钢之间的缝隙可以将核桃卡住，然后快速旋转的滚筒将被卡住的撞破的核桃挤碎。
机架由角钢和钢板通过焊接方式连接为整体，与上机壳通过螺栓固定。
3核桃破壳机的设计
3.1电动机的选择
根据设计要求滚筒需用一定的速度将核桃抛出并撞裂，再进行挤碎。
3.2电动机的转速
根据资料得主轴的转速在300-700转/分，按《机械设计实用手册》推荐的传动比合理取值范围，取V带的传动比2～4，即可满足电动机的转速与主轴的转速相匹配。
由《机械设计课程设计手册》查出三种适宜的电动机型号，因此有三种不同的传动比方案，如表3-1所示：
表3-1电动机的型号和技术参数及传动比
方案
电动机型号
额定
功率P/kW
同步转速
r/min
满载
转速
r/min
效率（%）
电动机重量（KG）
功率因数
1
Y90S-2
1.5
3000
2840
78
22
0.85
2
Y90L-2
2.2
3000
2840
82
25
0.86
3
Y90L-4
1.5
1500
1400
79
27
0.79
综台考虑电动机和传动装置的尺寸、重量以及带传动的传动比，可知方案2比较适合。
因此选定电动机型号为Y90L-4。
所选电动机的额定功率P＝1.5kw，满载转速n=1400r／min，总传动比适中，传动装置结构较紧凑。
如表3-2所示：
表3-2Y90L-2主要参数如下表
型号
额定功率KW
转速r/min
电流/A
效率（%）
功率因数
额定电流
额定转矩
最大转矩
Y90L-4
1.5
1400
3.65
79
0.79
6.5
2.2
2.2
表3-3电动机尺寸列表（）
中心高
H
外形尺寸
底脚安装尺寸
地脚螺栓孔直径
轴伸尺寸
装键部位尺寸
90
10
4带及带轮的设计
根据核桃破壳机的具体传动要求，可选取电动机和主轴之间用V带和带轮的传动方式传动，因为在破壳机的工作过程中，传动件V带是一个挠性件，它赋有弹性，能缓和冲击，吸收震动，因而使破壳机工作平稳，噪音小等优点[4]。
虽然在传动过程中V带与带轮之间存在着一些摩擦，导致两者的相对滑动，使传动比不精确但不会影响破壳机的传动，因为破壳机不需要精确的传动比，只要传动比比较准确就可以满足要求，而且V带的弹性滑动对破壳机的一些重要部件是一种过载保护，不会造成机体部件的严重损坏，还有V带及带轮的结构简单、制造成本底、容易维修和保养、便于安装，所以，在电动机与核桃破壳机之间选用V带与带轮的传动配合是很合理的。
选择V带和带轮因当从它的传动参数入手，来确定V带的型号、长度和根数，再来确定导轮的材料、结构和尺寸（轮宽、直径、槽数及槽的尺寸等），传动中心距（安装尺寸），带轮作用在轴的压力（为设计轴承作好准备）。
4.1确定计算功率
（4-1）
其中：
—工作情况系数
—电动机的功率
查《机械设计手册》一书中的表8-7可知：
=1
4.2选择V带的型号
根据计算得知的功率和电动机上带轮（小带轮）的转速（与电动机一样的速度），查《机械设计手册》一书图8-10，可以选择V带的型号为Z型。
4.3确定带轮的基准直径
（1）初选主动带轮的基准直径：
根据《机械设计手册》一书，可选择V带的型号参考表8-6和表8-8，选取小带轮直径=71mm。
（2）计算V带的速度V：
V带在～的范围内，速度V符合要求。
取传动比为3转速合适。
（3）计算从动轮的直径
根据表8-8取=224mm
实际传动比i=3.15
4.4确定传动中心距a和带长L
取（4-2）
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4.5验算主动轮上的包角
（4-4）
即：
求得：
满足V带传动的包角要求。
4.6确定V带的根数
V带的根数由下列公式确定：
（4-5）
其中：
—单根普通V带的许用功率值
—考虑包角不同大的影响系数，简称包角系数
—V带的基准长度系数，取。
—计入传动比的影响时，单根普通V带所能传递的功率的增量。
由和查表8-4a得
由和i=3.15 查表8-4b
查表取值：
（4-5）
所以：
即：
取根。
4.7确定带的初拉力
单根V带适当的初拉力由下列公式求得
其中：
—传动带单位长度的质量，
即：
4.8求V带传动作用在轴上的压力
为了设计安装带轮轴和轴承，比需确定V带作用在轴上的压力，它等于V带两边的初拉力之和，忽略V带两边的拉力差，则值可以
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