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机械创新设计论文

花生去壳机的设计

一、设计任务简述

花生脱壳机是将花生荚果去掉外壳而得到花生仁的场上作业机械。

由于花生本身

的生理特点决定了花生脱壳不能与花生的田间收获一起进行联合作业，而只能在花生

荚果的含水率降到一定程度后才能进行脱壳。

随着花生种植业的不断发展，花生手工

脱壳已无法满足高效生产的要求，实行脱壳机械化迫在眉睫。

系统设计流程：

总功能

总功能原理

构思工艺动作过程

工艺过程分解

稳定功能执行功能替换功能

机械整体

确定若干系统可行方案

方案评价决策

综合最优方案

二、花生脱壳机械的发展

花生剥壳的原理很多，因此产生了很多种不同的花生剥壳机械。

花生剥壳部件是

花生剥壳机的关键工作部件，剥壳部件的技术水平决定了机具作业刚花生仁破碎率、

花生果一次剥净率及生产效率等重要的经济指标。

在目前的生产销售中，花生仁破碎

率是社会最为关心的主要指标。

八十年代以前的花生剥壳机械，破碎率一般都大于8%，有时高达l5%以上。

加工出

的花生仁，只能用来榨油，不能作种用，也达到出口标准。

为了降低破碎率而探讨新

的剥壳原理，研制新式剥壳部件，便成为花生剥壳机械的重要研究课题。

从六十年代

初，开始在我国出现了封闭式纹杆滚筒，栅条凹板式花生剥壳机。

自1983年以来，在

已有的花生剥壳部件的研制基础上，我国又相继研制了多种不同结构型式的新式剥壳

部件，其主要经济技术指标，特别是破壳率指标大有改善。

三、破壳机构的设计

破壳机构的作用是使花生壳破裂，与花生仁分离。

涉及到两个功能：

1、破壳；2、分离。

1、最常想到的破壳方法有：

挤压法

物理法

撞击法

真空法

压力膨胀法

激光法

挤压法：

挤压法是使两刚性物体间的间隙越来越小，而这时花生粒恰好在间隙中，受到两刚性物件的压力而使之破裂的方法。

这种方法的关键在于先使花生被夹住，并在压迫过程中保持受力，而不滑出。

压迫要有度，否则花生仁也会被压碎。

压好的花生和花生仁能及时分开一边马上能补充新的没有加工过的花生。

撞击法：

撞击法是指使花生以较大的速度与刚性物件或者与其他花生发生碰撞，使花生壳破裂的方法。

这种方法的关键在于使花生获得较大的速度，如果能使花生仁及时导出，花生仁收到的伤害可以减到很小，不足在于可能有较硬的花生壳破不了，影响效率。

真空法：

将花生荚果放在真空爆壳机中，在真空条件下，将具有相当水分的荚果加热到一定温度，在真空泵的抽吸下，荚果吸热使其外壳的水分不断蒸发而被移除，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，壳内部相对处于较高压力状态。

壳内的压力达到一定数值时，就会使外壳爆裂。

压力膨胀法：

原理是先使一定压力的气体进入花生壳内，维持一段时间，以使花生荚果内外达到气压平衡，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巨大的爆破力而冲破壳体，从而达到脱壳的目的。

主要影响因素有，充气压力、稳定压力维持时间、籽粒的含水率等。

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1009／6的整仁率，但因其费用昂贵、效率低下等原因，很难得到推广。

2．下面试分析已有的结构的优缺点并提出解决方法。

鼠笼式滚筒，这是曾经市面上很常见的花生去壳机的去壳原理。

1

2

3

1

3

2

1为中心轮，2为鼠笼式筒，3为固定在中心轮上的楔形压板，未去壳的花生位于2与3之间。

1的匀速转动，带动花生进入楔形间隙并挤压花生壳，使之破碎。

破碎后，花生壳中的花生仁会在连续的挤压过程中脱离出并从鼠笼间隙中漏出来，从而达到脱壳的目的，完成脱壳后，后续动作完成仁和壳的分离及壳的粉碎。

中心轮1在鼠笼式滚筒中的转动，带动花生进入安装在中心轮上的楔形间隙中，由于转动方向使花生在楔形中从大截面挤入小截面，花生壳在此运动过程中破裂，从而达到去壳的目的。

同时，破壳后的花生仁将从鼠笼式滚筒中漏出来。

为防止挤压过程中是花生破裂，鼠笼的间隙需要稍微大于花生仁的尺寸，以便花生仁及时漏出，但要小雨花生外壳的尺寸。

技术要点是限制中心轮的速度波动，防止由于加速转动造成花生仁的破裂，保证间隙迟寸，设计合理，防止无法去壳或破碎率过高的问题。

经过观察很容易发现，以上的结构有很多缺点：

（1）板状的压板棱角分明，很容易将破好的花生仁压出刮痕出来，影响质量。

（2）鼠笼筒和压板都为钢件，且他们之间的间隙固定，一旦遇到较大的花生仁，将会把花生仁压破。

（3）遇到较小的花生会掉下去，不仅是较小的花生，对于细长的花生也容易掉下去。

针对以上问题，我们讨论出了下面的结构：

2．1封闭式纹杆滚筒，网状凹板式花生剥壳部件

下面装有若干根具有一定柔性的圆钢条组成的网状式凹板，如下图所示工作时，花生果在滚筒的推动下由进口向出口端运动，在滚筒和凹板的冲击、挤压、揉搓作用下直接脱壳，花生受列剥壳机的直接搓擦作用，系强制脱壳，故破碎率高。

剥壳时，直径同网状凹板栅缝一样大小的单粒果及双粒果便从网缝中分离出来，所以一次剥净率低。

为了将混在一起的花生仁和未脱果分离开来，采用此剥壳机一般要配置分离机构。

主要优点是，钢条具有一定的柔性，可以比较好的控制各个不同大小的花生被剥壳而不会使花生仁破碎，中心轮采用的是曲线凸起，能较好的使花生被挤压剥壳，避免花生卡在中心轮的凸起处。

这种结构虽然解决了方案一的不足，但是又带来了新的问题，网状结构容易堵塞，特别是花生仁上的红色膜和碎掉的花生壳的混合物，很容易将网状筒堵死，难以清理。

现在矛盾来了，又要让他有塑性变形又要让花生容易掉下去，显然这种结构行不通。

为了有一定的收缩空间，我们选择了弹簧。

于是又有了下面的一种结构。

2．2封闭橡胶板滚筒，直立橡胶板式剥壳部件

该机的剥壳部件是由封闭胶辊和直立胶板组成，剥壳原理系挤压式，如下图所示

作业时，花生果在胶辊的推动下，通过剥壳间隙（5—20毫米），由胶辊和胶板的挤压作用脱壳，避开了剥壳部件的揉搓作用,破碎率有所降低，但仍在5％以上。

另外，因直径小于剥壳间隙的小果未经剥壳便被分离出来，故一次剥净率很低，只有30%左右。

所以不得不增设循环机构，以使花生经多次挤压脱壳，致使机器结构复杂、庞大，造价较高。

除此之外，只有这一个面工作，显然效率极低。

问题到这里，遇到的难题越来越多了：

遇到大的花生仁易挤破、筛网结构又容易堵塞、方案3中开导出结构效率又低。

为了增大效率，增大工作面积。

我们设计了下面的球形结构。

整个球形接触面积是最大的。

2．3圆球转动剥壳部件

3

2

1

如下图剥壳机部件，1为轴，2为球状，3为外壳，轴和球连接一体，球面和外壳内部都有各个大小不一的凸起。

作业时，花生从上方的入口进入剥壳机中，轴带动球转动，而球外表面和外壳内表面都有一定形状大小的凸起，使得进入的花生受到挤压、摩擦，从而使花生壳破裂，达到剥壳的目的，同时花生仁滑落到下方出口出使得花生仁很好的分离出来。

用凸起来代替压板或者弧形压杆的作用是：

当遇到较大的花生仁，在间隙不可变的情况下，压条和压杆都为长条状，花生仁只能被压破，而改为凸起后，遇到较大的花生仁，由于花生仁表面很光滑，他会自动滑到间隙较大的地方，也就是凸起周围，这样就巧妙地利用了花生壳表面粗糙，花生仁表面光滑的特点，避免了花生仁被压破。

转轴设计成倾斜的是为了使花生在腔体内同时获得竖直面和水平面内的速度，使花生快速充满整个腔体。

此外，此机构整个球面都为工作面，剥壳效率较高，并且花生仁的破碎率较小，比较实用，而且剥壳能比较彻底。

很显然，这是一种很值得考虑的方案，可能唯一的缺点就是零件在加工装配的过程中难度较大。

2．4下面是用搓碾的方式设计的一种方案。

如图所示：

该结构的工作面为上下倒扣的两个凹凸不平的凸板，上板连接一个曲柄滑块机构，目的是使上板抖动，下板则连接弹簧，使两板之间的间隙有一定的调节空间。

使用凸起又有类似于方案4中凸起的作用。

这种结构破碎率较低，一次剥净率较高，而且效率高，结构简单。

使用斜面加振动，可以使加工好的自然落下，没加工好的到下面继续加工。

很明显是一种值得考虑的方案。

2．5立式剥壳机构

立式剥壳机构利用的是花生与花生之间的挤压摩擦。

剥壳部件采用了由两根扁钢条焊接而成的立式转子，下面装着用编织丝网制成的

编织平底筛，该剥壳部件如下图所示。

在剥壳室内，花生果受立式转子的推动而相互磨擦，从而达到剥壳的目的，此方法系柔性揉搓剥壳。

实践证明，该机破碎率较低，可控制在3％以下。

其缺点是由于采用立式传动，故传动机构较为复杂。

四、花生脱壳机械的研究应用现状

4.1花生脱壳机械的工艺研究

在脱壳技术方面，除了在原理和设备上进行研究外，人们还在工艺上进行了研究以提高籽粒的脱壳率及脱壳质量。

分级处理物料的粒度范围大，必须先按大小分级，再进行脱壳，才能提高脱壳率，减少破损率。

水分含量花生荚果的含水率对脱壳效果有很大的影响，含水率大，则外壳的韧性增加；含水率小，则果仁的粉末度大。

因此应使花生荚果尽量保持最适当的含水率，以保证外壳和果仁具有最大弹性变形和塑性变形的差异，即外壳含水率低到使其具有最大的脆性，脱壳时能被充分破裂，同时又要保持仁的可塑性，不能因水分太少而使果仁在外力作用下粉末度太大，可减少果仁破损率。

4.2花生脱壳机械存在的问题

目前我国在花生脱壳技术研究方面一直没有大的突破，资金投入也不足，脱壳部件的研制仍在2O世纪90年代初的技术水平上徘徊，所以在脱壳性能上并没有很大的提高。

由于机械脱壳时对花生仁的损伤率偏高，用于种子和较长期贮存的花生仁至今仍是手工剥壳。

脱壳机械在技术性能和作业环节上存在以下问题：

①脱壳率低，脱壳后的果仁破损率高，损失大。

②机具性能不稳定，适应性差。

③通用性差，利用率低。

④作业成本偏高，多数是单机制造，制造的工艺水平较低，同时能耗较高。

⑤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，作业性能及商品性等方面还存在不少问题。

五、花生脱壳机械研究重点

我国加入WTO以来，国内外关于花生脱壳机械的开发与推广应用日益增多，针对现有花生脱壳机械存在的优点与不足，在未来的发展过程中，对花生脱壳机械在生产应用中的经验进行总结，不断完善其功能，使其呈现良好的发展势头。

1．4．1提高花生脱壳机械的通用性和适应性提高花生脱壳机械的通用性和适应性仍是当前的主要研究方向之一目前，许多花生脱壳机械只是针对某一花生品种和所在地区的生长环境来设计，其通用性、兼容和适应性较差。

提高花生脱壳机械的通用性和兼容性，使研制的花生脱壳机械通过更换主要部件能够同时对其他带壳物料进行脱壳加工。

研制通过变换主要工作部件即能满足不同坚果脱壳作业需要的脱壳机具，并提高制造工艺水平，降低制造成本，以适应不同加工企业的需要。

花生脱壳机械能否适应这种发展趋势，将直接影响到花生脱壳机械能否更好的推广应用与健康发展。

5．1提高花生脱壳机械的通用性和适应性

提高花生脱壳机械的通用性和适应性仍是当前的主要研究方向之一目前，许多花生脱壳机械只是针对某一花生品种和所在地区的生长环境来设计，其通用性、兼容性和适应性较差。

提高花生脱壳机械的通用性和兼容性，使研制的花生脱壳机械通过更换主要部件能够同时对其他带壳物料进行脱壳加工。

研制通过变换主要工作部件即能满足不同坚果脱壳作业需要的脱壳机具，并提高制造工艺水平，降低制造成本，以适应不同加工企业的需要。

花生脱壳机械能否适应这种发展趋势，将直接影响到花生脱壳机械能否更好的推广应用与健康发展。

5．2提高机械脱壳率。

降低破损率

对花生脱壳机械的关键技术与工作部件进行重点攻关，改革传统结构，研究新的脱壳机理，优化结构设计；同时在整体配置上进一步改进和完善，提高脱壳率，降低籽仁破损率。

目前国内外的花生脱壳机械均存在脱壳率和破损率之间的矛盾，处理好这一关键技术将关系到花生脱壳机械的发展前景。

5．3向自动控制和自动化方向发展大多数机具目前仍依赖人工喂料或定位，

影响了作业速度和作业质量。

因此应通过机电一体化手段，开发设计自动喂料、自动定位脱壳装置，保证均匀喂料与有效定位，实现机组自动化操作，进一步提高作业精确性和作业速度，提高产品质量与生产率，满足部分大、中型加工企业的需要，以开拓国内和国外市场。

新技术原理、新结构材料、新工艺将不断应用于花生机械的研制开发中，随着液压技术、电子技术、控制技术以及化工、冶金工业的发展，许多复杂的机械机构、动力传递、笨重的材料和落后的工艺将逐渐被取代。

减轻重量，减少阻力，简化操作，减少辅助工作时间，延长使用寿命，降低劳动使用费用等将作为主要设计目标应用于脱壳机械的设计制造。

随着国内外高新技术的进一步发展，如何将这些高新技术更好的应用到实际生产中，也是目前花生脱壳机械需要尽快解决的问题。