山核桃破壳机.docx

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山核桃破壳机

毕业设计

山核桃破壳机的设计

学生姓名：

王雨

专业班级：

机械设计2009级1班

指导教师：

刘晓义

学院：

机电工程学院

2013年4月

东北林业大学

毕业设计任务书

山核桃破壳机的设计

学生姓名：

王雨

专业班级：

机械设计2009级1班

指导教师：

刘晓义

学院：

机电工程学院

2013年4月日

题目名称：

山核桃破壳机的设计

任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）

1.课题内容

根据现今山核桃破壳机的形式，在对各类数据进行多方面收集、处理的基础上，建立一个山核桃破壳机设备的设计方案。

实现高效，高质量的破壳，满足人们生活需要，提高机械加工水平。

应具有包含：

（1）山核桃破壳机的基本信息；

（2）山核桃破壳机的整体设计方案；（3）山核桃破壳机的传动链轮的结构设计；（4）山核桃破壳机的传动系统的结构等。

2.任务计划

3月上旬—3月中旬：

收集资料，山核桃破壳机的相关情况；

3月中旬—3月下旬：

学习掌握CAD绘图软件，确定整体机械的设计方案；

4月上旬—4月中旬：

了解相关技术,进行整体结构及各个章节的初步设计；

4月中旬—5月上旬：

进行整体及细节图形的设计绘制；

5月中旬—5月下旬：

完善设计，完成论文初稿；

6月上旬—6月中旬：

修改论文，准备毕业答辩。

3.完成工作量

毕业设计说明书要符合东北林业大学毕业论文（设计）工作规范的要求。

英文摘要词义及语法要表达准确，工作量达到以下要求：

其中：

参考文献篇数：

说明书字数：

图纸张数：

10篇以上

6000字以上

折合A0图纸3张，其中至少1张装配图

专业负责人意见

签名：

年月日

山核桃破壳机的设计

摘要

本设计从我国山核桃基本状况出发，同时了解了国内外相关破壳机械的发展状况，通过对传统山核桃破壳方法的比较，并结合山核桃果壳的特点和现代手剥山核桃破壳取仁方法，设计出了一种专门用于山核桃入味前自动破壳的加工机器。

然而，由于资金问题，机器还没有生产出来进行测验，运行结果还是不确定的。

设计中涉及到整体技术参数的预定、驱动方式和传动方式的选择、执行机构的确定以及相关机构的设计和计算说明等。

关键词　山核桃破壳设计

DevelopmentandDesignofHickorydedicatedcrusher

Abstract

ThispaperisstartingfromthebasicoverviewofChineseHickory,andalsounderstandthedomesticandforeigndevelopmentofmachinerybrokenshell,comparisonwiththetraditionalmethodofbreakingpecan,combinedwiththecharacteristicsofhickoryshellandmodernmethodstotakewalnutbyshell-breakingofthehand-strippingpecan,designedaprocessingmachinethatspeciallyusedforautomaticallybrokenshellbeforethepecangettinginterested.However,becauseoffundingproblems,themachinehasnotproducedandtakenanytestyet,theresultsofspecificprocessingwereuncertain.

Involvedinthedesign：

Bookoveralltechnicalparameters,Selectdrivemodeandtransmissionmode,Determinetheactuatingmechanismandtheexplanationofdesignandcalculationofrelevantinstitution,etc.

Keywords　HickoryBrokenshellDesign

摘要

Abstract

1绪论

1.1本课题研究的目的和意义

在国际市场上，核桃与杏仁、腰果、榛子一起并列为世界四大干果。

核桃作为保健食品早已被国内外所认识。

核桃在我国分布十分广泛，主要种植在西南和西北。

目前，我国的核桃栽培面积达三千一百七十五万亩，其中结果树面积约为66.7万公顷，年产量将近50万吨，总面积和产量均居世界第一位。

核桃是我国的传统土特产品，每年出口量达2万吨，创汇3000余万美元。

传统的山核桃入味前的破壳加工方法有：

1、将干燥的核桃至于加热的沙堆中反复烘烤，利用热来使核桃壳自动破裂；2、将山核桃放在特制的模子内，用特制的锤子进行人工敲击。

这两种方法，前者加工起来周期比较长，耗时并且破碎率有限，需要多次烘烤才能达到相对理想的状况：

后者不仅费时费力，效率低，而且还存在不卫生、品质不一等缺陷。

总而言之，这两种方法都阻碍了山核桃产业化进程。

故有必要设计一种结构简单，操作容易的机器，专门用于入味前山核桃的破壳加工，降低相关行业工作人员劳动强度，提升核桃生产机械化程度，推动其产业化进程，从而提高国内核桃加工能力和竞争力。

1.2本课题国内外发展状况

早在20世纪60年代初，国外就着手研制了许多坚果破壳机具，至80年代初，美国、意大利、法国等国相继推出了各种坚果剥壳机，譬如夏威夷果剥壳机、杏仁剥壳机等，其中当然也有山核桃剥壳机。

经过数十年的发展，坚果剥壳机具已日趋成熟。

目前，正朝着机电一体化方向发展。

但我国坚果破壳机具发展缓慢，虽然最近几年跟进较快，不过还是远远落后于种植业的发展，阻碍了相关产品的产业化进程。

在一些生产应用的机具中，存在如下几个突出的问题，因而难以推广开来。

1、损失率高。

由于参数选择不合理，有些破壳机的果仁损失率高达20%。

2、通用性差。

一般破壳机仅能用于某一种坚果的破壳作业，对于不同品种的坚果，不能通过更换主要零部件来实现一机多用。

3、机具性能不稳定，适应性差。

为某类坚果专门开发的专用机型，在该坚果品种、大小规格、外壳形状和含水量等因素出现变化时，其破壳性能就变差。

4、作业成本偏高。

我国坚果破壳机具的规模和系列尚不完善，多数是单机制造，制造的工艺水平低，成本高；也因为通用性差，不能一机多用，使得生产企业设备配置的成本上升，致使加工坚果的作业成本增加。

核桃加工时大多要将核桃进行开口处理,其目的有三点:

一是为了取仁;二是便于入味;三是易剥食。

为了获得较高的成品率,核桃开口时要求破碎率低。

目前,很少见到国内外关于核桃开口机的报道,国内核桃的开口加工多用手工或简单的挤压机械,破碎率虽高而生产率却低,而且工人劳动强度大。

虽然，近年来国内新研制了几款山核桃破壳机，如河南科技大学食品与生物工程学院的张仲欣教授根据生产需要和核桃的结构特点，设计了一种对辊窝眼式核桃开口机；王高平研制了一套40HJC201型核桃加工设备。

但这些多数适用于手剥山核桃的加工或核桃的破壳取仁，尚未出现专门用于山核桃入味前破壳加工的相应设备。

若将这些设备专门用于山核桃入味前的开口加工：

一来，未必适用；二来，即使适用，也有点大材小用的感觉，无意间加工成本就增加了。

1.3设计内容简介

本设计的主要任务是设计一台专门用于山核桃入味前破壳加工的机器样机，等制造后进行检验其加工效果。

若确实可行，就进一步将其系列化，使其专门用于不同种类、不同规格的山核桃，甚至其他品种坚果进行入味前的开口加工。

本设计构思用变频器来调节主轴转速，在检验中选择出最佳转速，从而用于不同种类、不同尺寸规格以及不同水分含量的山核桃，使其加工效果达到最佳，主要是破壳率要高，但果仁损耗率要低。

在此，初步选定机器的额定功率为1.0kW，主轴转速为1000r/min,整体高度在1.5米左右（方便工作人员操作）。

有关机器的结构设计，进过了解相关资料，比较相关设备，最终确定设计一台以电机为驱动，皮带为传动的立轴式破碎机，以多锤敲击的形式来使被加的工山核桃开裂。

其结构简图见图1.1。

图1.1破壳机机构简图

2设计要求和方法

2.1山核桃果壳的特点及破壳要求

2.1.1山核桃果壳的特点

山核桃属于坚果类，其果壳形状和材质成分因核桃种类和产地的不同而异，但总体来说，果壳外形不规则，内部有褶皱沟纹，坚硬，难以剥离，更难以保证在加工时达到只使果壳破裂但不破碎的效果。

2.1.2破壳要求

核桃加工时大多数要将核桃进行破壳处理，其目的有三点：

一是便于入味；二是为了取仁；三是易剥食。

为了达到便于入味，而且正常进行后续的入味加工但不影响核桃的整体完整性的目的，入味前的破壳加工有以下要求：

1、破壳率要高，即：

经加工后未开裂的核桃比率要尽量低。

2、破碎率要低，即：

经加工后致使核桃仁碎裂的核桃数量要低。

3、尽可能使开口或裂缝较小，以免影响其后续入味加工后核桃的整体完整性。

2.2破壳方法

2.2.1传统破壳方法

传统的核桃破壳方法主要有以下两种：

1、热胀法，一般是将干燥的核桃置于加热的沙堆中反复烘烤，利用热来使核桃壳自动破裂，但此法费时费力，不能满足现代核桃的产业化生产。

2、人工敲击法，将山核桃放在特制的模子内，用特定的锤子进行人工敲击，但此法不但费时费力，效率低，而且还存在产品不卫生、品质不一等缺陷，已经不能满足现代核桃的产业化生产。

2.2.2现有机器破壳法

目前，国内常见破壳加工设备采用的破壳方法主要有以下5种：

1、挤压法：

核桃按大小分类后，喂入一对连续运转的轧辊之间，借助轧辊的挤压作用破壳，调整两轧辊间距以控制挤压量。

轧辊表面形状对破壳质量影响较大。

2、撞击法：

借助核桃与打板或壁面间的高速撞击作用使壳变形，直至破裂。

3、剪切法：

借助锐利面的剪切作用使壳破碎。

4、碾搓法：

借助核桃与粗糙面间的碾搓作用使壳疲劳破坏而破碎。

5、气爆法：

利用核桃顶端的自然孔隙，将高压空气通入装有核桃的密闭容器中，待气体进入核桃壳内，壳内外气压平衡后，突然打开容器盖，借助压差将核桃壳胀裂。

2.2.3选定破壳方法

根据以上破壳方法的作用原理和特点，并结合山核桃入味前初加工破壳处理的实际情况，在此选定以撞击法作为本设计的破壳方法。

同时，结合工程破碎机的破碎方式，最终确定该山核桃专用破碎机的破壳方法为多锤式撞击法。

3破壳机机构设计

3.1机器型式和基本性能参数的确定

3.1.1破壳机型式的选择

常用的破碎机有以下几种型式：

1、颚式破壳机：

利用两鄂板对物料的挤压和弯曲作用，使物料破碎。

2、反击式破壳机：

利用板锤的高速冲击和反击板的回弹作用，使物料受到反复的撞机击而破碎。

3、旋回式破壳机：

利用破碎锥在壳体内锥腔中的旋回进行运动，使物料产生挤压、劈裂和弯曲作用，使物料破碎。

4、圆锥式破壳机：

其原理与上一种相同。

5、辊式破壳机：

利用辊面的摩擦作用将物料放进破碎区，然后使之承受挤压而破碎。

6、锤式破壳机：

通过锤头的高速冲击，对物料进行粉碎。

7、立轴冲击式破壳机：

该种破壳机型式无特殊限定的运作原理，应用广泛。

根据上述各种破壳方式及其各自的特点，再结合山核桃入味前的破壳加工的现实要求，在此确定该山核桃专用破壳机的型式为立轴多锤式破壳机，利用联接在立式主轴上的多个敲击锤对山核桃进行多次敲击，使其硬壳破裂。

3.1.2破壳机基本性能参数的确定

由于该破壳机属于普通的食品加工机具，在动力上无大功率要求，并参照类似的切丝机设计参数，设定破碎机的额定功率为1.0kW。

为了便于样机制造后的调试和检验以及产品的系列化，设想用变频调速的形式来调节主轴转速，从而选择不同的最佳速度用于加工不同种类、尺寸规格的山核桃，甚至不同种类的坚果，故而初步设定破壳机主轴转速为1000r/min。

毫无疑问，就目前科技而言，任何机械的最终操作者都是人。

为了便于操作者作业，降低其不必要的劳动能耗，提高其作业舒适感。

因而本设计结合一定相关的人机工程学知识，将山核桃破碎机的基本外形尺寸定为：

700×600×1500mm；加工容器的内部尺寸为：

Φ400×500mm。

考虑到机器本身以及运转时的平衡要求，设计长度方向上，主轴至两边的距离分别为：

400mm和300mm，宽度方向上对称分布。

有关该山核桃破壳机的加工效果还有待样机制造之后进行检验才能最终确定，在此初步设定：

破壳率≥95%，碎仁率≤5%，加工能力≥200Kg/h。

3.2破壳机驱动方式和传动类型的选择

3.2.1驱动方式的选择

目前，一般工程常用的驱动方式主要有电机驱动、内燃机驱动、液压马达驱动和启动马达驱动四种。

然而，内燃机作为动力机，不但耗能、效率低，而且对环境污染比较大；虽然液压马达作为动力机具有体积小，质量轻，调速方便，易于实现对速度和运动方向的控制等众多优点，但同时它也存在着系统维护要求高，相关液压部件制造成本高，由于不可避免的泄漏问题的存在，可能污染物料，所以也不适合作为该山核桃破壳机的动力机；气压驱动的运动平稳性差，冲击大，同时还有较大的噪声，故而也舍弃；而电机驱动，作为机械系统中最常用的驱动方式，与其他另外3种相比，它具有较高的驱动效率，且其种类和型号较多，与工作机械联接方便，具有良好的调速、启动、制动和反向控制性能，易于实现远距离、自动化控制，工作时无环境污染。

根据上述几种驱动方式的特点，结合山核桃加工的实际情况，在此选择电机驱动作为该山核桃破碎机的驱动方式。

3.2.2传动类型的选择

常用的机械传动类型和特点见表1。

传动类型

特点

摩擦轮传动

传动平稳，有过载保护作用。

传动比不能保持恒定，寿命及效率较低。

宜用于小功率传动，广泛用于无级变速传动。

带传动

传动平稳，有缓冲吸振及过载保护作用。

传动中有弹性滑动，传动比不能保持恒定。

传动中心距较大。

链传动

瞬时速度不均匀，有冲击、动载和噪声，传动中心距达。

寿命较短。

适宜于低速传动，可在恶劣条件下可靠工作。

齿轮传动

适用的速度和功率范围广，结构紧凑，传动比恒定，效率高，工作可靠，寿命长。

制造和安装精度要求高，对润滑和密封有较高要求。

无过载安全保护作用。

蜗杆传动

传动比大，结构紧凑，传动平稳，噪声小。

效率低，不宜用于低速大功率传动。

制造和安装精度要求高，要求有良好的润滑和密封。

无过载安全保护作用。

螺旋传动

传动平稳，噪声小。

传动中心距不大。

表3—1常用机械传动方式和特点

根据表1所述的传动类型和特点，并结合该山核桃破碎机属于一般食品加工机器的实际情况，选择带传动中的V带传动作为该破壳机的传动方式。

3.3破壳机关键部件的设计和选用

3.3.1电机的选用

查阅《简明机械零件设计手册》（以下简称《手册》）中与电机相关的第22章，了解到Y系列电动机是全国统一设计的一般用途交流三相异步电动机，具有高效、节能、启动转矩大、噪声低、振动小、可靠性高、使用维护方便等特点，其功率等级与安装尺寸符合国际电工委员会（IEC）标准，可以用于启动性能、调速性能及转差均无特殊要求的机器与设备的配套。

再根据山核桃破壳机1.0kW的额定功率以及1000r/min的主轴转速，查阅《手册》表22-2，选取Y90L-6电动机为该破壳机的动力机。

3.3.2带传动设计

依照《手册》表7-8所列的普通V带传动计算过程，经多次计算和核对，最终确定该山核桃破壳机的带传动设计过程如下：

3—1

Pd——设计功率（kW）

KA——工况因素；查《手册》表7—9得：

KA=1.1

P——所需传递的功率（kW）；根据前序章节可知：

P=1.0

由公式3—1计算得：

Pd=1.1

查《手册》图7—1选定传动带型为：

A型

由于设计时计划用变频调速来调节主轴转速，故在此选定传动比为：

i=1

3—2

3—3

Ld——皮带基准长度（mm）

dd1——小带轮基准直径（mm）；查《手册》表7—13选dd1=140

dd2——大带轮基准直径（mm）；dd2=140

a0——初定的传动中心距（mm）；

由公式3—3计算得：

196≤a0≤560，取a0=300

由公式3—2计算得：

Ld=1040，查《手册》表7—12选

=1000

3—4

a——实际传动中心距（mm）

由公式3—4、3—5、3—6计算得：

a=280.2，圆整取a=280

z——皮带根数

P1——单根V带的基本额定功率（kW）；查《手册》表7—14得：

P1=1.62

ΔP1——i≠1时，单根V带的基本额定功率的增量（kW）；查《手册》表7—14得：

ΔP1=1.62

Kα——包角修正因数；查《手册》表7—10得：

Kα=1.00

KL——带长修正因数；查《手册》表7—11得：

KL=0.89

由公式3—7计算得：

z=0.763<1，取z=1

3.3.3轴的设计和轴承的选用

3.3.3.1选择轴的材料

查阅《手册》表3—13所述的合金结构钢的种类和用途以及表15—1所述的轴的常用材料及性能，并参照类似的切丝机设计，选用40Cr作为破碎机主轴的材料，并进行调制处理，使其硬度要求达到HBS=241～286

3.3.3.2轴的结构设计和轴承的选用

依照《手册》表15—2所列的轴径计算公式：

3—5

d——轴的直径（mm）

P——轴传递的额定功率（kW）；根据前序章节可知：

P=1.0

n——轴的转速（r/min）；根据前序章节可知：

n=1000

A——按材料许用切应力（MPa）定的因数

查《手册》表15—3取：

A=107

由公式3—8计算得：

d≥10.7.

由于破壳机作业时，山核桃与敲击锤是随机碰撞的，故目前要确切的估计出轴上作用。

力以及力的集中作用点或等效点。

在此借助常规结构设计的经验，并在参考了类似的切丝机设计的情况下，初步设计轴的结构尺寸如下。

尺寸代号

数值（mm）

φ35

φ42

φ45

φ60

φ45

φ42

φ35

φ24

d10

φ12

L10

L11

L12

770

表3—2轴的结构尺寸图3.1轴的结构尺寸

与此同时，选用普通平键作为键联接，查《手册》表5—4确定其尺寸为：

8×7×30，并按《手册》表5—2计算其强度，可知该键联接的工作面挤压应力和剪切应力均小于相应的许用应力，设计的平键联接是安全可靠的。

由于设计时采用立轴式结构，因而需要在轴的下端用一个推力轴承作为轴的轴向支撑。

同时考虑到轴的长度因素，安装时难以保证其轴线的垂直度精度达到特别高的要求，故而选用调心轴承作为轴的径向支撑。

查《手册》表14—31并结合之前的轴的结构设计部分，选用调心球轴承1207分别作用于图3.1中所示d1和d7处；查《手册》表14—34并结合之前的轴的结构设计部分，选用单向推力球轴承51207作为止推轴承。

3.4破壳机机构原理和相关技术说明

3.4.1机构原理

山核桃破壳机主要由机架、电动机、带传动机构、轴、棍子、进料斗和出料斗等组成，如图3.2所示。

工作时，先将核桃装入进料斗内。

开动电机，通过带传动机构带动轴和棍子处于高速稳定转动状态时，拉开闸板，使山核桃自由下落并与处于高速运转的棍子随机相撞，在与筒壁相撞后反弹或沿筒壁下滑时遇到内衬突起而返回，并有机会再次与其他棍子相撞，通过多次撞击，从而使山核桃壳破裂。

最后，加工后的核桃从出料斗离开机器。

图3.2山核桃破碎机结构原理图

1—机架2—电动机3—带传动机构4—出料斗5—轴6—棍子7—进料斗

3.4.2技术说明

在整机设计过程中，首先要考虑的就是传动件和动力机的联接方式，对该山核桃破碎机而言，就是带轮与电机轴的联接。

经过多方面的咨询，查阅相关资料，并去现场实地观察，最终确定以过盈配合作为带轮与电机轴的联接方式。

与此同时，由于带传动属于典型的摩擦传动中的一种，在传动时必需事先进行预紧处理，在此选用滑道式张紧方式作为本设计的带传动预紧方式，由人工定期对其进行调节，其结构见图3.3。

其调节方法如下：

首先松开安装螺栓，使电机和带轮处于可调状态，接着旋拧调节螺栓，在锁紧螺母的配合下使挡块与横档挡块之间的距离发生变化，由于横档挡块是固定在机架上的，挡块与电机等可在水平方向的一定距离范围内滑动，从而实现皮带的张紧。

图3.3皮带张紧结构图

1—调节螺栓2—横档挡块3—锁紧螺母4—挡块5—安装螺栓

桶壁上加一层橡胶，避免山核桃与棍子多次碰撞。

为了避免山核桃与棍子相撞时由于碰到锋利的边缘而碎裂，降低机器加工时的核仁损耗率，特将作为敲击锤的棍子设计成球头形式，如图3.4。

同时，该设计也起到了一定的美观作用。

图3.4棍子

4绪论

客观来看，本设计的技术含量并不高，只能算是一种结构简单，操作方便，适用范围大的普通山核桃破壳机具。

要是能在本设计的基础上，事先借助有限元分析理论和软件或相关论文及资料，对不同种类、不同尺寸规格，不同核壳成分含量以及不同干燥程度等不同情况的核桃壳作力学分析，接着利用统计学原理对核桃与棍子的碰撞几率和平均碰撞作用力进行研究，同时在结合有限元技术和虚拟仿真技术对破壳机加工过程进行虚拟仿真和性能分析，然后再运用机械系统优化设计方法对整个破壳机进行结构和性能的优化。

虽然，目前本人的设计能力远不及上述要求，但本人还是坚信：

上述设计思路不但适用于该山核桃专用破壳机的设计，同样也适用于其他各类机械系统的设计。

这不但能改善相关设计产品的性能和效果，还有节能减耗之效，为社会节约不少宝贵的不可再生资源。

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。

“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。

结论

毕业设计，是培养学生综合运用所学基础理论、基本知识、基本技能和专业知识的重要手段，可以进一步检验学生处理实际问题的能力，是学生掌握基本的设计（科研）方法。

通过本次毕业设计，一来，我兑现了刚进大学是的承诺：

一定要自己写毕业论文；二来，熟悉了书面论文的书写格式和要求，对以后的进一步发展有重要意义，并且，通过编辑论文还让我掌握了不少有关Word编辑的知识。

不过更重要的是，我在设计过程中切身体会了设计的乐趣，更让我坚定了走工程生涯的决心。

虽然，在此间有不少问题和困难，例如：

带轮与电机轴如何联接，机架的选材以及联接方式的确定，轴承座的安装问题以及如何保证上下两端轴的同轴度等等。

这其中，有些甚至即将把我击溃，但庆幸的是，我并没有在这些难题面前轻易倒下，在众多良师益友的帮助下，并通过自己的努力，顺利完成了本课题——山核桃专用破碎机的设计。

此外，通过本设计，我还意识到：

工程生涯之路崎岖而坎坷，但这些并不可怕。

可怕的是，在遇到问题和难

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