（机械制造及其自动化专业论文）板栗脱壳设备及其控制系统的设计.pdf

z5 6 63 85 板栗脱壳设备及其控制系统的设计 摘要 目前，板栗深加工产品的开发所面临的技术关键是脱壳及护色。现有的 脱壳方法存在着栗仁破碎率高、栗仁易褐变、设备投资大等各种缺陷，自动 化程度不高，推广使用受到限制。因此，本文设计了一种新型板栗脱壳设备， 由真空爆壳机和机械剥壳机组成。其爆壳技术已申报国家发明专利并已公告， 进入了实质性审查阶段。 通过对板栗真空爆壳工艺进行试验研究与分析，获得了真空度、温度、 爆壳时间等工艺参数，完成了转鼓型板栗真空爆壳机的结构及其控制系统的 设计。该机采用单一真空源与五个转鼓真空爆壳室相结合，真空爆壳室内设 加热翻料板和横向翻料板，真空系统采用预抽蒸汽喷射器和三级蒸汽喷射泵 相并联，控制系统采用p c 微机对生产过程中的重要参数和工序进行了实时控 制，使整机具有操作简便，自动化程度高，工作稳定可靠，生产效率高，生 产能力强，能源消耗低等特点。 采用现有板粟剥壳试验装置对外壳已爆裂的板栗进行工艺试验研究，确 定出动颚搓板和柔性搓揉原理相结合的新型板栗剥壳方法。通过对揉搓板运 动轨迹的设计分析，确定结构方案，设计出动颚揉搓式板栗剥壳机。该机使 揉搓板作复杂的平面运动，使板栗多方位受力，实现了外壳被搓碎而粟仁完 整无损。因此整机具有工作平稳，结构简单，剥壳率高，粟仁完整率高，对 板栗适应性强等特点。 关键词：板栗，真空爆壳，真空系统，微机自动控制系统， 柔性搓揉原理，动颚机构 t h ed e s i g no ft h ec h e s t n u t s h e l l p e e l i n g e q u i p m e n t a n di t sc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h e m o s t i m p o r t a n tt e c h n o l o g yp r o b l e m i nt h e p r o c e s s o f e m p o l d e r i n gd e e p p r o d u c to fc h e s t n u t i s s h e l l e x u v i a t i n ga n dc o l o r - p r o t e c t i o n b e c a u s et h e e x i s t i n gs h e l l e x u v i a t i n g m e t h o d sh a v e m a n yd e f i c i e n c i e s ，f o r e x a m p l e ，h i g hc r a s hr a t i n g o fk e r n e l ，e a s yb r o w nc h a n g eo fk e r n e la n db i g i n v e s t m e n to f e q u i p m e n te t c ，f u r t h e r m o r et h e i ra u t o m a t i z a t i o nd e g r e ei sn o th i g h ， t h e ya r el i m i t e di nt h ef i e l do fa p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rd e s i g n an e w t y p e s h e l l e x u v i a t i n ge q u i p m e n to fc h e s t n u t ，i ti sc o m p o s e do f v a c u l u t i s h e l l b u r s t i n g m a c h i n ea n dm e c h a n i c a l s h e l l - p e e l i n g m a c h i n e t h ev a c h l u t i s h a l l b u r s t i n g t e c h n o l o g yh a sd e c l a r e dt h en a t i o n a lp a t e n ta n de n t e r e dt h es u b s t a n t i a l i t yc e n s o r p h a s e i nt h i sp 印e r ，a f t e rr e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gt h ec r a f t w o r ko ft h ec h e s t n u t s h e l l b u r s t i n g ，w eg a i n t h ec r a f t w o r k p a r a m e t e r s u c ha sv a c u u m d e g r e e 、 t e m p e r a t u r ea n d t i m eo f s h e l l b u r s t i n ge t ca n dd e s i g nt h es t r u c t u r eo f t h ec h e s t n u t v a c u u ms h e l l b u r s t i n gm a c h i n ea n di t sc o n t r o ls y s t e m i nt h ed e s i g np r o c e s so f t h i s e q u i p m e n t ，w e u s et h em o d eo fs i n g l ev a c u u mf o u n t a i nc o n j u n c tw i t hf i v e r o t a t i n gd r u m ，s e t t h es t i rb o a r di n s i d eo ft h ev a c u u mr o o m ，u s et h ev a c u l 1 mg a i n e q u i p m e n to f b e f o r e h a n ds t e a me j e c t i n gp u m ps h o u t w o u n dw i t hm i r dc l a s ss t e a m e j e c t i n gp u m p a n du s et h ep c m i c r o c o m p u t e r t oc o n t r o lt h ew o r k i n g p r o c e d u r ea n d t h e i m p o r t a n t c r a f t w o r k p a r a m e t e r a l l t h e s em a k et h i sm a c h i n eh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fm o r es i m p l i f i e ds t r u c t u r e ，h i g h e ra u t o m a t i z a t i o nd e g r e e ，w o r k i n g w i t hg o o ds t a b i l i z a t i o na n dc r e d i b i l i t y ，h i g h e rp r o d u c t i v i t y ，b e t t e rt h r o u g h p u ta n d l j l o w e n e r g ye x p e n d a f t e r d o i n gt h e c r a f t w o r k e x p e r i m e m f o rt h es h e l l b u r s t e dc h e s t n u t sa n d a n a l y z i n g t h et e s t r e s u l t ，w eb r i n gf o r w a r dan e ww p ec h e s t n u ts h e l l p e e l i n g m e t h o do fm o v e j a w w a s h b o a r dc o n j o i n tw i t hf l e x i b l er u bt h e o r y a f t e ra n a l y z i n g t h em o v e m e n tt r a c ko ft h ek n e a db o a r d ，t h es t r u c t u r es c h e m ei sc o n f i r m e d f i n a l l y w ed e s i g n e dt h ec h e s t n u ts h e l l p e e l i n gm a c h i n eo fm o v ej a wf l e x i b l er u bt y p e t h ek n e a db o a r do ft h i sm a c h i n ed o e sc o m p l i c a t e dp l a n em o v e m e n t s ，w h i c hm a k e t h ec h e s t n u t sg e tp o w e r si nm a n yd i r e c t i o n s t h i sm a c h i n em a k e st h es h e l l o f c h e s t n u tc r a s h e db u tt h ek e r n e li si n t e g r a t e d t h e r e b y ，t h i sm a c h i n eh a sh i g h e r r a t i n go fs h e l l - p e e l i n g a n d h i 曲e ri n t e g r i t yr a t i n go f k e r n e la n d b e t t e ra d a p t a b i l i t y k e yw o r d s ： c h e s t n u t ，v a c u u m s h e l l - b u r s t i n g ，v a c u u m s y s t e m ， t h em i c r o c o m p u t e ra u t o m a t i o ns y s t e m ， f l e x i b l er u bt h e o r y ，t h em o v e j a w f r a m e w o r k 1 1 1 绪论 1 1 问题的提出 板栗俗称栗子，具有较高的经济价值，是我国有名的传统于果粪产品。鲜板栗实含水 份5 0 ，蛋白质4 0 - - 4 5 脂肪0 7 o 8 ，碳水化合物4 0 4 2 ，纤维素1 6 1 8 。 还富含v 。、v 。、7 。和c a 、p 、f e 、k 等矿物质。其可食栗仁味道鲜美，风味独特。营养丰富， 板栗淀粉中支链淀粉含量较高，粉质细腻，香糯可口，风味具佳。板栗还可入药，具有健 脾益气、补肝、消除湿热，医治腰腿痛及 养治病之功效，享有“东方珍珠”之美称。营养 保健作用良好，味道香甜可口，深受国内外各年龄段、各阶层的广大消费者所青睐。 板栗是一种优良的木本粮食和用材树种，索有铁杆庄稼之美称。具有抗逆性强，适应 性广，栽培技术容易掌握等优点，一年种，多年收，产量比较稳定，收益大。在我国，北 起辽宁、吉林、南至广东、海南等省均有种植分布。近年来，随着西部大开发，山川秀美 工程的实施，我国各地纷纷扩大种植规模，产量快速增长。 然而由于板栗水分含量高，呼吸性强，发热值高；加上在开花结果和采收去苞过程中 微生物污染的不可避免，使得板栗极易腐烂变质而不耐贮藏。据调查我国每年因霉烂、生 虫、发芽造成的板栗损失达总产量的2 0 3 0 z ，原料资源浪费极大，销售和消费也受到了 严重的季节性限制。同时由于国外市场对板栗直接食用的有限性，加之农村分散种植造成 板栗保存的困难性，以及产销对路的板栗深加工产品没有很好地开发，供大于求的矛盾已 十分突出，最直接的结果就是滞销引起霉烂加剧，价格的大幅下跌严重阻滞了边远山区农 村、农民经济收入及生活水平的提高。迫切需要进行板栗的贮藏及深加工技术与设备的研 究。 目前最常见的板栗加工技术就是大家常见的糖炒栗子，虽然经过糖炒之后的板栗味道 比较可口，但是食用起来很不方便。 板栗脱壳后的应用范围很广，可以直接出口创汇，也可以加工成其它方便食品，特别 是欧美等国近年来对板栗深如工产品兴趣浓郁，消费上升。所以对板栗的深加工方法及其 产品的研究具有良好的社会效益和经济效益。 1 2 板栗深加工产品开发所面临的难题 板栗深加工产品开发所面临的关键技术难题就是脱壳及护色。即在保证栗仁原有形 状、成分和色、香、昧、形不变的条件下，去除板栗坚硬的外壳和软薄的内皮。现有的板 栗脱壳方法主要有手工、化学、热力、机械、能量法等。据资料显示，不论采用上述的哪 一种方法，其结果都不理想。通常伴随有栗仁的损伤或褐变的发生，不能得到高质量被脱 壳的粟仁，阻碍了后续深加工产品的开发。 板栗的夕卜壳与花生、瓜籽、松籽、核桃等硬壳类干鲜果不同，其外壳坚硬没有结合缝， 内皮软薄且与栗仁结合紧密，不能直接食用。同时，外形复杂多样，有近似球形、半球形、 腰子形、扁圆形和三棱形等，外径的大小也相差悬殊，大的直径可达4 0 r a m ，小的仅为l o m m ， 一般为2 5 3 5 r c m ，这就使机械脱壳的工艺更加复杂，机械自动脱壳去内皮等常规性的干果 脱壳方法实施困难。同时要实现低能耗、高质量、高效率地板粟脱壳与内皮的去除更加困 难。 1 3 板栗脱壳技术进展 板栗脱壳最早是手工脱壳法，这种方法效率低下，且不卫生，不能适应大规模生产。另 外，手工脱壳成本较高，一个人最多一天能处理1 0 公斤。后来采用将板栗风干或烘烤后进 行对辊碾压，这种技术刹壳去衣率低，破碎率高对于有整仁率要求的深加工产品不适用。 后来，随着化学工业的发展，出现了化学式脱壳法。这种方法需添加其它化学成分如碱、 酶等搀杂物，这些添加物将致使产品具有异味，影响成品品质和风味，但这种方法的整仁 率较高。进入8 0 年代，随着板栗产量的增加，国内外均对板栗脱壳技术与设各进行了大 量的研究。 1 3 1 日本技术 该技术主要是j p 5 9 - 1 5 6 2 7 5 公开的技术，采用不加热干燥的常温机械剥壳原理，其结 构如图i - i 所示。 1 一c h e s t o u tk e r n e lc o o t a l n e r ，2 一e x p o r to fb r o k e nc h e s t l b j t ， 3 - - e x p o r to f w h o l ek e r n e l ，4 一w i n dm a c h i n e ，5 一d r i r ee q u i p m e n t ， 6 一h i g hs p e e dc u tt o o l ，7 一e x 8 1 tm a c h i n eo fc h e s t o u t ，8 一h i g hs p e e dh i ti m p l e m e n t ，9 一s c r s t c h m a t e r i a i t r a n s p o r t a t i o ni m p l e m e n t ， 10 一h i g hp r e ss u r e8 ir f l o z 。p e e li n gm a c h i n e ，1 1 - - h ig hp r e ss u r eg a sm o u t h 图t - 1 日本板栗脱壳技术示意图1 1 1 f i g 1 1 t h es k e t c hm a po fc h e s t o u ts h e l1 t e c h n i q u e o f j a p a n 该设备工作原理是：先将鲜板栗用提升机输送到脱壳机上方，板栗由刮料机构从一端 移送到另一端。脱壳机下面是高速旋转辊刀和高速击打钢片，旋转辊刀把板栗外皮切破， 在高速击打钢片的打击下，将板栗外壳打掉或打松，板栗从另一端出去，然后进入高压气 流脱皮机。在这里板栗被分配到一定大小的许多管予内，用高压气流压入管内，让板栗在 管子内高速旋转，壳随气流从管子的上端流出，进入垃圾回收器。板栗仁外面将只剩下红 2 衣，最后进入到专门的红衣脱皮装置。这是一种采用高压蒸汽快速旋转脱去红衣的旋转脱 皮机。由此组成联合作业机组。 这种设备剥壳率较高，破碎率较小，但红衣去净低，般需要增设专门的红衣二次去 除设备。这种机组结构复杂，部件制造精度要求高，价格昂贵。 1 3 ，2 欧洲技术 该技术采用火烧法，设备如图卜2 所示。该法用液化气火焰在高温下将板栗外壳烧掉， 然后对未烧尽的板栗进行挤压刮皮，使板栗的仁、衣分离，将壳、仁、衣起进入到分离 器，栗仁在此被分离出。再将栗仁进行碾磨、清洗、最后得到栗仁。这种方法脱壳率很高， 但燃烧温度较难控制，很容易使板栗熟化、甚至焦化故必须将粟仁表面磨去，以获得干 净整洁的外表，但有一定损耗。这种板栗脱壳技术工艺独特，属国外技术专利，故整套设 备价格昂贵，在国内推广使用的可能性不大。 1 一f u e lv e ss e l ，2 一s e 口a r a t o to f s h e l la n dk e r n e l ，3 一c h e s t n u tk e r n e ic o n t a i n e t 4 - - g r i n dm a t h i n eo f c h e s t n u tk e r n e l ，5 一e x 8 l tm a t h i n eo fc h e s t n u tk e r n e l 6 一e x tr h s i o nm a c h i b e ，7 一b u f n i n gm o u t h ，8 一f ir e b o x ，9 一e x a l tm a t h i n eo fc h e s t n u t 图卜2 欧洲板粟脱壳技术示意图i l l f i g 1 - 2 t h es k e t c hm a po fe h e s t n u ts h e l lt e c h n i q u eo fe u r o p e 1 3 3 中国技术 1 一s h e l ic o n t a i n e r ，2 一v a l y eo fs p i l lm a t er i a l ，3 一m e e tj a wo fs t e a m ， 4 一d r ess u r ew r t c h ，5 一h e i i x c o n v e ym al e t i a li m p l e m e n t ，6 一m a t e r i a li n p u t v a l y e 7 - - e n tr a n c co fc h e s t n ul ，8 - - g e a r i n g ，9 一e l e c t r ic i t ye n g i n e ，1 0 - - t r a n s p o r t a t i o nm a c h i n e o f c h es t n u tk e r n e l ，1 1 一c o n t a i n e ro fc h e s t n u tk e r b e i ，l2 一s e p a r a t o r 图i - 3 蒸汽脱壳机简图 2 1 f igi - 3t h es k e t c ho fs t c a ms h e lt e r 3 我国板栗脱壳技术研究起步较晚，但发展较快，比较有代表性的有z l 8 5 1 0 3 3 9 6 a 公开 的蒸汽加压膨胀后突然减压破壳的技术设备，如图1 3 所示，板栗从入口处经进料阀进入 蒸汽压力容器，在一定压力和温度下，由螺旋输送机推到另一端，经出料阀进入壳、仁分 离器进行分离。这种技术设备的脱壳率较高，但是由于采用蒸汽，使栗仁熟化，影响后加 工产品的品质，对要求生加工的产品则影响较大。另外，这种设备需配备专用的进出口料 阀，投资相对较大。 1 34 浙江大学研究的板栗脱壳机 浙江大学化工机械研究所1 9 9 8 年所研制的板栗脱壳机采用双排双向高速刀辊对板栗 进行高速切削和高速击打脱壳。该设备的结构如图卜4 所示。其原理主要是将原料板栗首 先进行大小分类，按特大、大、中、小4 类，对不同大小的板栗分别放置，并进行不同处 理。将己分类的板栗进行较低温度的干燥，然后放入机械脱壳机进行脱壳。该脱壳机是一 种高速刀具不断脱去板栗外壳的机械。首先将板栗破壳，板栗在脱壳机内一边被高速刀具 快速切割，一边被螺旋推料器不断地向出口处推进。其推进速度是可调的。板栗在不断行 进中壳被不断切削掉或打掉，其切削量可根据板栗大小、品质的不同进行调整。当栗仁被 切削较多时，可提高板栗行进速度，以获取最好的效果。 1 一b r a c k e t ，2 - - g e a r i n g ，3 一s p “1 m a t e r i a lj a w ，4 一h i g hs p e e dc u t t i n gr e a m e r 5 一h e l i xc o n v e ym a t e r i a lm a c h i n e ，6 - - 1 i b r a t i o nf e e d i n gm a t e r i a li m p l e m e n t ， 7 一m t e r i a ls t o r e h o u s e 围i - 4 机械脱壳法简图1 2 1 f i g 1 4 t h es k e t c ho fm e c h a n i c a ls h e l1m e t h o d 这种方法虽然脱壳率较高，但栗仁损伤严重，经脱壳后的栗仁需进一步加工才能满足 要求，同时增设了板栗的筛选工序，使整机结构复杂，造价较高。 1 4 真空爆壳技术以及基于柔性原理的揉搓式剥壳方式 鉴于以上各种技术所存在的问题，1 9 9 9 年我们开始研究板栗真空爆壳技术以及揉搓式 剥壳方式相结合的板栗脱壳技术，并自行设计研制了小型的试验装置，进行了工艺性试验 研究。 4 141 真空爆壳技术 板栗的真空爆壳技术是在真空条件下，使具有相当水分的生板栗被加热到一定温度并 获得足够的真空度。在真空泵的抽吸作用下，因温度的引入使外壳的水分不断的蒸发而被 移除，其韧性和强度降低，脆性大大增加。真空作用又便壳9 压力降低，壳内部将相对处 于较高压力状态。在外壳被加热干燥产生应力发生应变的同时，粟仁也将被加热并使其内 部的水分汽化，栗仁因失水而收缩，使其与内皮外壳自行分离：并由于栗仁的水分汽化后 无法从外壳逸出，使壳内的压力进一步升高，达到一定数值时，就会使外壳和内皮爆裂。 从而可以在保证栗仁色泽不变，外形完整的情况下，很容易的脱去板栗的内外皮层。该技 术的引入，使得在保持粟仁原有形状和质量的前提下，使板栗的外壳和软薄的内皮一次性 爆开，从而使去壳工序简化。 该爆壳技术已申报国家发明专利著己公告，进入实质性审查。 1 4 2 揉搓式剥壳小型试验装置 l - h a n dh a n d l e ，2 - p r e ssb o a r d ，3 - w a s h b o a r d ，4 - c b e s t n u t ，5 - - t u r na x ls ， 6 - c o n v e y e rb e l t ，7 一s t r i pw h e e l ，g - b r a c k e t 图1 - 5 小型板泉刺壳实验样机示意图 f i g 1 - 5 t h es k e t c hm a po fm i n i t y p ee x p e r i m e n ts a m p l em a c h i n eo fc h e s t n u t s h e li 工作原理是：工作时由曲柄带动辊轮，再由辊轮带动输送带，经真空爆壳之后外壳与 内皮爆开的板栗在输送带上被输送的过程中受到压板的下压作用力，同时压板与输送带相 对运动，完成搓揉动作。 1 4 3 板栗真空爆壳与揉搓剥壳技术的优缺点 通过多次的工艺性试验研究，采用真空爆壳和揉搓剥壳技术对板栗进行脱壳是完全可 行的，其特点与存在的问题仍需进一步研究解决。 优点：( 1 ) 采用低温下的真空爆壳技术防止了栗仁受热后的氧化褐变； ( 2 ) 柔性原理使得剥壳之后栗仁的损伤率很低： ( 3 ) 柔性原理的引入使其对板栗大小的适应性强： ( 4 ) 对板栗外壳可以进行挤压作用。 存在的问题： ( 1 ) 在实际实验过程中发现压板的下压作用力太小，压板只能上下运动，不能往复运 动，仅靠与输送带的相对运动实现揉搓，这使得板栗的受力方向少，剥壳率很低，而且下 压力不可调； ( 2 ) 揉搓板对板栗大小的适应性较差，板栗大小差异太大时，小板栗难以脱壳； ( 3 ) 真空爆壳设备若采用单一真空源与单个真空爆壳室相配合，使得真空获得装置不 能充分发挥其有效的工作能力，因为单个转鼓对板栗进行爆壳加热，单位时间内板栗蒸发 汽化的水分量很少，而真空获得装置又是只对单一转鼓进行抽空，造成能源的浪费，生产 效率很低。 1 5 现有脱壳机的控制系统分析 目前国内生产的坚果脱壳机大多数采用机械方法脱壳，有少数实现了半自动化，但是 设备投资比较大，而且不能客观实时地显示出设备的工作进程，也不能精确方便地描述故 障错误。同时其软件急待进一步的完善成熟，尤其是对工艺参数的设定和缺乏一个理想的 用户界面。 随着微机技术的迅速发展，计算机在各个领域发挥着越来越显著的作用。 到目前已有多种计算机控制系统：数据采集系统( d a s ) 、操作指导控制系统( o g c ) 、 直接数字控制系统( d d c ) 、监督计算机控制系统( s c c ) 、分散控制系统( d c s ) 。其中直 接数字控制系统是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。 1 6 本课题的研究内容 本课题是陕西省教育厅专项科研计划项目“板栗的脱壳技术与设备”的主要研究部分。 研究内容包括以下两个部分： 16 1 板粟真空爆壳机的设计 板栗真空爆壳机的设计包括以下几个部分： 1 在对板栗真空爆壳工艺试验结果进行分析后，提出真空爆壳机的设计方案，对爆 壳机进行结构设计，主要包括：转鼓内部结构、翻料板、加热系统结构、加热蒸汽流向等 的设计。 2 对真空系统进行优化配置：根据板栗真空爆壳机对真空系统的要求及工艺试验结 果，选择多级蒸汽喷射器作为真空源，设计出具有预抽蒸汽喷射器和三级蒸汽喷射真空系 统相组合的高效低耗且工作稳定可靠的真空系统。同时确定出爆壳转鼓与真空源配合的最 佳个数。 3 对板栗真空爆壳机的工艺流程进行分析，完成板栗真空爆壳机的控制系统的硬件 配置及软件的设计。 1 6 2 板栗剥壳机的设计 对现有板栗揉搓式剥壳试验装置进行实验、分析和研究，根据板栗剥壳所需受到多方 位挤压的作用，设计出揉搓板可以实现上下、往复等复杂运动的颚板揉搓型剥壳机。 6 1 7 本课题的意义及市场前景 目前板栗的种植面积约7 0 万亩，年产量3 0 万吨，而且仍然呈现上升趋势。而板栗的 脱壳现在正处于由手工操作向半自动化、自动化方向转变的状况，一些比较先进的生产工 艺与设备几乎全部依靠进口。因此研究自动化程度高、产品质量好的板栗脱壳设备，实现 板栗的综合开发利用，具有显著的社会经济效益和广阔的发展应用前景。 板栗作为一种干鲜果以其独特的风味，高的营养价值和保健食用价值深受各年龄段、 各阶层的广大消费者所青睐。然而从古到今，对它的食用基本上仍停留在最初的原始状态， 即由家庭或小作坊炒制或蒸煮后，食用者自己剥开坚硬的外壳，去掉内衣，才能品尝到香 甜可口的栗仁。显然，这种传统的食用方式既不科学，也不卫生，更不符合现代人们快节 奏生活的需求。我国的板栗年产量虽然居世界首位，但人均年占有量不足0 3 k g ，与此相 比，在目本为0 7 k g ，意大利为1 4 k g ，土耳其则达到4 6 k g 。近年来我国板栗产量年增长 速度达1 0 ，尤其在陕西省的秦巴山区，由于地理位置及气候条件等原因，特别适合板栗 的生长，但每年都存在“丰产不丰收”和“卖栗难”的现象，部分板栗严重积压和浪费， 极大地损伤了栗农的生产积极性。造成这种现象的主要原因是板栗贮藏、保鲜技术不过关， 产品加工能力低，综合开发利用不够，深加工未能形成规模化和产业化。 要解决板栗积压浪费的问题，需要加强对板栗的科学贮藏，以及进行有规模的深加工， 开发生产有一定科技含量的深加工新产品，而这一系列深加工的基础，就要对板栗进行脱 壳。国家计委、经贸委近日发布了当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录。 其中涉及到了农产品贮藏、保鲜、加工及综合利用等方面的问题。如今我国许多省市都把 板栗产业化列入农业产业化重点发展工程，可见，对板栗的加工既存在着巨大的市场潜力， 又有着广阔的发展应用前景。 如在陕西省建立一个年产5 0 0 0 吨栗子奶和年产5 0 0 吨栗子巧克力的生产企业，年需 消耗板栗分别为5 0 0 吨和4 0 吨以上，可吸收和消耗本地区甚至周边几个地区的剩余板栗， 使栗农“卖栗难”的现象得到缓解，对于提高栗农的种植积极性，增加农民收入，促进农 村经济快速发展，彻底改变贫困山区落后面貌，实现小康生活，必将起到积极地促进作用。 2 板栗真空爆壳机的设计 2 1 爆壳工艺研究对工业化生产板栗真空爆壳机的设计要求 通过对板栗爆壳工艺试验及影响因素的分析，工业化生产用爆壳机的设计要求如下 21 1 真空源选择要求 a 要求真空系统具有适应工作要求的抽气速率 持工作真空室的真空度在4 0 0 7 0 0 p a 。 b 由于生鲜板栗在进入真空加热室前未经处理 气体的能力。 在快速抽除板栗蒸发汽的同时能保 故要求真空设备具有可抽吸含粉尘 c 结构简单，能耗小，噪音低，无污染，工作稳定可靠，维修量小。 2 1 2 加热系统的要求 a 由工艺试验可知，板栗温度、加热系统的温度概念不同，爆壳设备应采用不同的 加热温度要求，使外壳快速均匀加热干燥，故要求加热系统的温度不宜高于7 0 。c ，同时应 易于控制。 b 为了提高加热效率，缩短加热时间，在加热板栗的同时，应对其实现翻转，使板 栗受热均匀并采用大传热面积。 c 从加热时间上考虑，要求传热效率要高，即在短时间内使板栗外壳的水分汽化。 d 能源的有效利用。板栗在脱水过程中能量的利用率是指装置脱去水分所需的能量 与供给装置能量之比，应考虑在满足加热要求的前提下，充分利用能源，且注意加热过程 中加热系统热量的损失等因素的影响，采用蒸汽喷射泵作为抽真空装置，考虑用泛汽加热 以提高能源的利用率。 2 1 3 真空室的结构要求 a m i 艺试验知，使板栗在整个加热过程中始终处在不断运动的状态。 b 在板栗实现动态加热条件下，加料和卸料方便，蒸发汽的抽除容易，动静状态密 封性好。 c 应在合理的范围内尽可能的提高加热温度，在表面汽化控制为主时达到爆壳的内 压，同时，在真空室内设置合理有效的装置，可使板栗在加热过程中不断受到冲击力的作 用。 d 使板栗在真空室内可以充分受热，应考虑加入一些辅助的翻料机构。 e 在有效空间内布置尽可能多的换热面积换热结构与真空室的形状相适应，并要 考虑工作过程中的传质传热特性，在安全工作温度的范围内有足够的热通量。 f 真空室内的各种结构组成应分别按工作要求考虑其传热性与热屏蔽性，使能源充 分利用，能耗减小。 g 制作真空室的材料应具有足够强度、耐热性、热稳定性和耐蚀性，真空室及各内 加热板的焊缝和各连接处应绝对密闭无泄漏。 2 2 板栗工业化生产真空爆壳机真空室的结构设计 8 2 2 1 结构方案的确定 真空室是真空设备的主要部件之一。真空设备的工艺生产过程都是在真空室中进行 的。真空室中装有不同的部件，可以完成各种不同的工艺要求。由于使用要求不同，真空 室有圆筒形、圆锥形、盒形等。 从工艺性的分析中了解到，采用动态的爆壳室比静置的效果要好，大多数密封的常压 加热装置都能用作真空加热装置，对于动态的真空加热装置，具有代表性的形式为：搅拌 型和回转型。 1 搅拌型 搅拌型常见的形式为耙式真空加热装置及圆筒搅拌型真空加热装置。 a 耙式真空加热设备 耙式真空加热装置如图2 1 所示，由带有蒸汽夹套的壳体和在壳体内装有定时改变旋 转方向的耙式搅拌器所组成。被加热的板栗由壳体上部进料口加入，爆壳后的产品由底部 卸料口 i - - v a , i t , u u mr o o m ，2 - h a r r o wb o a t s r ，3 - t u r n8 x is ，4 - g e a r i n g 因2 - 1 耙式真空加热设备f i g 2 - t h eh a r r o wv a c u u mc a i s f a c t i o nc q u i p m c n t b 圆筒搅拌式真空加热设备 图2 - 2 圆筒搅拌式真空加热设备 f ig 2 - 2t h ev a c h u mc a l e f a c t i o nc q u i p m c n to fc y l i n d e rm ixr o u n dt y p e 该真空加热设备如图2 2 所示。其内部有回转搅拌桨，简体由双层外套组成，并用蒸 汽、温水或热油加热。采用可加热的中心轴及搅拌桨，不仅可增加传热面积，同时还可避 - 9 - 免物料的粘附。借助于搅拌、混合、传热及排气一方面可保持所定的真空度，另一方面能 进行有效的加热。 2 回转型 回转型常见的形式为：对称圆锥回转型真空加热装置和转筒型真空加热装置。 a 对称圆锥式真空加热装置 如图2 3 所示。 图2 - 3 转鼓式真空加热设备【5 】 f i g 2 - 3 t h ev a c u u mc 8 l e f a c t i o ne q u i p m e n to fr o t a t l a gd r u mt y p e 该机采用转鼓型真空加热爆壳室，使有对称圆锥形容器旋转，并借内部的提升器或圆 锥体本身的倾斜度使板栗不断搅拌，通过旋转接头由旋转轴的一侧送入蒸汽或载热体，并 借助设于另一端轴中心带过滤网的排气管排气。 b 转筒式加热装置 如图2 - 4 所示。转筒式加热装置的主体是略带倾斜并能回转的圆筒体。 热空 产品 图2 - 4 转筒型加热设备 f ig 2 - 4t h ec a l e f a c t i o ne q u i p m e n t o f i o t a t i n gc y l i n d e r t y p e 待爆壳的板栗从左端上部加入，经过圆筒内部时，与加热壁面进行有效的接触而被加热， 爆壳后的产品从右端下部收集。在加热过程中，板栗借助于圆筒的缓慢转动，在重力作用 下从较高一端向较低一端移动。简体内壁上装有顺向抄板( 或类似装置) ，它不断地把板 1 0 栗抄起又洒下，使板栗的热接触表面增大，以提高蒸发速度并促使板栗向前移动。加热过 程中所用的热载体一般为热空气、烟道气或水蒸气等。 表2 1 设备的综台比较 优点缺点 劳动强度低，工作条件好，对物料适加热后的物料含水率不能太低不 耙应性强，使物料受热均匀适用于不耐热物料的加热，同时物 式料的排出困难，制造成本高，占地 搅 较大能源利用率一般。 拌圆心轴可加熟，使传热面积增加，搅拌物料排出困难，清扫不便，传熟系 型筒 桨的形式多样，对所加工物料的适应数u 的变化大，使得工作稳定性 搅性强。下降，不适于低温加热物料。 拌 式 对 受热均匀真空度较高物料的装填因回转体限制，生产能力不大，难 称 和卸载容易，内部结构简单，清扫容于实现连续化生产。 圆 易，因回转壁上无积料，传熟系数较 回 锥 高，适应性强，适于低温加热物料， 同时可在真空室中加入金属或磁性球 转 式 及破碎棒等，维修量少。 型生产能力大，可连续操作故障少，设备庞大，一次性投资多，安装、 转维修低，适用范围较广，清扫容易。拆卸困难，热容系数小，热效率低， 筒如果转简平放，则进出料困难，如 式果使转筒倾斜，贝l j 物料会流向一 边，使加热爆壳受到阻碍。 2 2 2 结构设计 综合上述真空加热装置的优缺点，选定对称圆锥真空加热设备作为该真空爆壳机的爆 壳室基本结构，同时针对具体的板栗爆壳工艺过程对该结构作必要的调整和改进。 为增大板栗的加热面积，可以在圆锥的内壁上设置加热板，将加热板作方向上的优化 可以起到翻料的作用，使得板栗在加热的过程中受热均匀。同时对圆锥的锥度也应有一定 的要求。 1 圆锥筒锥度的设计 对称圆锥转鼓式真空干燥器是由调速电机带动圆锥形容器回转，借内部圆锥体本身的 倾斜度使板栗不断搅拌的，圆锥筒的顶角根据物料排出时的休止角确定，大多采用9 0 6 0 。图2 5 中所示a 为半锥角，b 为休止角。 角度过大( a 3 0 。) ，板栗在圆锥简翻转的过程中始终相对处于 其下半部分，这样导致受热不均，同时因进出料口在同一处， 所以角度的调节还应使爆壳后的板栗卸料容易。综台考虑上 述因素的影响，将半锥角选为3 0 。，休止角为6 0 。，使爆 壳后的板栗可以克服摩擦力而排出，同时在圆锥筒旋转的过 程中又可以保证其有效接触面积最大。 图2 - 5 锥形壳体( f i g 2 - 5t y p o rs h e l l ) 2 真空室容积的确定 根据工艺试验要求得知真空室大端直径为1 5 0 0 册，其结构示意图如图2 - 6 所示。 6 j i i 之j i： n jf 真空室的容积： v = 三丁【h ( r 2 + r r + r 2 ) x 2 + 瓢h r 2( 2 1 ) 3 其中，h = 5 0 0 珊n = o 5 m ，r = 2 5 0 r r 】i n = o 2 5 m r = 5 0 0 t 9 3 0 。+ 2 5 0 = 5 3 8 ? m m = 0 5 3 8 7 m h = 5 0 0 m m = o 5 m y ：三丌h ( r r r + r 2 ) x 2 + 玎h r 2 3 = 0 9 6 6 m 3 图2 - 6 兵空室示意图( f i g 2 - 6t h es k e t c hm a po f v b c u u mf o o m ) 2 2 3 翻料系统的设计 1 翻料板设计 为增大板栗与热源之间的传热面积，在转鼓的内壁上设置加热翻料板。加热翻料板的 设计应遵循既使板栗的接触时间尽量长，又可以使板栗均匀受热的原则：同时，从结构上 考虑，应设计成夹层式，蒸汽通入对翻料板进行加热。由此设计出如图2 7 所示的加热翻 料板。 图中，3 为加热翻料板，它是中空结构，成一定倾斜度焊接在真空爆壳室内部，真空 爆壳室夹层内蒸汽可以流入加热翻料板内，这样翻料板不仅起到翻动板栗的作用，而且可 以对板栗进行加热，加大了传热面积，提高了爆壳效率。横向翻料板为实心结构，厚度和 宽度均不大，它成一定倾斜角度放置在爆壳室内，横向翻料板不起加热作用，设计该结构 的目的是转鼓在转动过程中搅动板栗，加强翻料和冲击作用，使板栗更加受热均匀，提高 爆壳效率。 】2 3 1 一t o t a t i n ga x is ，2 - v a c u u mr o o m ，3 - c a l e f a c t i o ns t irb o a r d 4 - v a c l _ 1 t c m o u t h 。5 - l a n d s c a p eo r i e n t a t i o ns t i rb o a r d 图2 - 7 翻料板结构简图 f i g 2 - 7 t h en o n f i g u r a t i o f fs k e t c ho fs t irb o a r d 2 加热翻料板内的蒸汽流向 蒸汽在加热翻料板夹层内的流动状况如图2 - 8 所示： 1 一e n t r a n c eo ft h ef a n q i 2 - e x p o r to ft h ec o n d e n s a t i o nw a t e ra n dr e m n a n t v a p o u r 左图2 - g 加热翻料板内部蒸汽流向简图 f i g 2 - 8 t h es k e t c ho fs t e a mf i o wd ir e c t i o ni n n e rc a l e f a c t i o ns t ir b o a r d l t h em o v e m e n tt r a c ko fv a c u u mr o o m 2 - t h em o v e m e n tt r a c ko fc h e s t n u t 右图2 - 9 板粟在真空室内的运动轨迹 f i g 2 - 9 t h em o v e m e n tt r a c ko fc h es t n u ti nt h ev a c u u mr o o m 3 板栗翻滚运动轨迹分析 爆壳机工作时锥型转鼓作等速回转运动，转鼓旋转时，板栗与锥体内壁相互碰撞的同 时，与加热翻料板和横向翻料板也产生冲击作用。特别是横向翻料板，在碰撞板栗的同时， 也起到搅拌作用。板栗在转鼓内的运动轨迹示意图见图2 - 9 。 4 翻料系统的优点 1 3 采用该结构的优点是： 1 ) 该结构既可保证板栗在加热过程中的均匀受热，又可使翻料板与板栗的接触时间 延长，传导受热充分，进而缩短爆壳时间，提高爆壳效率； 2 ) 该结构制造容易，工作稳定可靠，维修量少，翻料板受热均匀，从而保证了板栗 的均匀加热，同时，蒸汽在翻料板内部流动通畅，不会产生短路现象。 3 ) 加热翻料板和横