核桃分级剥壳级分离一体机设计

核桃分级、剥壳及分离一体机设计前言第第页）核桃分级、剥壳及分离一体机设计1前言核桃是我国的传统果树，在我国农村区域经济中占有重要地位。核桃在我国的栽培面积位居世界第一位，2000年我国核桃的总产量为30万吨。核桃的深加工潜力巨大，有待开发。核桃除用于人们熟悉的食品工业外，还可以用于医药、化工、工艺美术等领域。随着我国核桃产量的逐年增加，农民如何依靠核桃致富，如何对核桃进行深加工，如何提高它的附加值等问题很快就会突现出来。核桃破壳取仁这是核桃深加工的第一步，必须首先解决。一般来说，核桃破壳取仁有这样几种方法①离心碰撞式破壳法②化学腐蚀法③真空破壳取仁法④超声波破壳法⑤定间隙挤压破壳法。第一种方法，碎仁太多，所以应用很少。第二种方法，由于在实际操作中不好控制，仁易受到腐蚀，处理不好还会造成对环境的污染，因此人们不愿接受。第三、四种方法，设备昂贵，破壳成本高，且破壳效果不够理想。而第五种方法是一个值得探索的方向。但由于核桃品种繁杂，尺寸差异较大、形状不规则、壳仁间隙小，所以核桃的破壳取仁难度较大。破壳后还需进行壳仁分离，鉴于壳仁密度相差不大(约为0.04ｇ/cm3)加之碎壳，碎仁上有许多毛刺，所以壳仁分离也有相当难度。解决以上难题的方法就是将破壳取仁分解为分级，挤压破壳，多点壳仁分离三部分，逐一加以解决。所以基于目前工厂的生产现状，长江大学机械工程学院机械设计及其自动化专业的我在指导老师黄和祥副教授的指点下，对核桃脱壳的生产机械进行了设计研究。2选题背景2.1开发核桃剥壳机械的必要性随着核桃产量的逐年增加，同时人们对核桃营养价值的认识加深，如何对核桃进行深加工，以提高它的附加值等问题就突现出来。核桃脱壳取仁是核桃深加工的第一步，必须首先解决。由于核桃品种繁杂，形状不规则、尺寸差异较大、壳仁间隙小，壳完全破裂所要求的变形量大于壳仁间隙，所以破壳取仁难度较大。用一般的机械挤压方法破壳必将造成大量的碎仁，对于固定挤压间隙的破壳装置来说，挤压间隙是固定的，不同尺寸的核桃都在同一开度内破壳，会出现小尺寸核桃难以破壳而大尺寸核桃仁的破碎率高的现象。因此为了很好的破壳而又保证仁不破碎，就需要：1挤压间隙与核桃尺寸相适应,有必要在破壳前对核桃进行分级；2合理施力使核桃产生裂纹且变形量小，这是提高核桃破壳机破壳质量的关键因素之一，因此有必要对核桃的施力方式及结果进行有限元受力分析；3裂纹的扩展是核桃完全破壳的基本条件，按核桃正确姿态喂入进行破壳是裂纹扩展的条件，有必要进行破壳前的导向。我国从20世纪80年代开始着手脱壳机具的研究和开发，但由于存在一些技术难点，至今此类机具没有得到大范围的推广和应用。因此，对脱壳机主要技术问题做深入的研究具有重要的意义。目前，全国核桃年产量十多万吨，其中山西、陕西、云南和河北四省的年产量均在万吨以上。核桃和核桃仁是中国传统的出口商品，在国际市场上一直处于领先地位。中国出口的核桃仁全部是手工砸取的，手工取仁不仅劳动生产率低,而且人手污染造成的大肠杆菌总数高于国际食品卫生法规定的标准。因此，实现核桃机械剥壳取仁十分重要。2.2国内外发展现状核桃分级装置是定间隙挤压破壳机的必要装置,核桃破壳装置是核桃破壳取仁机的核心装置。对于具有固定间隙的核桃剥壳机来说,物料尺寸必须与固定间隙的大小相适应。尺寸大了，仁会被挤碎。尺寸小了，壳破不开。壳仁分离问题是核桃破壳取仁的难题之一，目前国内尚未见到好的分离方法和分离设备的报道而国外虽然很好地解决了壳仁分离的问题。但设备成本高，工艺复杂，对于加工能力有限的工厂和个人来说是很难接受的。现对常见的核桃分级及剥壳分离装置加以介绍。2.2.1核桃分级装置按工作原理可分为辊轴式、筛网式、栅条滚筒式、智能式：①辊轴式分选装置锥辊式分级机是由成对的锥形辊组成，其间有间隙，如图所示。果品位于两轴间隙之上，并随输送装置前进，当果品直径小于辊轴时，落入到辊子下面的果盘中。因为平行的锥辊间隙在逐渐增大，因此可根据间隙的变化，把果品分成不同的等级。选题背景图1辊轴式分选装置1锥辊2核桃②筛网式分选装置山核桃被传输设备传输至壳体内空间的顶层，并落到第1层筛网上;同时，在振动装置以及振动棒的共同作用下，第1层筛网上的山核桃部分从网眼漏至第2层筛网上，部分山核桃通过第1层筛网筛选并通过连通第1筛网的第1出料口被收集，最终将山核桃按照大小分为若干部分，完成分级。图2筛网式分选装置③栅条滚筒式分级机构的主体是分选筛筒，其内壁分成若干筛选段，每个筛选段开有大小不同的筛选孔，且在其筒壁的内侧还覆有螺旋状的橡胶螺旋管，在相都筛选段的分段处设有环形阻挡板，各筛选段的下边分别设有相匹配的分级收集槽。图3栅条滚筒式1进料斗2出料斗3栅式滚④核桃智能分选装置光线式大小分级机是根据光束遮断法和图像处理法制成，进行非接触式测量。当被测果品不满足分级要求时，检测信号传送到控制装置，用推板或强气流将果品排出。图4核桃智能分选装置综合以上介绍的多种核桃分级设备的现状，对于机械式的核桃分级技术而言，单一定量的分级方法始终不能达到很高的分级精度，需要进一步解决其分级间歇不可调的瓶颈问题;就基于智能分级技术而言，需要更加快速、精确的检测系统，以及更为综合性的分级因素，还有待于在其通用性和推广方面进一步的研究和探讨。2.2.2核桃破壳装置可分为对辊窝眼式破壳装置、双齿盘—齿板式破壳装置、变形恒定破壳装置、内外磨核桃破壳装置、平板挤压破壳装置、平板挤压破壳装置、弧板—滚筒破壳装置、机械击打破壳装置、碰撞碎壳装置①对辊窝眼式破壳装置对辊窝眼式开口装置的每个辊上同一个圆周平均分布着8个窝眼。窝眼在整个挤压辊表面上呈交错排列，窝眼纵向间距为54mm，所有窝眼开口半径均为30mm，但不在同一圆周的窝眼的深度都不相同，从13mm依次增加0.5mm直到20mm为止，对辊的长度870mm。该装置能对大小不同的核桃进行定距离挤压，同时挤压时用窝眼抓取核桃，抓取可靠，核桃挤压时不会窜动，能进行可靠的挤压。破壳的核桃需进行进一步的脱壳。该装置生产能力>150kg/h，核桃按粒径大小自动分级的准确率>95%，开口率>95%，破碎率<2%。图5对辊窝眼式破壳装置1窝眼辊2核桃②双齿盘—齿板式破壳装置齿盘旋转带动核桃边旋转边挤进由齿盘、偏心圆弧齿板组成的剥壳区，受到挤压作用，核桃表面产生裂纹并逐渐扩展，直至最终完全破裂，碎壳和仁从最小间隙处掉下。由于该装置能较好满足“四点加压”原理，且可实现核桃的滚动挤压，因此破裂效果好、碎仁率低。最大生产率180kg/h，破壳率90%以上，高路仁率70%~90%，其中一路仁率30%~40%。图6双齿盘—齿板式破壳装置1核桃2齿盘3齿板③变形恒定破壳装置该破壳装置是由一对螺纹螺旋方向相反的滚柱组成，在滚柱面上切制有螺距恒定的梯形栅纹，栅纹滚柱在结构上保证了核桃的实际变形能随果径的增大而增大（图5）。当核桃夹在一对左、右螺纹之间时，形成了四点加压。不同果径的核桃可在不同开度处破壳。为避免核桃与滚柱间发生相对滑移，滚柱面进行了“滚花”处理。图7变形恒定破壳装置1挤压辊2核桃④内外磨核桃破壳装置外磨固定在机架上，内磨在电机的带动下转动。核桃在内外磨之间的间隙内破裂脱壳，当破碎到合适的粒度后，由挡板与内磨下底之间的缝隙落到落料扳上。因该机不能自动适应核桃的大小，又由于目前核桃品种不纯、大小不一，因此该机在实际使用中存在一定缺陷，破裂果径不同的核桃，需更换尺寸大小不同的内外磨。图8内外磨核桃破壳装置1外磨2核桃3内磨4挡板⑤圆盘破壳装置该装置由一对端面呈倾斜、上宽下窄的破壳盘3组成的。两破壳盘用等速万向节偶合。狭缝角度通过动轴承组件可调，狭缝宽度通过破壳盘上的固定螺钉可调。落人破壳盘狭缝一侧的核桃，随盘旋转经最窄处破壳后从另一侧甩出。该机可破大小混杂在一起的核桃。图9圆盘破壳装置1主动轴2螺钉3破壳盘4从动轴5万向节6核桃⑥平板挤压破壳装置选用平板挤压破壳方法，采用了一对端面呈倾斜、上宽下窄的破壳板作为核桃破壳工作部件，对核桃进行破壳取仁。并设计出了6PK-400核桃破壳机，该装置由一对端面呈倾斜、上宽下窄的破壳板组成。动破壳板一端通过铰链连接到壳体，一端可由偏心轴带动做往复曲线运动；定破壳板是一可调挤压直板，上方一端与机体铰接，下方与调距手柄相连，手柄由可转动的一段螺栓组成。旋转手柄可推动定破壳板前后运动，用来调节两板之间的间隙和角度，使挤压间隙的最小宽度小于果壳的直径，并接近于核桃果仁最大外径。两破壳板表面焊有鱼鳞状铁网，有许多细小的横纹，用于增加与核桃接触的粗糙度。落入破壳板狭缝的核桃，随动破壳板运动经最窄处破壳后，经出料口甩出。该机可破大小混杂在一起的核桃。图10平板挤压破壳装置1定破壳板2调距手柄3偏心轴4动破壳板⑦弧板—滚筒破壳装置该装置是由弧形板2和滚筒1组成（图9），在滚筒上装有两个角度成180°的活塞，两活塞由弹簧支撑。当分级后的核桃喂入旋转滚筒后，自行定位在活塞的顶端，随滚筒转动，在活塞和弧板的共同挤压下破裂，而后进入料斗。半仁以上的占75%，碎仁占15%，未破壳的约占6%，生产能力30kg/h。图11弧板—滚筒破壳装置1滚筒2弧板3活塞4弹簧5气压装载系统⑧机械击打破壳装置打击方式破壳能得到较多的高路仁，破壳后的核桃壳较碎，有利于实现核桃的机械破壳，破壳的综合效果优与挤压破壳。洪翎等人采用仿生机械敲击臂敲击山核桃使其破壳，研制了一种采用机械击打方式的实用高效手剥山核桃破壳机。该机主要由输送机构、破壳机构、传动机构、电机及机架等组成，不受山核桃形状和大小限制，免除了分级步骤。图12机械击打破壳装置1支架2发动机3出料口4下机壳5螺钉6支架7打击器8脱壳室9辐条筛10上机壳11进料口⑨碰撞碎壳装置该装置由上机壳10与下机壳4，以及传动部件组成。上机壳下部设置和传动部件相连的脱辊，脱棍与上机壳的外壁之间设置数根固连在上机壳两侧与脱辊平行的辐条筛9，相邻辐条筛的间距为18~20mm，辐条筛与脱棍之间形成上大下小漏斗形状的脱壳室8，辐条筛的下部和脱辊之间形成脱壳室的咽喉，进入脱壳室的核桃在凸筋的抛送下与辐条筛碰撞击碎核桃壳，为碰撞的核桃在咽喉处被搓擦挤压破碎。脱出的核桃仁一、二等品占70%以上。图13碰撞碎壳装置1机架2出料口3主滚筒4进料5电机6敲击臂7压杆滚筒8电机2.2.3核桃壳仁分离装置分为带式壳仁分离法、比重法分离壳仁、风选法分离壳仁、静电法分离壳仁①带式壳仁分离法：纵向带式壳、仁分离法，在长度方向上，环形带和水平面有一定的倾斜角，其上带面由低处运行到高处。摩擦系数较小的仁沿环形带下行，从低处进入接仁斗;摩擦系数较大的壳沿环形带上行，从高处进入接壳斗。由于破壳后的核桃物料中核桃壳、核桃仁和半截核桃的断裂端口都有毛刺，且破开不完全核桃表面相对光滑，所以该方法在分离核桃壳仁时不能达到预计的效果图14带式壳仁分离法1料斗2挡板3绒辊4出料斗②比重法分离壳仁：此法主要用于分离外形尺寸比较相近而比重相差较大的各种物料以及种子籽粒。利用此方法进行了破壳后的杏仁与壳的分离试验:把破壳后的杏仁与壳的混合物放入水中，为了提高分离的效果，在水中加入一定分量的盐;由于壳仁的比重不同，杏壳漂浮在盐水的表面，而杏仁沉在盐水的下层，从而完成壳仁的分离。但是核桃壳与仁的密度相差不大，在盐水中表现出来的浮沉现象不明显，分离效果不佳。同时利用此方法在对壳仁进行分离后还要对核桃仁进行烘干，提炼盐，增加了加工工序，还易造成仁的污染。图15比重法分离壳仁1接壳斗2进料斗3分离带4接仁斗③风选法分离壳仁：风选法是利用壳与仁单体质量的区别以及壳仁之间空气动力学性质—物体在运动气流中力学性质不同，在气流的作用下，由于悬浮速度不同而产生不同运动状态，从而进行分离。此方法常用于分离烟草物料、淀粉、瘪谷和茶叶等。从理论上讲，物料的悬浮速度不同，就应该得到很好的分离，但是在实际生产中却有很多复杂情况。例如，同一种被分离的物料，由于大小和质量的差异，其悬浮速度不完全相同，同时气流方向不断改变，造成气流场内气流的不稳定，因此很难完全分离两种悬浮速度相互交错或相接近的物料。图16风选法分离壳仁④静电法分离壳仁静电法是利用壳与仁的介电性质差异产生不同的极化，在强电场作用下向强电场方向产生不同的偏移，从而使壳与仁高精度高效地分开。被分离的壳仁不受颗粒大小、形状和比重的限制，同时在分离的过程中因不受机械力的作用，不会被二次破损。该方法主要的缺点在于，在破壳前需要对核桃进行处理，且利用此方法研制出的机器价格比较任昂贵。2.3目前核桃剥壳取仁机械存在的主要问题目前许多科研人员对核桃初加工机械的机理及设备做了大量的研究和分析，也取得了很多的成果，但是在核桃壳仁分离装置方面的研究还比较少。要想达到核桃壳仁分离的预期效果只能借鉴其它物料的筛分规律，针对核桃壳仁做相应的基础性研究，找出最佳方案，因此主要存在以下几个方面的问题:①我国核桃生产量大、品种多，不同品种的核桃形状、壳的厚度、内隔和内褶的面积大小差别比较大，例如新疆的核桃品种扎343,温185、新新2等大都是长圆形，外表呈椭球状，内隔和内褶都比较少;而云南的山核桃是扁圆形的，外壳坚硬，内隔比较多。内隔和内褶多的核桃品种，其夹层较多，核桃仁卡在壳中不易取出，为后续的核桃壳仁分离带来一定的困难。②尚未对破壳后的核桃物料进行深入的研究，己研制的核桃破壳机大都采用定间隙多点挤压或击打方式使核桃果壳在机械外力作用下开裂或破坏，为了追求较高的高路仁率，其破壳率就要降低。同时核桃进入挤压空间的姿态不易控制，核桃沿缝合线处的粘合力较小，因此采用挤压或击打方式破壳，尤其是挤压方式，所产生的半截核桃(核桃沿缝合线破开，夹层未破，仁仍然卡在壳中)和破开不完全核桃(核桃外壳只裂一小口，几乎未被破开)较多。因此破壳后的核桃物料由四种物料组成:半截核桃、破开不完全核桃、核桃壳与核桃仁。为了后续核桃仁的加工以及半截核桃与破开不完全核桃的二次破壳，在将核桃壳分离出的同时，也必须将半截核桃、破开不完全核桃与核桃仁彼此分离开。但是现有的核桃风选装置只是将破碎的核桃壳分选出，对后续核桃仁、半截核桃和破开不完全核桃的分离并没有做分析研究。③目前国内外尚未对破壳后核桃物料的形状、物理机械性能以及在分离过程中核桃仁的损失做分析研究在壳仁的分离过程中，核桃仁因受到外力的作用，就会产生破碎或表皮磨损的现象。磨损掉的核桃仁是没有办法被回收的，从而造成核桃仁的浪费。而目前国内外研究人员主要还是研究核桃的初加工机械，而对在加工过程中核桃仁的损失还没有做研究。虽然筛分法在其它谷物或物料中的应用较为普遍，但是用此方法进行核桃壳仁分离时，在如何选取适合的振动筛参数，尽量减少核桃仁的损失方面还是存在一定的难度。3核桃剥壳机的整体结构图17核桃剥壳机1料斗2分机滚筒3链条4漏斗及导向槽5导向辊6传动齿轮7弧形齿板8挤压辊9变速电机整机由料斗、锥形栅条分级滚筒、导向机构、剥壳机构、传动机构以及动力所组成，如图14所示。它们依靠物料自身的重力自上而下形成一个系统作业流水线。核桃由料斗1进入分级滚筒2。分为五级后分别通过漏斗4(漏斗和一级导向机构的组合机构)接触到导向辊5，经导向后的核桃进入由偏心圆弧齿板7和剥壳齿盘8所组成的剥壳区域。受到挤压作用，核桃表面产生裂纹并逐渐扩展，直至最终完全破裂，碎壳和仁从最小间隙处掉下。4核桃剥壳机分级机构的设计4.1分级的必要性由于核桃受到压缩后，其直径的变形与果径的大小有关，一般说来，果径越大受压时壳皮上的压力越高。如果某一变形对中型果能很好破壳的话，则同样的变形对小型果来说就显得偏大。反之对大型果则又显得小了。对于变形恒定(即固定间隙)的核桃剥壳机分级机构的设计核桃破壳机来说，要想对各个尺寸的核桃都能很好的破壳的话，就应该在破壳前对核桃进行分级。4.2分级原理及栅式滚筒的结构为了把核桃分成大小不同的等级，须按尺寸对核桃进行分级，按尺寸特性进行分级的方法很多，如平面筛、转筒、辊轴等。虽然这些分级装置都是利用孔穴或缝隙的大小进行尺寸分选，但由于它们的结构，分级精度以及对农产品的冲击程度等各不相同。故使用对象也有所不同。具体地说，对于核桃分级来说，上述分级装置基本都能满足要求，但为了降低制造成本和整机尺寸，设计了栅式分级滚筒。其结构见简图。图18栅式分级滚筒结构简图1传动链条2电机3出料口4栅条5进料斗4.3核桃在栅式分级机构里的运动及力学分析4.3.1运动分析由喂料斗喂入的核桃从滚筒的右端(直径小的一端)进入滚筒，随着滚筒的转动，小尺寸核桃率先从栅格中漏下，在重力、离心力、摩擦力以及栅格反力的共同作用下，尺寸大于栅格间隙的核桃继续向左移动，直到栅格间隙大于核桃尺寸时漏下。4.3.2力学分析为了使核桃能准确分级，大小尺寸不同的核桃应能及时的互换位置，以增加每一个核桃与下方栅格接触的几率。核桃在栅式分级滚筒里所受力的大小随位置的改变而变化，但存在三个特殊的位置点，-90°、0°、90°，如图16其中，左图是重力、栅格反力所构成的平面，在右图中所截出的截面图。当核桃转过的β角在0°和-90°之间时，核桃所受力及所选X-Y坐标系如图所示。假设此时核桃所受的力恰好是平衡力，即若再转动的角度，核桃就会在X-Y平面内往下滚动（忽略沿栅条方向的摩擦力）。此时有：方向上：(1)方向上：(2)图19核桃在滚筒内的受力图其中：β……离心力与Y轴的夹角θ……中心线与栅条之间的夹角……核桃所受的离心力……核桃所受摩擦力μ……摩擦系数G……核桃自重ω……滚筒的角速度又R——离心半径解以上各式得：(3)核桃转过的β角在0°和90°之间，由图17所示：方向上：方向上：解得：(4)为了使核桃能很好的交换位置，应使核桃在滚筒转过90°之后，在转过最高点之前落下，即应满足：又因解之得：转/分钟。所以，大小核桃位置交换的条件是：(5)转/分钟图20核桃在滚筒内的受力图4.4主要参数的确定4.4.1分级滚筒转速为使核桃在分级工位顺利落下，应使核桃对于分级滚筒由右杆移向左杆时，核桃重心低于X轴线。核桃移动的距离：(6)核桃下降的距离：(7)因此有：(8)滚筒转速：(9)取n＝60r/min4.4.2分级滚筒锥角由于核桃尺寸差别不大，故锥形滚筒锥角也不大。锥形滚筒大小端半径为：(10)(11)(12)式中，、分别为大端和小端栅条距离；d为栅条直径；α为相邻栅条件角；φ为滚筒锥角；L为分级滚筒长度取500mm。取栅条直径d＝10mm。滚筒共有20根栅条组成。所以α＝18°根据核桃的大小可分为5级。分别是：第一级直径25mm≤R≤29mm；第二级直径29mm≤R≤33mm；第三级直径33mm≤R≤37mm第四级37mm≤R≤41mm；第五级41mm≤R≤45mm。所以取c1=45mmc2=25mm计算得:栅条大小端半径分别为R1≈175mm；R2=109mm。代入相应数据计算得知：Φ＝7.5°。5核桃剥壳机导向机构的设计5.1核桃导向的必要性对于固定间隙的核桃剥壳机来说，核桃进入剥壳机构的姿态对破壳率和高路仁率有很大影响。由于目前国内核桃品种繁杂，形状、大小各异，既有椭球形的，也有球形的。但总的说来，外形近似为球形，近似度用球度来表示(球度=近似球体直径/最核桃剥壳机导向机构的设计大直径)。对于大部分核桃，由于挤压方向，挤压速度及其品种对压缩刚度无显著性影响，所以从理论上讲，进入固定间隙剥壳装置的核桃都能很好的破壳，不存在进入方向问题。但对于球度小即近似呈椭球形的核桃来说，当其长轴方向与挤压辊轴线平行或呈较小角度时，核桃可随挤压辊一起转动，核桃破壳完全、取仁容易、破碎少。反之，核桃不能随挤压辊转动而造成沿核桃长轴方向的剪切破裂，出现两半破裂，造成仁壳分离困难和仁的破碎，从而降低了高路仁率。因此有必要在剥壳前对球度小的核桃进行导向。5.2核桃的可导向性研究核桃导向的目的就在于通过对核桃物理机械性能的研究，使其长轴能与挤压辊轴线平行或有一个较小的夹角，此角称为导向摆角α。其分布统计特征值为核桃可导向性指标。根据实验可以看出直径较大的核桃(即球度小的核桃)导向性好，直径较小的核桃(即球度大的核桃)导向性差。由于球度接近1的核桃无须导向，所以对于球度小的核桃来说具有可导向性。图21导向摆角图图22导向机构简图5.3导向装置根据前人的理论研究及实验数据，导向机构装置如图19如示，该装置由两级导向槽、导向滚轮组成。5.4导向分析5.4.1一级导向为了保证核桃有一个高的导向率，一次导向角与水平面夹角γ应小于或等于导向辊对核桃的支持力与水平面的夹角β，这样，支持力N1就形成了主动力矩而不是阻力矩，其一级导向受力图如图22所示。图23一次导向受力图1导向槽2核桃3导向辊核桃在与导向辊接触的瞬时姿态是随机的，即长轴与辊轴的夹角在0°～90°范围内变化，但是可以分为3大类即：导向摆角α=0°、α=90°和0°<α<90°或90°<α<180°。当α为0°时已实现了自然导向，不必考虑。当α=90°时受力如图20所示。当导向辊静止时有：(13)(14)所以(15)辊轴转动时将对核桃产生一滑动摩擦力F，在核桃与辊轴接触的瞬间，此力与支持力N1一起形成了使核桃向上转动的主动力矩，重力G产生一个使核桃向下转动的力矩，而且γ越小N所产生的主动力矩越大，越易于导向。此时若核桃的重力线与两支点连线，即导向槽5及导向辊3对核桃的支撑点不在同一竖直面上的话，两力矩就会形成一对扭转力矩，使核桃产生侧滑，直到P1P2与辊轴线平行后进入二次导向槽，否则，一次导向时就可能出现核桃两端不在同一水平面上同时下落，造成一次导向失败的情况，因此还需进行二次导向。若0°<a<120°或90°<a<180°时核桃的一端先与辊轴接触，这样辊轴对核桃的支持力N2核桃自重G在导向槽方向上就形成了一对扭转力矩，在此力矩是作用下使核桃的另一端向下滚动，从而使核桃的长轴方向与辊轴线平行，完成调向动作。5.4.2二级导向一次调向后已经实现了a=0°,但如果核桃的重力线与两支点连线不在同一竖直面上的话,重力G就会形成以两支点连线为转动轴线的转动力矩出现核桃倾翻现象。因此对一次导向后的核桃还有必要进行二次导向,经一次导向后的核桃其一端,设为O端,首先触及二次导向槽,此时核桃以O为转动中心,在重力G形成的主动力矩和摩擦力F形成的旋转力矩共同作用下,核桃另一端下落至两端在同一水平面上后进入破壳装置。但是进行二次导向时要注意:为防止己导向的核桃在二次导向槽内滚动时改变方向,二次导向槽要尽可能的短;二次导向槽与水平面夹角不能过大,否则将引起核桃来不及调向而沿导向槽下滑,没有进行第二次调向直接进入破壳装置。5.5导向装置参数的确定从实验结果来看：各个参数的最佳组合是：一次导向槽水平导向角Φ=21°，二次导向槽水平导向角Ψ=37°，导向辊转速ω=32转/分。一次导向角Φ越小越易导向，但是如果Φ过小，则核桃在一次导向槽内下滑的速度减小，降低了生产率，如果要提高核桃的下滑速度，则需让一次导向槽在一定范围内作往复运动。但这样做会加大设计难度以及增大生产成本，为此选取Φ=21°作为一次导向槽水平导向角的下限。对于导向辊轴，若辊轴转速高，进入导向机构的单个核桃就会被辊轴带动而弹起，从而降低导向率。在实际生产中，由于采用的喂入方式是群体喂入而不是单个喂入。为了提高生产率辊轴转速可取比32转/分钟略大些，取ω=35转/分钟。另外可将一级导向槽和分级滚筒合并成一个结构,这样即可以减少设备的体积重量还可以大大简化设备的设计过程。由上面的结果分析可知,一次导向槽水平导向角Φ不大。由于核桃与转动的导向辊轴之间存在摩擦力,若辊轴不转动或转速很小的话,可能会出现核桃一端与辊轴接触后静止不动的情况无法实现调向,为此需给辊轴提供一定转速。为了使辊轴在低速下也能很好的调向,在辊轴设计制造时,应尽量加大导向辊的表面粗糙度,以提高导向辊与核桃之间的摩擦力。在本设计中采用塑胶滚轮。6核桃剥壳机剥壳机构设计6.1核桃剥壳的力学分析对于整个核桃，除了结合线上的壳厚较大，约为2～4mm以外。其它各个位置的壳厚基本上是一样的。但靠近结合线处，壳的厚度比远离结合线处壳的厚度大些，壳顶端的厚度要比底端大些。因此，对于每个核桃分别测量四个位置的厚度，随机测量了30个核桃，故样本n=30对测量值进行统计处理。其结果列于表1。表1核桃的厚度位置顶端h/mm底端h/mm结合线处h/mm最凸出处h/mm厚度hσ301.320.159hσ301.240.153hσ301.410.164hσ301.180.145由实验数据可知核桃三维尺寸和不同位置的壳厚差异不显著。因此,可将核桃壳简化为各向同性、均匀厚度的薄壳球。根据实验及理论分析可知核桃在集中力处弯曲力矩及横向剪力均趋于无穷大，事实上由于力不是作用在一个单纯的点上而是一个区域上，所以弯曲力矩及横向剪力不可能成为无穷大，而是一个很大的值。由于核桃的抗弯能力远小于抗压能图24一对和两对压缩力下核桃的破裂形式力，而在远离集中力作用点区域只有薄膜力没有弯矩，所以壳的破裂首先从集中核桃剥壳机剥壳机构设计力处开始，集中力处就是一个破裂源。对于韧脆性断裂的核桃来说，在裂纹扩展过程中，裂纹顶端附近一部分塑性区发生卸载，随着核桃挤压转动又进一步加载，这样就等于给核桃施加了一个交变应力。由材料力学知，交变应力易于使壳破裂。Craggcs通过研究给出了裂纹扩展速度公式：核桃剥壳机剥壳机构设计(16)(17)即瞬时裂纹扩展力G与动态应力强度因子K有关，其中：G—瞬时裂纹扩展力K—动态瞬时强度因子(18)、—弹性波速—裂纹扩展速度的通用函数雷利表面波的速度σ一应力a一裂纹长度V一裂纹扩展速度υ一洎桑系数从上式可以看出，裂纹扩展力G的大小和应力σ的大小有关，σ越大,G越大。裂纹越易扩展，核桃越易破裂。由以上对核桃进行的分析可得出以下几点结论：1.法向集中力作用区域，内力值远大于其它位置的内力值。因而法向集中力作用处将首先出现破裂裂纹。2.适当增加法向集中力的对数，法向集中力作用点处的位移较一对时大,因而有利于破壳。但过多的法向集中力反而使集中力处的位移减小，不易使壳破裂。这主要是因为过多地集中力作用在壳上，提高了壳体刚度，降低了内力值。但较小的位移，可减少碎仁。3.两对法向集中力作用在壳上，较易使壳破裂。4.核桃在滚动挤压时更易于破裂。这是由于滚动挤压增加了法向集中力作用频次，在壳上施加了交变应力的缘故。6.2三种挤压方式的比较挤压破裂核桃基本上有以下三种方式。图中圆盘半径r，圆盘和圆盘（板）之间的间隙均为s，偏心圆弧板的半径为R，偏心距e=R-r-s。核桃简化为直径为d的圆。图25三种破裂核桃的方式6.2.1核桃的旋转角度采用第一种方式，核桃在圆盘之间没有旋转，故β=0。采用第二、三种方式，核桃则绕接触点旋转。由于核桃表面粗糙，可认为向下无滑移，运动过程简化为绕瞬心点作向下纯滚动；可分解为绕质心(圆心)的匀速转动和质心的匀速平动。匀速转动的角速度式中υ为圆盘线速度。当核桃开始受挤压时，旋转的圆盘带动核桃一边转动一边向下平动。当圆盘转过角时，核桃向下平动的圆弧长度l：(19)所用时间t：(20)核桃的旋转角(21)当r﹑d一定时，β和α成正比关系，比较第二、三种方式，挤入角>，则>。因此，第三种方式最有利于壳的全面破裂。6.2.2核桃的压缩变形曲线根据几何尺寸关系．运用三角形的余弦定理和正弦定理，就可求出这三种方式的压缩变形量与圆盘转角α的关系式，简称为压缩变形曲线。是最大压缩变形量。推导结果如下。对于第一种方式：(22)(23)(24)对于第二种方式：(25)(26)其中(27)(28)对于第三种方式：(29)(30)(31)其中(32)(33)(34)图26三种压缩方式的压缩变形曲线选取r=100mm，d/2=10.4mm,s=19.1mm,R=180mm,就可绘出三种方式下的压缩变形曲线(图23)。第三种曲线变化最平缓，斜率最小，这就意昧着壳达到相同的变形量面出现初始裂纹时，第三种方式下圆盘转过的角度最大，因而绵核桃出现裂纹这一过程中所转过的角度也是最大的。这就使得壳上受挤压力作用而出现初始裂纹的区域最大，最有利于壳的全面破裂。这三条曲线的最大变形量虽然非常接近，但第三条曲线的挤入角明显大于第二条曲线的挤入角。这就使得曲线的变化比较平缓。在挤压过程的后期，挤压变形量增加缓慢，避免对剥离出来的仁的挤压破碎，提高取仁质量。6.3双齿盘—齿板式剥壳原理及最优设计参数6.3.1剥壳原理在前面分析的基础上，提出了双齿盘一齿板式剥壳原理。当核桃喂入到剥壳装置中，齿盘的旋转带动核桃边旋转边向里挤入，一定间距的齿尖不断地沿着壳表面克压，使得裂纹不断扩展，部分壳和仁掉离出来，最后壳基本上完全破裂，碎壳和仁通过最小间隙向下掉出来。齿盘和孤齿板的斜面角度为45°，长度为8mm。在倒角面上分布着一定尺寸的小齿。随着挤压变形量的增加，壳表面变平甚至出现凹坑，则齿数由一个增加到二、三个甚至四、五个。这样在接触处产生的初始裂纹条数多又长，由于绵核桃的旋转使整个圆周都产生裂纹，使壳完全均匀地破裂。图27剥壳机原理图6.3.2理想挤入角理想的挤压破裂过程要求核桃从挤压开始到破裂结束转过半周，即β=180°，保证核桃在整个圆周上都产生裂纹，壳的破裂全面而均匀。那么，理想的挤入角的计算式为：(35)假定齿盘直径200mm，考虑到核桃在挤压过程中的速度要发生变化，取修正角为3°，d为简化了的核桃直径，即相应两接触点间的实际距离，d与横径均值D的关系为；(36)(37)表2给出了每一尺寸等级的和横径范围（mm）25～2929～3333～3737～4141～45横径均值D（mm）2731353943简化了圆的半径r’(mm)7.6910.411.813.2理想的挤入角（度）15.717.819.92224.16.3.3偏心圆弧板最佳半径的确定为了保证挤压破裂过程中对仁不造成破碎，应使最太压缩变形量小于不使仁压碎的最大挤压变形量，即<1．6～2．5mm根据图1的几何尺寸关系，当给定、r和时，不同的R将产生不同的和最小间隙s(理论调节值)。计算公式如下：因为(38)所以(39)(40)将绵核桃分为五个尺寸等级，即五组和，绘出每组的一R曲线(图25)。从图中可见，随R增大近似成线性增加。当R为较小值时，也较小，不足图28不同D值下的一R曲线使壳完全破裂。当R为较大值时，也较大，将会造成壳还未破裂，一部分仁已经受到挤压破碎。因此，当R取适当的值时，才能获得较好的剥壳取仁性能。对每一组的—R曲线加以比较，可发现当D增大时，也增大，这就要求所选取的R值对每一尺寸等级的核桃都能获得较好的剥壳取仁性能。选取R=180mm，的变化范围为1.8～2.7mm。数值上比较接近不使仁压碎的最大挤压变形量。较大的滚筒直径有助于提高破壳质量,但机器的尺寸、质量、制造成本都会增加综合考虑取破壳辊2如图24测表滚花,r=100mm,b=5~7mm。挤压破壳滚筒的转速在n=15～16r/min之间,对破壳质量影响不显著。取n=80r/min。采用R＝180mm的弧齿板，根据前面的分析，对应于横径均值D，可求出间距L和最小间隙S的理论调节值。综合以上结果可得出以下结论：1要想达到核桃完全破裂而仁不碎，需满足以下条件：①核桃的品种要适合于机械加工；②核桃的湿度要适中，湿度过高，横隔膜难以与壳皮顺利分离，从而使得壳和仁难以分离，湿度过低，易造成仁的破碎，影响露仁率；③凹板与挤压辊之间的间隙要与核桃的尺寸相适应，所以核桃在导向装置前要进行分级，脱壳机的凹板间隙应能作相应调整；④在挤压破壳的过程中要能实现4点挤压，并且保证核桃在挤压过程中能够转动以利裂纹扩展。2由于核桃的尺寸大小不一，对于固定挤压间隙的破壳装置来说凹板与挤压辊之间的间隙是固定的。如果不同尺寸的核桃都在同一间隙内破壳的话。就会出现小尺寸核桃难以破壳而大尺寸核桃仁的破碎高的现象。因此为了很好的破壳而又保证仁不破碎，必须满足挤压间隙与核桃尺寸相适应。所以说在破壳前有必要对核桃进行分级。3由动态裂纹扩展分析知，如果能使核桃在挤压装置里边破裂边转动则核桃易于破裂，由于有相当一部分核桃的长宽比较大，只有以长轴与挤压辊轴线方向平行的姿态喂入才能实现核桃在破壳时的转动。因此，在破壳前有必要对核桃进行导向。7核桃壳仁分离壳仁分离问题是核桃破壳取仁的难题之一，目前国际上尚未见到好而不贵且实用的分离方法和分离设各的报道，虽然有能够很好地解决壳仁分离问题的方法及设备。但设备成本高，工艺复杂。对于加工能力有限的工厂和个人来说，是很难接受的。现对目前使用最广泛较实用的一种分离设备介绍如下:图29纵向带式壳仁分离示意图1接壳斗2进料斗3分离带4接仁斗带式分离壳仁装置。如图26所示纵向带式分离壳仁的示意图。环形带沿长度方向与水平面倾斜，上带面由低端向高端运行。表面光滑的仁沿带面下行,从底端排出;端口粗糙的壳顺带面上行，从高端排出；因为核桃壳和仁的断裂端口都有毛刺,都能够被毛绒粘附，所以为了达到分离精度，一般采用多层分离带分离。8核桃剥壳机传动机构的设计根据验算可知本机械适合采用链传动。电机采用Y90L-4型。额定功率P=1.5KW，满载转速为l400r/min。因为剥壳机各机构转速均比较低，所以在链传动与电机之间需安装一个传动比i=5.83的减速器。减速之后其转速为240r/min。因为破壳机构中挤压辊的转速为80r/min。所以电动机与挤压辊之间的传动比i=3。8.1链轮齿数核桃剥壳机传动机构的设计查工具书可知选：小齿轮齿数=23；大链轮齿数。实际传动比i=69/23=3误差小于±5%,故允许。8.2链条节数初定中心距=40p。由式(41)节核桃剥壳机传动机构的设计取链节数为偶数，故选取节8.3链条节距查表取工作情况系数=1.0，齿数系数=1.1,采用单排链,=1.0,故当=24Or/min时,可查得,10A链条能传动需要的功率,其节距p=15.875mm。8.4实际中心距(42)(43)8.5选择润滑方式(44)按10A链，v=1.5m/s,按表查得采用油浴或飞溅润滑（3区）图30小链轮8.6作用在轴上的压力根据公式可得：，取(45)(46)(47)8.7链轮主要尺寸小链轮主要尺寸的确定其主要尺寸图如图27所示。分度圆直径d(48)齿顶圆直径(49)齿顶圆直径可在和之间任意选择(50)齿根圆半径(51)为滚子外径总结齿侧凸缘直径齿侧取＝50mm(52)根据需要取=34.6mm8.8链轮材料链轮材料应该保证轮齿有足够的强度和耐磨性,故链轮一般都经过热处理,使之达到一定硬度。小链轮因为比大链轮啮合次数多,所以对材料的要求比大链轮高。本设计中选用20钢,热处理方式为淬火。同理可算出大链轮的各主要参数,本文不再赘述。9总结9.1本文研究内容对于固定间隙核桃来说，核桃分选的好坏直接影响破壳质量，而核桃进入挤压空间的姿态不同，也将会影响破壳质量。不同的挤压方式滚动挤压与固定挤压对破壳取仁质量有一定影响，当呈椭圆形核桃的长轴与挤压滚筒轴线平行时，核桃可随挤压滚筒一起转动。核桃破壳完全，取仁容易，破碎少。反之，核桃不能随滚筒转动而造成沿核桃长轴方向的剪切破裂，出现两半破裂，造成仁壳分离困难。但由于目前导向装置定向喂入的可靠性不高，导致辊压挤碎效果不好，碎仁率较高。因此有必要对分选和导向装置进行研究，以期提高核桃破壳机的破壳质量，本课题主要完成以下内容：1、在核桃分级装置研究中，主要做了如下工作：首先，对核桃在滚筒里的运动和受力情况进行了分析。其次，对栅式分级机构的个零件参数进行了确定。2、在核桃破壳机导向装置研究中，主要做了如下工作：首先，从理论角度分析了破壳前对核桃进行导向的必要性。认为在破壳前对核桃进行导向是非常必要的。其次，分析了核桃的可导向性。第三，设计了核桃导向定位试验装置。最后，对核桃进行了一、二次导向分析，优选出了一、二次导向槽水平导向角和导向辊转速的合适参数。3、在核桃破壳原理及试验分析中，主要做了如下工作：首先，利用动态裂纹扩展理论分析了核桃的破壳原理，通过分析得出①核桃在两对法向集中力的作用下较易于破裂②实现核桃破裂时的转动，即在破裂核桃时，给核桃壳施加一交变应力，有利于壳的破裂和裂纹的扩展。从而更有利于核桃的破裂。在核桃破壳时如能满足上述两个条件，则能够实现用最小的挤压力达到合适的挤压量，实现壳仁的完全破裂，并能提高高路仁率。其次，通过试验，一方面验证了核桃受到两对法向集中力的作用及实现挤压时的滚动，易于核桃破裂。另一方面对理论分析不变考虑的因素，诸如挤压辊转速、核桃的湿度等影响核桃破壳效果的因素进行了试验分析。分析结果表明，核桃的湿度对破壳效果有不可忽略的影响。最后，在试验的基础上，优选出了挤压辊转速n；凹板与挤压辊之间的间隙s；以及核桃的湿度m等合适的破壳参数。9.2存在的主要问题及今后努力的方向本课题通过导师的精心指导和本人的不懈努力，虽然已取得了令人满意的成果。但由于时间、条件等诸多因素的影响，不足之处在所难免。本人认为今后应对以下几个方面进行继续探讨：1、破壳机械要向生产规模化，提高破壳精度的方向发展。这其中包括两个方面，一方面破壳机械的生产要向批量化生产的方向发展，这样可以降低破壳机械的生产成本。另一方面核桃破壳要向规模和效益的方向发展。由于目前有相当一部分生产厂家是家庭作坊式的，没有形成规模。所以利润较低。2、破壳机对核桃品种的适应性还有待于提高。不同品种的核桃对破壳效果及路仁率有较大影响。结束语结束语本次毕业设计虽然仅仅经历了短暂的三个月，但是它浓缩了大学四年学习的全过程，体现了我们对所学知识的掌握和领悟程度。由于我是第一次进行整体性地设计，并且是整体结构设计。不可避免地碰到了许多困难，有时甚至会感到无法下手。无论碰到什么样的困难，我都没有退缩，凭借着一股求知的热情，再加参考文献上指导老师的帮助，然后再回到书本攻克一个又一个的难题，最终圆满地完成了本次设计。通过本次毕业设计，使我在各个方面都有了很大的提高，具体地表现在以下几个方面：1.对大学四年所学到的东西进行了归纳总结，找到了各种学科之间的交叉点，同时构成了—个知识网络，形成了一个整体的知识体系，进一步完善了自己的知识结构。2.对所学习知识点进行查漏补缺，并了解学习了新的知识，开阔了视野，拓宽了自己的知识面。养成了勤学好问的习惯，同时具有了一定的创新思维。3.利用理论知识解决实际问题的能力得到了提高，为以后正确解决工作和学习中的问题打下了坚实的基础。4.学会了充分地利用网络资源查阅相关资料，以及借助前人的研究成果寻求解决问题的思维方法，对新信息和新知识及时做笔记。5.敢于面对困难，同时也懂得了互助合作的重要性。6.利用计算机(AutoCAD2OO7，Word2003，Excel2002)的能力得到很大的提高，学会了利用计算机设计软件进行相关的设计与计算。但是，设计研究过程中仍然存在不足之处，有的问题还待于进—步深入，具体如下:1.缺乏实际经验，对一些参数和元件的选用可能不是非常合理，有一定的浪费。2.有关整体结构设计中的个零件的配合和放置关系还缺乏经验。3.系统的设计不太完善，在与计算机配合进行精确的数据采集和控制上还有一些不足。4.使用有一定的局限：实际操作环境复杂多变，零部件磨损度在实际中尚不明确。参考文献[1]张仲欣.对辊窝眼式核桃开口机设计[J].洛阳工学院学报,1999,20(4):8～11[2]赵正江.新型固体食品顺粒等级分选机机械与设计[J],食品机械,2001,18(l)[3]史建新,高大中，学农，周向农.6HP-150型核桃破壳机[J]粮油加工与，2000,(01)[4]吴斌方等.棉核桃剥壳取仁机的研制[J],湖北工学院学报,1995,S1[5]薛彦成,公差配合与技术测量[M],机械工业出版社,1999,10[6]席伟光,杨光,李波.机械设计课程设计[M].高等教育出版社,2003[7]王琦祥.核挑破壳取仁机[P].93207950.4[8]卢盛超.剥壳方法与剥壳机械[J].江西农机与农业工程,1988,2[9]张勇.核桃剥壳取整仁器[P].专利号：94219360.1[10]孙振美.粘核桃开瓣挖核机[P].专利号：88213548.1[11]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册（下）[M].机械工业出版社，1990[12]陈秉钧.美国胡桃加工技术的新进展[J].农机情报资料,1985,（9）38～43[13]张艳华，新安.板栗脱壳设备的研究与开发[J]机械，2004,(07)[14]吴子岳.绵核桃剥壳机的研制[J].包装与食品机械,1995,13(2):1～5[15]吴子岳.核桃剥壳的力学分析[J].南京农业大学学报,1995,