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浅谈自分级挤压式核桃破壳机的设计与试验

  核桃是著名的世界四大坚果之一,具有很高的营养与食用价值,因而深受消费者的喜爱。新疆作为中国核桃的主产区之一,截至2014 年核桃总产量达50. 14 万t,且呈现逐年增长趋势。然而,目前新疆核桃加工率仅为2%,几乎全部以原果形式出售,极大降低了核桃的经济附加值。破壳取仁作为核桃精深加工的首要环节,对提升核桃经济附加值和产业化发展具有重要作用。但长期以来,核桃破壳取仁作业多以人工为主,不仅劳动强度大、效率低、成本高,而且破壳的力度不易掌控,难以保证破壳效果,利用机械破壳是解决这一问题的有效途径和必然趋势。
  关于核桃破壳机械的研究,国内外学者结合坚果破壳原理提出了挤压式、击打式、撞击式、揉搓式等形式多样的破壳机械方案,其中挤压式破壳因其结构简单、易实现、性能稳定等优点较适于壳硬而仁韧的核桃破壳,因而在核桃破壳机械中应用较为广泛。其原理是利用核桃尺寸与挤压间隙形成破壳工作区,通过间隙差使核桃壳破裂。然而,现有核桃破壳机械多数均不包含分级装置,由于核桃尺寸差异较大,核桃进入破壳工作区后,全部按照统一的挤压间隙进行破壳,导致部分核桃未受到挤压作用或被完全压碎,因而破壳效果较差。为了提高破壳质量,多数核桃破壳机在破壳前需预先对核桃进行分级处理,然后再进行破壳作业,降低了破壳效率,节省成本。
  鉴于当前核桃破壳机械存在的不足,为了降低劳动强度,提高破壳效率和质量,本课题组将核桃分级与破壳两工序进行了整合,基于挤压式核桃破壳原理设计和制作了一种自带分级装置的集分级、破壳于一体的核桃破壳机。以南疆广泛种植的温185 核桃为试验原料,通过破壳试验对影响自分级挤压式核桃破壳机破壳效果的因素进行了分析和研究。
  1 整机结构及技术参数
  1. 1 整机结构
  自分级挤压式核桃破壳机主要由机架、进料斗、调量板、分级装置、间隙调节装置、破壳装置、集料装置等部分组成。该机动力由电机提供,电机型号为YTSP100L-6 变频调速三相异步电动机( 上海南洋电机有限公司) ; 破壳辊子的转速可通过调节变频器频率控制电机转速来实现,其型号为AC60E-T3-3R7G( 深圳市伟创电气有限公司) ,输出频率范围为0 ~ 400 Hz。核桃分级方式为筛笼旋转式,破壳方式为挤压式,传动方式为皮带传动。小带轮结构为实心式,大带轮结构为孔板式,材料均为HT200。机架采用20 mm × 20 mm× 4 mm 的角钢,材料为轧制钢。破壳装置材料为HT200。
  1. 2 工作原理
  工作时,首先将三相交流电接入变频器的输入端,变频器的输出端连接变频电机的接入端,将变频器设置一个合适的频率值,然后接通电源让机器运行2 min。待机器运行稳定后,将核桃从进料斗倒入,核桃经导流罩滑落到由锥形筛笼、螺旋叶片和筛笼轴组成的核桃分级装置中,在离心力和重力的共同作用下,核桃实现不同大小的分级,然后再经由过渡导流槽过渡,落入到由挤压辊和挤压板组成的破壳装置中,进而实现核桃破壳的目的。在破壳过程中,可以通过调节变频器频率控制电机转速,以及调节手轮来微调破壳间隙,以消除核桃因大小、形状等因素对破壳效果的影响。
  1. 3 结构特点及技术参数
  该机具有结构紧凑,操作简便等特点。核桃在进料斗中的落入量可以通过调量板来进行调节,防止核桃出现“拥堵”现象,以提高核桃在分级装置中的分级效果; 过渡导流槽中的隔板是按照不同尺寸间距布置的,其间距尺寸与分级装置中锥形筛笼的孔隙尺寸相对应,以保证分级后的核桃能够落入到相对应的隔板间隙中,经过渡后再落入到破壳挤压间隙中进行破壳,从而实现较好的破壳效果。
  2 核桃自分级的目的及依据
  2. 1 核桃尺寸参数的测定与分析
  利用游标卡尺( 量程0 ~ 150 mm,精度0. 02 mm,上海申韩量具有限公司) 对428 枚温185 核桃的三轴尺寸( 横向、缝向、纵向) 进行了测定。其中,横向为核桃缝合线垂直方向、缝向为核桃缝合线短轴方向、纵向为核桃长轴方向,温185 核桃的横向尺寸集中分布在34 ~ 40 mm,占比例为94. 09%; 缝向尺寸集中分布在32 ~ 39 mm,占比例为97. 66%; 纵向尺寸集中分布在38 ~ 46 mm,占比例为96.96%。F = 1 454. 269 > F0. 01( 2,1281) ,表明核桃尺寸有极显著差异。
  2. 2 核桃自分级的目的
  现有的挤压式核桃破壳机械,所依据的破壳原理多为利用核桃自身尺寸与挤压间隙形成破壳工作区,通过两者的间隙差使核桃壳受压发生破裂。由于挤压间隙往往仅适于某一确定尺寸范围的核桃破壳,若核桃尺寸在确定尺寸之外,则该部分核桃会出现被完全压碎或未受到任何挤压作用的情况,导致破壳效果较差。而根据温185 核桃尺寸参数的测定及分析结果可知,核桃的尺寸之间存在极显著的差异。因此,利用挤压式破壳方法对核桃进行破壳前,对核桃进行分级处理是十分有必要的。
  2. 3 核桃自分级的依据
  由于核桃外形近似球形,核桃在不同方向上的尺寸之间也存在一定的差异。而核桃在分级装置中的位置姿态随意性较大,为了尽可能兼顾核桃在各方向上的尺寸,依据温185 核桃在横向、逢向、纵向上尺寸集中分布的比例,最终确定分级装置分选核桃的尺寸范围为32 ~ 46 mm。根据核桃自分级确定的尺寸范围,将32 ~ 46 mm 的核桃尺寸范围划分为12 段,使核桃在分级装置中通过逐段分级的方式进行分选,然后根据各段核桃尺寸的范围确定锥形筛笼中对应各段孔隙的尺寸。
  3 核桃破壳机的关键部件设计
  3. 1 分级装置
  分级装置主要由筛笼轴、锥形筛笼以及螺旋叶片组成。核桃自进料斗倒入后,经导流罩滑进分级装置中,在分级装置中核桃受到重力和离心力的共同作用,并在螺旋叶片的螺旋推动作用下向前推进,在推进的过程中,不同尺寸大小的核桃从锥形筛笼中对应的孔隙落下。其中,锥形筛笼的孔隙尺寸是按照核桃自分级参数进行设计的,以确保核桃在推进分离过程中能够从相对应的尺寸孔隙中落下,进而实现核桃分级的目的。
  3. 2 破壳及间隙调节装置
  破壳装置主要由挤压板座、挤压板、辊子轴、挤压辊等组成,其中辊子轴通过键与带轮连接,挤压板通过螺钉安装在挤压板座上,挤压板座一端与轴承连接,另一端与间隙调节装置的滑块连接。挤压辊和挤压板之间的破壳间隙满足核桃受力的四点加压原理。间隙调节装置主要由滑块座、滑块、螺杆、手轮等组成,通过旋转手轮,使螺杆推动滑块运动,进而使挤压板座可以前后移动,从而实现调整破壳间隙的目的。
  其中,挤压辊和挤压板的V 型槽形状尺寸是根据核桃自分级参数进行设计的,将破壳间隙也划分为12 段,每段尺寸分别与分级装置中锥形筛笼孔隙的各段尺寸相对应。当核桃从分级装置中分选出来后,由过渡导流槽过渡分别落入到与之相对应的破壳间隙中,使核桃能够最大程度地受到充分挤压作用,进而实现较好的破壳。为了增大核桃在破壳间隙之间的摩擦力,提高破壳效果,在挤压辊上焊接了一条横筋,防止核桃破壳时出现“打滑”现象。
  3. 3 传动系统
  该机传动系统主要由变频电机、带轮、皮带、筛笼轴、挤压辊轴等组成的带传动系统。其中,电机输出轴通过键与电机带轮连接,筛笼轴通过键与大带轮连接,挤压辊轴通过键与小带轮连接。工作时,通过调节变频器的频率来控制变频电机输出轴的转速,经皮带传动控制筛笼轴、挤压辊轴的转速,进而实现工作目的。
  4 破壳试验及结果分析
  4. 1 试验设计及方法
  通过破壳预试验发现,影响核桃破壳效果的主要因素为调量口大小、电机转速和破壳间隙。为了确定破壳机的最佳破壳参数,选取调量口大小、电机转速、破壳间隙为试验因素,一次性破壳率、高露仁率为试验指标。采用L9正交表安排试验( 不考虑交互作用) ,通过3 因素3 水平的正交试验分析各指标与因素间的量化关系。破壳试验选取的核桃( 含水率4% ~ 8%) 购置于阿拉尔市九团。
  4. 2 结果与分析
  采用极差分析法对试验结果进行分析,核桃的一次性破壳率和高露仁率的方差分析结果。对于一次性破壳率,因素的主次顺序为B >C > A,得到一次性破壳率的优方案为B3 C3 A2; 对于高露仁率,因素的主次顺序为A > B > C,得到高露仁的优方案为A2B2C2。因素B 和C 对一次性破壳率的影响显著,而因素A 对一次性破壳率影响不显著,三因素对高露仁率的影响均不显著。
  采用综合平衡法来得到破壳机的最优参数组合,其分析过程: ① 由于因素A 对两个指标的影响均不显著且A2均为最优方案,所以因素A 取A2; ② 对指标一次性破壳率,因素B 取B3最好,而对于指标高露仁率,因素B 取B2最好,考虑到因素B 对一次性破壳率是重要影响因素,且B2和B3对于高露仁率而言相差不大,所以因素B 取B3; ③ 对指标一次性破壳率,因素C 取C3最好,而对于指标高露仁率,因素C 取C2最好,考虑到因素C 对一次性破壳率影响因素显著,对于高露仁率为次要因素,所以因素C 取C3。综上分析,得出破壳机的最优方案为A2B3C3,即调量口大小为70 mm,电机转速为150 r /min,破壳间隙为10 mm。经实验验证,方案A2B3C3可以取得较好的破壳效果,验证实验结果表明,在此参数下该机一次性破壳率平均为93. 2%,高露仁率平均为89. 8%。而根据同类别的挤压式核桃破壳机破壳效果的比较得出,由董诗韩等设计的多辊挤压式核桃破壳机的破壳效果较佳,在最佳破壳工艺参数组合下其一次性破壳率平均为96. 4%,高露仁率平均为88. 7%。与该机相比,本课题组所设计的核桃破壳机在核桃破壳指标一次性破壳率上低于该机3. 2%,但在破壳指标高露仁率上要高于该机,分析其原因可能是不同机器结构尺寸等参数以及机器加工误差的差异所致。因此,总体而言自分级挤压式核桃破壳机具有较好的破壳效果。
  5 结论
  通过破壳试验表明,该机一次性破壳率平均为93. 2%,高露仁率平均为89. 8%,可以较好地完成核桃机械破壳作业。对试验结果进行分析得出,该机的最佳破壳参数为调量口大小70 mm,电机转速150 r /min,破壳间隙10 mm。然而,核桃的破壳质量还有可一步提高,因此对破壳机的结构和参数再做进一步优化,如在后期的优化改进中增加导向装置、对挤压辊的结构进行优化等,使核桃保持合适的姿态落入破壳间隙中进行破壳,从而进一步提高破壳机的破壳效果和破壳质量。