青核桃塊狀去皮機的研制

吳東澤 鄭甲紅 梁金生 牛碩雅（陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

核桃是世界著名的四大干果（核桃、扁桃、板栗、腰果）之一，其經濟、生態、社會效益極高，是一種分布和栽培遍及世界五大洲的廣域經濟樹種，在中國有2 000多年的栽培歷史，并逐漸由中國的西部擴展到黃河流域［1－5］。核桃去青皮機械在美國、加拿大和澳大利亞等核桃種植大國已經相當成熟，并且形成了一定的規模，脫皮原理通常為擠壓、揉搓、刷洗、切割等［6－8］。陜西省是核桃生產大省［9］，在核桃產業大發展時期，核桃初加工機械也應隨之發展，并大力服務和推進核桃產業的發展。核桃采收后，要求盡快脫皮，否則易霉變。傳統的“堆漚脫皮法”，勞動強度大，效率低。目前市場上的青核桃去皮機械按原理可分為三類［10，11］：① 鼠籠滾筒式去青皮機；② 旋切滾筒式去青皮機；③ 鋼刀毛刷旋轉式去青皮機等。這些設備都會不同程度地將青皮打成泥狀，污染環境，腐蝕設備。

針對陜西省大面積種植的采收前噴灑乙烯利和萘乙酸溶液［12］催熟的青核桃，本試驗擬設計一種采用剝離方式去皮的核桃去皮機。結合青核桃青皮與核桃硬殼的生物機理，分別對陜西省商洛、商州、咸陽、銅川等各大種植區的青核桃取樣研究，確定滿足要求的機器方案。

1 總體設計

1.1 去皮原理

去皮原理示意圖見圖1。將成熟的青核桃投入進料口，電機驅動內圓筒轉動，在內圓筒轉動及重力G作用下帶動青核桃進入揉搓去皮工作區，隨著內圓滾筒和外圓固定筒之間的間隙逐漸減小，青核桃轉到合適的位置時開始受到內外筒的擠壓力F1和F11以及剪切力F2和F22作用，內滾筒繼續旋轉，擠壓力達到上述試驗所得的破損力時，青皮破裂，最終實現揉搓剪切將青皮去除。

圖1 去皮原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of peeling principle

1.2 方案確定

根據上述去皮原理對機器方案進行確定見圖2，主要包括機架、進料口、轉動內圓筒、固定外圓筒、分離篩等組成部分。此方案優勢是結構簡單，操作方便，機器體積小，方便單戶使用，解決了當前去青皮機器將青皮打成液汁狀的問題。其核心原理采用脫皮滾筒與外筒對青皮核桃進行滾動、擠壓，實現揉搓，破壞青皮與核桃的結合面，使之分離，并利用擠壓力在轉動的脫皮輥筒與外筒間產生擠壓及摩擦，將青皮剪開、剝離；根據需要還可增加鋼絲毛刷將少量未剝凈的青皮清除。本方案的動力由電動機輸出，經過減速器減速后，帶動轉動滾筒和分離機構的曲軸，實現青核桃的去皮以及分離。

圖2 青核桃去皮機結構示意圖Figure 2 Schematic diagram of green walnut peel machine structure

1.3 技術要求

根據實際生產要求及文獻［13］和［14］，確定青核桃脫皮機的技術指標為：

（1）外形尺寸：620mm×560mm×1 100mm；

（2）配套動力：1.5kW；

（3）生產率：2 500kg/h；

（4）去皮率：≥92%；

（5）破碎率：≤5%；

（6）單機造價：≤2 000元。

2 關鍵部件的設計與工作原理

2.1 相關設計

2.1.1 相關尺寸確定 設計內滾圓筒長度500mm，直徑360mm；設核桃尺寸為50mm，核桃沿軸向排列時的間隙為20mm，核桃在周向排列時的間隙為20mm。

沿軸向的核桃數n：

由弧長公式求出約在工作區可分布核桃的排數N：

2.1.2 相關轉矩計算 由圖3可知，沿工作區周向的7排核桃中，有3排核桃參與揉搓擠壓變形，靠近入口的3排在滾動過程中起到導向作用，靠近出口的一排為已去皮的核桃；已知有變形核桃的變形量：50.00－49.25＝0.75mm；50.00－43.09＝6.91mm；50.00－39.55＝10.45mm。

圖3 青核桃在去皮過程中的排列圖Figure 3 The green walnut arrangement diagram in the peeling process

由于核桃在擠壓剪切過程中有一段導向距離，所以只能保證青核桃在去皮過程中是沿著X、Y和傾斜3個方向擠壓揉搓的，但不能確定具體擠壓的是哪個一個方向，即根據壓力試驗過程中的試驗數據，選取3個方向上變形量對應的最大力。

由圖4可知：0.75對應的力約為4kg；6.91對應的力約為31kg；10.45對應的力約為22kg。

圖4 變形量與試驗壓力的關系圖Figure 4 Diagram of the relationship between deformation and pressure test

所以在生產過程中產生的力矩

初步設計轉動內圓筒轉速為30r/min，通過求得的轉速及力矩可進行電機的選擇。

2.2 青皮剝離機構

為了綜合考慮青皮剝離的生產效率，降低核桃的破碎率以及增加青皮的利用率，最終采用揉搓剪切去皮原理，實現核桃青皮剝離過程。剝離原理采用內外偏心安裝圓筒實現，內圓筒轉動外圓筒固定。此方案解決了3個問題：①可連續喂料保證生產效率；② 固定外圓筒內表面和轉動內圓筒外表面附有網格型橡膠降低去皮過程中核桃的破碎率；③ 采用揉搓剪切剝離青皮，剝離的青皮是成塊掉落，便于青皮的收集利用同時減少環境污染。當青核桃進入內外圓筒之間時開始會有一段起到導向作用的距離，繼續旋轉間隙逐漸減小，青核桃被擠壓剪切。

2.3 分離機構的設計

如圖5所示，分離機構采用曲柄搖桿機構，主要包括分離篩、連桿、曲軸。工作原理是青核桃經過揉搓剝離后，大部分青皮都與核桃分離，還有一小部分青皮與核桃相連，掉入抖動的分離篩后，經過分離篩的抖動摩擦以及核桃相互之間的擠壓，全部的青皮都會分離并通過柵條篩子進行分離。篩子采用6號螺紋鋼筋焊接制成，篩底為柵條狀，相比網格篩的優點是能有效減少青皮及核桃的堆積現象，經過大量的實驗測量測得已去皮的核桃的最小尺寸31mm，考慮到鋼筋和核桃的微小變形，所以確定兩鋼筋之間的距離25mm。篩底向核桃出料口傾斜15o，保證晃動分離篩的過程中核桃能夠向出料口流動。

圖5 分離篩俯視圖Figure 5 Top view of separation sieve

3 去皮機的試驗

針對上述原理對去皮機器進行試制并作出相關試驗。試驗材料為大面積種植的矮化新品種—“香玲”。采用變傳動比的方式改變內筒的轉速，對內筒的轉速進行5次轉變試驗，用 轉 速 表 實 測 轉 速 分 別 為 30.0，42.0，55.6，70.0，78.0r/min；配套電機為 Y90L－4 1.5kW 農用機械專用電機；根據青核桃及堅果的外形尺寸調整內外筒之間的間隙。啟動機器運轉正常后，從入料口加料。經過試驗發現，最理想效果為：轉速55.6r/min時，去皮率為98.33%，破損率為2%，生產率約為2 200kg/h。

4 總結

結合目前市場上去青皮設備存在的問題，通過采用揉搓剪切原理剝離青皮的方式，使得青皮在剝離過程中保持小塊狀，容易收集，對機器以及環境造成的污染小。本設計的特點：① 進行揉搓強度、揉搓時間、擠壓力與青皮破碎率和剝凈率的關系的試驗和理論分析；② 對青皮的剝離不進行切削，避免了現有切削剝離方式的弊端；③ 結構簡單，操作方便，經濟安全。

1 韓華柏，何方.我國核桃育種的回顧和展望［J］.經濟林研究，2004（3）：45～50.

2 楊忠強，李忠新，楊莉玲，等.核桃脫青皮技術及其裝備研究［J］.食品與機械，2013，29（6）：121～124，142.

3 吳子岳.綿核桃剝殼機的研究設計［J］.食品與機械，1995（3）：22～24.

4 馮連芬，呂芳德，張亞萍，等.我國核桃育種及其栽培技術研究進展［J］.經濟林研究，2006（2）：69～73.

5 王煒，李鵬霞，伍玉潔.我國核桃發展現狀及貯藏研究概況［J］.農產品加工（學刊），2007（4）：63～66，86.

6 Andersen N G.Machine for fulling nuts：US，2208239［P］.1940—07—16.

7 James C Hamiltion. Hulling apparatus and method： US，7302886B2［P］.2007—12—04.

8 William R Ham.Nut shelling apparatus：US，5404809［P］.1995—04—11.

9 劉廣振.陜西省核桃產業發展現狀與基地建設對策研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2011.

10 王亞妮，盧軍黨，王維，等.一種青核桃去皮機的設計與試驗研究［J］.包裝與食品機械，2014（1）：32～34.

11 王維，劉東琴，王亞妮，等.一種實用型青核桃去皮機的設計與試驗［J］.包裝與食品機械，2014（3）：14～16.

12 張建國.噴灑乙烯利和萘乙酸混合液促進核桃果皮開裂的研究［J］.林業科技通訊，1990（6）：23～25.

13 石鑫.青核桃脫皮、清洗機的設計及試驗研究［D］.新疆：新疆農業大學，2010.

14 馮宏波，史毅偉.5QHT－500型青核桃脫皮清洗機的研制［J］.農業機械，2012（20）：67～68.