花生剝殼機的設計

佟慶坦，王延耀，王東偉，張甜甜，韓文平，周家鵬

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

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花生剝殼機的設計

佟慶坦，王延耀，王東偉，張甜甜，韓文平，周家鵬

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

花生可以在剝殼后直接食用，也可以經深加工后制成各種產品，而剝殼是花生發揮其重要價值的必不可少的環節。目前，花生剝殼機的剝殼質量相對較低，花生仁的破碎率較高。為降低花生仁的損傷，本機器模仿手工剝殼原理，采用橡膠滾筒與橡膠凹板組成的間隙進行花生剝殼，滾筒與凹板之間的間隙可調，凹板的背面有可調節減震機構，從而完成花生的柔性剝殼。同時，該機對花生仁具有一定的尺寸分級功能，并可適應我國花生的眾多品種。

花生剝殼機；柔性剝殼；二次剝殼

0 引言

我國是世界上重要的花生生產國之一，總產量、總消費量、出口量均居首位[1]。花生廣泛用于加工各種食用植物油，而脫脂后的花生餅粑的蛋白粉又可以加工成各種乳制品。人造奶油、調和油、色拉油的制造都離不開花生油作為其重要原料。花生可以在剝殼后直接食用，也可以經深加工后制成各種產品，很大程度上提高了花生的經濟效益。不管是簡單剝殼食用，還是精加工成各種美味食品，都必須對花生進行剝殼加工，剝殼是花生發揮其重要價值的必不可少的環節[2]。

花生剝殼機是把花生莢果去除外殼而獲得花生仁的作業機械。因為花生剝殼要求花生的含水率降到一定的范圍內，所以在田間收獲花生時，就不能一同將花生剝殼以達到花生的完全聯合收獲。國外一些發達國家對花生的收獲采用的是兩段收獲法，雖然花生經過在田地的晾曬，含水率降低了許多，但也不能在收獲的同時剝殼入倉[3-4]。國內目前所使用的花生剝殼機廣泛采取的是搓擦式的滾筒-凹板篩結構[5-8]，其工作原理是：花生進入到剝殼機剝殼間隙內后，花生外殼因受到剝殼滾筒反復搓擦而破裂，花生仁則從凹板柵條的縫隙中出來，以達到花生剝殼的目的。然而，這種剝殼方式還不能適應我國花生的諸多品種，剝殼機構是非柔性機構；而且如果剝殼后的花生仁與花生外殼及未完全剝殼的花生混到一塊，就會很容易損傷剝殼后的花生仁。其雖然減少了人的勞動、提高了生產效率，但剝殼質量相對較低，花生仁的破碎率較高，花生加工的成本也較高[9-10]。為此，筆者研制出一種剝殼原理新穎、剝凈率高、破損率低的花生剝殼機，對促進花生產業發展具有重要的現實意義。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

花生剝殼機主要由剝殼裝置、清選裝置、喂入裝置、傳動裝置及機架等零部件組成，如圖1所示。該機采用喂入裝置使花生莢果單層喂入。剝殼裝置和清選裝置均有兩級： 第1級完成尺寸較大的花生莢果的剝殼；第2級完成尺寸較小的花生莢果的剝殼。

1.喂入裝置 2.剝殼裝置 3.清選裝置 4.傳動裝置 5.機架

1.2 工作原理

該機采用橡膠滾筒橡膠凹板進行花生剝殼，主要是模仿破碎率較低的手工花生剝殼的原理，依靠轉動的橡膠滾筒和橡膠凹板對花生產生擠壓和搓擦，使花生莢果破裂。

工作過程：花生莢果從進料斗進入花生剝殼機，在撥料器的撥動下單層進入剝殼間隙，花生莢果在橡膠滾筒與橡膠凹板的擠壓搓擦下剝殼；剝殼后的花生仁和未剝殼的花生莢果均往下下落，在風機產生的氣流下，質量較小的花生殼被吹出機外，質量較大的花生莢果、花生仁和雜物下落到篩箱的第1層篩面上。由于第1層篩面只允許不大于花生仁的大小的物料下落，所以未剝殼的花生莢果便順著第1層篩面滑落到剝殼間隙更小、篩面篩孔更小的第2級剝殼裝置和清選裝置繼續完成剝殼任務；從第2層篩面下落到第2層篩面的花生仁及其他雜物經篩面篩選，在篩面尾部被收集排出機外。本花生剝殼機兩級排出的花生仁尺寸不同，第1級的要比第2級的花生仁尺寸大，對花生仁具有一定的尺寸分級功能。

2 關鍵部件的設計與計算

2.1 剝殼裝置的設計

剝殼裝置的主要功能是將花生莢果剝殼，為后續花生仁的清選收集創造條件。針對常見花生剝殼機較易損傷花生仁的問題，模仿手工剝殼的原理，采用橡膠滾筒橡膠凹板式的脫殼方式進行剝殼。

2.1.1 滾筒與凹版間隙的確定

橡膠滾筒與橡膠凹板的間隙是花生剝殼破碎率和剝凈率的關鍵影響因素。花生莢果以厚度方向進入間隙，間隙e須滿足

e≤d+2δ

(1)

其中，d為花生仁的厚度；δ為花生在厚度方向上的殼的厚度。

當花生莢果受到橡膠滾筒與橡膠凹板的擠壓搓擦，而花生仁受到的力為零時，為花生剝殼最理想的狀態，此時e=d+2δ，花生仁剛好不碎。然而，花生仁有一定彈性，可以承受一定的壓力，只要在其彈性范圍內，就可以適當減小橡膠滾筒與橡膠凹板的間隙，以滿足剝殼需求。

本花生剝殼機設計選取的是白沙莢果的尺寸(見表1)進行設計計算。所參照的花生尺寸為：花生莢果長寬厚分別為35、12、12mm，花生仁長寬厚分別為16、9、9mm。確定橡膠滾筒與橡膠凹板之間的間隙入口處的尺寸為40～45mm，出口處的尺寸為8～10mm。

表1 白沙花生尺寸參數

2.1.2 橡膠滾筒參數的確定

根據本機器花生剝殼原理，要求花生莢果為單層喂入，橡膠滾筒不能太長，否則影響花生莢果在間隙中的均勻性。考慮到橡膠滾筒的長度過短會降低花生剝殼的生產率，選取橡膠滾筒的長度為600mm。橡膠滾筒的直徑直接決定著花生莢果在間隙中的所走的軌跡的長短，考慮到花生莢果的喂入角α=40°，選取橡膠滾筒的直徑為D=220mm。橡膠滾筒的線速度為v=3m/s，轉速為n1=60000v/πD=220r/min。橡膠滾筒上的橡膠層采取硫化壓合的方式固定，橡膠層厚度為20mm。

2.1.3 橡膠凹版參數的確定

橡膠凹板主要是配合橡膠滾筒擠壓搓擦花生莢果的，凹板表面也有橡膠層，橡膠層為硫化壓合方式固定，厚度為20mm。凹板的寬度即凹板在滾筒軸心線方向上長度，是兩個花生莢果的長度，為70mm。凹板之間采用的是套筒間隔，總共有8個橡膠凹板和7個間隔套筒，套筒的厚度為5.7mm。

2.1.4 減震機構的確定

剝殼裝置減震機構的主要作用是降低花生莢果中雜物對剝殼過程的影響。當有雜物進入橡膠滾筒與橡膠凹板之間的間隙時，橡膠凹板對其擠壓的力不足以使其破碎，但又超過了減震彈簧的彈力，此時橡膠凹板會繞凹板轉動軸轉動，直到橡膠滾筒與橡膠凹板之間的間隙足夠雜物通過，或者是減震彈簧的彈力增加到足以使橡膠凹板對雜物的力達到破碎的條件。

減震機構主要由減震彈簧、彈簧銷、彈簧導桿及彈簧擋板組成。彈簧導桿上有若干彈簧銷孔，其安裝位置不同，減震機構彈簧的彈力就不一樣，橡膠凹板對花生莢果剝殼過程的減震效果也不一樣。剝殼機上有眾多調節機構，可以適應不同尺寸的花生莢果。

2.2 清選裝置的設計

剝殼后的混合物中混有花生仁、花生殼及未完成剝殼的花生莢果，必須對其分離清選。未剝殼的花生莢果要送到后面的二級剝殼機構再次剝殼；已完成剝殼的花生莢果要對其清選，清除出破碎的花生仁、細小的花生殼及細小雜物。花生仁經過清選后，質量和和清潔度提高，尺寸均勻，有利于運輸、貯存和后續加工。清選出的小粒花生仁和破碎花生仁還可以作為飼料或者加工原料。

2.2.1 篩箱的確定

篩箱的作用主要是根據混雜物尺寸的差異，利用其兩層運動的篩面將花生莢果、花生仁及細小雜物分離。在篩箱的第1層篩面，篩孔的尺寸小于花生莢果的尺寸，大于花生仁的尺寸，所以未被剝殼的花生莢果不能通過篩面，只能向篩尾移動進入后面的剝殼裝置或剝殼機外的收集箱；而花生仁可以通過第1層篩面落到第2層篩面上。在篩箱的第2層篩面，篩孔的尺寸小于花生仁的尺寸，花生仁不能通過篩面，只能向篩尾移動，經篩尾的收集通道便可經出仁口排出；而和花生仁一同落到第2層篩面上的細小雜物，則通過第2層篩面被排出到花生剝殼機的機外。

篩面選擇的是平面篩，篩孔為長圓孔，沿縱橫方向呈交錯分布。長圓孔的工作尺寸是篩孔的寬度 ，篩孔長度雖非篩子的工作尺寸，但對物料的分離性能有很大影響。篩孔的配置為棋形。

白沙花生莢果長寬厚分別為35、12、12mm，花生仁長寬厚分別為16、9、9mm。查找《農業機械設計手冊》的表22-2-5確定篩孔尺寸[11]，如表2所示。篩面的寬度為600mm，篩面的長寬比一般為1～2，這里取1.5，故篩面的長為900mm。

表2 篩孔尺寸參數

2.2.2 運動機構的確定

物料要通過篩孔，在篩面上要有相對運動。篩箱通過平行四桿機構與機架連接，在曲柄連桿機構的作用下，篩箱做往復運動。篩面上物料的受力分析如圖2所示。

(2)

(3)

(4)

把篩面傾角α=5°、振動方向角ε=20°、物料與篩面的摩擦角φ=19°、曲柄轉速n=220r/min、曲柄半徑r=15mm代入式(3)和式(4)得：183.5r/min

圖2 物料受力分析

2.2.3 風機的確定

風機的主要作用是利用物料在氣流中的不同軌跡進行清選的，被吹物料依其飄浮特性被風吹至不同的距離，依其距離遠近來進行分離。質量輕的花生殼被吹送到剝殼機外，質量大的花生仁和未被剝殼的花生莢果被吹送得近，下落到篩箱上，然后進行花生莢果和花生仁的分離。

查找有關資料[12]，可得花生剝殼后物料各成分的飄浮速度，如表3所示。

表3 各成分飄浮速度和飄浮系數

確定離心風機出口的氣流速度為6m/s，風量為Qs=2400m3/h，風機軸的轉速為n=880r/min，氣流從風機出來后到達篩箱周圍，前1/3風速最大，中間風速漸緩，后1/3風速較小。

風機的比轉速為

葉輪進口直徑為

葉輪外徑為

D2=60μ2/πn

葉片寬度為

計算得風機葉片的尺寸如圖3所示。

圖3 風機葉片

風機采用雙面進氣，風量通過進氣口面積調節，風向通過風向調節裝置調節；葉片平直型，葉片的數量為4個。風機吹出的氣流方向與水平面夾角為25°，風機外殼為1mm的白鐵皮。

2.3 喂入裝置的設計

花生剝殼機工作時，其工作效率的大小很大程度上由喂入裝置決定。在本花生剝殼機上，喂入裝置的主要作用是盡量使無序下落的花生莢果單層喂入，為下面剝殼裝置的有效擠壓搓擦剝殼創造條件。喂入裝置主要由撥料器及其傳動部件組成。根據本花生剝殼機的生產率 和白沙花生莢果的百果質量[13]為153.3g，計算出撥料器的葉片數為8個。

2.4 傳動裝置的設計

花生剝殼機的動力來自電動機，動力在電動機轉動軸處分為兩路：一路動力用來滿足一級剝殼機構的動力需求，電機動力經皮帶減速到達一級剝殼機構的風機(即一級風機轉動軸)，一級風機轉動軸又通過皮帶將動力傳遞到一級滾筒轉動軸。此時，動力又分為兩路：一路經皮帶到達偏心輪轉動軸，一路經皮帶到達撥料器轉動軸。從電機出來的另一路動力用來滿足二級剝殼機構的動力需求，經皮帶到達二級風機轉動軸，再從風機轉動軸經皮帶到達二級滾筒轉動軸[14-16]。具體傳動的配置如圖4所示。

1.撥料器軸 2.偏心輪軸 3.一級滾筒 4.一級風機 5.電機 6.二級滾筒 7.二級風機

3 結論

1)本機集花生剝殼、清選為一體，在第1級剝殼機構未成功剝殼的花生莢果經篩箱的篩選后進入剝殼間隙更小的第2級剝殼機構，對花生仁具有一定的尺寸分級功能。

2)本機利用橡膠滾筒與橡膠凹板之間的間隙對花生進行柔性剝殼，橡膠凹板背面還有減震機構。減震機構的彈簧彈力可以通過改變彈簧壓縮長度調進行節，可有效降低花生在剝殼過程中的損傷。

3)本機的剝殼間隙的入口間隙和出口間隙均為可調，可以適應我國眾多花生品種，適應性較好。

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Design of Peanut Sheller

Tong Qingtan, Wang Yanyao, Wang Dongwei, Zhang Tiantian, Han Wenping, Zhou Jiapeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Peanut can be eaten directly after shelling, and can be made of a variety of products by deep processing. Peanut shelling is an essential part to play its important value. Currently, peanut shelling quality is relatively low, and the rate of broken peanut kernel is high. In order to reduce the damage to peanut kernel, the machine imitates the principle of shucking peanut by hand, uses the space between rubber roller and rubber concave plate to shuck, the space between rubber roller and rubber concave plate is adjustable, there is an adjustable damping mechanism on the back of the concave plate, thus peanut is shucked flexible. The machine has the function of size grading of peanut kernel, and can adapt to many varieties of Chinese peanut.

peanut sheller; flexible sheller; secondary sheller

2016-01-04

公益性行業(農業)科研專項(201203028.9)

佟慶坦(1991-)，男，山東梁山人，碩士研究生，(E-mail)qingstein@163.com。

王延耀(1957-)，男，山東青州人，教授，碩士生導師，(E-mail)wyy57@126.com。

S225.7+3

A

1003-188X(2017)02-0112-05