6HP-400型錐籃式破殼機設計及試驗研究

（陜西省農業機械研究所，陜西咸陽 712000）

0 引言

核桃是陜西主要經濟樹種之一，也是種植群眾最多的經濟林樹種。據陜西統計年鑒統計：截止2018年底，全省核桃面積為78萬公頃，總產量30萬噸［1］，面積、產量居全國第二位。目前，陜西已形成了陜南秦巴山區、渭北旱原兩大核桃產區。商洛市和黃龍、鎮安、洛南等縣已先后被國家林業局授予“中國核桃之都”和“中國核桃之鄉”稱號［2-5］。

隨著核桃盛果期的來臨，陜西核桃產量迅速提高，原核桃銷售市場趨于飽和，核桃的精深加工越來越被重視，為推動核桃產業的精深加工的深度發展，解決人工效率低下、衛生條件差、成本高的問題［6-7］，近年來核桃機械化破殼出現了研究熱的現象。史建新［8］研究了弧板滾筒擠壓式核桃破殼機的分級滾筒的轉速、錐角以及擠壓滾筒的的大小對破殼效果的影響。董詩韓［9］針對多輥擠壓式核桃破殼機主、從動輥轉速，以及最小間距對破殼效果的影響。李忠新［10］設計了錐籃式核桃破殼裝置，分析在不同錐度下破殼效果。目前大多數設備存在調節不方便、破殼性能差，且難以滿足生產線規模化生產要求。為了解決上述問題，本文設計一種柔性剪切擠壓破殼裝置，通過定筒周向游動和動筒線速度的實時調節，有望提高核桃破殼率。該設計可為核桃機械化破殼提供參考。

1 主要結構、工作原理及結構特點

1.1 主要結構

6HP-400型錐籃式破殼機主要由變頻器、進料斗、蝸輪減速器、電機、機架、動筒、定筒及收料斗組成，見圖1。

圖1 6HP-400型錐籃式破殼機結構Fig.1 Structural diagram of 6HP-400 cone-basket sheller

1.2 工作原理及結構特點

首先接通電源，打開變頻器，根據核桃的大小、殼厚，調試至最佳頻率，打開頻率旋鈕，變頻器控制電機轉速，電機與蝸輪減速器通過鍵連接，蝸輪減速器將動力傳遞給動筒軸，帶動動筒旋轉，動筒和定筒在周向上形成破殼區，核桃從進料斗喂入，核桃在重力的作用下掉落至動筒的上臺面，通過動筒的旋轉使核桃進入破殼區，為了使核桃順利進入，定筒上半部分筒壁光滑，下半部分采用去除材料的方法加工成三段柵條狀結構。定筒分三段加工成柵條狀結構，一方面確保定筒結構的強度與剛度，防止型材加工出現變形；另一方面防止長期加工核桃出油，導致內筒壁滲油打滑，柵條狀結構在擠壓過程中有利于核桃破殼過程中的裂紋擴展，提高破殼率。動筒的錐度為6°，根據物料的基本物理特性不同，動筒與定筒的游動間隙可調，動筒與定筒最小處間隙可調，動筒軸的轉速可調，可適應不同殼厚、不同大小的核桃破殼。

1.3 主要技術參數

主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數性能指標Tab.1 Performance indexes of main technical parameters

2 關鍵部件的設計

2.1 變頻裝置的設計

根據GB/T 20398—2006《核桃堅果質量等級》和用戶分級標準，同一品種的核桃按橫徑分為三個等級，結合前期研究［11-14］，不同等級核桃的基本物理參數不同，破殼時需要的擠壓剪切力不同，因此為設備增加變頻裝置，變頻器控制電機轉速，電機與蝸輪減速器直連，直接控制動筒的轉速，見圖2。為了提高設備通用性，控制器上3個頻率旋鈕，旋鈕頻率的值可以根據需要通過試驗確定。

圖2 變頻器控制圖Fig.2 Control diagram of frequency converter

2.2 定筒和動筒結構設計

定筒和動筒是錐籃式破殼機的關鍵部件，對破殼的質量有著至關重要的影響，主要功能是將核桃硬殼破開，以便桃仁與硬殼分離，動筒采用花紋鋼，設計為圓錐形，錐度為6°，上端面封閉，軸線方向有旋轉軸，上端與蝸輪減速器連接，下端與機架連接。核桃通過進料斗進入掉落到動筒的上端面，隨著動筒的旋轉甩進破殼區。定筒為圓柱形，上下端均有法蘭與機架通過螺栓連接，安裝時，連接螺栓直徑均小于法蘭孔徑2～4 mm，使定筒在圓周方向游動。防止定間隙擠壓造成桃仁表面損傷和碎仁率增加。考慮到結構件的強度和表面的粗糙度，將定筒破殼區設計為三段柵條，以提高破殼率。定筒結構如圖3所示。

圖3 定筒結構圖Fig.3 Structural diagram of stationary cylinder

3 試驗及檢測結果

3.1 試驗物料基本物理特性

圖4為陜西黃龍地區主產的香玲核桃，該品種果形為圓形，果基較平，果頂微尖，殼面光滑美觀，淺黃色，縫合線窄而平，結合緊密，香玲核桃品種可取整仁。核仁充實飽滿，味香不澀， 出仁率65.4%，種仁出油率為65.3%左右。

圖4 陜西香玲核桃Fig.4 Shaanxi Xiangling walnut

每次取不少于10個核桃，共取3次，測量平均果重、仁重、橫徑、棱徑、縱徑、殼厚，待測物料的基本物理參數如表2所示。

表2 香玲核桃的基本物理參數Tab.2 Basic physical parameters of Xiangling walnut

3.2 試驗指標

性能試驗時，每次加工的核桃不少于小時生產率的10%，且不少于50 kg。試驗開始前，在待加工的核桃中分三次隨機取樣，每次取樣不少于10個核桃。

（1）破殼率

在破殼機出口處分3次隨機取樣，每次取樣不少于1 kg，共取3次，人工挑選出破殼的核桃，并稱重，按下式計算破殼率。

式中 Q1——破殼率；

m1——已破開物料質量，kg；

M ——樣品核桃總質量，kg。

（2）高露仁率

高露仁為核桃仁中大于或等于四分仁的核桃仁，與破殼率同時測定，人工挑選出路仁為高露仁的核桃仁，按下式計算高露仁率。

式中 Q2——高露仁率；

m2——高露仁質量，kg；

M1——核桃仁總質量，kg。

（3）半仁率

與破殼率同時測定，人工挑選出路仁為半仁的核桃仁，按下式計算半仁率。

式中 Q3——半仁率；

m3——半仁質量，kg；

M1——核桃仁總質量，kg。

（4）殼仁分離率

與破殼率同時測定，人工挑選出用手容易分開的核桃殼、仁，按下式計算殼仁分離率。

式中 Q3——殼仁分離率；

M4——容易分離的核桃殼、仁質量，kg。

3.3 試驗結果及檢測結果

3.3.1 試驗結果

在不考慮交互作用的情況下［15］，采用 L9（34）正交表安排試驗，通過3因素3水平的正交試驗分析各指標與各個因素之間的量化關系，因素的水平隨機排列。因素水平、方案及結果和結果分析分別見表3、表4及表5。

表3 試驗因素及水平Tab.3 Factors and level of the experiment

表4 試驗方案及結果Tab.4 Scheme and results of the experiment

表5為3種試驗因素在不同的水平因素組合下的核桃破殼效果指標的試驗結果分析，對于不同指標而言，各因素影響程度是不一樣的，故不能簡單的將3個因素對3個指標影響的重要性的主次順序統一起來。所以采用綜合平衡法來得到綜合優方案，評判過程如下：

表5 試驗結果分析Tab.5 Analysis of test results

從極差來看，A因素主要影響高露仁率，B因素主要影響殼仁分離率，C因素主要影響半仁率，對于高露仁率和半仁率來說A因素最佳取值為A2，對于殼仁分離率和半仁率來說B因素最佳取值為B2，對于半仁率和高露仁率來說C因素的最佳取值為C1，但對客戶來說高露仁的含量越高越好，且半仁率不得低于60%，故綜上分析，優方案為A3B2C1，即動筒轉速70 r/min，定筒與動筒最小間距19 mm，定筒游動間隙2 mm時，破殼效果較好。此時破殼率為100%，高露仁率為90.5%，半仁率為68.9%，殼仁分離率為78.8%。

3.3.2 檢測結果

經陜西省農業機械產品質量監督檢測總站檢測，結果如表6所示。

表6 檢測結果Tab.6 Detection result

4 結語

針對不同地區核桃基本物理特性，設計一種柔性剪切擠壓的破殼裝置，設備增加變頻裝置便于動筒轉速調節。定筒下端去除材料的設計，提高了破殼率，定筒周向游動的連接方式，提高了高露仁率和半仁率。

以陜西香玲核桃為試驗及檢測物料，進行正交試驗，試驗結果表明：當動筒轉速為70 r/min，定筒與動筒最小間距為19 mm，定筒游動間隙為2 mm時，綜合破殼效果較好。其性能指標分別為破殼率100%，高露仁率90.5%，半仁率為68.9%，殼仁分離率78.8%。

經陜西省農業機械產品質量監督檢測總站檢測，其破殼率為97.3%、高露仁率為90.3%、半仁率為65.1%、殼仁分離率為77.3%，檢測結果合格。