高效青皮核桃處理一體機的設計與研究*

賴浩然，黎駿軒，劉雨潔，何志良，曾嘉俊

(廣東工業大學 先進制造學院，廣東 揭陽 515200)

0 引言

核桃是世界著名的四大堅果之一,果仁中富含多種微量元素、礦物質和維生素[1]。其種植投入較小、收益高,國內外市場對商品核桃的需求量大。我國核桃栽培面積和總產量均居世界首位[2],隨著核桃產量的逐年增加,開發核桃的適時采收及適合的青皮剝離技術對于核桃后期的開發利用來說十分重要。由于青皮核桃成熟期集中、季節性強的特點,過晚采收,青皮成熟裂開時間較長,易增加蟲害和霉菌感染的風險,使核桃硬殼表面產生黑斑,降低核桃品質和市場競爭力[3]。目前主流的脫青皮的方法是堆漚脫皮法和化學脫皮法,青皮核桃脫青皮的機械化程度低,而且對青皮的利用率低。

本文針對高效青皮核桃處理一體機進行研究,在保證核桃品質及去皮效率、操作簡單、適用范圍廣的條件下,使之能夠將不同尺寸核桃的青皮完整脫落,同時還能對脫掉的青皮進行提取利用。青皮含有胡桃醌成分,因此可將青皮作為原料生產染料,也可以利用青皮治療皮膚病、胃炎、胃潰瘍及十二指腸潰瘍,開發藥品[4-6]。而剩下的青皮渣可以作為原料制備土壤消毒劑,而且能夠增加土壤的養分[7]。這樣不僅提升了核桃加工的產品附加值,還能增加農民的收入。

1 一體機的總體結構和工作原理

1.1 總體結構

青皮核桃處理一體機由青皮核桃入料斗、輸送絞龍、圓柱滾筒、柵格、榨汁裝置、核桃青皮收集器和電機等裝置組合而成。青皮核桃處理一體機總體結構如圖1所示。

1-青皮核桃入料斗;2-大帶輪;3-圓柱滾筒;4-輸送絞龍;5-皮帶;6-小帶輪;7-扭矩傳感器;8-電機;9-榨汁電機支架;10-榨汁裝置電機;11-聯軸器;12-榨汁裝置;13-機架;14-核桃青皮收集器;15-核桃收集器;16-軸承支座;17-柵格支架;18-柵格;19-鋼刷區

青皮核桃入料斗通過螺栓連接在柵格上,柵格通過螺栓連接固定在機架上。圓柱滾筒兩端安裝圓錐滾子軸承并放置在軸承支座上,圓柱滾筒在靠近青皮核桃入料斗的一端連接一個大帶輪,大帶輪通過皮帶與小帶輪相連。輸送絞龍通過焊接與圓柱滾筒連接在一起。與圓柱滾筒同心的柵格通過螺栓連接在柵格支架的一側上,兩者通過螺栓固定在機架上。圓柱滾筒、輸送絞龍、柵格組成去皮工作區的核心構件。柵格支架另一側連接核桃收集器,去皮后的核桃通過核桃收集器落在指定的容器里。在柵格下方是核桃青皮收集器,青皮經收集器匯集后進入青皮榨汁裝置,榨汁裝置通過兩個螺旋結構的擠壓作用,最終實現青皮的汁與渣分離。

1.2 工作原理

工作時,電機可根據轉速扭矩傳感器的信號調節速度,不同大小的核桃,滾筒的負載不同,從而使帶輪的扭矩不同,轉速扭矩傳感器發出信號,電機調節到相應速度,從而提高核桃的適應性和去皮率,降低核桃破損率。連接著扭矩傳感器的小帶輪通過皮帶傳動帶動圓柱滾筒轉動。柵格上安裝有傾角為15°的刀片,當青皮核桃進入工作區后會被輸送絞龍帶動向前,同時在圓柱滾筒轉動時受到離心作用而緊貼柵格,圓柱滾筒轉動方向與刀刃的方向相反,當核桃青皮與刀片接觸時可以獲得更大的作用力,以取得最好的去皮效果,同時在圓柱滾筒的每根小圓柱上有鋼刷,可以有效去除殘留在核桃表皮中的青皮。柵格采用漏斗式設計,其中接近入料口的一段口徑較大,在核桃通過輸送絞龍推動前進的過程中,柵格的半徑逐漸變小,使得核桃能夠充分地接觸刀片,增加去皮的時間,達到預期的去皮效果。相鄰刀片間隔約3 cm,使去除的青皮能夠落入位于柵格下方的收集器,最后進入榨汁裝置。

2 去皮區域的參數設計

在設計結構前,根據去皮區域所需的生產率,計算絞龍的轉速、去皮區域實際的生產率和格柵的縱向長度。

為了方便計算,假設以下條件:

(1) 青皮核桃連續進入一體機的去皮部分區域。

(2) 青皮核桃相互緊密接觸且相鄰的核桃之間無間隙。

(3) 青皮核桃的形狀近似地看成球形且每個球直徑都為0.05 m。

(4) 假設一體機去皮區域所需的生產速率為3 750 kg/h。

2.1 絞龍轉速的計算[8]

根據文獻《農產品加工機械與設備》中螺旋輸送生產速率整理可得以下公式:

(1)

其中:Q為一體機去皮部分的生產速率,Q=3 750 kg/h;D為絞龍外直徑,D=0.34 m;d為轉軸外直徑,d=0.28 m;P為絞龍的螺距,P=0.15 m;n為絞龍的轉速,r/min;Ψ為物料充滿系數,Ψ=0.3;ρ為物料密度,ρ=800 kg/m3。

將相關數值代入式(1)計算并取整得:n=60 r/min。

2.2 一體機去皮區域實際生產率的計算

絞龍轉動一圈推入去皮區域的核桃重量的計算公式為:

q=2πRSPλρΨ.

(2)

其中:q為絞龍轉動一圈推入去皮區域的核桃重量,kg;R為轉軸的半徑,R=0.14 m;S為核桃直徑,S=0.05 m;λ為直徑0.05 m的球的體積與邊長0.05 m的立方體的體積之比,λ=0.52。

一體機去皮部分實際生產速率的計算公式如下:

Q實=60qn.

(3)

聯立式(2)和式(3)計算并取整可得:Q實=2 963 kg/h。

2.3 柵格縱向長度的計算

當核桃以單層的方式均勻地布滿格柵時,格柵上核桃數量的計數公式如下:

(4)

其中:N為核桃以單層的方式均勻地布滿格柵時的核桃數量,根據文獻[9],取N=10;L為柵格的縱向長度,m;r為青皮核桃的平均半徑,m;r=0.025 m。

一體機去皮部分的生產速率公式如下:

(5)

其中:k為每個青皮核桃的平均質量,k=0.06 kg/個。

聯立式(4)和式(5)計算并取兩位小數得:L=1.03 m。

2.4 去皮部分電機的功率

去皮部分中所有機構機械傳動總效率的計算公式如下[10]:

η總=η1η2η3.

(6)

其中:η總為剝皮部分中所有機構機械傳動的總效率;η1為帶傳動的效率,η1=96%;η2為聯軸器的機械傳動效率,η2=99%;η3為中心軸上的球軸承的機械傳動效率,η3=99%。

經計算得:η總=94%。

中心軸轉矩的計算公式如下:

(7)

其中:T為轉矩,N·m;μ為核桃青皮與柵格之間的摩擦因數,查機械手冊μ=0.5;Fn為核桃被擠壓的正擠壓力,根據文獻[9],Fn=196 N;z為柵格內徑,z=0.37 m。

經計算得:T=181.3 N·m。

電機輸入功率:

電機輸出功率:

核桃大小不同,核桃達到最好去皮效果所需要的絞龍轉速也不同,根據計算確定絞龍轉速為40 r/min～80 r/min。去皮部分的電機根據滾筒轉速要求選用型號為YCT132-4B的YCT電磁調速電機,額定功率為1.5 kW,輸出轉速為125 r/min～1 230 r/min。

3 去皮區域的結構設計

3.1 去皮結構

采用切割去青皮的方法,柵格主體由18根刀口夾角為15°的刀片組成,相鄰刀片間隔3 cm。在連接入料斗的一端,去皮結構采用內接的連接方式,節省了用料并提高了穩定性,同時設計了支座的結構,使柵格在工作時能夠保持穩定性。柵格的內徑由大變小,可以使不同的青皮核桃緊貼去皮內壁,達到更好的去皮效果。圖2為柵格結構示意圖。

圖2 柵格結構示意圖

3.2 滾動結構

滾動結構采用圓柱式設計,圓柱滾筒的長軸連接帶輪和軸承,短軸則只連接軸承,并通過軸承放置在機架上。圓柱滾筒采用直徑為2 cm的圓柱條構成,在靠近短軸的圓柱部分設置了鋼刷區域,從而增加青皮核桃的去皮能力。圖3為圓柱滾筒結構示意圖。

圖3 圓柱滾筒結構示意圖

3.3 輸送結構

輸送結構采用輸送絞龍進行輸送,輸送絞龍與圓柱滾筒焊接,圓柱滾筒旋轉時帶動絞龍旋轉,從而推動青皮核桃向前。圖4為輸送絞龍結構示意圖。

圖4 輸送絞龍結構示意圖

4 榨汁裝置結構設計與工作原理

4.1 榨汁裝置結構設計

榨汁裝置采用“8”字型的結構設計,兩根榨汁螺桿上一端連接了軸承和齒輪,另一端連接軸承,使兩根榨汁螺桿放置在榨汁裝置機架上,通過傳動齒輪實現同步轉動。圖5為榨汁裝置結構示意圖。

1-傳動齒輪;2-上榨汁螺桿;3-下榨汁螺桿;4-榨汁裝置機架;5-汁水收集器;6-出汁口;7-出渣口;8-彈簧;9-榨汁裝置外殼;10-錐圈;11-青皮入料斗

4.2 榨汁裝置工作原理

青皮從入料斗進入榨汁裝置。榨汁裝置內部設置有雙螺桿結構;參考文獻[10],雙螺桿采用“前端嚙合,后端相切”的設計,這樣的設計使得軸向推力更大,壓榨更加充分。下方的榨汁螺桿使用電機進行驅動,通過傳動齒輪帶動上方的榨汁螺桿轉動。雙螺桿的前半部分為輸送和預榨部分,青皮通過輸送部分向壓榨部分移動并進行預壓榨。在雙螺桿的后半部分,榨汁螺紋相切,且設置有錐圈。青皮在錐圈處第一次擠壓,隨后進入第一級榨汁區域,再通過一次錐圈,進入二級榨汁區域,最后通過一次錐圈,進入三級榨汁區域,在青皮通過的過程中,青皮處于壓縮-松弛-壓縮-松弛-壓縮-松弛的狀態,實現間歇性壓榨。末尾段兩個彈簧接在榨汁裝置機架上,彈簧呈上下分布,兩個彈簧與可軸向移動的擋板相連,擋板通過密封圈與榨汁裝置外殼內接。當青皮渣對擋板的壓力大于彈簧提供的推力時會推動擋板,開啟出渣口,使青皮渣順利落下。

5 結語

本文基于對傳統去皮方式以及現有去皮機械的研究,為了進一步提高去皮效率和實現對青皮的回收利用,設計出了一種全新的青皮核桃處理一體機。首先,基于理論分析與數據計算,確定了去皮柵格的長度及絞龍的轉速。其次,榨汁部分采用雙螺旋擠壓方式,再加上彈簧擋板的作用,提高了青皮的出汁率。最后,青皮核桃處理一體機實現了核桃從去青皮到青皮榨汁,大大提高了青皮核桃的經濟價值。