一種文冠果破殼機(jī)設(shè)計(jì)

穆合塔爾·穆喀熱普,亞森江·白克力,穆尼萊·艾爾肯,瑪伊熱·約麥爾,依克沙尼·買買提江,古麗米熱·克然木

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)

0 引言

文冠果被譽(yù)為“生命之果”,珍稀而又獨(dú)特。它富含多種維生素和礦物質(zhì),對(duì)身體健康有著很好的促進(jìn)作用,在藥用方面也起著重要的作用。文冠果在生態(tài)環(huán)境中具有綠化荒山、水土保持、防風(fēng)固沙等重要作用,有著重要的社會(huì)價(jià)值[1]。最關(guān)鍵是文冠果非常適合生長(zhǎng)在荒漠地區(qū),新疆栽種面積達(dá)到千萬(wàn)畝以上,是新疆特色林果發(fā)展中的重要部分,并且有望更大限度地彌補(bǔ)我國(guó)食用植物油的缺口。此外,文冠果產(chǎn)后加工也可為新疆帶來(lái)數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)收入。破殼是文冠果深加工的首道加工工序,以機(jī)械化作業(yè)提高文冠果破殼效率,是提高品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本的重要途徑。

目前,市場(chǎng)上各類破殼機(jī)械均已發(fā)展的較為成熟。李忠新等[2]研究了一種核桃破殼取仁設(shè)備,該破殼機(jī)精巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且操作方便,破殼效率高,能使核桃充分破殼。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的不斷提高,研究人員對(duì)堅(jiān)果類物料物理特性做了大量的研究[3]。韓本勇等[4]對(duì)核桃的的外形尺寸、厚度,以及果肉和果殼的密度等進(jìn)行了測(cè)量,這對(duì)核桃加工設(shè)備的研究和殼仁分離工藝有極大的參考價(jià)值。曹成茂等[5]設(shè)計(jì)山核桃二次破殼取仁機(jī),能夠最大限度地保證破殼的成功率和果仁完整性。目前,市場(chǎng)針對(duì)文冠果的破殼機(jī)械相對(duì)較少,破損率高,機(jī)械使用效果不佳,并未得到廣泛的推廣應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)的文冠果破殼機(jī)能夠自動(dòng)完成破殼過程,還可根據(jù)不同尺寸、硬度和濕度等因素進(jìn)行調(diào)整,適應(yīng)各種品質(zhì)的文冠果。此外,使用文冠果破殼機(jī)還可以減少人力成本,降低食品污染風(fēng)險(xiǎn)。手工操作容易出現(xiàn)微小劃傷或細(xì)菌感染等問題,通過機(jī)械化處理可以保持一定程度上的衛(wèi)生與安全。

1 文冠果的物理特性參數(shù)

文冠果呈橢圓形或卵圓形,殼堅(jiān)硬,尺寸、重量和大小因品種而異,常見品種有金鄉(xiāng)文冠果、沙田柚文冠果、火龍果文冠果、紅心文冠果等,本文參考的是金鄉(xiāng)文冠果。為保證樣本具有代表性和數(shù)據(jù)分析的可靠性,采用隨機(jī)抽樣方法,樣本容量達(dá)到100個(gè)以上。通過測(cè)量,金鄉(xiāng)文冠果殼厚度一般在0.5～2.0 mm,間隙大小在0.5～2.0 mm,密度一般為0.7～1.1 kg/m3,破殼載荷在200～400 N,變形量為1～3 mm。文冠果的長(zhǎng)、寬、厚標(biāo)準(zhǔn)及占比示意圖如圖1所示,基本尺寸如圖2所示。

圖1 文冠果的長(zhǎng)厚寬的標(biāo)準(zhǔn)及占比示意圖

圖2 文冠果的基本尺寸

根據(jù)圖1可知,在100個(gè)樣本中質(zhì)量范圍在25～30 g的文冠果占77%～94%,其中長(zhǎng)、寬、厚尺寸分別為L(zhǎng)=66 mm,T=57 mm,W=54 mm。文冠果品種、尺寸大小和質(zhì)量可能會(huì)因生長(zhǎng)環(huán)境、季節(jié)、成熟度和其他因素而有所不同。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

文冠果破殼機(jī)主要由機(jī)架部分、分級(jí)部分、破殼部分和殼仁分離部分組成(圖3)。首先,機(jī)架部分固定各個(gè)部件;其次,分級(jí)部分對(duì)待破殼的文冠果進(jìn)行分級(jí);再次,主從滾筒擠壓果實(shí)完成第一次破殼;接著,三葉打板快速運(yùn)轉(zhuǎn)完成二次破殼工作;最后,由風(fēng)機(jī)完全分離并分開進(jìn)行收集。該文冠果破殼機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 一種文冠果破殼機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.進(jìn)料口;2.滾筒側(cè)板;3.主動(dòng)齒輪;4.風(fēng)機(jī);5.殼仁分離部分;6.三葉打板的v帶輪;7.v帶;8.出仁口;9.電機(jī);10.機(jī)架;11.凹型擋板;12.落料斗;13.滾筒間距調(diào)節(jié)手輪;14.破殼部分;15.從動(dòng)齒輪;16.分級(jí)部分

3 工作原理

文冠果破殼機(jī)的破殼原理,對(duì)獲取高質(zhì)量的果仁、提高凈收獲率以及果仁完整性至關(guān)重要。文冠果破殼機(jī)是通過機(jī)械力將文冠果破殼,具體來(lái)說(shuō),文冠果在經(jīng)過一定處理后,被輸送到破殼機(jī)的進(jìn)料口,破殼機(jī)內(nèi)部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)式破殼器(破殼部分),它以一定的速度旋轉(zhuǎn),將文冠果強(qiáng)制壓入破殼器中,從而使果皮和果核分離,果殼經(jīng)出殼口排出,果仁則繼續(xù)向前輸送。工作原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 工作原理簡(jiǎn)圖

破殼機(jī)采用高速旋轉(zhuǎn)的刀片,將文冠果從外面切割,把果仁與果殼分離,實(shí)現(xiàn)文冠果破殼的目的。同時(shí),破殼機(jī)設(shè)有殼仁分離部分,可對(duì)文冠果進(jìn)行分級(jí)篩選,達(dá)到不同規(guī)格的破殼要求。整個(gè)過程由電機(jī)驅(qū)動(dòng),自動(dòng)化程度高,效率穩(wěn)定。

4 主要零部件設(shè)計(jì)

4.1 殼仁分離部分設(shè)計(jì)

文冠果完成破殼后,果仁和果殼的分離也尤為關(guān)鍵,最終分離的程度也極大地影響了機(jī)器的整體性能評(píng)估,如果含雜率過高,就會(huì)導(dǎo)致人工必須進(jìn)行二次分離工作,這無(wú)疑加大了工作量,浪費(fèi)時(shí)間,所以文冠果殼仁分離工作至關(guān)重要。

本文設(shè)計(jì)出仁口的尺寸為180 mm×180 mm,風(fēng)機(jī)外殼直徑為460 mm、出殼口尺寸為150 mm×160 mm,整個(gè)分離機(jī)構(gòu)的高度為920 mm。風(fēng)力管道通過進(jìn)口法蘭連接在風(fēng)機(jī)的軸向進(jìn)口上[6],考慮到風(fēng)機(jī)動(dòng)力的提供,采用了與從動(dòng)滾筒共用一根軸的設(shè)計(jì),一個(gè)動(dòng)力源提供了整個(gè)機(jī)器的動(dòng)力供給和動(dòng)力傳遞,不僅減少了動(dòng)力源數(shù)量,放在側(cè)面還解決了機(jī)身過高的問題。具體結(jié)構(gòu)示意圖,如圖5所示。

1.出仁口;2.出殼口;3.齒輪傳動(dòng);4.風(fēng)機(jī)

本文設(shè)計(jì)主要根據(jù)文冠果果殼和果仁密度(物理特性)的不同進(jìn)行分離方案的確定,由于殼仁的密度不同,導(dǎo)致兩者的懸浮度有著很大的差距,所以采用風(fēng)力清選的方法進(jìn)行分離[7]。其工作原理是在文冠果經(jīng)破殼處理后,其殼仁混合物沿著落料斗經(jīng)機(jī)械的震動(dòng)慢慢落入風(fēng)力管道下方,通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力,將文冠果果殼吸入到分選中,由風(fēng)機(jī)中的葉片將其從風(fēng)機(jī)的出殼口吹出;而果仁相對(duì)密度大,懸浮速度也大,所以受重力影響從風(fēng)力管下方的出仁口落下,進(jìn)行果仁的集中收集工作。

4.2 擠壓滾筒的設(shè)計(jì)與受力分析

4.2.1 擠壓滾筒的設(shè)計(jì)

擠壓滾筒是文冠果破殼機(jī)中最核心的裝置,為了滿足破殼要求,將其設(shè)計(jì)為變徑的圓柱滾筒,大徑為350 mm,小徑為340 mm,直徑變化為10 mm。滾筒長(zhǎng)度為1 000 mm,分別固定在主動(dòng)、從動(dòng)滾筒軸上(圖6)。擠壓滾筒一般采用硬度較高、耐磨損性能好的不銹鋼材料制造,以確保其使用壽命和破殼效果。擠壓滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置合理,轉(zhuǎn)速800 r/min以上,圓周速度為15～30 m/s,合理的轉(zhuǎn)速有利于提高滾筒的沖擊度和耐磨性[8]。滾筒表面有規(guī)律地附著菱形花紋,其目的是為了增大破殼過程中的摩擦力和破殼的鉗入角。

1.主動(dòng)滾筒軸;2.從動(dòng)滾筒軸;3.從動(dòng)滾筒;4.主動(dòng)滾筒;5.滾筒側(cè)板

4.2.2 文冠果破殼受力分析

破殼裝置在工作區(qū)域內(nèi),文冠果受到自身重力F和擠壓輥給予的正壓力N1、N2以及摩擦力F1、F2的作用,圖7為文冠果的受力分析。其中,擠壓輥產(chǎn)生的正壓力和摩擦力是實(shí)現(xiàn)文冠果破殼的主要作用力,文冠果破殼所受N1、N2、F1、F2水平方向分力對(duì)文冠果進(jìn)行擠壓,N1、N2、F1、F2豎直方向分力對(duì)文冠果進(jìn)行剪切,使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大,碎殼間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)和滑移,從而實(shí)現(xiàn)文冠果的碾搓擠壓破殼[9]。

圖7 文冠果破殼受力分析圖

文冠果擠壓破殼的起始點(diǎn)A1、A2與擠壓輥中心連線所構(gòu)成的角度α1、α2,擠壓角度越大,文冠果所受的擠壓力就越大,從而容易產(chǎn)生破裂,如式

(1)

(2)

式中μ—文冠果與擠壓輥間的摩擦系數(shù);

φ—文冠果與擠壓輥間的夾角,(°)。

要使文冠果能順利進(jìn)入擠壓間隙,豎直方向必須滿足

F1cosα1+F2cosα2+G>N1sinα1+N2sinα2

(3)

由于文冠果的重量遠(yuǎn)小于自身受到的力,即

F1cosα1+F2cosα2>N1sinα1+N2sinα2

(4)

將式(1)、式(2)代入式(4)中,得到α<φ,實(shí)現(xiàn)文冠果破殼。

4.3 三葉打板的設(shè)計(jì)

4.3.1 主要參數(shù)

三葉打板(圖8)是文冠果破殼機(jī)進(jìn)行二次脫殼的機(jī)構(gòu),其主要參數(shù)為:三葉打板長(zhǎng)度1 000 mm,葉片夾角120°,三葉打板軸長(zhǎng)度1 270 mm,轉(zhuǎn)速200～300 r/min,葉端線速度3～15 m/s,適用黏度可達(dá)5×103mPa·s。三葉打板一般采用硬度較高的不銹鋼材料制作,以保證其在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)變形或者磨損。由于文冠果在第一次擠壓時(shí),存在一部分果殼和果仁沒有完全分離開,所以設(shè)計(jì)了三葉打板進(jìn)行二次破殼,在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下?lián)舸虻袈涞臍と驶旌衔?擊打至凹型擋板的位置,再落入到落料斗內(nèi)進(jìn)行下一步的工藝操作,從而達(dá)到文冠果二次脫殼的效果,大幅提升了文冠果的剝凈率[10-11]。

1.轉(zhuǎn)軸;2.葉片;3.圓柱體連接部分

4.3.2 軌跡方程

三葉打板的軌跡方程依賴于多個(gè)因素,如三葉打板的轉(zhuǎn)速、葉片長(zhǎng)度、葉片形狀、三葉打板的安裝高度等。一般情況下,三葉打板的軌跡可以近似看作一個(gè)圓錐曲線或者球面曲線,以下是2種常見情況下三葉打板的軌跡方程。

1)假設(shè)三葉打板的轉(zhuǎn)速為ω,葉片長(zhǎng)度為L(zhǎng),三葉打板安裝高度為h,那么三葉打板產(chǎn)生的風(fēng)力,在距離三葉打板中心的水平距離為x、高度為y,可用下面的圓錐曲線方程來(lái)表示

y2=x(x-1)×(h-x)/(h-1)

(5)

2)假設(shè)三葉打板的葉片形狀為圓環(huán)形,半徑為r,三葉打板的轉(zhuǎn)速為ω,那么三葉打板產(chǎn)生的風(fēng)力,在距離三葉打板中心的距離為d、高度為h,可用下面的球面曲線方程來(lái)表示

(x2+y2+z2-r2)2=4r2(x2+y2)

(6)

其中,x、y、z分別表示三葉打板產(chǎn)生的風(fēng)力矢量在三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量。

4.4 主要零部件的參數(shù)計(jì)算

破殼機(jī)(樣機(jī))選用電機(jī)型號(hào)為Y160L-8,電機(jī)功率7.5 kW,轉(zhuǎn)速720 r/min,額定電流15.4 A,額定電壓380 V,頻率50 Hz,使用帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng),傳動(dòng)方案簡(jiǎn)圖如圖9所示。

1.電機(jī);2.大帶輪傳動(dòng);3.齒輪傳動(dòng);4.擠壓滾筒;5.三葉打板;6.小帶輪傳動(dòng)

5 軸的設(shè)計(jì)

5.1 軸的材料及選擇

軸的材料選擇45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。

先初步估算軸的最小直徑。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[12]表15-3,取d0=706 mm2,得

(7)

得出dmin=28.75 mm,選取d1=30 mm。

由于軸較長(zhǎng),為降低制造加工難度,故選調(diào)心球軸承,根據(jù)軸承的尺寸確定d1=30 mm,軸承選用6208,選取d2=40 mm,d3=50 mm,d4=60 mm,L1=80 mm,L2=65 mm,L3=50 mm,L4=1 020 mm。主動(dòng)滾筒軸結(jié)構(gòu)示意圖,如圖10所示。

圖10 主動(dòng)滾筒軸結(jié)構(gòu)示意圖

5.2 軸的受力分析與校核

1)主動(dòng)軸傳遞的扭矩

(8)

式中P—傳遞功率,6.9 kW;

n—輸入轉(zhuǎn)速,n1=720 r/min;

帶入公式可得,T=91.5 N·m。

軸的受力分析:

水平面的受力分析得,F1=142 N;

垂直面的受力分析得,F2=251 N。

計(jì)算軸的彎矩:

水平彎矩

MH1=F1L1=168 N·m

(9)

垂直彎矩

Mv1=F1L1=133.1 N·m

(10)

合成彎矩

(11)

2)按彎扭組合強(qiáng)度條件校核軸的強(qiáng)度

根據(jù)下列公式,取α=0.6,則有

(12)

式中σc—軸的計(jì)算應(yīng)力,MPa;

Mca—軸所受的彎矩,N·m;

T—軸所受的扭矩,N·mm;

由式(12)計(jì)算可得σca=45.65 MPa。

σca<[σ-1]=60 MPa

(13)

所以主動(dòng)軸安全,符合要求。

6 三葉打板靜力學(xué)仿真分析

本文根據(jù)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)分析,在SolidWorks軟件中對(duì)文冠果破殼機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模,經(jīng)過校核檢驗(yàn),證明各結(jié)構(gòu)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求,零部件之間不存在干涉現(xiàn)象。此外,使用SolidWorks-Simulation 靜應(yīng)力新算例程序進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試中,將三葉打板暴露在逐漸增加的載荷下,記錄每個(gè)部位的最大應(yīng)力,并進(jìn)行求解分析。通過試驗(yàn)分析得到,三葉打板在受到逐漸增加的載荷后,最大應(yīng)力出現(xiàn)在三葉打板離軸心最遠(yuǎn)段處,但沒有超過材料的屈服力,獲得三葉打板的應(yīng)力-應(yīng)變模擬狀況后,得到相應(yīng)應(yīng)力和位移變形結(jié)構(gòu)比較圖(圖11)。

圖11 三葉打板應(yīng)力和位移變形結(jié)構(gòu)比較圖

由靜力學(xué)程序運(yùn)行結(jié)果分析可知,三葉打板的最大應(yīng)力為60 MPa,遠(yuǎn)小于三葉打板材料的屈服強(qiáng)度極限,最大位移變形量為0.30 mm,最大應(yīng)變量為0.34 mm。對(duì)文冠果破殼機(jī)三葉打板結(jié)構(gòu)而言,此影響可忽略不計(jì),故三葉打板選材合理,能夠滿足作業(yè)強(qiáng)度要求,可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

7 結(jié)語(yǔ)

1)本文設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)完成分選、分離為一體的文冠果破殼機(jī)。介紹了文冠果的物理特性參數(shù)、受力特性,以及三葉打板和擠壓滾筒配合進(jìn)行二次破殼的工作原理,對(duì)文冠果破殼機(jī)各工作部件進(jìn)行了分析。

2)本文進(jìn)行多次仿真模擬試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)零部件之間的配合進(jìn)行了干涉檢查,機(jī)具各主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)原理分析,確認(rèn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。另外,對(duì)三葉打板進(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析,仿真結(jié)果表明,三葉打板轉(zhuǎn)速為200～300 r/min,最高葉端線速度可達(dá)15 m/s;擠壓滾筒轉(zhuǎn)速800 r/min,圓周速度為15～30 m/s,能夠有效分離文冠果的果仁與果殼,滿足機(jī)械化開發(fā)的要求,改良和完善現(xiàn)有的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。

3)本文設(shè)計(jì)的文冠果破殼機(jī)對(duì)文冠果的產(chǎn)后加工具有重要意義,可為新疆維吾爾自治區(qū)帶來(lái)數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)收入。通過機(jī)械化作業(yè),極大方便了人們對(duì)文冠果的食用,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和加工成本,為文冠果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。