2819 弧板-滾筒式核桃破殼機設計

2819 弧板-滾筒式核桃破殼機設計,弧板,滾筒,核桃,破殼機,設計 12 屆畢業(yè)設計弧板-滾筒式核桃破殼機設計說明書學生姓名 李文正 學 號 8011208215 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 12-2 指導教師 張宏 日 期 2012.6 塔里木大學教務處制 前 言核桃，是人們常見的食物。它營養(yǎng)豐富，具有健腦、補腎、美容、降血脂四大功效。核桃和核桃仁還是我國傳統(tǒng)的出口商品。但是，由于核桃殼堅硬，手工剝核極其不便而且費時費力。因此，提高核桃取仁的機械化程度，是生產過程中急需解決的問題。鑒于此，本設計根據以往的研究與資料，提出了弧板—滾筒式核桃破殼原理，研制了核桃破殼機。本機能完美的解決核桃難剝核和人工剝核不能保證仁的完全性難題，且又有較高的生產率和較高的高路仁率。本次設計采用常見的電機作動力源，利用 V 帶傳遞功率。利用軸旋轉帶動滾筒的轉動，利用氣缸實現(xiàn)破殼，從而使機器能夠連續(xù)的工作，大大提高了生產率。 目錄1 在國內（外）研究現(xiàn)狀及分析·······································11.1 堅果類破殼機現(xiàn)狀··············································11.1.1 堅果類破殼機常見的機械脫殼方法 ································11.1.2 新型核桃脫殼方法·············································11.1.3 幾種典型的堅果類破殼機·······································21.2 對堅果類破殼機械未來展望分析···································22 破殼機設計的目的、意義···········································33 弧板-滾筒式破殼機工作原理········································33.1 破殼機的總體裝配思路··········································44 氣動裝置的選取···················································45 弧板-滾筒式核桃破殼機的設計·····································55.1 電動機的選擇·················································56 帶及設計··················································56.1 傳動帶的設計·············································66.1.1 確定計算功率················································66.1.2 選擇 V 帶的型號·············································66.1.3 確定帶輪的基準直徑···········································66.1.4 確定傳動中心距和帶長·········································66.1.5 驗算主動輪上的包角···········································76.1.6 確定 V 帶的根數·············································76.1.7 確定帶的初拉力···············································76.1.8 求 V 帶傳動作用在軸上的壓力····································87V 帶帶輪的設計····················································87.1 帶輪的材料選擇···············································87.2 結構設計·····················································87.3 從動帶輪的設計················································98 傳動軸的設計·····················································98.1 根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度·························108.2 初步選擇輸出軸系··············································108.3 確定輸出軸上的圓角半徑······································108.4 按彎扭合成條件校核軸的強度·····································118.4.1 求輸出軸上的所受作用力的大小··································118.4.2 求滾筒上所受的的合力·········································118.4.3 軸上水平面內所受支反力如圖···································118.4.4 軸在垂直面內所受的支反力·····································118.4.5 作彎矩圖···················································128.4.6 軸的載荷分析················································128.4.7 當量彎矩計算················································128.5 校核軸的強度·················································139 入料斗的結構設計···············································1310 滾筒的設計····················································1311 軸承端蓋······················································1412 氣缸撞擊裝置················································1413 影響核桃破殼的因素··········································1413.1 核桃的性質···············································14 13.1.2 核桃飽滿程度和均勻度····································1413.1.3 核桃的濕度要適中········································1513.1.4 破殼板的硬度···········································1513.2 喂料速度對破殼效果的影響··································1514 結論························································1614.1 本課題所完成的工作········································1614.2 需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路·······················1614.2.1 目前核桃破殼取仁機械存在的主要問題························1615 致謝························································1716 參考文獻····················································18 弧板--滾筒式核桃破殼機學生：李文正指導老師：張宏（塔里木大學，阿拉爾）摘 要：本文首先提出核桃機械剝核取仁的必要性和重要性。提出了弧板--滾筒式剝核原理及最優(yōu)設計方案，并研制了核桃脫殼機。其中主要包括總體方案的確定，各部件的設計與計算，總裝與零部件裝圖紙；完成設計后，分析了它的特點、優(yōu)勢，以及存在的不足，需要改進，提出了一些改進措施。關鍵詞：核桃；機械；剝核1 引言核桃，是人們常見的食物。它營養(yǎng)豐富，具有健腦、補腎、美容、降血脂四大功效。核桃和核桃仁還是我國傳統(tǒng)的出口商品。但是，由于核桃殼堅硬，手工剝核極其不便而且費時費力。因此，提高核桃取仁的機械化程度，是生產過程中急需解決的問題。鑒于此，本設計根據以往的研究與資料，提出了弧板—滾筒式核桃破殼原理，研制了核桃破殼機。本機能完美的解決核桃難剝核和人工剝核不能保證仁的完全性難題，且又有較高的生產率和較高的高路仁率。本次設計采用常見的電機作動力源，利用 V 帶傳遞功率。利用軸旋轉帶動滾筒的轉動，利用氣缸和弧板的擠壓力來實現(xiàn)破殼，從而使機器能夠連續(xù)的工作，大大提高了生產率。2 國內（外）研究現(xiàn)狀及分析2.1 堅果類破殼機現(xiàn)狀國外早在 20 世紀 60 年代初,就著手研制堅果破殼機具,至 80 年代初,美國、意大利、法國等已相繼推出了各種堅果破殼機,如夏威夷果破殼機、杏仁破殼機等。經過數十年的發(fā)展,堅果破殼機具已日趨成熟,目前,正朝著機電一體化方向發(fā)展。近幾年來,國內有些加工企業(yè)和科研院所已逐步研制開發(fā)出一些堅果類破殼加工設備,但多數破殼機具一次性破殼率偏低,碎仁率偏高,致使生產效率低,加工損失大。我國在傳統(tǒng)脫殼設備的基礎上,盡管正在積極研制和開發(fā)各種類型脫殼機械,但其發(fā)展相當緩慢,同時成熟的機型及進行批量生產的不多,遠遠落后于農產品深加工的需求。在技術上還存在如下問題: a)脫殼率低,脫殼后的籽仁破碎率高,損失大; b)機具性能不穩(wěn)定,適應性差; c)通用性差:多數脫殼機只適應某一種籽粒的脫殼作業(yè),而不能夠通過更換主要工作部件來適應其他籽粒的脫殼,利用率低; d)作業(yè)成本偏高:我國脫殼機械尚未形成規(guī)模和系列,多數是單機制造,制造的工藝水平較低,故制造成本偏高; e)有些產品僅進行了樣機試制或少量試生產,未進行大量生產性考核和示范應用, 作業(yè)性能、可靠性、耐久性及商品性等方面還存在不少問題 。]1[2.2 堅果類破殼機常見的機械脫殼方法 （1）撞擊法脫殼:撞擊法脫殼是物料籽粒高速運動時突然受阻而受到沖擊力, 使外殼破碎而實現(xiàn)脫殼。物料由高速回轉甩料盤使籽粒產生一個較大的離心力撞擊壁面,只要撞擊力足夠大,籽粒外殼就會產生較大的變形,進而形成裂縫。當籽粒離開壁面時,由于外殼和粒仁具有不同的彈性變形而產生不同的運動速度,籽仁受到的彈性力較小,運動速度也不如外殼,阻止了外殼迅速向外移動而使其在裂縫處裂開,從而實現(xiàn)籽粒的脫殼。撞擊脫殼法適合于仁殼間結合力小,仁殼間隙較大且外殼較脆的籽粒。(2)碾搓法脫殼:物料籽粒在固定磨片和運動著的磨片間受到強烈的碾搓作用,使籽料的外殼被撕裂而實現(xiàn)脫殼。籽粒經進料口進入定磨片和動磨的間隙中,動磨片轉動的離心力使籽粒沿徑向向外運動,也使籽粒與定磨間產生方向相反的摩擦力;同時,磨片上的牙齒不斷對外殼進行切裂,在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產生裂紋直至破裂,并與籽仁脫離,達到脫殼的目的。(3)剪切法脫殼:籽粒在固定刀架和轉鼓之間受到相對運動刀板的剪切力作用,外殼被切裂并破開,實現(xiàn)外殼與籽仁的分離。刀板轉鼓和刀板座為主要工作部件,在刀板轉鼓和刀板座上均裝有刀板,刀板座呈凹形且?guī)в姓{節(jié)機構,可根據籽粒堅果的大小調節(jié)刀板座與刀板轉鼓之間的間隙。當刀板轉鼓旋轉時,與刀板之間產生剪切作用,使物料外殼破裂和脫落。(4)擠壓法脫殼:擠壓法脫殼是靠一對直徑相同轉動方向相反,轉速相等的圓柱輥,調整到適當間隙,使籽粒通過間隙時受到輥的擠壓而破殼。在破殼的過程中籽粒能否順利地進入兩擠壓輥的間隙,取決于擠壓輥及與籽粒接觸的情況。要使籽粒在兩擠壓輥間被擠壓破殼,籽粒首先必須被夾住,然后被卷入兩輥間隙被擠壓破殼。兩擠壓輥間的間隙大小是影響籽粒破碎率和脫殼率高低的重要因素。(5)搓撕法脫殼:搓撕法脫殼是利用相對轉動的橡膠輥筒對籽粒進行搓撕作用而進行脫殼。兩膠輥水平放置,分別以不同轉速相對轉動,輥面之間存在一定的線速差,橡膠輥具有一定的彈性,其摩擦系數較大。籽粒進入膠輥工作區(qū)時,與兩輥面相接觸,如果此時籽粒符合被輥子嚙入的條件,即嚙入角小于摩擦角,就能順 利進入兩輥間。此時籽粒在被拉入輥間的同時,受到兩個不同方向的摩擦力的撕搓作用;另外,籽粒又受到兩輥面的法向擠壓力的作用,當籽粒到達輥子中心連線 附近時法向擠壓力最大,籽粒受壓產生彈性——塑性變形,此時籽粒的外殼也將在擠壓作用下破裂,在上述相反方向撕搓力的作用下完成脫殼過程。3 弧板-滾筒式核桃破殼機的工作原理1.滾筒 2.弧板 3.活塞 4.彈簧 5.氣壓裝載系統(tǒng)圖 3-1 設計原理圖該裝置是由弧形板 2 和滾筒 1 組成，在滾筒上裝有兩個角度成 180°的活塞，兩活塞由彈簧支撐。 當分級后的核桃喂入旋轉滾筒后， 自行定位在活塞的頂端，隨滾筒轉動，在活塞和弧板的共同擠壓下破裂，而后進入料斗。半仁以上的占 75%，碎仁占 15%，未破殼的約占 6%，生產能力 30kg/h。3.1 破殼機的總體裝配思路本裝置主要有入料斗﹑上箱蓋﹑箱體﹑滾筒﹑弧板﹑氣缸等組成。入料斗和上箱蓋通過螺紋連接，然后和箱體連接，在滾筒上有對稱的四排凹槽，用來固定從入料斗下來的核桃，然后電機通過 V 帶帶動滾筒轉動，當滾筒轉動 90 度的的時候，氣動裝置打擊一次核桃，通過氣動裝置上的撞針和弧板的擠壓力實現(xiàn)對核桃的破殼。破殼以后的核桃隨著滾筒繼續(xù)轉動，然后掉落，最后通過出料斗輸出。如圖 3-2：圖 3-2 總裝圖4 氣動裝置的選取由于本裝置設計體積不大，所使用的氣缸又必須能到實驗的要求，綜合考慮本裝置選取單作用微型氣缸。型號表示方法：C D J 2 B 16 - 45 S R - C73 s/nD 處：無標記表示無內置磁環(huán)，有符號 D 則表示內置磁環(huán)。B 表示安裝形式：B 是基本型，F(xiàn) 表示桿側法蘭型，L 表示腳座型，D 表示雙耳環(huán)型。16 表示缸徑45 表示行程R 表示軸向，無 R 表示徑向C73 表示磁性開關的型號，如果無型號則表示無磁性開關C73 后面如果無標記則表示有 2 個磁性開關，是 s 則表示磁性開關個數是 1，是 n 則表示有 n 個磁性開關[2]。本裝置綜合考慮選取的氣缸型號為：CDJ2B16-35 SR-C73 5 電動機的選擇根據資料得主軸的轉速在 800-1000 轉/分，按《機械設計實用手冊》推薦的傳動比合理取值范圍，取 V 帶的傳動比為 2～4，即可滿足電動機的轉速與主軸的轉速相匹配 。]2[由《機械設計課程設計手冊》查出三種適宜的電動機型號，因此有三種不同的傳動比方案，如表：表 5-1 電動機的型號和技術參數及傳動比方案 電動機型號額定功率P/kW同步轉速r/min滿載轉速r/min效率（%）電動機重量（KG）功率因數1 Y90S-2 1.5 3000 2840 78 22 0.852 Y90S-4 1.1 3000 1400 79 27 0.793 Y90S-6 0.75 1000 910 82 25 0.86綜臺考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量以及帶傳動的傳動比，可知方案 2 比較適合,因此選定電動機型號為 Y90S-4。所選電動機的額定功率 P＝1.1kw ，滿載轉速 n=1400r／min，總傳動比適中，傳動裝置結構較緊湊。如表 5-2：表 5-2 Y90S-4 主要參數如下表型 號 額定功率 KW轉速r/min電流/A 效率（%）功率因數額定電流額定轉矩最大轉矩Y90S-41.11400 3.65 820.866.52.0 2.0表 5-3 電動機尺寸列表 單位 mm中心高H外形尺寸 HDACL???)2(底腳安裝尺寸 BA地腳螺栓孔直徑 K軸伸尺寸ED?裝鍵部位尺寸 GF90 1905.431254 10 5024 208?6 帶及帶輪的設計表 6-1 V 帶主要參數如下表P （KW）caV 帶轉速（m/s）從動輪直徑（mm）傳動中心距（mm）帶長（mm）上包角 V 帶根數V 帶初拉力（N)軸上的壓力（N）1.298 5.35 224 400 1258 ?5.19 3 73.5 433.937 V 帶帶輪的設計7.1 帶輪的材料選擇因為帶輪的轉速 ，即 ，轉速比較底，所以材料選定為灰鑄鐵，smv5.10?sv25＜硬度為 。5HT7.2 結構設計帶輪的結構設計主要是根據帶輪的基準直徑，選擇帶輪的結構形式，根據帶的型號來確定帶論輪槽的尺寸，設計如下：主動帶輪的結構選擇 因為根據主動帶輪的基準直徑尺寸 ，而與主動帶輪md71?配合的電動機軸的直徑是 ，因此根據經驗公式 ，所以主動 md24?）＜ （ 3~5.21帶輪采用腹板式。帶輪參數的選擇：通過查《機械設計手冊》一書，可以確定主動帶輪的結構參數，結構參數如下表，其他的相關尺寸可以根據相應的經驗公式計算求得?！　　　”?7-1　主動帶輪的結構參數 單位（mm）槽型 dbminahinfe minf??Z 8.5 2 7 12±0.3 7 13 ?34主動帶輪的厚度可以由計算公式： 求得 （7-dL??)2~5.1(1）即 ： L48?主動帶輪的結構如圖 7-1：圖 7-1　主動帶輪的結構7.3 從動帶輪的設計從動帶輪的結果選擇 因為根據主動帶輪的基準直徑和傳動比來確定，即 ， ，所以從動帶輪采用腹板式。md24?d302＜從動帶輪的參數選擇：通過查《機械設計手冊》一書，可查得帶輪的結構參數間表，其他一些相關尺寸可以根據相應的經驗公式計算求得：表 7-2　從動帶輪的結構參數 單位（mm）槽型 dbminahinfe minf??Z 8.5 2 7 12±0.3 7 13 ?34從動帶輪的厚度可以由計算公式： ，當 B＜1.5d 是，L=B 求得dB??)2~5.1( 即 ： mBL48?從動帶輪的結構如圖 6-2：圖 7-2　從動帶輪的結構8 傳動軸的設計根據軸的扭轉強度來初步計算確定其最小直徑，可利用經驗公式：（8-30npAd?1） 其中： —軸常用的幾種材料的 的 值0??T?0A—主軸上的功率 pkw—主軸上的轉速 nminr軸上的材料由《機械設計基礎》一書中表 18—1 可以查到，應選取調質處理的 45 號鋼， ，書中表 18—2 取 ，于是得 ： MPB650??0?Ad845.13min??輸出軸上的最小直徑顯然是安裝帶輪的內孔，必在軸上開有鍵槽，因此，為了開鍵槽又不消耗輸出軸的強度，可以使周的直徑增加 7%以上，這樣增加輸出軸的尺寸，因而可以提高軸的工作強度。即：md26.19%)7(18)7(???主輸出軸的最小直徑是安裝帶輪處的直徑，為了使所選的軸直徑與帶輪相配合，故使輸出軸端的軸徑選為 20 。在《機械設計手冊》一書 。查表可以得知帶輪的厚度][，則取輸出軸的次段軸徑為 ，其長度為 。mB48?d058.1 根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度為了滿足帶輪的軸向定位要求，Ⅰ—Ⅱ軸段右端需要制出一個軸肩，故?、瘛蚨魏廷鳌妮S直徑 ，輸出軸的徑向定位由普通平鍵來完成。選用鍵的型號為普通d35?平鍵 為 。鍵的型號可以通過查《機械設計實用手冊》一書取得 。lhb?406? ]3[8.2 初步選擇輸出軸系 由破殼機的結構和相關尺寸可知所設計的軸上裝有帶輪和滾筒，根據 ，初md25?步選取支撐的軸承為角接觸球軸承，在《機械設實用冊》查得 7202AC 型角接觸球軸承，由手冊中查得 a=21mm，它的結構尺寸 為 ，取Ⅱ—Ⅲ段的直徑相等，即BDd?17235?。md42?考慮到機體的制造誤差等原因造成的安裝錯位或是借口不齊等，滾動軸承應在機體內有一段移動的位移，查《機械設計手冊》可等位移量 。ms8?]4[又因為此次設計所使用的軸為懸臂軸，因此軸的設計很有講究，綜合考慮，設計圖形如下： 圖 8-2 懸臂軸 8 影響核桃破殼的因素多次試驗的結果證明,破殼效果與多種因素有關。機械的結構因素有進入角、摩擦角、電機轉速、破殼板間隙﹑破殼板硬度、破殼板上網格形狀和大小等;物料因素有品種﹑含水率、粒型大小、飽滿程度、均勻度、表面粗糙度、殼的厚薄和內隔膜面積等。除此之外,還和喂料速度有關。13.1 核桃的性質13.1.1 核桃的品種由于核桃品種繁雜,形狀不規(guī)則,尺寸差異較大,殼仁間隙小,殼完全破裂所要求的變形量大于殼仁間隙,所以破殼取仁難度較大。核桃仁與殼之間的空隙大,仁殼結合松懈,易剝殼分離,否則難以剝殼分離。因此,應盡量選擇殼薄與橫隔膜(夾層)退化的核桃,從而易于破出更多的整仁或半仁。8.1.2　核桃飽滿程度和均勻度核桃飽滿程度和均勻度對剝殼效果也產生影響。核桃粒度不均勻,剝殼設備最佳操作條件的確定困難,使剝殼效率和粉末度無法達到最佳的平衡,剝殼效果下降。為提高剝殼效果,可采取循環(huán)剝殼和二次剝殼的工藝,當粒度相差太大時,最好采取分級剝殼,才能達到好的工藝效果。8.1.3 核桃的濕度要適中核桃水分含量對外殼的強度、彈性、塑性以及仁的粉碎度都有直接影響。一般情況下,核桃含水量越低,其外殼越脆,剝殼時易破殼,但剝殼后混合物的粉末度增加;反之,外殼的韌性好,剝殼時的破殼率低,但剝殼后的整仁率提高。在核桃剝殼時,應保持最適當的水分含量,使外殼和仁具有最大彈性變形和塑性變形的差異,這樣一方面使外殼含水量低到使其具有最大的脆性更易破碎剝殼,另一方面又不致于使仁在機械外力的作用下粉末度太大。因此,控制核桃剝殼時的最佳水分含量,對提高剝殼效率和減少粉末度都十分重要。試驗結果證明,核桃濕度 15%左右時破殼較為合適。8.1.4 破殼板的硬度破殼板硬度對破殼有較大影響,適當的硬度及彈性可獲得與核桃殼之間所需的摩擦力。若硬度太低,破殼板容易摩擦受熱發(fā)軟而過快磨損,使用壽命短;若硬度太大,則彈性差,對核桃擠壓力大容易傷核桃仁,同時變形小,與核桃殼之間摩擦減小,使撕剝作用相對較弱,影響破殼。試驗結果證明,采用 HRC 硬度 40-50 的 45 號鋼較合適。8.2 喂料速度對破殼效果的影響在兩板間隙不變的情況下,喂料速度越高,單位時間通過的核桃量越多,生產率越高。但經過實驗證明,當喂料速度遠大于生產率時,核桃破碎率增加,而破殼質量則嚴重下降。因此,喂料速度應控制在一定范圍內 。]7[9 對堅果類破殼機械未來展望分析堅果生產機械化是農業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分,是農業(yè)和農村經濟持續(xù)快速發(fā)展的重要保證,近年來,堅果機械裝備總量不斷穩(wěn)步增長,作業(yè)水平進一步提高,社會化服務規(guī)模不斷擴大,雖然目前堅果破殼機械化水平較高,但是多應用于經濟發(fā)達地區(qū)與示范推廣區(qū),并且小型機械多、大型機械少,低檔機械多、高性能機械少。在一些地區(qū),特殊用途的堅果仁仍采用傳統(tǒng)的手工剝殼,勞動生產率低,區(qū)域性發(fā)展不平衡。進入 21 世紀,我國堅果生產機械化開始了新的發(fā)展階段,農業(yè)結構調整發(fā)生了新的變化,也對堅果機械的發(fā)展產生了積極而深遠的影響,不僅拉動了新的有效需求,而且構筑了適合堅果生產機械化發(fā)展的新舞臺,為堅果生產機械化真正成為農村經濟發(fā)展的推動器提供了廣闊的市場發(fā)展條件。在一些地區(qū)推進堅果生產機械化的過程中,相繼出臺了鼓勵和扶持農民購買堅果機械、開展堅果機械作業(yè)服務的優(yōu)惠政策和措施,調動了農民購買堅果機械的積極性,形成了新的市場需求。隨著堅果種植業(yè)的不斷發(fā)展,國內外對堅果深加工產品的需求不斷增大,提高堅果破殼機械化作業(yè)水平成為必然。堅果破殼機在提高勞動生產率,減輕勞動強度方面起到了積極的作用,促進了堅果加工業(yè)的科技進步,為堅果破殼機械的發(fā)展提供了空間。綜上所述，在堅果的破殼設備中，更多的為機械擠壓設備，與傳統(tǒng)手工法相比,機械法省工、省力、高效、環(huán)保，但這種設備仍存在著破殼率低、碎仁率高、機械適性差等缺點。而對于堅果破殼設備及破殼技術的研究，均基于堅果的機理研究。我認為在堅果破殼技術與破殼機理的研究中，尚存在著以下幾方面需要解決的問題，這也是將來堅果破殼機械研究的發(fā)展方向 。]5[a)堅果的微觀結構研究。微觀結構是宏觀性能的決定因素，堅果的破殼力學變形都是基于其可破殼的微觀結構組成，但可惜的是目前人們對此尚未研究。由于這一根本性問題的存在,使人們進一步在理論上研究堅果破殼力學特性時遇到了很大困難。b)破殼力學特性研究。目前，人們對堅果的破殼物理力學性能、機械性能的研究主要采用實驗的方法進行定性分析，從理論上進行定量研究的很少。而堅果破殼可破殼性機理復雜,力學特性參數甚多。因此,這方面問題的解決僅靠實驗研究 是不夠的。c)影響因素的確定與控制。影響堅果破殼開口的因素眾多,各因素之間相互影響，關系極為復雜。在某一特定破殼操作中，對影響參數條件的控制操作不易掌握，這就使得堅果的破殼設備在很大范圍內推廣使用受到限制。參考文獻[1]鐘海雁等. 核桃生產加工利用研究的現(xiàn)狀與前景[J]. 食品與機械,2008,(04).[2]吳宗澤，羅圣國.機械設計課程設計手冊.北京：高等教育出版社，2009.[3]成大先.機械設計圖冊：第 1 卷.北京：化學工業(yè)出版社，2000.[4]濮良貴.機械零件.5 版.北京：高等教育出版社，1989.[5]辛動軍,史建新. 核桃剝殼機導向裝置試驗研究[J]. 農業(yè)大學學報 , 2008,(03).[6]于俊一，鄒青.機械設計技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社.2010.[7]喬園園，史建新，董遠德.影響核桃殼仁脫離的主要因素[J].農機化研究，2008， （04）.1弧板 -滾筒式核桃破殼機設計1 國內（外）研究現(xiàn)狀及分析1.1 堅果類破殼機現(xiàn)狀國外早在 20 世紀 60 年代初,就著手研制堅果破殼機具,至 80 年代初,美國、意大利、法國等已相繼推出了各種堅果破殼機,如夏威夷果破殼機、杏仁破殼機等。經過數十年的發(fā)展,堅果破殼機具已日趨成熟,目前,正朝著機電一體化方向發(fā)展。近幾年來,國內有些加工企業(yè)和科研院所已逐步研制開發(fā)出一些堅果類破殼加工設備,但多數破殼機具一次性破殼率偏低,碎仁率偏高,致使生產效率低,加工損失大。堅果主要是指具有堅硬外殼的果實。我國生產的最有代表性的堅果有干殼蓮子、核桃、杏仁、白果和松子等,在進行深加工的過程中,脫殼是一個關鍵工序。因堅果果殼主要由纖維素和半纖維素組成,殼仁間隙小、殼堅硬,難以剝離,而且 堅果品種繁雜,尺寸差異較大、形狀不規(guī)則;剝殼的同時不能破壞果仁的品質,而物理剝殼法都對果仁品質有不同程度的破壞,所以堅果的破殼取仁難度較大。我國在傳統(tǒng)脫殼設備的基礎上,盡管正在積極研制和開發(fā)各種類型脫殼機械,但其發(fā)展相當緩慢,同時成熟的機型及進行批量生產的不多,遠遠落后于農產品深加工的需求。在技術上還存在如下問題: a)脫殼率低,脫殼后的籽仁破碎率高,損失大; b)機具性能不穩(wěn)定,適應性差; c)通用性差:多數脫殼機只適應某一種籽粒的脫殼作業(yè),而不能夠通過更換主要工作部件來適應其他籽粒的脫殼,利用率低; d)作業(yè)成本偏高:我國脫殼機械尚未形成規(guī)模和系列,多數是單機制造,制造的工藝水平較低,故制造成本偏高; e)有些產品僅進行了樣機試制或少量試生產,未進行大量生產性考核和示范應用, 作業(yè)性能、可靠性、耐久性及商品性等方面還存在不少問題。1.1.1 堅果類破殼機常見的機械脫殼方法 (1)撞擊法脫殼:撞擊法脫殼是物料籽粒高速運動時突然受阻而受到沖擊力, 使外殼破碎而實現(xiàn)脫殼。物料由高速回轉甩料盤使籽粒產生一個較大的離心力撞擊壁面,只要撞擊力足夠大,籽粒外殼就會產生較大的變形,進而形成裂縫。當籽粒離開壁面時,由于外殼和粒仁具有不同的彈性變形而產生不同的運動速度,籽仁受到的彈性力較小,運動速度也不如外殼,阻止了外殼迅速向外移動而使其在裂縫處裂開,從而實現(xiàn)籽粒的脫殼。撞擊脫殼法適合于仁殼間結合力小,仁殼間隙較大且外殼較脆的籽粒。(2)碾搓法脫殼:物料籽粒在固定磨片和運動著的磨片間受到強烈的碾搓作用,使籽料的外殼被撕裂而實現(xiàn)脫殼。籽粒經進料口進入定磨片和動磨的間隙中,動磨片轉動的離心力使籽粒沿徑向向外運動,也使籽粒與定磨間產生方向相反的摩擦力;同時,磨片上的牙齒不斷對外殼進行切裂,在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產生裂紋直至破裂,并與籽仁脫離,達到脫殼的目的。(3)剪切法脫殼:籽粒在固定刀架和轉鼓之間受到相對運動刀板的剪切力作用,外殼被切裂并破開,實現(xiàn)外殼與籽仁的分離。刀板轉鼓和刀板座為主要工作部件,在刀板轉鼓和刀板座上均裝有刀板,刀板座呈凹形且?guī)в姓{節(jié)機構,可根據籽粒堅果的大小調節(jié)刀板座與刀板轉鼓之間的間隙。當刀板轉鼓旋轉時,與刀板之間產生剪切作用,使物料外殼破裂和脫落。(4)擠壓法脫殼:擠壓法脫殼是靠一對直徑相同轉動方向相反,轉速相等的圓柱輥,調整到適當間隙,使籽粒通過間隙時受到輥的擠壓而破殼。(5)搓撕法脫殼:搓撕法脫殼是利用相對轉動的橡膠輥筒對籽粒進行搓撕作用而進行脫殼。1.1.2 新型核桃脫殼方法(1)微波法:原理主要是通過微波加熱籽粒內部形成高壓水氣,當高壓水氣對 果皮壓力大于果皮的拉伸極限應力時,果皮破裂,實現(xiàn)破殼。微波法破殼過程中,堅果果皮的致密結構是其內部形成高壓的重要保證;堅果含的水分是內部產生高壓水氣的物質基礎;微波的加熱溫度則是導致產生高壓水氣的外部動力。但是快速加熱會造成產品的過渡膨脹甚至爆炸。2(2)高壓膨脹法:原理是使果實處于很高的壓力室中,讓果實在其中停留較長時間,以使籽粒內外達到氣壓平衡,然后瞬間卸壓,內外壓力平衡打破,殼體內氣體在高壓作用下產生較大的爆破力而沖破殼體,從而達到脫殼的目的。(3)能量法:原理是讓堅果進入一個高壓高溫環(huán)境中經受一定時間的高壓高溫作用,使大量熱量聚集于堅果殼內,隨后籽粒瞬間脫離高溫高壓環(huán)境,此時,聚集在堅果殼與仁間的壓力瞬時爆破,實現(xiàn)脫殼的目的,此法適宜于加工熟食品。 (4)高真空度法:將堅果放在真空爆殼機中,在真空條件下,將具有一定水分的堅果加熱到一定溫度,在真空泵的抽吸下,堅果吸熱使其外殼的水分不斷蒸發(fā)而被去除,其韌性與強度降低,脆性大大增加;真空作用又使殼外壓力降低,殼內部處于較高壓力狀態(tài)。在內外壓力差的作用下,殼內的壓力達到一定數值時,就會使外殼爆裂,使外殼脫去。(5)激光法:用激光逐個切割堅果外殼。試驗顯示,用這種方法幾乎能夠達到 100%的整仁率,但因其費用昂貴、效率較低等原因,很難得到推廣。(6)超聲波法:采用超聲波發(fā)生器產生大于 20kHz 的超聲波作用在堅果籽粒外表面上,經沖擊、碰撞、摩擦等多種力綜合作用進行破殼?？蓱糜诠そY構 不太堅硬的堅果。(7)燃燒法:該法用液化氣火焰在高溫下將堅果物料外殼燒掉,然后對未燒盡的物料進行擠壓刮皮,使仁、皮分離,將仁、皮一起進入分離器,仁在此被分離出,再將仁進行清洗即可。這種方法脫殼率高,但燃燒溫度較難控制,很容易使物料熟化甚至焦化,這種脫殼工藝獨特,是國外技術專利,故整套設備價格昂貴。(8)化學腐蝕法:化學脫殼主要是將待脫殼的堅果浸入脫殼溶液中。該溶液用來軟化物料外殼并溶去一部分外殼,然后取出果實再利用機械方式脫去外殼。這種方法需添加其它化學成分如堿、酶等,這些添加物會使產品具有異味異質,影響成品品質風味,但此方法整仁率較高。(9)復合型:對一些堅果使用一種方法不能達到很好的破殼效果時,可利用幾種破殼原理,合理地組合在一起,以克服和彌補單一脫殼法的不足,實現(xiàn)堅果的高效脫殼。 1.1.3 幾種典型的堅果類破殼機(1)擠壓式破殼機：主要由分級滾筒、導向機構、破殼機構、傳動機構和動力所組成,它們依靠物料自身的重力自上而下形成一個系統(tǒng)作業(yè)流水線。工作時,核桃從料斗進入錐形分級滾筒,不同尺寸大小的核桃經錐分級滾筒分級,核桃按從大到小沿錐體軸線從小錐向大錐排列,隨錐形滾筒旋轉落到導向輥, 然后進入擠壓滾筒 ,經擠壓滾筒擠壓破殼后排出機外。擠壓式核桃破殼機的剝殼原理為:齒盤和弧齒板的斜面倒角 45°,間距為 L=8mm,在倒角面上分布著一定尺寸的小齒。當核桃進入擠壓滾筒中,齒盤的旋轉 帶動核桃邊旋轉邊向下擠入,一定間距的齒尖不斷地沿著殼表面滾壓,隨著擠壓變形量的增加,殼表面變平甚至出現(xiàn)凹坑,核桃接觸的齒數由 1 個增加到 2、3 個甚至 4、5 個。這樣在接觸處產生的初始裂紋不斷擴展,裂紋條數變得又多又長,由于核桃的旋轉使整個圓周都產生裂紋,使殼完全均勻地破裂,碎殼和仁通過最小間隙向下掉出來 。]4[(2)撞擊式破殼機：撞擊式破殼機結構。工作部件是轉盤(甩盤)和擋板。果實一般以 0.037m/s 的速度通過可調節(jié)料門落下,從轉盤中心進入后, 經高速轉盤的擋塊或葉片的導向及加速作用,高速脫離轉盤。當果實以較大的離心力撞擊壁面時,壁面對果實產生一個同樣大小的反作用力,使果實外殼產生變形和裂紋。外殼彈性變形的恢復 使果實離開壁面,而果仁因慣性力的作用繼續(xù)向前運動,并在緊靠外殼變形處產生了彈性變形。當果實離開壁面時,由于外殼與果仁具有不同的彈性,其運動速度也不同,果仁將阻止外殼迅速向回移動致使外殼在裂紋處拉開破裂,完成外殼的剝離。（3）剪切式破殼機：板栗被提升機構從料斗裝入后,提升至分料管,分別被導入兩個刀盤。在刀盤上,板栗受旋轉刀盤離心力的作用,向邊緣高速滾動。安裝在盤面成輪輻狀的鋸齒刀對板栗外殼進行不斷的鉤削、剪切,最終把殼剝離。一定的時間間隔后,出料口開啟,殼和仁從出料口排出,從而完成一個破殼循環(huán)(提升、導料、破殼和出料)。1.2 對堅果類破殼機械未來展望分析堅果生產機械化是農業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分,是農業(yè)和農村經濟持續(xù)快速發(fā)展的重要保證,近年來,堅果機械裝備總量不斷穩(wěn)步增長,作業(yè)水平進一步提高,社會化服務規(guī)模不斷擴大,雖然目前堅果破殼機械化水平較高,但是多應用于經濟發(fā)達地區(qū)與示范推廣區(qū),并且小型機械多、大型機械少,低檔機械多、高性能機械少。在一些地區(qū),特殊用途的堅果仁仍采3用傳統(tǒng)的手工剝殼,勞動生產率低,區(qū)域性發(fā)展不平衡。進入 21 世紀,我國堅果生產機械化開始了新的發(fā)展階段,農業(yè)結構調整發(fā)生了新的變化,也對堅果機械的發(fā)展產生了積極而深遠的影響,不僅拉動了新的有效需求,而且構筑了適合堅果生產機械化發(fā)展的新舞臺,為堅果生產機械化真正成為農村經濟發(fā)展的推動器提供了廣闊的市場發(fā)展條件。隨著堅果種植業(yè)的不斷發(fā)展,國內外對堅果深加工產品的需求不斷增大,提高堅果破殼機械化作業(yè)水平成為必然。堅果破殼機在提高勞動生產率,減輕勞動強度方面起到了積極的作用,促進了堅果加工業(yè)的科技進步,為堅果破殼機械的發(fā)展提供了空間。綜上所述，在堅果的破殼設備中，更多的為機械擠壓設備，與傳統(tǒng)手工法相比,機械法省工、省力、高效、環(huán)保，但這種設備仍存在著破殼率低、碎仁率高、機械適性差等缺點。而對于堅果破殼設備及破殼技術的研究，均基于堅果的機理研究。我認為在堅果破殼技術與破殼機理的研究中，尚存在著以下幾方面需要解決的問題，這也是將來堅果破殼機械研究的發(fā)展方向。a)堅果的微觀結構研究。微觀結構是宏觀性能的決定因素，堅果的破殼力學變形都是基于其可破殼的微觀結構組成，但可惜的是目前人們對此尚未研究。由于這一根本性問題的存在,使人們進一步在理論上研究堅果破殼力學特性時遇到了很大困難。b)破殼力學特性研究。目前，人們對堅果的破殼物理力學性能、機械性能的研究主要采用實驗的方法進行定性分析，從理論上進行定量研究的很少。而堅果破殼可破殼性機理復雜,力學特性參數甚多。因此,這方面問題的解決僅靠實驗研究 是不夠的。c)影響因素的確定與控制。影響堅果破殼開口的因素眾多,各因素之間相互影響，關系極為復雜。在某一特定破殼操作中，對影響參數條件的控制操作不易掌握，這就使得堅果的破殼設備在很大范圍內推廣使用受到限制。2 核桃破殼的機設計目的、意義核桃，在我國已有兩千多年的栽培歷史，并逐漸由我國的西部擴展到黃河流域。目前我國的核桃栽培面積約 130 萬 km2以上，產量數十萬噸，主要種植區(qū)域在西南和西北。在國際市場上，核桃與杏仁、腰果、榛子一起并列為世界 4 大干果，核桃作為保健食品早已被國內外所認識 [1]。在，2000 年年初自治區(qū)政府在下發(fā)的《關于調整優(yōu)化農業(yè)產品產業(yè)結構，大力發(fā)展特色農業(yè)的意見》中提出，要加快作為五大基地建設之一的林果業(yè)的發(fā)展，使其成為本世紀初自治區(qū)的優(yōu)勢支柱產業(yè)。核桃和核桃仁是我國傳統(tǒng)的出口商品，外貿部門根據核桃仁的完整程度將其分為一路仁、二路仁和碎仁。一路仁是指半仁及大半仁，二路仁是指四分仁以及比 1/4 大的三角仁，比 1/4 還小的仁稱為碎仁。二路仁與二路之和統(tǒng)稱為高路仁。高路仁重與仁總重的比值稱為高路仁率，這是評價核桃脫核機的一個重要指標，另一個指標是：剝核率=（核桃總量—含仁的核重）/核桃總重核桃的總類：核桃劃分為四個品種群，(如表 2-1)表 2-1 核桃品種群品種群 核桃殼厚度 含仁率（%） 橫膈膜 內褶壁 取出仁（mm）紙皮核桃 65 退化 退化 全仁薄殼核桃 1~1.5 50~64 呈膜質 退化 半仁中殼核桃 1.6~2.0 41~49 呈革質 不發(fā)達 1/4 仁后殼核桃 >2.1 <41 呈骨質 發(fā)達 碎仁由此可見，對核桃的生產以及加工已越來越迫切。然而，核桃外殼堅硬，不宜取仁，給我們的生產帶來了很大的困難。因此，我們考慮可以通過機器來達到破殼取仁的目的。目前，常見的破殼裝置有圓盤剝殼裝置、齒輥剝殼裝置、離心剝殼裝置、錘擊式剝殼裝置、4軋輥式剝殼裝置、對輥窩眼式開口裝置、沖壓式破殼裝置、核桃鋸口破殼裝置、核桃破殼挖核裝置以及平板擠壓式破殼裝置。本課題選擇的是沖壓式破殼，核桃主要以的薄皮核桃作為研究對象。3 弧板-滾筒式核桃破殼機的工作原理1.滾筒 2.弧板 3.活塞 4.彈簧 5.氣壓裝載系統(tǒng)圖 3-1 設計原理圖該裝置是由弧形板 2 和滾筒 1 組成，在滾筒上裝有兩個角度成 180°的活塞，兩活塞由彈簧支撐。 當分級后的核桃喂入旋轉滾筒后， 自行定位在活塞的頂端，隨滾筒轉動，在活塞和弧板的共同擠壓下破裂，而后進入料斗。半仁以上的占 75%，碎仁占 15%，未破殼的約占 6%，生產能力 30kg/h。3.1 破殼機的總體裝配思路本裝置主要有入料斗﹑上箱蓋﹑箱體﹑滾筒﹑弧板﹑氣缸等組成。入料斗和上箱蓋通過螺紋連接，然后和箱體連接，在滾筒上有對稱的四排凹槽，用來固定從入料斗下來的核桃，然后電機通過 V 帶帶動滾筒轉動，當滾筒轉動 90 度的的時候，氣動裝置打擊一次核桃，通過氣動裝置上的撞針和弧板的擠壓力實現(xiàn)對核桃的破殼。破殼以后的核桃隨著滾筒繼續(xù)轉動，然后掉落，最后通過出料斗輸出。如圖 3-2：圖 3-2 設計總裝圖4 氣動裝置的選取由于本裝置設計體積不大，所使用的氣缸又必須能到實驗的要求，綜合考慮本裝置選取單作用微型氣缸。型號表示方法：C D J 2 B 16 - 45 S R - C73 s/nD 處：無標記表示無內置磁環(huán)，有符號 D 則表示內置磁環(huán)。5B 表示安裝形式：B 是基本型，F(xiàn) 表示桿側法蘭型，L 表示腳座型，D 表示雙耳環(huán)型。16 表示缸徑45 表示行程R 表示軸向，無 R 表示徑向C73 表示磁性開關的型號，如果無型號則表示無磁性開關C73 后面如果無標記則表示有 2 個磁性開關，是 s 則表示磁性開關個數是 1，是 n 則表示有 n 個磁性開關 [2]。本裝置綜合考慮選取的氣缸型號為：CDJ2B16-35 SR-C73圖 4-1 CDJ2B10-15 S-C73 氣缸5 弧板-滾筒式核桃破殼機的設計5.1 電動機的選擇根據資料得主軸的轉速在 800-1000 轉/分，按《機械設計實用手冊》推薦的傳動比合理取值范圍，取 V 帶的傳動比為 2～4，即可滿足電動機的轉速與主軸的轉速相匹配。由《機械設計課程設計手冊》查出三種適宜的電動機型號，因此有三種不同的傳動比方案，如表 5-1：表 5-1 電動機的型號和技術參數及傳動比方案 電動機型號額定功率 P/kW同步轉速r/min滿載轉速r/min效率（%） 電動機重量（Kg）功率因數1 Y90S-2 1.53000 2840 78 22 0.852 Y90S-4 1.13000 1400 79 27 0.793 Y90S-6 0.75 1000 910 82 25 0.86綜臺考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量以及帶傳動的傳動比，可知方案 2 比較適合,因此選定電動機型號為 Y90S-4。所選電動機的額定功率 P＝1.1kw ，滿載轉速 n=1400r／min，總傳動比適中，傳動裝置結構較緊湊。如表 5-2：表 5-2 Y90S-4 主要參數如下表型 號 額定功率KW轉速r/min電流/A 效率（%）功率因數 額定電流 額定轉矩 最大轉矩Y90S-41.114003.65820.866.52.0 2.0表 5-3 電動機尺寸列表 單位 mm中心高(H)外形尺寸 HDACL???)2(底腳安裝尺寸 B地腳螺栓孔直徑 K軸伸尺寸ED?裝鍵部位尺寸 GF90 1905.43 1254 10 5024 20866 帶及帶輪的設計根據核桃破殼機的具體傳動要求，可選取電動機和主軸之間用 V 帶和帶輪的傳動方式傳動，因為在破殼機的工作過程中，傳動件 V 帶是一個撓性件，它賦有彈性，能緩和沖擊，吸收震動，因而使破殼機工作平穩(wěn)，噪音小等優(yōu)點。雖然在傳動過程中 V 帶與帶輪之間存在著一些摩擦，導致兩者的相對滑動，使傳動比不精確但不會影響破殼機的傳動，因為破殼機不需要精確的傳動比，只要傳動比比較準確就可以滿足要求，而且 V 帶的彈性滑動對破殼機的一些重要部件是一種過載保護，不會造成機體部件的嚴重損壞，還有 V 帶及帶輪的結構簡單、制造成本底、容易維修和保養(yǎng)、便于安裝，所以，在電動機與核桃破殼機之間選用 V 帶與帶輪的傳動配合是很合理的。選擇 V 帶和帶輪因當從它的傳動參數入手，來確定 V 帶的型號、長度和根數，再來確定導輪的材料、結構和尺寸（輪寬、直徑、槽數及槽的尺寸等） ，傳動中心距（安裝尺寸） ，帶輪作用在軸的壓力（為設計軸承作好準備） 。6.1 傳動帶的設計6.1.1 確定計算功率 (6-1)PKAca??其中： —工作情況系數—電動機的功率查《機械設計手冊》一書中的表 8-7 可知： =1.18AKkwca298.1.?6.1.2 選擇 V 帶的型號取傳動比為 5 轉速合適。 根據計算得知的功率 和電動機上帶輪（小帶輪）的轉速caP（與電動機一樣的速度） ，查《機械設計手冊》圖 8-10，可以選擇 V 帶的型號為 Z 型。1n6.1.3 確定帶輪的基準直徑（1）初選主動帶輪的基準直徑 ：根據《機械設計手冊 》一書，可選擇 V 帶的型號1d參考表 8-6 和表 8-8，選取小帶輪直徑 =71mm。（2）計算 V 帶的速度 V：（6-smndv35.0647.3106?????2）V 帶在 ～ 的范圍內，速度 V 符合要求5sm（3）計算從動輪的直徑 2d（6-id132??3）根據表 8-8 取 =224mm 實際傳動比 i=3.156.1.4 確定傳動中心距 a 和帶長 L?。?)(2)(7.02121 dd?????即： 4740??得： m5688.9?。?a0?帶長： （6-012104)()(2aDLd ?????4）7即： 40)712()71(24.30??????dL得： m158按《機械設計手冊》一書中查表 8-2[4]，選擇想近的基本長度 可查得：dL。Ld1250?實際的中心距可按下列公式求得：（6-396215804200 ??????dLa5） 50.430.71maxin??dL中心距范圍 377.25~433.50mm。6.1.5 驗算主動輪上的包角（6-012017.538??a?6）即： .90001694???求得 ： 滿足 V 帶傳動的包角要求。125.＞a6.1.6 確定 V 帶的根數 V 帶的根數由下列公式確定： (6-kpkpZlac?????)(007)其中 ： —單根普通 V 帶的許用功率值 0p)(0w—考慮包角不同大的影響系數，簡稱包角系數?k—V 帶的基準長度系數，取 。l 1.?lk—計入傳動比的影響時，單根普通 V 帶所能傳遞的功率的增量。0p?由 和 查表 8-4a 得min/284rn?d71?kwp5.0由 和 i=3.15 　查表 8-4b 4??查表取值： 95.0?k.lk8(6-8)5769.0)(0?????Lr kp?所以： .2?rcaZ即： 取 根。6.?3?Z6.1.7 確定帶的初拉力 單根 V 帶適當的初拉力 由下列公式求得0F(6-9)20k-5.2qvzpca????）（其中： —傳動帶單位長度的質量，qmg即： NF 50.7310.52.1039.4)(5 20 ??????6.1.8 求 V 帶傳動作用在軸上的壓力為了設計安裝帶輪軸和軸承，比需確定 V 帶作用在軸上的壓力 ，它等于 V 帶兩邊的Q初拉力之和，忽略 V 帶兩邊的拉力差，則 值可以近似由下式算出：Q即： NFZP 93.42sin2)(0min????7 V 帶帶輪的設計7.1 帶輪的材料選擇因為帶輪的轉速 ，即 ，轉速比較底，所以材料選定為灰鑄鐵，sv5.1smv5＜硬度為 。50HT][7.2 結構設計帶輪的結構設計主要是根據帶輪的基準直徑，選擇帶輪的結構形式，根據帶的型號來確定帶論輪槽的尺寸，設計如下：主動帶輪的結構選擇 因為根據主動帶輪的基準直徑尺寸 ，而與主動帶輪md71?配合的電動機軸的直徑是 ，因此根據經驗公式 ，所以主動 md24? d）＜ （ 3~5.2帶輪采用腹板式。帶輪參數的選擇：通過查《機械設計手冊》一書，可以確定主動帶輪的結構參數，結構參數如下表，其他的相關尺寸可以根據相應的經驗公式計算求得?！　　　”?6-1　主動帶輪的結構參數 單位（mm）槽型 dbminahinf e minf??Z 8.5 2 7 12±0.3 7 13 ?34主動帶輪的厚度可以由計算公式： 求得 （7-dL??)2~5.1(1）即 ： L48?9主動帶輪的結構如圖 7-1：圖 7-1 主動帶輪的結構7.3 從動帶輪的設計從動帶輪的結果選擇 因為根據主動帶輪的基準直徑和傳動比來確定，即 ， ，所以從動帶輪采用腹板式。md24?d302＜從動帶輪的參數選擇：通過查《機械設計手冊》一書，可查得帶輪的結構參數間表，其他一些相關尺寸可以根據相應的經驗公式計算求得：表 7-2　從動帶輪的結構參數 單位（mm）槽型 dbminahinfe minf??Z 8.5 2 7 12±0.3 7 13 ?34從動帶輪的厚度可以由計算公式： ，當 B＜1.5d 是，L=B 求得dB??)2~5.1(即 ： BL48?從動帶輪的結構如圖 7-2：圖 7-2　從動帶輪的結構8 傳動軸的設計傳動軸是核桃破殼機的主要設計部件之一，它在核桃破殼機正常工作過程中，承擔主要轉矩、扭矩、彎矩和支撐傳動軸上的回轉零件，核桃破殼是瞬時沖擊很大，而且沖擊次10數很頻繁的工作環(huán)境，因此傳動軸的設計是很關鍵的一個步驟。它的主要公用是：一是支持軸上所安裝的回轉零件，使其有確定的工作位置；而是傳遞軸上的運動和動力。軸按照軸線形狀的不同，可以分為曲軸、直軸、軟軸和撓形軸等 ，根據核桃破殼機的結構特點]6[和組成形狀及工作強度和環(huán)境的要求，核桃破殼機的主軸選用直軸形式傳遞，而且選用直軸中的階梯軸。此軸的設計如下：根據軸的扭轉強度來初步計算確定其最小直徑，可利用經驗公式：（8-30npAd?1） 其中： —軸常用的幾種材料的 的 值0??T?0A—主軸上的功率 pkw—主軸上的轉速 nminr軸上的材料由《機械設計基礎》一書中表 18—1 可以查到，應選取調質處理的 45 號鋼， ，書中表 18—2 取 ，于是得 ： MPB650??0?Ad845.13min??輸出軸上的最小直徑顯然是安裝帶輪的內孔，必在軸上開有鍵槽，因此，為了開鍵槽又不消耗輸出軸的強度，可以使周的直徑增加 7%以上，這樣增加輸出軸的尺寸，因而可以提高軸的工作強度 。即：]7[md26.19%)7(18)7(???主輸出軸的最小直徑是安裝帶輪處的直徑，為了使所選的軸直徑與帶輪相配合，故使輸出軸端的軸徑選為 20mm。在《機械設計手冊》一書。查表可以得知帶輪的厚度，則取輸出軸的次段軸徑為 ，其長度為 。mB48?2058.1 根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度為了滿足帶輪的軸向定位要求，Ⅰ—Ⅱ軸段右端需要制出一個軸肩，故?、瘛蚨魏廷鳌妮S直徑 ，輸出軸的徑向定位由普通平鍵來完成。選用鍵的型號為普通d35?平鍵 為 。鍵的型號可以通過查《機械設計實用手冊》一書取得。lhb?406?8.2 初步選擇輸出軸系 由破殼機的結構和相關尺寸可知所設計的軸上裝有帶輪和滾筒，根據 ，初md25?步選取支撐的軸承為角接觸球軸承，在《機械設實用冊》查得 7202AC 型角接觸球軸承，由手冊中查得 a=21mm，它的結構尺寸 為 ，取Ⅱ—Ⅲ段的直徑相等，即BDd?17235?。md42?考慮到機體的制造誤差等原因造成的安裝錯位或是借口不齊等，滾動軸承應在機體內有一段移動的位移，查《機械設計手冊》可等位移量 。ms8?基本結構如圖 8-1：圖 8-1 軸的結構與裝配又因為此次設計所使用的軸為懸臂軸，因此軸的設計很有講究，綜合考慮，設計圖形11如下：圖 8-2 懸臂軸8.3 確定輸出軸上的圓角半徑 值 r按前面所述的原則，求出軸肩處的圓角半徑 的值，詳細見圖。軸端倒角在軸的兩端r均為 ，小軸肩為 軸肩的作用是使階梯直軸在軸徑改變截面上減小應力集0452?045.1?中。8.4 按彎扭合成條件校核軸的強度8.4.1 求輸出軸上的所受作用力的大小根據公式： （8-npT??9502）求得：其中： —電動機的額定功率 pkw—主軸的轉速 nminr即： MNT????89.3502.19508.4.2 求滾筒上所受的的合力根據公式： （8-dFt3）求得：其中 ： —輸出軸的軸心到釘齒定的距離即 ： Nt 38.672105.2???根據受力分析即 ： Fr.由于核桃破殼機的主軸軸向不受力。 則取 0?aF圓周力 徑向力 軸向力 的方向如圖 8-3 所示tra12圖 8-3 受力分析8.4.3 軸上水平面內所受支反力如圖根據公式： （8-4）321LFtH???求得：其中： —是輸出軸上Ⅲ—Ⅳ段的中心線到Ⅳ —Ⅴ段距左端三分之一處的距離 m—是輸出軸上Ⅳ—Ⅴ段距左端三分之一處到右端Ⅴ—Ⅵ段中心線3之間的距離 即 ： NFH04.81?根據公式： 求得 12Ht??即 ： 3.98.4.4 軸在垂直面內所受的支反力根據公式： 求得321 )(*Lrv??即 ： NF48.5?根據公式 ： 求得1vrvR??即 ： 9.728.4.5 作彎矩圖 在水平面內，軸上 、 、 三點的彎矩為 ：BCD根據公式 ： （8-0HM5）21LFHD??求得：即： NCH??2.19作水平面內彎矩圖如圖 1（b）所示在垂直面內，軸上 、 、 三點的彎矩為 ： AB根據公式 ： （8-0VM6）求得31LFvC??即 ： N?4.6根據公式： 求得23122 *)(*LFNVVv ??即 ： mC59.13合成的彎矩為 ：0?CBMMNVH???058.2121v792根據公式 ： 求得npTCB??950Nb ??89.3502.1其中 ： —電動機的額定功率 pkw—主軸轉速 nminr0?DT作軸的彎矩圖 8-5 所示圖 8-5 軸的彎矩分析8.4.6 軸的載荷分析8.4.7 當量彎矩計算（彎矩、扭矩合成圖）B 點： mNTMBCa???26.1059?C 點左側 ： c?0.)(2D 點右側 ： 。ca.8.5 校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大當量彎矩的強度（既危險截面 c 的強度） 。由經驗公式及上面計算出的數值可得出 。]8[公式 ： （8-??acac MPWT???????22)(7）式中 ： —軸的抗彎拋面模量， 3m—軸的許用應力， 。按軸實際所受彎曲應力的循環(huán)特性，在 、 、??aMP??b1??b0中選取其相應的數值，從《機械設計基礎》可以查出。b1??aca PT4750.261.059)2()3?????按《機械設計手冊》書中查得，對于 的碳鋼，承受對稱循環(huán)變應力B?aM。??acaⅢPP4750.5??9 入料斗的結構設計入料斗(如圖 9-1)是保證進料順利，起定料的作用，根據本機的整體特點，入料斗設計成矩形和梯形相結合的形狀，且矩形的寬度為 400mm，能保證剛好一個核桃進入滾筒進行剝殼。14圖 9-1 入料斗10 滾筒的設計滾筒是核桃破殼機的主要部件之一，它直接關系到核桃破殼機正常工作時整體的破殼效果情況，它的功能是采用滾筒上的凹槽，均勻快速的轉動情況下，將進入的核桃運到指定位置，然后通過撞針的撞擊從而實現(xiàn)破殼。1.螺栓 2.滾筒端蓋 3.滾筒圖 9-2 滾筒11 軸承端蓋由于左端軸承需要固定，所以左端的軸承端蓋設計成螺紋結構，以此把左端軸承固定死。如圖 11-1 所示：圖 11-1 軸承端蓋12 氣缸撞擊裝置氣缸撞擊裝置主要是選用和核桃半徑差不多的撞針，使其焊接在氣缸的前部，可以根據自己的實際需求來選擇撞擊裝置的撞針數量。由于整個的設計裝置不大，而且氣缸又是選取的微型氣缸，壓力有限。所以，不能安裝很多的撞針，安裝很多的話有可能減少使用15壽命。圖 12-1 氣動撞擊裝置13 影響核桃破殼的因素多次試驗的結果證明,破殼效果與多種因素有關。機械的結構因素有進入角、摩擦角、電機轉速、破殼板間隙﹑破殼板硬度、破殼板上網格形狀和大小等;物料因素有品種﹑含水率、粒型大小、飽滿程度、均勻度、表面粗糙度、殼的厚薄和內隔膜面積等。除此之外,還和喂料速度有關。13.1 核桃的性質13.1.1 核桃的品種由于核桃品種繁雜,形狀不規(guī)則,尺寸差異較大,殼仁間隙小,殼完全破裂所要求的變形量大于殼仁間隙,所以破殼取仁難度較大[4]。核桃仁與殼之間的空隙大,仁殼結合松懈,易剝殼分離,否則難以剝殼分離。因此,應盡量選擇殼薄與橫隔膜(夾層)退化的核桃,從而易于破出更多的整仁或半仁。13.1.2 核桃飽滿程度和均勻度核桃飽滿程度和均勻度對剝殼效果也產生影響。核桃粒度不均勻,剝殼設備最佳操作條件的確定困難,使剝殼效率和粉末度無法達到最佳的平衡,剝殼效果下降。為提高剝殼效果,可采取循環(huán)剝殼和二次剝殼的工藝,當粒度相差太大時,最好采取分級剝殼,才能達到好的工藝效果。13.1.3 核桃的濕度要適中核桃水分含量對外殼的強度、彈性、塑性以及仁的粉碎度都有直接影響。一般情況下,核桃含水量越低,其外殼越脆,剝殼時易破殼,但剝殼后混合物的粉末度增加;反之,外殼的韌性好,剝殼時的破殼率低,但剝殼后的整仁率提高。在核桃剝殼時,應保持最適當的水分含量,使外殼和仁具有最大彈性變形和塑性變形的差異,這樣一方面使外殼含水量低到使其具有最大的脆性更易破碎剝殼,另一方面又不致于使仁在機械外力的作用下粉末度太大。因此,控制核桃剝殼時的最佳水分含量,對提高剝殼效率和減少粉末度都十分重要。試驗結果證明,核桃濕度 15%左右時破殼較為合適。13.1.4 破殼板的硬度破殼板硬度對破殼有較大影響,適當的硬度及彈性可獲得與核桃殼之間所需的摩擦力。若硬度太低,破殼板容易摩擦受熱發(fā)軟而過快磨損,使用壽命短;若硬度太大,則彈性差,對核桃擠壓力大容易傷核桃仁,同時變形小,與核桃殼之間摩擦減小,使撕剝作用相對較弱,影響破殼。試驗結果證明,采用 HRC 硬度 40-50 的 45 號鋼較合適。13.2 喂料速度對破殼效果的影響在兩板間隙不變的情況下,喂料速度越高,單位時間通過的核桃量越多,生產率越高。但經過實驗證明,當喂料速度遠大于生產率時,核桃破碎率增加,而破殼質量則嚴重下降。因此,喂16料速度應控制在一定范圍內 。]9[結 論(1)本課題所完成的工作主要由以下幾的點1)在核桃破殼原理及試驗分析這一部分，主要做如下工作:首先，利用薄殼理論和動態(tài)裂紋擴展理論，分析了核桃的破殼原理。通過分析得出:①核桃在兩對法向集中力的作用下較易十破裂;②實現(xiàn)核桃破裂時的轉動，即在破裂核桃時，給核桃殼施加一交變應力，有利于殼的破裂和裂紋的擴展，從而更有利于核桃的破裂;在核桃破殼時如能滿足上述兩個條件，則能夠實現(xiàn)用最小的擠壓力，達到合適的擠壓量，對理論分析不變考慮的因素。2)在核桃破殼機裝置試驗研究這一部分，主要做如下工作:首先，分別從理論和試驗兩個角度，分析了破殼前對核桃進行導向的必要性，認為在破殼前對核桃進行導向是非常必要的;其次，分析了核桃的可導向性;第二，設計了核桃導向定位試驗裝置;最后，通過正交試驗，一方面驗證了上述理論分析的正確性，另一方面對核桃進行了一、二次導向分析，優(yōu)選出了一、二次導向槽水平導向角和導向輥轉速的合適參數;3)在核桃殼仁分離試驗這一部分，主要做了如下工作:首先，分別測定了幾種典型核桃的殼和仁的密度，測量結果表明殼和仁密度相差不大。對核桃殼、仁的分離進行了試驗研究。通過試驗說明了殼、仁分離的可能性。本課題完全可以實現(xiàn)，在國內外已有先例。隨著核桃產量的逐年增加， 如何對核桃進17行深加工， 以提高它的附加值等問題就突現(xiàn)出來。 核桃脫殼取仁是核桃深加工的第一步，人工剝殼難以滿足生產發(fā)展的要求， 故研制高效剝殼機已成當務之急。 設計和改進破殼機械要結合核桃的品種和破殼方式進行考慮， 同時破殼機械要向專業(yè)化、 規(guī)?；较虬l(fā)展，以降低破殼機械的制造成本；研制適合山區(qū)核桃破殼取仁的小型移動式機械也是核桃破殼機的發(fā)展方向。如果能實現(xiàn)本課題大批量生產的話，不經能節(jié)約較大的勞動力，而且效率也會大大的提高，不僅提高了個人效益更提高了社會效益，不僅有利于促進核桃產業(yè)的大發(fā)展更加快了社會經濟的快速提高。(2)需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路1)破殼理論的研究與實踐的聯(lián)系不夠緊密。由十實際中的核桃尺寸大小不一、球度不同，殼的厚度也不一樣，建模比較困難。因此，為了研究的需要，所建立起來的模型一般都太理想化，與實際情況有一定差距，難以充分反映核桃的主要特征。為了使所建立起來的模型能應用到實際中去，還需對破殼原理進行深入分析。2)核桃品種、形狀、尺寸、殼的厚度等方面的差異，對破殼取仁質量的影響的研究還不夠深入。由于品種的差異，不同品種的核桃大小不一致，甚至同一品種的核桃，大小也不一致，對于固定間隙的核桃破殼機來說，每一固定間隙只適合破同一大小的核桃，因此，在破殼前需對核桃進行分級，但目前已研制開發(fā)出的核桃分級機構，分級效果還不夠理想。從理論上講，進入固定間隙破殼裝置的核桃，都能很好的破殼，不存在進入方向問題，但對于近似呈橢球形的核桃來說，當其長軸方向與擠壓輥軸線平行或呈較小角度時，核桃可隨擠壓輥一起轉動，核桃破殼完全，取仁容易，破碎少;反之，核桃不能隨擠壓輥轉動造成沿核桃長軸方向的剪切破裂，出現(xiàn)兩半破裂，造成仁殼分離困難和仁的破碎，從降低了高路仁率。可見，對于固定間隙的核桃破殼機來說，核桃進入破殼機構的姿態(tài)，對破殼率和高路仁率有很大影響，因此，有必要對核桃導向進行研究。3)還未有找出經濟有效的殼、仁分離方法。目前國內尚未見到好的分離方法和分離設備的報道， 而國外雖然很好地解決了殼仁分離的問題，但設備成本高，工藝復雜，對于加工能力有限的工廠和個人來說是很難接受的。對于固定間隙核桃來說，核桃分選的好壞，直接影響破殼質量，核桃進入擠壓空間的姿態(tài)不同，也將會影響破殼質量。不同的擠壓方式一一滾動擠壓與固定擠壓，對破殼取仁質量有一定影響。當呈橢圓形核桃的長軸與擠壓滾筒軸線平行時，核桃可隨擠壓滾筒一起轉動，核桃破殼完全，取仁容易，破碎少;反之，核桃不能隨滾筒轉動造成沿核桃長軸方向的剪切破裂，出現(xiàn)兩半破裂，造成仁殼分離困難，但由于目前導向裝置定向喂入的可靠性不高，導致輥壓擠碎效果不好，核仁破碎率較高，因此有必要對分選和導向裝置進行研究。為此，本課題欲對核桃殼和仁的分離進行研究，以期找到合適的殼仁分離方法。致 謝經過近半學期的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起學習的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。在這里首先要感謝我的指導老師張宏老師。張老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從查閱資料到設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計較為簡潔，但是高老師仍然細心地糾正設計內容中的錯誤。除了敬佩張老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，他的循循善誘的教導和不拘一格的思路也給予我無盡的啟迪。并將積極影響我今后的學習和工作。其次要感謝我的同學對我無私的幫助，特別是在非標準件尺寸確定方面，正因為如此我才能順利的完成設計。最后我要感謝我的母校——塔里木大學，是母校給我們提供了優(yōu)良的學習環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過課的每一位老師，是你們教會我專業(yè)知識。在此，我謝謝大家!18參考文獻[1]鐘海雁等.核桃生產加工利用研究的現(xiàn)狀與前景[J].食品與機械,2008,(4):28-29.[2]吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊.北京：高等教育出版社,2009.[3]成大先.機械設計圖冊：第 1 卷.北京：化學工業(yè)出版社,2000.[4]郗榮庭,劉夢軍.中國干果[M].北京：中國林業(yè)出版社,2005.[5]濮良貴.機械零件.5 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