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弧板-滾筒式核桃破殼機設(shè)計
1國內(nèi)（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(jīng)過數(shù)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(nèi)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(shè)備,但多數(shù)破殼機具一次性破殼率偏低,碎仁率偏高,致使生產(chǎn)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(chǎn)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(guān)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(zhì),而物理剝殼法都對果仁品質(zhì)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(shè)備的基礎(chǔ)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(chǎn)的不多,遠遠落后于農(nóng)產(chǎn)品深加工的需求。在技術(shù)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(yīng)性差; c)通用性差:多數(shù)脫殼機只適應(yīng)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(yīng)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(shù)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(chǎn)品僅進行了樣機試制或少量試生產(chǎn),未進行大量生產(chǎn)性考核和示范應(yīng)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?jīng)_擊力, 使外殼破碎而實現(xiàn)脫殼。物料由高速回轉(zhuǎn)甩料盤使籽粒產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jié)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(jīng)進料口進入定磨片和動磨的間隙中,動磨片轉(zhuǎn)動的離心力使籽粒沿徑向向外運動,也使籽粒與定磨間產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)鼓和刀板座為主要工作部件,在刀板轉(zhuǎn)鼓和刀板座上均裝有刀板,刀板座呈凹形且?guī)в姓{(diào)節(jié)機構(gòu),可根據(jù)籽粒堅果的大小調(diào)節(jié)刀板座與刀板轉(zhuǎn)鼓之間的間隙。當?shù)栋遛D(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時,與刀板之間產(chǎn)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(zhuǎn)動方向相反,轉(zhuǎn)速相等的圓柱輥,調(diào)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(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)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(jié)構(gòu)是其內(nèi)部形成高壓的重要保證;堅果含的水分是內(nèi)部產(chǎn)生高壓水氣的物質(zhì)基礎(chǔ);微波的加熱溫度則是導(dǎo)致產(chǎn)生高壓水氣的外部動力。但是快速加熱會造成產(chǎn)品的過渡膨脹甚至爆炸。
(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(nèi)外達到氣壓平衡,然后瞬間卸壓,內(nèi)外壓力平衡打破,殼體內(nèi)氣體在高壓作用下產(chǎn)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(jīng)受一定時間的高壓高溫作用,使大量熱量聚集于堅果殼內(nèi),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(nèi)部處于較高壓力狀態(tài)。在內(nèi)外壓力差的作用下,殼內(nèi)的壓力達到一定數(shù)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(chǎn)生大于20kHz的超聲波作用在堅果籽粒外表面上,經(jīng)沖擊、碰撞、摩擦等多種力綜合作用進行破殼?？蓱?yīng)用于果皮結(jié)構(gòu) 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(shù)專利,故整套設(shè)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(chǎn)品具有異味異質(zhì),影響成品品質(zhì)風味,但此方法整仁率較高。
(9)復(fù)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(dǎo)向機構(gòu)、破殼機構(gòu)、傳動機構(gòu)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(jīng)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(zhuǎn)落到導(dǎo)向輥, 然后進入擠壓滾筒,經(jīng)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(zhuǎn) 帶動核桃邊旋轉(zhuǎn)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(shù)由1個增加到 2、3個甚至 4、5個。這樣在接觸處產(chǎn)生的初始裂紋不斷擴展,裂紋條數(shù)變得又多又長,由于核桃的旋轉(zhuǎn)使整個圓周都產(chǎn)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。
(2)撞擊式破殼機：撞擊式破殼機結(jié)構(gòu)。工作部件是轉(zhuǎn)盤(甩盤)和擋板。果實一般以0.037m/s 的速度通過可調(diào)節(jié)料門落下,從轉(zhuǎn)盤中心進入后,經(jīng)高速轉(zhuǎn)盤的擋塊或葉片的導(dǎo)向及加速作用,高速脫離轉(zhuǎn)盤。當果實以較大的離心力撞擊壁面時,壁面對果實產(chǎn)生一個同樣大小的反作用力,使果實外殼產(chǎn)生變形和裂紋。外殼彈性變形的恢復(fù) 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(chǎn)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(gòu)從料斗裝入后,提升至分料管,分別被導(dǎo)入兩個刀盤。在刀盤上,板栗受旋轉(zhuǎn)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(dǎo)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(chǎn)機械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分,是農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)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(wù)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(yīng)用于經(jīng)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(chǎn)率低,區(qū)域性發(fā)展不平衡。進入21世紀,我國堅果生產(chǎn)機械化開始了新的發(fā)展階段,農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)生了新的變化,也對堅果機械的發(fā)展產(chǎn)生了積極而深遠的影響,不僅拉動了新的有效需求,而且構(gòu)筑了適合堅果生產(chǎn)機械化發(fā)展的新舞臺,為堅果生產(chǎn)機械化真正成為農(nóng)村經(jīng)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(nèi)外對堅果深加工產(chǎn)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(chǎn)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(shè)備中，更多的為機械擠壓設(shè)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(shè)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(shè)備及破殼技術(shù)的研究，均基于堅果的機理研究。我認為在堅果破殼技術(shù)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(jié)構(gòu)研究。微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)雜,力學特性參數(shù)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(guān)系極為復(fù)雜。在某一特定破殼操作中，對影響參數(shù)條件的控制操作不易掌握，這就使得堅果的破殼設(shè)備在很大范圍內(nèi)推廣使用受到限制。
2核桃破殼的機設(shè)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(chǎn)量數(shù)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(nèi)外所認識[1]。在，2000年年初自治區(qū)政府在下發(fā)的《關(guān)于調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展特色農(nóng)業(yè)的意見》中提出，要加快作為五大基地建設(shè)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(chǎn)業(yè)。核桃和核桃仁是我國傳統(tǒng)的出口商品，外貿(mào)部門根據(jù)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(nèi)褶壁 取出仁
（mm）
紙皮核桃 <0.9 >65 退化 退化 全仁
薄殼核桃 1~1.5 50~64 呈膜質(zhì) 退化 半仁
中殼核桃 1.6~2.0 41~49 呈革質(zhì) 不發(fā)達 1/4仁
后殼核桃 >2.1 <41 呈骨質(zhì) 發(fā)達 碎仁
由此可見，對核桃的生產(chǎn)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(chǎn)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、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(shè)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(zhuǎn)滾筒后， 自行定位在活塞的頂端，隨滾筒轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)動，當滾筒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，然后掉落，最后通過出料斗輸出。
如圖3-2：
圖3-2 設(shè)計總裝圖
4氣動裝置的選取
由于本裝置設(shè)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/n
D處：無標記表示無內(nèi)置磁環(huán)，有符號D則表示內(nèi)置磁環(huán)。
B表示安裝形式：B是基本型，F(xiàn)表示桿側(cè)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(guān)的型號，如果無型號則表示無磁性開關(guān)
C73后面如果無標記則表示有2個磁性開關(guān)，是s則表示磁性開關(guān)個數(shù)是1，是n則表示有n個磁性開關(guān)[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(shè)計
5.1電動機的選擇
根據(jù)資料得主軸的轉(zhuǎn)速在800-1000轉(zhuǎn)/分，按《機械設(shè)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(zhuǎn)速與主軸的轉(zhuǎn)速相匹配。由《機械設(shè)計課程設(shè)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(shù)參數(shù)及傳動比
方案
電動機型號
額定
功率P/kW
同步轉(zhuǎn)速
r/min
滿載
轉(zhuǎn)速
r/min
效率（%）
電動機重量（Kg）
功率因數(shù)
1
Y90S-2
1.5
3000
2840
78
22
0.85
2
Y90S-4
1.1
3000
1400
79
27
0.79
3
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(zhuǎn)速 n=1400r／min，總傳動比適中，傳動裝置結(jié)構(gòu)較緊湊。如表5-2：
表5-2 Y90S-4主要參數(shù)如下表
型 號
額定功率KW
轉(zhuǎn)速r/min
電流/A
效率
（%）
功率因數(shù)
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
Y90S-4
1.1
1400
3.65
82
0.86
6.5
2.0
2.0
表5-3 電動機尺寸列表 單位mm
中心高(H)
外形尺寸
底腳安裝尺寸
地腳螺栓孔直徑
軸伸尺寸
裝鍵部位尺寸
90
10
6帶及帶輪的設(shè)計
根據(jù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shù)入手，來確定V帶的型號、長度和根數(shù)，再來確定導(dǎo)輪的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸（輪寬、直徑、槽數(shù)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(shè)計軸承作好準備）。
6.1傳動帶的設(shè)計
6.1.1 確定計算功率
(6-1)
其中：—工作情況系數(shù)
—電動機的功率
查《機械設(shè)計手冊》一書中的表8-7可知：=1.18
6.1.2選擇V帶的型號
取傳動比為5轉(zhuǎn)速合適。 根據(jù)計算得知的功率和電動機上帶輪（小帶輪）的轉(zhuǎn)速（與電動機一樣的速度），查《機械設(shè)計手冊》圖8-10，可以選擇V帶的型號為Z型。
6.1.3確定帶輪的基準直徑
（1）初選主動帶輪的基準直徑：根據(jù)《機械設(shè)計手冊》一書，可選擇V帶的型號參考表8-6和表8-8，選取小帶輪直徑=71mm。
（2）計算V帶的速度V：
（6-2）
V帶在～的范圍內(nèi)，速度V符合要求
（3）計算從動輪的直徑
（6-3）
根據(jù)表8-8取=224mm
實際傳動比i=3.15
6.1.4 確定傳動中心距a和帶長L
?。?
即：
得：
?。?
帶長： （6-4）
即：
得：
按《機械設(shè)計手冊》一書中查表8-2[4]，選擇想近的基本長度可查得： 。
實際的中心距可按下列公式求得：
（6-5）
中心距范圍377.25~433.50mm。
6.1.5 驗算主動輪上的包角
（6-6）
即：
求得 ： 滿足V帶傳動的包角要求。
6.1.6 確定V帶的根數(shù)
V帶的根數(shù)由下列公式確定： (6-7)
其中 ： —單根普通V帶的許用功率值
—考慮包角不同大的影響系數(shù)，簡稱包角系數(shù)
—V帶的基準長度系數(shù)，取。
—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。
由和查表8-4a得
由和i=3.15 查表8-4b
查表取值：
(6-8)
所以：
即： 取 根。
6.1.7 確定帶的初拉力
單根V帶適當?shù)某趵?由下列公式求得
(6-9)
其中：—傳動帶單位長度的質(zhì)量，
即：
6.1.8求V帶傳動作用在軸上的壓力
為了設(shè)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：
即：
7 V帶帶輪的設(shè)計
7.1帶輪的材料選擇
因為帶輪的轉(zhuǎn)速，即，轉(zhuǎn)速比較底，所以材料選定為灰鑄鐵，硬度為。
7.2結(jié)構(gòu)設(shè)計
帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是根據(jù)帶輪的基準直徑，選擇帶輪的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)帶的型號來確定帶論輪槽的尺寸，設(shè)計如下：
主動帶輪的結(jié)構(gòu)選擇 因為根據(jù)主動帶輪的基準直徑尺寸，而與主動帶輪配合的電動機軸的直徑是，因此根據(jù)經(jīng)驗公式，所以主動 帶輪采用腹板式。
帶輪參數(shù)的選擇：通過查《機械設(shè)計手冊》一書，可以確定主動帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表，其他的相關(guān)尺寸可以根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗公式計算求得?！ ?
表6-1 主動帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位（mm）
槽型
e
Z
8.5
2
7
12±0.3
7
13
主動帶輪的厚度可以由計算公式： 求得 （7-1）
即 ：
主動帶輪的結(jié)構(gòu)如圖7-1：
圖7-1 主動帶輪的結(jié)構(gòu)
7.3 從動帶輪的設(shè)計
從動帶輪的結(jié)果選擇 因為根據(jù)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。
從動帶輪的參數(shù)選擇：通過查《機械設(shè)計手冊》一書，可查得帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)間表，其他一些相關(guān)尺寸可以根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗公式計算求得：
表7-2 從動帶輪的結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位（mm）
槽型
e
Z
8.5
2
7
12±0.3
7
13
從動帶輪的厚度可以由計算公式： ，當B＜1.5d是，L=B 求得
即 ：
從動帶輪的結(jié)構(gòu)如圖7-2：
圖7-2 從動帶輪的結(jié)構(gòu)
8傳動軸的設(shè)計
傳動軸是核桃破殼機的主要設(shè)計部件之一，它在核桃破殼機正常工作過程中，承擔主要轉(zhuǎn)矩、扭矩、彎矩和支撐傳動軸上的回轉(zhuǎn)零件，核桃破殼是瞬時沖擊很大，而且沖擊次數(shù)很頻繁的工作環(huán)境，因此傳動軸的設(shè)計是很關(guān)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(zhuǎn)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(jù)核桃破殼機的結(jié)構(gòu)特點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(shè)計如下：
根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強度來初步計算確定其最小直徑，可利用經(jīng)驗公式：
（8-1）
其中：—軸常用的幾種材料的的值
—主軸上的功率
—主軸上的轉(zhuǎn)速
軸上的材料由《機械設(shè)計基礎(chǔ)》一書中表18—1 可以查到，應(yīng)選取調(diào)質(zhì)處理的45號鋼，，書中表18—2取，于是得 ：
輸出軸上的最小直徑顯然是安裝帶輪的內(nèi)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：
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(shè)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。
8.1根據(jù)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平鍵為。鍵的型號可以通過查《機械設(shè)計實用手冊》一書取得。
8.2初步選擇輸出軸系
由破殼機的結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸可知所設(shè)計的軸上裝有帶輪和滾筒，根據(jù)，初步選取支撐的軸承為角接觸球軸承，在《機械設(shè)實用冊》查得7202AC型角接觸球軸承，由手冊中查得a=21mm，它的結(jié)構(gòu)尺寸為，取Ⅱ—Ⅲ段的直徑相等，即。
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(yīng)在機體內(nèi)有一段移動的位移，查《機械設(shè)計手冊》可等位移量。
基本結(jié)構(gòu)如圖8-1：
圖8-1 軸的結(jié)構(gòu)與裝配
又因為此次設(shè)計所使用的軸為懸臂軸，因此軸的設(shè)計很有講究，綜合考慮，設(shè)計圖形如下：
圖8-2 懸臂軸
8.3確定輸出軸上的圓角半徑值
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(yīng)力集中。
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(jù)公式： （8-2）
求得：
其中：—電動機的額定功率
—主軸的轉(zhuǎn)速
即：
8.4.2求滾筒上所受的的合力
根據(jù)公式： （8-3）
求得：
其中 ：—輸出軸的軸心到釘齒定的距離
即 ：
根據(jù)受力分析
即 ：
由于核桃破殼機的主軸軸向不受力。 則取
圓周力 徑向力 軸向力 的方向如圖8-3所示
圖8-3 受力分析
8.4.3軸上水平面內(nèi)所受支反力如圖
根據(jù)公式： （8-4）
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
—是輸出軸上Ⅳ—Ⅴ段距左端三分之一處到右端Ⅴ—Ⅵ段中心線之間的距離
即 ：
根據(jù)公式：求得
即 ：
8.4.4軸在垂直面內(nèi)所受的支反力
根據(jù)公式： 求得
即 ：
根據(jù)公式 ： 求得
即 ：
8.4.5 作彎矩圖
在水平面內(nèi)，軸上、、三點的彎矩為 ：
根據(jù)公式 ： （8-5）
求得：
即：
作水平面內(nèi)彎矩圖如圖1（b）所示
在垂直面內(nèi)，軸上、、三點的彎矩為 ：
根據(jù)公式 ： （8-6）
求得
即 ：
根據(jù)公式： 求得
即 ：
合成的彎矩為 ：
根據(jù)公式 ： 求得
其中 ： —電動機的額定功率
—主軸轉(zhuǎn)速
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：
C點左側(cè) ：
D點右側(cè) ：。
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(jīng)驗公式及上面計算出的數(shù)值可得出。
公式 ： （8-7）
式中 ： —軸的抗彎拋面模量，
—軸的許用應(yīng)力，。按軸實際所受彎曲應(yīng)力的循環(huán)特性，在、、中選取其相應(yīng)的數(shù)值，從《機械設(shè)計基礎(chǔ)》可以查出。
按《機械設(shè)計手冊》書中查得，對于的碳鋼，承受對稱循環(huán)變應(yīng)力。
9入料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計
入料斗(如圖9-1)是保證進料順利，起定料的作用，根據(jù)本機的整體特點，入料斗設(shè)計成矩形和梯形相結(jié)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。
圖9-1 入料斗
10滾筒的設(shè)計
滾筒是核桃破殼機的主要部件之一，它直接關(guān)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(zhuǎn)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(shè)計成螺紋結(jié)構(gòu)，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(jù)自己的實際需求來選擇撞擊裝置的撞針數(shù)量。由于整個的設(shè)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(jié)果證明,破殼效果與多種因素有關(guān)。機械的結(jié)構(gòu)因素有進入角、摩擦角、電機轉(zhuǎn)速、破殼板間隙﹑破殼板硬度、破殼板上網(wǎng)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(nèi)隔膜面積等。除此之外,還和喂料速度有關(guān)。
13.1核桃的性質(zhì)
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(jié)合松懈,易剝殼分離,否則難以剝殼分離。因此,應(yīng)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(chǎn)生影響。核桃粒度不均勻,剝殼設(shè)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(yīng)保持最適
當?shù)乃趾?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(jié)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?shù)挠捕燃皬椥钥色@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(jié)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(chǎn)率越高。但經(jīng)過實驗證明,當喂料速度遠大于生產(chǎn)率時,核桃破碎率增加,而破殼質(zhì)量則嚴重下降。因此,喂料速度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。
結(jié) 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(zhuǎn)動，即在破裂核桃時，給核桃殼施加一交變應(yīng)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?qū)崿F(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(dǎo)向的必要性，認為在破殼前對核桃進行導(dǎo)向是非常必要的;其次，分析了核桃的可導(dǎo)向性;第二，設(shè)計了核桃導(dǎo)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(dǎo)向分析，優(yōu)選出了一、二次導(dǎo)向槽水平導(dǎo)向角和導(dǎo)向輥轉(zhuǎn)速的合適參數(shù);
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(jié)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(nèi)外已有先例。隨著核桃產(chǎn)量的逐年增加， 如何對核桃進行深加工， 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(chǎn)發(fā)展的要求， 故研制高效剝殼機已成當務(wù)之急。 設(shè)計和改進破殼機械要結(jié)合核桃的品種和破殼方式進行考慮， 同時破殼機械要向?qū)I(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(chǎn)的話，不經(jīng)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(chǎn)業(yè)的大發(fā)展更加快了社會經(jīng)濟的快速提高。
(2) 需要重點研究的、關(guān)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(yīng)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(zhì)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(gòu)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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?？梢?，對于固定間隙的核桃破殼機來說，核桃進入破殼機構(gòu)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(dǎo)向進行研究。
3)還未有找出經(jīng)濟有效的殼、仁分離方法。目前國內(nèi)尚未見到好的分離方法和分離設(shè)備的報道， 而國外雖然很好地解決了殼仁分離的問題，但設(shè)備成本高，工藝復(fù)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(zhì)量，核桃進入擠壓空間的姿態(tài)不同，也將會影響破殼質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)動，核桃破殼完全，取仁容易，破碎少;反之，核桃不能隨滾筒轉(zhuǎn)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(dǎo)向裝置定向喂入的可靠性不高，導(dǎo)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(dǎo)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(jīng)過近半學期的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起學習的同學們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師張宏老師。張老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從查閱資料到設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設(shè)計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計較為簡潔，但是高老師仍然細心地糾正設(shè)計內(nèi)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(dǎo)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(shè)計。最后我要感謝我的母?！锬敬髮W，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!
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