一种文冠果破壳机设计

2024-02-03 03:06穆合塔尔穆喀热普亚森江白克力穆尼莱艾尔肯玛伊热约麦尔依克沙尼买买提江古丽米热克然木
农机使用与维修 2024年1期
关键词:破壳果仁文冠果

穆合塔尔·穆喀热普,亚森江·白克力,穆尼莱·艾尔肯,玛伊热·约麦尔,依克沙尼·买买提江,古丽米热·克然木

(新疆农业大学 机电工程学院,乌鲁木齐 830052)

0 引言

文冠果被誉为“生命之果”,珍稀而又独特。它富含多种维生素和矿物质,对身体健康有着很好的促进作用,在药用方面也起着重要的作用。文冠果在生态环境中具有绿化荒山、水土保持、防风固沙等重要作用,有着重要的社会价值[1]。最关键是文冠果非常适合生长在荒漠地区,新疆栽种面积达到千万亩以上,是新疆特色林果发展中的重要部分,并且有望更大限度地弥补我国食用植物油的缺口。此外,文冠果产后加工也可为新疆带来数亿元的经济收入。破壳是文冠果深加工的首道加工工序,以机械化作业提高文冠果破壳效率,是提高品质、降低生产成本的重要途径。

目前,市场上各类破壳机械均已发展的较为成熟。李忠新等[2]研究了一种核桃破壳取仁设备,该破壳机精巧、结构简单且操作方便,破壳效率高,能使核桃充分破壳。随着农业现代化程度的不断提高,研究人员对坚果类物料物理特性做了大量的研究[3]。韩本勇等[4]对核桃的的外形尺寸、厚度,以及果肉和果壳的密度等进行了测量,这对核桃加工设备的研究和壳仁分离工艺有极大的参考价值。曹成茂等[5]设计山核桃二次破壳取仁机,能够最大限度地保证破壳的成功率和果仁完整性。目前,市场针对文冠果的破壳机械相对较少,破损率高,机械使用效果不佳,并未得到广泛的推广应用。

本文设计的文冠果破壳机能够自动完成破壳过程,还可根据不同尺寸、硬度和湿度等因素进行调整,适应各种品质的文冠果。此外,使用文冠果破壳机还可以减少人力成本,降低食品污染风险。手工操作容易出现微小划伤或细菌感染等问题,通过机械化处理可以保持一定程度上的卫生与安全。

1 文冠果的物理特性参数

文冠果呈椭圆形或卵圆形,壳坚硬,尺寸、重量和大小因品种而异,常见品种有金乡文冠果、沙田柚文冠果、火龙果文冠果、红心文冠果等,本文参考的是金乡文冠果。为保证样本具有代表性和数据分析的可靠性,采用随机抽样方法,样本容量达到100个以上。通过测量,金乡文冠果壳厚度一般在0.5~2.0 mm,间隙大小在0.5~2.0 mm,密度一般为0.7~1.1 kg/m3,破壳载荷在200~400 N,变形量为1~3 mm。文冠果的长、宽、厚标准及占比示意图如图1所示,基本尺寸如图2所示。

图1 文冠果的长厚宽的标准及占比示意图

图2 文冠果的基本尺寸

根据图1可知,在100个样本中质量范围在25~30 g的文冠果占77%~94%,其中长、宽、厚尺寸分别为L=66 mm,T=57 mm,W=54 mm。文冠果品种、尺寸大小和质量可能会因生长环境、季节、成熟度和其他因素而有所不同。

2 整机结构

文冠果破壳机主要由机架部分、分级部分、破壳部分和壳仁分离部分组成(图3)。首先,机架部分固定各个部件;其次,分级部分对待破壳的文冠果进行分级;再次,主从滚筒挤压果实完成第一次破壳;接着,三叶打板快速运转完成二次破壳工作;最后,由风机完全分离并分开进行收集。该文冠果破壳机的设计参数如表1所示。

表1 一种文冠果破壳机的设计参数

1.进料口;2.滚筒侧板;3.主动齿轮;4.风机;5.壳仁分离部分;6.三叶打板的v带轮;7.v带;8.出仁口;9.电机;10.机架;11.凹型挡板;12.落料斗;13.滚筒间距调节手轮;14.破壳部分;15.从动齿轮;16.分级部分

3 工作原理

文冠果破壳机的破壳原理,对获取高质量的果仁、提高净收获率以及果仁完整性至关重要。文冠果破壳机是通过机械力将文冠果破壳,具体来说,文冠果在经过一定处理后,被输送到破壳机的进料口,破壳机内部有一个旋转式破壳器(破壳部分),它以一定的速度旋转,将文冠果强制压入破壳器中,从而使果皮和果核分离,果壳经出壳口排出,果仁则继续向前输送。工作原理简图如图4所示。

图4 工作原理简图

破壳机采用高速旋转的刀片,将文冠果从外面切割,把果仁与果壳分离,实现文冠果破壳的目的。同时,破壳机设有壳仁分离部分,可对文冠果进行分级筛选,达到不同规格的破壳要求。整个过程由电机驱动,自动化程度高,效率稳定。

4 主要零部件设计

4.1 壳仁分离部分设计

文冠果完成破壳后,果仁和果壳的分离也尤为关键,最终分离的程度也极大地影响了机器的整体性能评估,如果含杂率过高,就会导致人工必须进行二次分离工作,这无疑加大了工作量,浪费时间,所以文冠果壳仁分离工作至关重要。

本文设计出仁口的尺寸为180 mm×180 mm,风机外壳直径为460 mm、出壳口尺寸为150 mm×160 mm,整个分离机构的高度为920 mm。风力管道通过进口法兰连接在风机的轴向进口上[6],考虑到风机动力的提供,采用了与从动滚筒共用一根轴的设计,一个动力源提供了整个机器的动力供给和动力传递,不仅减少了动力源数量,放在侧面还解决了机身过高的问题。具体结构示意图,如图5所示。

1.出仁口;2.出壳口;3.齿轮传动;4.风机

本文设计主要根据文冠果果壳和果仁密度(物理特性)的不同进行分离方案的确定,由于壳仁的密度不同,导致两者的悬浮度有着很大的差距,所以采用风力清选的方法进行分离[7]。其工作原理是在文冠果经破壳处理后,其壳仁混合物沿着落料斗经机械的震动慢慢落入风力管道下方,通过风机产生的风力,将文冠果果壳吸入到分选中,由风机中的叶片将其从风机的出壳口吹出;而果仁相对密度大,悬浮速度也大,所以受重力影响从风力管下方的出仁口落下,进行果仁的集中收集工作。

4.2 挤压滚筒的设计与受力分析

4.2.1 挤压滚筒的设计

挤压滚筒是文冠果破壳机中最核心的装置,为了满足破壳要求,将其设计为变径的圆柱滚筒,大径为350 mm,小径为340 mm,直径变化为10 mm。滚筒长度为1 000 mm,分别固定在主动、从动滚筒轴上(图6)。挤压滚筒一般采用硬度较高、耐磨损性能好的不锈钢材料制造,以确保其使用寿命和破壳效果。挤压滚筒转速设置合理,转速800 r/min以上,圆周速度为15~30 m/s,合理的转速有利于提高滚筒的冲击度和耐磨性[8]。滚筒表面有规律地附着菱形花纹,其目的是为了增大破壳过程中的摩擦力和破壳的钳入角。

1.主动滚筒轴;2.从动滚筒轴;3.从动滚筒;4.主动滚筒;5.滚筒侧板

4.2.2 文冠果破壳受力分析

破壳装置在工作区域内,文冠果受到自身重力F和挤压辊给予的正压力N1、N2以及摩擦力F1、F2的作用,图7为文冠果的受力分析。其中,挤压辊产生的正压力和摩擦力是实现文冠果破壳的主要作用力,文冠果破壳所受N1、N2、F1、F2水平方向分力对文冠果进行挤压,N1、N2、F1、F2竖直方向分力对文冠果进行剪切,使裂纹进一步扩大,碎壳间发生相对错动和滑移,从而实现文冠果的碾搓挤压破壳[9]。

图7 文冠果破壳受力分析图

文冠果挤压破壳的起始点A1、A2与挤压辊中心连线所构成的角度α1、α2,挤压角度越大,文冠果所受的挤压力就越大,从而容易产生破裂,如式

(1)

(2)

式中μ—文冠果与挤压辊间的摩擦系数;

φ—文冠果与挤压辊间的夹角,(°)。

要使文冠果能顺利进入挤压间隙,竖直方向必须满足

F1cosα1+F2cosα2+G>N1sinα1+N2sinα2

(3)

由于文冠果的重量远小于自身受到的力,即

F1cosα1+F2cosα2>N1sinα1+N2sinα2

(4)

将式(1)、式(2)代入式(4)中,得到α<φ,实现文冠果破壳。

4.3 三叶打板的设计

4.3.1 主要参数

三叶打板(图8)是文冠果破壳机进行二次脱壳的机构,其主要参数为:三叶打板长度1 000 mm,叶片夹角120°,三叶打板轴长度1 270 mm,转速200~300 r/min,叶端线速度3~15 m/s,适用黏度可达5×103mPa·s。三叶打板一般采用硬度较高的不锈钢材料制作,以保证其在高速旋转时不会变形或者磨损。由于文冠果在第一次挤压时,存在一部分果壳和果仁没有完全分离开,所以设计了三叶打板进行二次破壳,在高速转动的状态下击打掉落的壳仁混合物,击打至凹型挡板的位置,再落入到落料斗内进行下一步的工艺操作,从而达到文冠果二次脱壳的效果,大幅提升了文冠果的剥净率[10-11]。

1.转轴;2.叶片;3.圆柱体连接部分

4.3.2 轨迹方程

三叶打板的轨迹方程依赖于多个因素,如三叶打板的转速、叶片长度、叶片形状、三叶打板的安装高度等。一般情况下,三叶打板的轨迹可以近似看作一个圆锥曲线或者球面曲线,以下是2种常见情况下三叶打板的轨迹方程。

1)假设三叶打板的转速为ω,叶片长度为L,三叶打板安装高度为h,那么三叶打板产生的风力,在距离三叶打板中心的水平距离为x、高度为y,可用下面的圆锥曲线方程来表示

y2=x(x-1)×(h-x)/(h-1)

(5)

2)假设三叶打板的叶片形状为圆环形,半径为r,三叶打板的转速为ω,那么三叶打板产生的风力,在距离三叶打板中心的距离为d、高度为h,可用下面的球面曲线方程来表示

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

(6)

其中,x、y、z分别表示三叶打板产生的风力矢量在三个坐标轴上的分量。

4.4 主要零部件的参数计算

破壳机(样机)选用电机型号为Y160L-8,电机功率7.5 kW,转速720 r/min,额定电流15.4 A,额定电压380 V,频率50 Hz,使用带传动和齿轮传动,传动方案简图如图9所示。

1.电机;2.大带轮传动;3.齿轮传动;4.挤压滚筒;5.三叶打板;6.小带轮传动

5 轴的设计

5.1 轴的材料及选择

轴的材料选择45钢,经调质处理。

先初步估算轴的最小直径。根据《机械设计手册》[12]表15-3,取d0=706 mm2,得

(7)

得出dmin=28.75 mm,选取d1=30 mm。

由于轴较长,为降低制造加工难度,故选调心球轴承,根据轴承的尺寸确定d1=30 mm,轴承选用6208,选取d2=40 mm,d3=50 mm,d4=60 mm,L1=80 mm,L2=65 mm,L3=50 mm,L4=1 020 mm。主动滚筒轴结构示意图,如图10所示。

图10 主动滚筒轴结构示意图

5.2 轴的受力分析与校核

1)主动轴传递的扭矩

(8)

式中P—传递功率,6.9 kW;

n—输入转速,n1=720 r/min;

带入公式可得,T=91.5 N·m。

轴的受力分析:

水平面的受力分析得,F1=142 N;

垂直面的受力分析得,F2=251 N。

计算轴的弯矩:

水平弯矩

MH1=F1L1=168 N·m

(9)

垂直弯矩

Mv1=F1L1=133.1 N·m

(10)

合成弯矩

(11)

2)按弯扭组合强度条件校核轴的强度

根据下列公式,取α=0.6,则有

(12)

式中σc—轴的计算应力,MPa;

Mca—轴所受的弯矩,N·m;

T—轴所受的扭矩,N·mm;

由式(12)计算可得σca=45.65 MPa。

σca<[σ-1]=60 MPa

(13)

所以主动轴安全,符合要求。

6 三叶打板静力学仿真分析

本文根据关键部件的设计分析,在SolidWorks软件中对文冠果破壳机关键部件进行三维建模,经过校核检验,证明各结构参数符合设计要求,零部件之间不存在干涉现象。此外,使用SolidWorks-Simulation 静应力新算例程序进行应力测试。测试中,将三叶打板暴露在逐渐增加的载荷下,记录每个部位的最大应力,并进行求解分析。通过试验分析得到,三叶打板在受到逐渐增加的载荷后,最大应力出现在三叶打板离轴心最远段处,但没有超过材料的屈服力,获得三叶打板的应力-应变模拟状况后,得到相应应力和位移变形结构比较图(图11)。

图11 三叶打板应力和位移变形结构比较图

由静力学程序运行结果分析可知,三叶打板的最大应力为60 MPa,远小于三叶打板材料的屈服强度极限,最大位移变形量为0.30 mm,最大应变量为0.34 mm。对文冠果破壳机三叶打板结构而言,此影响可忽略不计,故三叶打板选材合理,能够满足作业强度要求,可以提高产品的质量和稳定性。

7 结语

1)本文设计了一种能够同时完成分选、分离为一体的文冠果破壳机。介绍了文冠果的物理特性参数、受力特性,以及三叶打板和挤压滚筒配合进行二次破壳的工作原理,对文冠果破壳机各工作部件进行了分析。

2)本文进行多次仿真模拟试验和结构参数优化设计,对零部件之间的配合进行了干涉检查,机具各主体结构进行了结构原理分析,确认结构设计合理。另外,对三叶打板进行了静力学仿真分析,仿真结果表明,三叶打板转速为200~300 r/min,最高叶端线速度可达15 m/s;挤压滚筒转速800 r/min,圆周速度为15~30 m/s,能够有效分离文冠果的果仁与果壳,满足机械化开发的要求,改良和完善现有的生产结构。

3)本文设计的文冠果破壳机对文冠果的产后加工具有重要意义,可为新疆维吾尔自治区带来数亿元的经济收入。通过机械化作业,极大方便了人们对文冠果的食用,降低了劳动强度和加工成本,为文冠果产业的可持续发展提供有力支撑。

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