巴旦木壳仁分离机的试验研究

吐鲁洪·吐尔迪，杨会民，阿依木妮莎·拜克热

(新疆农业科学院 农业机械化研究所, 乌鲁木齐　830091)

0　引言

目前，新疆巴旦木种植面积6.67万hm2，产量7万t左右。国内市场上出售的巴旦木仁大部分是靠手工或简易坚果机砸取，壳仁通过手工分离，劳动生产率非常低，导致巴旦木仁的卫生状况难以达到食品卫生标准。国内巴旦木壳仁分离加工技术装备的研制现处在起步阶段，因此加快巴旦木初加工设备的研制迫在眉睫。对巴旦木破壳后的壳仁分离是巴旦木进行深加工前的一项重要处理工序，现国内尚无成熟的巴旦木壳仁分离设备应用于实际生产中，企业主要还是通过简单的坚果加工设备解决巴旦木壳仁分离问题，效率低，劳动强度大，制约了巴旦木产业的发展。常用坚果壳仁分离机如图1所示。现新疆杏加工厂和巴旦木加工厂进行杏核壳仁分离和巴旦木壳仁分离基本上都用该机型，其优点为结构简单、操作方便；缺点是分离效果不理想，杏仁和巴旦木仁中含杂率较高，还需要人工分拣。

通过市场调研，该坚果分级机机型在新疆杏核加工和巴旦木加工企业占用比例较大(20台)。因加工的杏仁和巴旦木仁中含杂率较高，还需要人工分拣，致使劳动强度大、成本高，很多坚果分级机闲置没用。为此，在该机型的基础上进行了改进设计，增加了负压清选系统，研制出一种结构简单、工作可靠、分离效果理想的巴旦木壳仁分离机。

1　主要结构和工作原理

1.1主要结构

巴旦木壳仁分离机主要由机架、摇杆、曲柄连杆、电机、风机壳、风机、鱼鳞振动筛、负压清选系统、负压离心机、皮带输送机、风道和旋风降尘器组成，如图1所示。

图1　常用坚果壳仁分离机

1.2工作原理

破壳后的巴旦木通过输送器输送，壳仁在输送器出料口下落过程中，巴旦木仁较重下落速度相对快，破壳后的巴旦木壳比巴旦木仁轻下落速度慢，从而将巴旦木壳和仁分离；通过负压系统将密度较小的巴旦木碎壳和粉尘吸附到旋风降尘器里，避免污染环境，较大的巴旦木壳和果仁落至鱼鳞振动筛上；振动筛采用物料上行运动体制，振动面采用单层筛面，鱼鳞振动筛通过曲柄连杆机构运动；鱼鳞振动筛下有风机，风选机采用吹气式的气流供应方式,风机产生的气流通过鱼鳞孔向上吹，由于破壳后巴旦木果壳分成1/2、1/3、1/4等相对果仁较轻，在风力及鱼鳞振动筛的作用下，物料处于疏松状态并迅速得到分层。由于巴旦木壳质量较轻且悬浮速度较小，在碎壳与巴旦木仁分离过程中，巴旦木壳浮在物料上层，而质量较大的巴旦木仁沉入物料底层与筛面接触，从而实现了自动分级。巴旦木仁表面粗糙，在鱼鳞振动筛振动作用下向上运动从上出料口排出；巴旦木壳表面光滑在鱼鳞振动筛振动作用下(鱼鳞振动筛倾斜)向下运动从下出料口排出，完成壳仁分离。

1.仁出料口　2.机架　3.摆杆　4.曲柄连杆　5.电机 6.风机壳　7.农用风机　8.鱼鳞振动筛　9.负压清选系统吸口　10.壳出料口 11.负压离心机　12.皮带输送机　13.振动筛角度调节螺栓　14.风管　15.旋风降尘器

2　关键部件的设计

2.1负压系统

巴旦木破壳机通过三级破壳将巴旦木核破壳后，壳分成1/2、1/3、1/4及细小杂质，用现有坚果分离机很难将壳和仁分离，分离效果不理想，分离后巴旦木仁中含杂率较高，还需要人工分拣。设计的负压系统是在负压气流流场下利用巴旦木仁和壳的物料悬浮速度的差异，将1/3、1/4和细小杂质与仁分离出来。

工作原理：负压离心机启动后，风管与负压离心机连通，风管内产生气流，负压清选系统吸口将皮带输送机输送的壳仁在落入坚果分离机时，将1/3、1/4和细小杂质吸入旋风降尘器；杂质进入旋风降尘器后，气流在旋风降尘器内做旋转运动，气流中的碎壳在离心力作用下向外壁移动，到达壁面，在气流和碎壳重力作用下，碎壳落入旋风降尘器内，达到将碎壳分离目的。

旋风降尘器设计参数主要包括旋风降尘器高度、旋风降尘器筒体直径和旋风降尘器锥角。

1)旋风降尘器高度。旋风降尘器高度涉及到进入筒体的碎壳停留时间和效果，设计经验一般旋风降尘器高为筒体直径的1．5～2.0倍。

2)旋风降尘器筒体直径。旋风降尘器筒体直径越小，碎壳所受的离心力越大，除杂效果越高；但过小容易引起旋风降尘器堵塞，降低工作效率。该旋风降尘器筒体直径设计为800mm。

3)旋风降尘器筒体锥角。旋风降尘器筒体高度一定时，筒体锥角不易过大，否则影响吸碎壳效率。设计角度在13°～15°之间。

2.2鱼鳞振动筛倾角调节设计

在参考文献〔1〕中论述了单个杏仁在振动筛面上的运动分析，分析了单个杏仁在鱼鳞振动筛面上受筛面的倾角α°、仁的质量G(kg)、仁与筛面的摩擦角ψ(°)、气流穿过物料层的速度v(m/s)、仁与壳漂浮系数K、物料迎风面积f(m2)、振动方向与铅垂线夹角β及空气重度γ(N/m3)等因素的作用。同时，推导出仁在筛面上的运动公式。

仁沿筛面下滑，曲柄的临界转速为

(1)

仁沿着筛面上滑时，曲柄的临界转速为

(2)

在生产使用的坚果分级机在使用过程中发现：壳仁在振动筛上不是单个壳仁运动而是受到周围其它壳仁干扰和影响，机械干扰因素较多，地面不平也影响分离效果。分离效果主要与鱼鳞振动筛倾角有很大关系。原坚果分级机在制造过程中，风机转速、振动频率、鱼鳞筛倾角为固定值，鱼鳞振动筛倾角通过摆杆长度调节，调节很不方便，两边摆杆调节精度不一致，导致壳仁分离不理想。用简易方法在机架安装机座，在机座下安装有振动筛角度调节螺栓，通过调节螺栓进行微调倾角，可达到壳仁分离效果。

3　试验内容与方法

3.1试验内容及其评价指标

1)巴旦木破壳后壳仁的物理特性。根据现设计的巴旦木壳仁分离机结构，巴旦木的物理特性主要以巴旦木的碎壳和仁的外形尺寸进行评价。

2)壳仁分离作业性能。以壳仁分离率和纯小时生产率评价。

3.2试验方法

目前，新疆巴旦木品种有48个，种植面积较大的主要有4个品种。现主要以硬壳巴旦木加工为主，本试验中采用的巴旦木是新疆莎车县国营二林场果园产地的3号巴旦木品种。

3.2.1破壳后壳仁物料形态尺寸特征分析与测定

由于巴旦木核在加工时一般采用挤压和揉搓原理，在受到挤压和揉搓力的作用下，巴旦木核多数易于厚度方向开裂，极少部分沿着其缝合线开裂。由于该破壳过程使用的破壳机为三级破壳三级分离筛，相对一级破核，壳破碎形状大小不一致，所以测量的对象主要为巴旦木仁与巴旦木核破碎后中壳和小壳，筛孔的尺寸要以两者中尺寸较小的确定，从这两种物料中随机取样6次进行重复试验，每次从这两种壳仁物料中随机各取样100个，取其平均值。测量数据如表1所示。

表1破壳后巴旦木壳仁物料特性尺寸测定

Table 1Determination of material properties of almond shell and kernel size after the shell

次数巴旦木仁尺寸(长、宽、厚)/mmA1B1C1小壳尺寸(长、宽、厚)/mmA3B3C3127．58．212．17．83．32．8228．78．411．86．64．23．5331．29．210．28．75．64．6

续表1

通过对上述巴旦木仁及巴旦木壳两种物料在外形尺寸上的测定，发现巴旦木仁与巴旦木核破碎后中壳在厚度方向上存在显著差异，而壳的厚度尺寸将作为选取振动筛筛孔高度尺寸。鱼鳞筛孔尺寸A﹤7mm、B﹤4mm、C﹤3.5mm,如果大于该尺寸，小碎片就会落入风机壳内，导致风机无法工作或高速运转的风机敲打碎壳发生火灾。

3.2.2负压系统分离参数的选择

影响风选系统的因素主要有风机转速、风管直径和吸口大小。风机转速由德力西变频有限公司生产的CDI-E180G2R2T4B变频调速器控制，该试验设计在风管尺寸一定条件下，考虑风机转速和吸口大小对壳仁分离效果进行正交试验，如表2所示。

表2负压系统壳仁分离试验因素与水平设计
Table 2Negative pressure system shell kernel separation test factors and the level of design

水平喂入量A/r·min-1倾角B/(°)风机转速C/r·min-1120102602251528033020300

3.2.3试验指标

在巴旦木负压系统壳仁分离试验中，只需要考虑壳中的含仁率和仁中的含壳率两个指标。

3.2.4负压正交试验分析

利用风机产生的负压把密度较小的坚果外壳吸进旋风降尘器进行分离，而比重较大的壳落入振动分级筛上。负压系统正交试验结果如表3所示。通过表3可以看出：影响壳仁分离效果的主要因素为B(吸风口)，吸口越小吸力越强，壳中含仁率越高；吸风口越大，吸力越弱，吸壳量越少，风选效果差。通过正交试验设计的负压式风选系统可知：B2对壳仁分离影响较大，控制风口的大小350mm×200mm×150mm,可以很好地控制巴旦木仁的损失与含杂率。

表3　负压系统正交试验结果

3.2.5振动筛壳仁分离参数的选择

影响振动筛的因素较多，包括筛面倾角、风机转速(风量)、喂入量、振动方向角、曲柄旋转的角速度(振动频率)、曲柄长度(振幅)、筛面倾角、振动频率和曲柄转速。该试验在其它因素不变的条件下选取筛面倾角、风机转速和喂入。试验因素及水平设计如表4所示。

表4巴旦木壳仁分离试验因素与水平设计

Table 4Almond shell kernel separation experimental factor and level design

水平A风机转速/r·min-1吸风口(长×宽×高)/mm1500300×150×1002550350×200×1503600400×250×200

3.2.5.1试验指标

在巴旦木壳仁分离的试验中，主要考虑两个评价指标，即壳中含仁率D(%)和仁中含壳率E(%)。在振幅一定条件下，决定选取振动筛面倾斜角、风机转速和喂入量为试验因素。各因素的变化范围是：物料喂入量取20～30kg/min，风机转速取260～280r/min。在不考虑各因素之间交互作用的情况下， 进行3因素3水平正交试验，如表5所示。

3.2.5.2振动筛壳仁分离性能正交试验分析

通过表5的直观分析可知：3个试验因素对巴旦木壳仁分离效果的影响大小依次为B>C>A。当鱼鳞振动筛的倾角为15°、风机转速为280r/min、喂入量为25kg/min时，通过计算各因素的水平和，求出平均值，可分析各因素水平的变化对壳中含仁率D(%)和仁中含壳率E(%)的影响，从而找出各因素的最好水平。从表5中分析结果可以看出：当取A2B2C2时，壳仁分离率指标较好。

表5　振动筛试验性能结果

4　结论

1)试验发现：风机出料口位置相对与筛面位置偏上时，顶部风速普遍较低，在偏下位置筛面风速较高；当物料较少时，筛偏下位置的气流将壳和仁吹到出仁口上端，壳和仁难分离，分离效果较差。如果得到较好的分离效果，鱼鳞筛上端2/3处筛孔要大于下端筛孔1～1/2倍。

2)倾角的大小与振动筛的处理量和分离效果有密切关系。通过试验发现：倾角过大,壳中含仁率较高；倾角过小，仁中含壳率增多。试验表明：在振动频率和风机转速一定条件下，振动筛倾角在15°时分离效果较好。

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