螺旋式花生脱壳机的设计

钱 巍

（鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030）

花生是世界上主要的经济作物和油料作物[1]，在我国种植面积大、分布区域广[2]主要集中山东、河北、河南、辽宁、安徽等地区。近年来我国花生产业不断发展，截至到2018 年底，花生总产量达1 733.6×104t，我国已经成为花生生产及出口大国[3]。去壳花生和花生制品是出口市场的主要类别，但花生在脱壳过程中容易受到机械损伤，破损的花生容易发生霉变，产生黄曲霉素危害人身健康[4]，这就要求在花生的加工过程中尽力避免机械损伤，实现花生脱壳的机械化和自动化。因此，研制脱壳破碎率低、生产效率高的花生脱壳机械显得非常必要。

1 结构和工作原理

针对花生脱壳过程中出现的问题，设计了一种螺旋式花生脱壳机，如图1 所示，主要包括喂料斗、螺旋式辊轮、清选风机、电机和减速装置、机架等部分。花生果喂入脱壳机后，经过螺旋式辊轮和料斗内棱的碾压和揉搓作用，花生壳被挤压破碎，破碎的花生壳和脱出的花生仁被螺旋纹向下挤压进入出料口，进入风机清选机构。由于受到风机的气流作用，花生壳因比重小被气流吹入花生壳收集装置，而花生仁比重大，继续往下运动，落入花生仁收集装置，从而实现花生脱壳。

2 关键部件的设计

2.1 受力分析

刘红利等[5]通过对两个花生品种进行脱壳力学试验发现，对于两种花生品种，顶压和正压破壳力比较接近，侧压破壳力最大且为74.6 N。破壳力受花生品种以及花生脱壳施压部位影响比较明显。螺旋式辊轮的倾斜度为45°，在花生脱壳过程中，将花生通过喂料斗喂入其带有倾斜角度的槽中，使花生受正向压力或侧向压力。令N=80 N，花生果受力情况如图2 所示，则N1=N2=56.67 N。在脱壳过程中，由于螺旋式辊轮转速较慢，花生受摩擦力较小，影响可忽略不计，综合考虑将压力定为80 N可以满足脱壳要求。

2.2 螺旋式辊轮和喂料斗的设计

该装置主要采用碾压原理进行花生脱壳，脱壳过程中，螺旋式辊轮的转速较低。螺旋式辊轮的结构如图3 所示，外形设计成梯形圆台结构，侧面具有与水平方向成45°角的棱；喂料斗的结构如图4 所示，喂料斗呈V型，料斗壁上装有内棱，并且沿母线方向均布于斗内。脱壳过程中，花生通过喂料斗进入螺旋式辊轮和喂料斗的间隙，螺旋式辊轮转动过程中，花生壳将受到喂料斗内棱和螺旋式辊轮外棱的共同挤压而被碾破，随着棱纹的转动，破碎的花生壳和脱出的花生仁被向下挤压进入风机清选机构。

2.3 传动方案的设计及动力参数的选取

设计的花生脱壳机的传动方案如图5 所示。通过电动机带动，传动过程中带传动作为一级减速机构，大带轮带动锥齿轮通过啮合传动形成二级减速，带动螺旋式辊轮旋转。

按照设计要求，其工作效率为15 t/h。花生的质量按平均15 g/粒计算，其尺寸按平均值取，即花生直径d=15 mm，花生高度h=35 mm，则每1 s应脱28 粒。花生被螺旋式辊轮导向与水平成45°角，28 粒花生围成圆周的长度为l1=h×cos45°×28=693 mm。考虑到脱壳过程中，花生并非全部被导向，有的可能横向摆放，留出20%左右的余量，则实际的周长选为 l= l1×120%≈830 mm，则其平均直径 d1=l/π=830/3.14=265 mm。设定螺旋式辊轮的高度h1=80 mm，上径d2=300 mm，下径d3=230 mm，其侧面的棱为三角形剖面，高度为0.7 mm。喂料斗与螺旋式辊轮相配合，其与螺旋式辊轮配合时上宽下窄，可以使花生容易进入预定位置，脱壳彻底，且其内棱厚度为20 mm。

螺旋式辊轮的受力分析如图6 所示。螺旋式辊轮承受的扭矩 T1=n× N1× d=28×56.57×265×1/1 000=419.7 N·m；初定螺旋式辊轮速度为n=60 r/min，则螺旋式辊轮的平均直径处线速度为 v=n×π×d =0.5×3.14×265×1/1 000=0.832 m/s。由于螺旋式辊轮的工作原理以碾搓为主，当花生的撞击速度为5 m/s时花生壳才会破碎，由于v值远小于5 m/s，故忽略其对花生壳破坏的影响。

螺旋式辊轮所需功率为：P=F×v/1 000=n×N1×v/1 000=1.32 kW，根据计算的要求，现选择Y132S-6 型电动机作为动力源，额定功率3 kW，转速960 r/min。

3 结论

本文设计的螺旋式花生脱壳机融合了碾压法脱壳效率高与撕搓法破碎率低的特点，并且可通过改变轴和螺旋转子间的垫片数量来调节螺旋式辊轮和喂料斗的间隙，适应于不同花生品种的需要，也可用于其他坚果类作物，机具的适应性和通用性也较强。