青核桃块状去皮机的研制

2015-12-20吴东泽郑甲红梁金生牛硕雅陕西科技大学机电工程学院陕西西安710021

食品与机械 2015年5期

吴东泽郑甲红梁金生牛硕雅（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021）

核桃是世界著名的四大干果（核桃、扁桃、板栗、腰果）之一，其经济、生态、社会效益极高，是一种分布和栽培遍及世界五大洲的广域经济树种，在中国有2 000多年的栽培历史，并逐渐由中国的西部扩展到黄河流域［1－5］。核桃去青皮机械在美国、加拿大和澳大利亚等核桃种植大国已经相当成熟，并且形成了一定的规模，脱皮原理通常为挤压、揉搓、刷洗、切割等［6－8］。陕西省是核桃生产大省［9］，在核桃产业大发展时期，核桃初加工机械也应随之发展，并大力服务和推进核桃产业的发展。核桃采收后，要求尽快脱皮，否则易霉变。传统的“堆沤脱皮法”，劳动强度大，效率低。目前市场上的青核桃去皮机械按原理可分为三类［10，11］：① 鼠笼滚筒式去青皮机；② 旋切滚筒式去青皮机；③ 钢刀毛刷旋转式去青皮机等。这些设备都会不同程度地将青皮打成泥状，污染环境，腐蚀设备。

针对陕西省大面积种植的采收前喷洒乙烯利和萘乙酸溶液［12］催熟的青核桃，本试验拟设计一种采用剥离方式去皮的核桃去皮机。结合青核桃青皮与核桃硬壳的生物机理，分别对陕西省商洛、商州、咸阳、铜川等各大种植区的青核桃取样研究，确定满足要求的机器方案。

1 总体设计

1.1 去皮原理

去皮原理示意图见图1。将成熟的青核桃投入进料口，电机驱动内圆筒转动，在内圆筒转动及重力G作用下带动青核桃进入揉搓去皮工作区，随着内圆滚筒和外圆固定筒之间的间隙逐渐减小，青核桃转到合适的位置时开始受到内外筒的挤压力F1和F11以及剪切力F2和F22作用，内滚筒继续旋转，挤压力达到上述试验所得的破损力时，青皮破裂，最终实现揉搓剪切将青皮去除。

图1 去皮原理示意图Figure 1 Schematic diagram of peeling principle

1.2 方案确定

根据上述去皮原理对机器方案进行确定见图2，主要包括机架、进料口、转动内圆筒、固定外圆筒、分离筛等组成部分。此方案优势是结构简单，操作方便，机器体积小，方便单户使用，解决了当前去青皮机器将青皮打成液汁状的问题。其核心原理采用脱皮滚筒与外筒对青皮核桃进行滚动、挤压，实现揉搓，破坏青皮与核桃的结合面，使之分离，并利用挤压力在转动的脱皮辊筒与外筒间产生挤压及摩擦，将青皮剪开、剥离；根据需要还可增加钢丝毛刷将少量未剥净的青皮清除。本方案的动力由电动机输出，经过减速器减速后，带动转动滚筒和分离机构的曲轴，实现青核桃的去皮以及分离。

图2 青核桃去皮机结构示意图Figure 2 Schematic diagram of green walnut peel machine structure

1.3 技术要求

根据实际生产要求及文献［13］和［14］，确定青核桃脱皮机的技术指标为：

（1）外形尺寸：620mm×560mm×1 100mm；

（2）配套动力：1.5kW；

（3）生产率：2 500kg/h；

（4）去皮率：≥92%；

（5）破碎率：≤5%；

（6）单机造价：≤2 000元。

2 关键部件的设计与工作原理

2.1 相关设计

2.1.1 相关尺寸确定设计内滚圆筒长度500mm，直径360mm；设核桃尺寸为50mm，核桃沿轴向排列时的间隙为20mm，核桃在周向排列时的间隙为20mm。

沿轴向的核桃数n：

由弧长公式求出约在工作区可分布核桃的排数N：

2.1.2 相关转矩计算由图3可知，沿工作区周向的7排核桃中，有3排核桃参与揉搓挤压变形，靠近入口的3排在滚动过程中起到导向作用，靠近出口的一排为已去皮的核桃；已知有变形核桃的变形量：50.00－49.25＝0.75mm；50.00－43.09＝6.91mm；50.00－39.55＝10.45mm。

图3 青核桃在去皮过程中的排列图Figure 3 The green walnut arrangement diagram in the peeling process

由于核桃在挤压剪切过程中有一段导向距离，所以只能保证青核桃在去皮过程中是沿着X、Y和倾斜3个方向挤压揉搓的，但不能确定具体挤压的是哪个一个方向，即根据压力试验过程中的试验数据，选取3个方向上变形量对应的最大力。

由图4可知：0.75对应的力约为4kg；6.91对应的力约为31kg；10.45对应的力约为22kg。

图4 变形量与试验压力的关系图Figure 4 Diagram of the relationship between deformation and pressure test

所以在生产过程中产生的力矩

初步设计转动内圆筒转速为30r/min，通过求得的转速及力矩可进行电机的选择。

2.2 青皮剥离机构

为了综合考虑青皮剥离的生产效率，降低核桃的破碎率以及增加青皮的利用率，最终采用揉搓剪切去皮原理，实现核桃青皮剥离过程。剥离原理采用内外偏心安装圆筒实现，内圆筒转动外圆筒固定。此方案解决了3个问题：①可连续喂料保证生产效率；② 固定外圆筒内表面和转动内圆筒外表面附有网格型橡胶降低去皮过程中核桃的破碎率；③ 采用揉搓剪切剥离青皮，剥离的青皮是成块掉落，便于青皮的收集利用同时减少环境污染。当青核桃进入内外圆筒之间时开始会有一段起到导向作用的距离，继续旋转间隙逐渐减小，青核桃被挤压剪切。

2.3 分离机构的设计

如图5所示，分离机构采用曲柄摇杆机构，主要包括分离筛、连杆、曲轴。工作原理是青核桃经过揉搓剥离后，大部分青皮都与核桃分离，还有一小部分青皮与核桃相连，掉入抖动的分离筛后，经过分离筛的抖动摩擦以及核桃相互之间的挤压，全部的青皮都会分离并通过栅条筛子进行分离。筛子采用6号螺纹钢筋焊接制成，筛底为栅条状，相比网格筛的优点是能有效减少青皮及核桃的堆积现象，经过大量的实验测量测得已去皮的核桃的最小尺寸31mm，考虑到钢筋和核桃的微小变形，所以确定两钢筋之间的距离25mm。筛底向核桃出料口倾斜15o，保证晃动分离筛的过程中核桃能够向出料口流动。

图5 分离筛俯视图Figure 5 Top view of separation sieve

3 去皮机的试验

针对上述原理对去皮机器进行试制并作出相关试验。试验材料为大面积种植的矮化新品种—“香玲”。采用变传动比的方式改变内筒的转速，对内筒的转速进行5次转变试验，用转速表实测转速分别为 30.0，42.0，55.6，70.0，78.0r/min；配套电机为 Y90L－4 1.5kW 农用机械专用电机；根据青核桃及坚果的外形尺寸调整内外筒之间的间隙。启动机器运转正常后，从入料口加料。经过试验发现，最理想效果为：转速55.6r/min时，去皮率为98.33%，破损率为2%，生产率约为2 200kg/h。

4 总结

结合目前市场上去青皮设备存在的问题，通过采用揉搓剪切原理剥离青皮的方式，使得青皮在剥离过程中保持小块状，容易收集，对机器以及环境造成的污染小。本设计的特点：① 进行揉搓强度、揉搓时间、挤压力与青皮破碎率和剥净率的关系的试验和理论分析；② 对青皮的剥离不进行切削，避免了现有切削剥离方式的弊端；③ 结构简单，操作方便，经济安全。

1 韩华柏，何方.我国核桃育种的回顾和展望［J］.经济林研究，2004（3）：45～50.

2 杨忠强，李忠新，杨莉玲，等.核桃脱青皮技术及其装备研究［J］.食品与机械，2013，29（6）：121～124，142.

3 吴子岳.绵核桃剥壳机的研究设计［J］.食品与机械，1995（3）：22～24.

4 冯连芬，吕芳德，张亚萍，等.我国核桃育种及其栽培技术研究进展［J］.经济林研究，2006（2）：69～73.

5 王炜，李鹏霞，伍玉洁.我国核桃发展现状及贮藏研究概况［J］.农产品加工（学刊），2007（4）：63～66，86.

6 Andersen N G.Machine for fulling nuts：US，2208239［P］.1940—07—16.

7 James C Hamiltion. Hulling apparatus and method： US，7302886B2［P］.2007—12—04.

8 William R Ham.Nut shelling apparatus：US，5404809［P］.1995—04—11.

9 刘广振.陕西省核桃产业发展现状与基地建设对策研究［D］.杨凌：西北农林科技大学，2011.

10 王亚妮，卢军党，王维，等.一种青核桃去皮机的设计与试验研究［J］.包装与食品机械，2014（1）：32～34.

11 王维，刘东琴，王亚妮，等.一种实用型青核桃去皮机的设计与试验［J］.包装与食品机械，2014（3）：14～16.

12 张建国.喷洒乙烯利和萘乙酸混合液促进核桃果皮开裂的研究［J］.林业科技通讯，1990（6）：23～25.