花生剥壳机的设计

佟庆坦，王延耀，王东伟，张甜甜，韩文平，周家鹏

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)



花生剥壳机的设计

佟庆坦，王延耀，王东伟，张甜甜，韩文平，周家鹏

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

花生可以在剥壳后直接食用，也可以经深加工后制成各种产品，而剥壳是花生发挥其重要价值的必不可少的环节。目前，花生剥壳机的剥壳质量相对较低，花生仁的破碎率较高。为降低花生仁的损伤，本机器模仿手工剥壳原理，采用橡胶滚筒与橡胶凹板组成的间隙进行花生剥壳，滚筒与凹板之间的间隙可调，凹板的背面有可调节减震机构，从而完成花生的柔性剥壳。同时，该机对花生仁具有一定的尺寸分级功能，并可适应我国花生的众多品种。

花生剥壳机；柔性剥壳；二次剥壳

0 引言

我国是世界上重要的花生生产国之一，总产量、总消费量、出口量均居首位[1]。花生广泛用于加工各种食用植物油，而脱脂后的花生饼粑的蛋白粉又可以加工成各种乳制品。人造奶油、调和油、色拉油的制造都离不开花生油作为其重要原料。花生可以在剥壳后直接食用，也可以经深加工后制成各种产品，很大程度上提高了花生的经济效益。不管是简单剥壳食用，还是精加工成各种美味食品，都必须对花生进行剥壳加工，剥壳是花生发挥其重要价值的必不可少的环节[2]。

花生剥壳机是把花生荚果去除外壳而获得花生仁的作业机械。因为花生剥壳要求花生的含水率降到一定的范围内，所以在田间收获花生时，就不能一同将花生剥壳以达到花生的完全联合收获。国外一些发达国家对花生的收获采用的是两段收获法，虽然花生经过在田地的晾晒，含水率降低了许多，但也不能在收获的同时剥壳入仓[3-4]。国内目前所使用的花生剥壳机广泛采取的是搓擦式的滚筒-凹板筛结构[5-8]，其工作原理是：花生进入到剥壳机剥壳间隙内后，花生外壳因受到剥壳滚筒反复搓擦而破裂，花生仁则从凹板栅条的缝隙中出来，以达到花生剥壳的目的。然而，这种剥壳方式还不能适应我国花生的诸多品种，剥壳机构是非柔性机构；而且如果剥壳后的花生仁与花生外壳及未完全剥壳的花生混到一块，就会很容易损伤剥壳后的花生仁。其虽然减少了人的劳动、提高了生产效率，但剥壳质量相对较低，花生仁的破碎率较高，花生加工的成本也较高[9-10]。为此，笔者研制出一种剥壳原理新颖、剥净率高、破损率低的花生剥壳机，对促进花生产业发展具有重要的现实意义。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

花生剥壳机主要由剥壳装置、清选装置、喂入装置、传动装置及机架等零部件组成，如图1所示。该机采用喂入装置使花生荚果单层喂入。剥壳装置和清选装置均有两级： 第1级完成尺寸较大的花生荚果的剥壳；第2级完成尺寸较小的花生荚果的剥壳。

1.喂入装置 2.剥壳装置 3.清选装置 4.传动装置 5.机架

1.2 工作原理

该机采用橡胶滚筒橡胶凹板进行花生剥壳，主要是模仿破碎率较低的手工花生剥壳的原理，依靠转动的橡胶滚筒和橡胶凹板对花生产生挤压和搓擦，使花生荚果破裂。

工作过程：花生荚果从进料斗进入花生剥壳机，在拨料器的拨动下单层进入剥壳间隙，花生荚果在橡胶滚筒与橡胶凹板的挤压搓擦下剥壳；剥壳后的花生仁和未剥壳的花生荚果均往下下落，在风机产生的气流下，质量较小的花生壳被吹出机外，质量较大的花生荚果、花生仁和杂物下落到筛箱的第1层筛面上。由于第1层筛面只允许不大于花生仁的大小的物料下落，所以未剥壳的花生荚果便顺着第1层筛面滑落到剥壳间隙更小、筛面筛孔更小的第2级剥壳装置和清选装置继续完成剥壳任务；从第2层筛面下落到第2层筛面的花生仁及其他杂物经筛面筛选，在筛面尾部被收集排出机外。本花生剥壳机两级排出的花生仁尺寸不同，第1级的要比第2级的花生仁尺寸大，对花生仁具有一定的尺寸分级功能。

2 关键部件的设计与计算

2.1 剥壳装置的设计

剥壳装置的主要功能是将花生荚果剥壳，为后续花生仁的清选收集创造条件。针对常见花生剥壳机较易损伤花生仁的问题，模仿手工剥壳的原理，采用橡胶滚筒橡胶凹板式的脱壳方式进行剥壳。

2.1.1 滚筒与凹版间隙的确定

橡胶滚筒与橡胶凹板的间隙是花生剥壳破碎率和剥净率的关键影响因素。花生荚果以厚度方向进入间隙，间隙e须满足

e≤d+2δ

(1)

其中，d为花生仁的厚度；δ为花生在厚度方向上的壳的厚度。

当花生荚果受到橡胶滚筒与橡胶凹板的挤压搓擦，而花生仁受到的力为零时，为花生剥壳最理想的状态，此时e=d+2δ，花生仁刚好不碎。然而，花生仁有一定弹性，可以承受一定的压力，只要在其弹性范围内，就可以适当减小橡胶滚筒与橡胶凹板的间隙，以满足剥壳需求。

本花生剥壳机设计选取的是白沙荚果的尺寸(见表1)进行设计计算。所参照的花生尺寸为：花生荚果长宽厚分别为35、12、12mm，花生仁长宽厚分别为16、9、9mm。确定橡胶滚筒与橡胶凹板之间的间隙入口处的尺寸为40～45mm，出口处的尺寸为8～10mm。

表1 白沙花生尺寸参数

2.1.2 橡胶滚筒参数的确定

根据本机器花生剥壳原理，要求花生荚果为单层喂入，橡胶滚筒不能太长，否则影响花生荚果在间隙中的均匀性。考虑到橡胶滚筒的长度过短会降低花生剥壳的生产率，选取橡胶滚筒的长度为600mm。橡胶滚筒的直径直接决定着花生荚果在间隙中的所走的轨迹的长短，考虑到花生荚果的喂入角α=40°，选取橡胶滚筒的直径为D=220mm。橡胶滚筒的线速度为v=3m/s，转速为n1=60000v/πD=220r/min。橡胶滚筒上的橡胶层采取硫化压合的方式固定，橡胶层厚度为20mm。

2.1.3 橡胶凹版参数的确定

橡胶凹板主要是配合橡胶滚筒挤压搓擦花生荚果的，凹板表面也有橡胶层，橡胶层为硫化压合方式固定，厚度为20mm。凹板的宽度即凹板在滚筒轴心线方向上长度，是两个花生荚果的长度，为70mm。凹板之间采用的是套筒间隔，总共有8个橡胶凹板和7个间隔套筒，套筒的厚度为5.7mm。

2.1.4 减震机构的确定

剥壳装置减震机构的主要作用是降低花生荚果中杂物对剥壳过程的影响。当有杂物进入橡胶滚筒与橡胶凹板之间的间隙时，橡胶凹板对其挤压的力不足以使其破碎，但又超过了减震弹簧的弹力，此时橡胶凹板会绕凹板转动轴转动，直到橡胶滚筒与橡胶凹板之间的间隙足够杂物通过，或者是减震弹簧的弹力增加到足以使橡胶凹板对杂物的力达到破碎的条件。

减震机构主要由减震弹簧、弹簧销、弹簧导杆及弹簧挡板组成。弹簧导杆上有若干弹簧销孔，其安装位置不同，减震机构弹簧的弹力就不一样，橡胶凹板对花生荚果剥壳过程的减震效果也不一样。剥壳机上有众多调节机构，可以适应不同尺寸的花生荚果。

2.2 清选装置的设计

剥壳后的混合物中混有花生仁、花生壳及未完成剥壳的花生荚果，必须对其分离清选。未剥壳的花生荚果要送到后面的二级剥壳机构再次剥壳；已完成剥壳的花生荚果要对其清选，清除出破碎的花生仁、细小的花生壳及细小杂物。花生仁经过清选后，质量和和清洁度提高，尺寸均匀，有利于运输、贮存和后续加工。清选出的小粒花生仁和破碎花生仁还可以作为饲料或者加工原料。

2.2.1 筛箱的确定

筛箱的作用主要是根据混杂物尺寸的差异，利用其两层运动的筛面将花生荚果、花生仁及细小杂物分离。在筛箱的第1层筛面，筛孔的尺寸小于花生荚果的尺寸，大于花生仁的尺寸，所以未被剥壳的花生荚果不能通过筛面，只能向筛尾移动进入后面的剥壳装置或剥壳机外的收集箱；而花生仁可以通过第1层筛面落到第2层筛面上。在筛箱的第2层筛面，筛孔的尺寸小于花生仁的尺寸，花生仁不能通过筛面，只能向筛尾移动，经筛尾的收集通道便可经出仁口排出；而和花生仁一同落到第2层筛面上的细小杂物，则通过第2层筛面被排出到花生剥壳机的机外。

筛面选择的是平面筛，筛孔为长圆孔，沿纵横方向呈交错分布。长圆孔的工作尺寸是筛孔的宽度 ，筛孔长度虽非筛子的工作尺寸，但对物料的分离性能有很大影响。筛孔的配置为棋形。

白沙花生荚果长宽厚分别为35、12、12mm，花生仁长宽厚分别为16、9、9mm。查找《农业机械设计手册》的表22-2-5确定筛孔尺寸[11]，如表2所示。筛面的宽度为600mm，筛面的长宽比一般为1～2，这里取1.5，故筛面的长为900mm。

表2 筛孔尺寸参数

2.2.2 运动机构的确定

物料要通过筛孔，在筛面上要有相对运动。筛箱通过平行四杆机构与机架连接，在曲柄连杆机构的作用下，筛箱做往复运动。筛面上物料的受力分析如图2所示。

(2)

(3)

(4)

把筛面倾角α=5°、振动方向角ε=20°、物料与筛面的摩擦角φ=19°、曲柄转速n=220r/min、曲柄半径r=15mm代入式(3)和式(4)得：183.5r/min

图2 物料受力分析

2.2.3 风机的确定

风机的主要作用是利用物料在气流中的不同轨迹进行清选的，被吹物料依其飘浮特性被风吹至不同的距离，依其距离远近来进行分离。质量轻的花生壳被吹送到剥壳机外，质量大的花生仁和未被剥壳的花生荚果被吹送得近，下落到筛箱上，然后进行花生荚果和花生仁的分离。

查找有关资料[12]，可得花生剥壳后物料各成分的飘浮速度，如表3所示。

表3 各成分飘浮速度和飘浮系数

确定离心风机出口的气流速度为6m/s，风量为Qs=2400m3/h，风机轴的转速为n=880r/min，气流从风机出来后到达筛箱周围，前1/3风速最大，中间风速渐缓，后1/3风速较小。

风机的比转速为

叶轮进口直径为

叶轮外径为

D2=60μ2/πn

叶片宽度为

计算得风机叶片的尺寸如图3所示。

图3 风机叶片

风机采用双面进气，风量通过进气口面积调节，风向通过风向调节装置调节；叶片平直型，叶片的数量为4个。风机吹出的气流方向与水平面夹角为25°，风机外壳为1mm的白铁皮。

2.3 喂入装置的设计

花生剥壳机工作时，其工作效率的大小很大程度上由喂入装置决定。在本花生剥壳机上，喂入装置的主要作用是尽量使无序下落的花生荚果单层喂入，为下面剥壳装置的有效挤压搓擦剥壳创造条件。喂入装置主要由拨料器及其传动部件组成。根据本花生剥壳机的生产率 和白沙花生荚果的百果质量[13]为153.3g，计算出拨料器的叶片数为8个。

2.4 传动装置的设计

花生剥壳机的动力来自电动机，动力在电动机转动轴处分为两路：一路动力用来满足一级剥壳机构的动力需求，电机动力经皮带减速到达一级剥壳机构的风机(即一级风机转动轴)，一级风机转动轴又通过皮带将动力传递到一级滚筒转动轴。此时，动力又分为两路：一路经皮带到达偏心轮转动轴，一路经皮带到达拨料器转动轴。从电机出来的另一路动力用来满足二级剥壳机构的动力需求，经皮带到达二级风机转动轴，再从风机转动轴经皮带到达二级滚筒转动轴[14-16]。具体传动的配置如图4所示。

1.拨料器轴 2.偏心轮轴 3.一级滚筒 4.一级风机 5.电机 6.二级滚筒 7.二级风机

3 结论

1)本机集花生剥壳、清选为一体，在第1级剥壳机构未成功剥壳的花生荚果经筛箱的筛选后进入剥壳间隙更小的第2级剥壳机构，对花生仁具有一定的尺寸分级功能。

2)本机利用橡胶滚筒与橡胶凹板之间的间隙对花生进行柔性剥壳，橡胶凹板背面还有减震机构。减震机构的弹簧弹力可以通过改变弹簧压缩长度调进行节，可有效降低花生在剥壳过程中的损伤。

3)本机的剥壳间隙的入口间隙和出口间隙均为可调，可以适应我国众多花生品种，适应性较好。

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Design of Peanut Sheller

Tong Qingtan, Wang Yanyao, Wang Dongwei, Zhang Tiantian, Han Wenping, Zhou Jiapeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Peanut can be eaten directly after shelling, and can be made of a variety of products by deep processing. Peanut shelling is an essential part to play its important value. Currently, peanut shelling quality is relatively low, and the rate of broken peanut kernel is high. In order to reduce the damage to peanut kernel, the machine imitates the principle of shucking peanut by hand, uses the space between rubber roller and rubber concave plate to shuck, the space between rubber roller and rubber concave plate is adjustable, there is an adjustable damping mechanism on the back of the concave plate, thus peanut is shucked flexible. The machine has the function of size grading of peanut kernel, and can adapt to many varieties of Chinese peanut.

peanut sheller; flexible sheller; secondary sheller

2016-01-04

公益性行业(农业)科研专项(201203028.9)

佟庆坦(1991-)，男，山东梁山人，硕士研究生，(E-mail)qingstein@163.com。

王延耀(1957-)，男，山东青州人，教授，硕士生导师，(E-mail)wyy57@126.com。

S225.7+3

A

1003-188X(2017)02-0112-05