6HP-400型锥篮式破壳机设计及试验研究

2021-05-17

包装与食品机械 2021年2期

（陕西省农业机械研究所，陕西咸阳 712000）

0 引言

核桃是陕西主要经济树种之一，也是种植群众最多的经济林树种。据陕西统计年鉴统计：截止2018年底，全省核桃面积为78万公顷，总产量30万吨［1］，面积、产量居全国第二位。目前，陕西已形成了陕南秦巴山区、渭北旱原两大核桃产区。商洛市和黄龙、镇安、洛南等县已先后被国家林业局授予“中国核桃之都”和“中国核桃之乡”称号［2-5］。

随着核桃盛果期的来临，陕西核桃产量迅速提高，原核桃销售市场趋于饱和，核桃的精深加工越来越被重视，为推动核桃产业的精深加工的深度发展，解决人工效率低下、卫生条件差、成本高的问题［6-7］，近年来核桃机械化破壳出现了研究热的现象。史建新［8］研究了弧板滚筒挤压式核桃破壳机的分级滚筒的转速、锥角以及挤压滚筒的的大小对破壳效果的影响。董诗韩［9］针对多辊挤压式核桃破壳机主、从动辊转速，以及最小间距对破壳效果的影响。李忠新［10］设计了锥篮式核桃破壳装置，分析在不同锥度下破壳效果。目前大多数设备存在调节不方便、破壳性能差，且难以满足生产线规模化生产要求。为了解决上述问题，本文设计一种柔性剪切挤压破壳装置，通过定筒周向游动和动筒线速度的实时调节，有望提高核桃破壳率。该设计可为核桃机械化破壳提供参考。

1 主要结构、工作原理及结构特点

1.1 主要结构

6HP-400型锥篮式破壳机主要由变频器、进料斗、蜗轮减速器、电机、机架、动筒、定筒及收料斗组成，见图1。

图1 6HP-400型锥篮式破壳机结构Fig.1 Structural diagram of 6HP-400 cone-basket sheller

1.2 工作原理及结构特点

首先接通电源，打开变频器，根据核桃的大小、壳厚，调试至最佳频率，打开频率旋钮，变频器控制电机转速，电机与蜗轮减速器通过键连接，蜗轮减速器将动力传递给动筒轴，带动动筒旋转，动筒和定筒在周向上形成破壳区，核桃从进料斗喂入，核桃在重力的作用下掉落至动筒的上台面，通过动筒的旋转使核桃进入破壳区，为了使核桃顺利进入，定筒上半部分筒壁光滑，下半部分采用去除材料的方法加工成三段栅条状结构。定筒分三段加工成栅条状结构，一方面确保定筒结构的强度与刚度，防止型材加工出现变形；另一方面防止长期加工核桃出油，导致内筒壁渗油打滑，栅条状结构在挤压过程中有利于核桃破壳过程中的裂纹扩展，提高破壳率。动筒的锥度为6°，根据物料的基本物理特性不同，动筒与定筒的游动间隙可调，动筒与定筒最小处间隙可调，动筒轴的转速可调，可适应不同壳厚、不同大小的核桃破壳。

1.3 主要技术参数

主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数性能指标Tab.1 Performance indexes of main technical parameters

2 关键部件的设计

2.1 变频装置的设计

根据GB/T 20398—2006《核桃坚果质量等级》和用户分级标准，同一品种的核桃按横径分为三个等级，结合前期研究［11-14］，不同等级核桃的基本物理参数不同，破壳时需要的挤压剪切力不同，因此为设备增加变频装置，变频器控制电机转速，电机与蜗轮减速器直连，直接控制动筒的转速，见图2。为了提高设备通用性，控制器上3个频率旋钮，旋钮频率的值可以根据需要通过试验确定。

图2 变频器控制图Fig.2 Control diagram of frequency converter

2.2 定筒和动筒结构设计

定筒和动筒是锥篮式破壳机的关键部件，对破壳的质量有着至关重要的影响，主要功能是将核桃硬壳破开，以便桃仁与硬壳分离，动筒采用花纹钢，设计为圆锥形，锥度为6°，上端面封闭，轴线方向有旋转轴，上端与蜗轮减速器连接，下端与机架连接。核桃通过进料斗进入掉落到动筒的上端面，随着动筒的旋转甩进破壳区。定筒为圆柱形，上下端均有法兰与机架通过螺栓连接，安装时，连接螺栓直径均小于法兰孔径2～4 mm，使定筒在圆周方向游动。防止定间隙挤压造成桃仁表面损伤和碎仁率增加。考虑到结构件的强度和表面的粗糙度，将定筒破壳区设计为三段栅条，以提高破壳率。定筒结构如图3所示。

图3 定筒结构图Fig.3 Structural diagram of stationary cylinder

3 试验及检测结果

3.1 试验物料基本物理特性

图4为陕西黄龙地区主产的香玲核桃，该品种果形为圆形，果基较平，果顶微尖，壳面光滑美观，浅黄色，缝合线窄而平，结合紧密，香玲核桃品种可取整仁。核仁充实饱满，味香不涩，出仁率65.4%，种仁出油率为65.3%左右。

图4 陕西香玲核桃Fig.4 Shaanxi Xiangling walnut

每次取不少于10个核桃，共取3次，测量平均果重、仁重、横径、棱径、纵径、壳厚，待测物料的基本物理参数如表2所示。

表2 香玲核桃的基本物理参数Tab.2 Basic physical parameters of Xiangling walnut

3.2 试验指标

性能试验时，每次加工的核桃不少于小时生产率的10%，且不少于50 kg。试验开始前，在待加工的核桃中分三次随机取样，每次取样不少于10个核桃。

（1）破壳率

在破壳机出口处分3次随机取样，每次取样不少于1 kg，共取3次，人工挑选出破壳的核桃，并称重，按下式计算破壳率。

式中 Q1——破壳率；

m1——已破开物料质量，kg；

M ——样品核桃总质量，kg。

（2）高露仁率

高露仁为核桃仁中大于或等于四分仁的核桃仁，与破壳率同时测定，人工挑选出路仁为高露仁的核桃仁，按下式计算高露仁率。

式中 Q2——高露仁率；

m2——高露仁质量，kg；

M1——核桃仁总质量，kg。

（3）半仁率

与破壳率同时测定，人工挑选出路仁为半仁的核桃仁，按下式计算半仁率。

式中 Q3——半仁率；

m3——半仁质量，kg；

M1——核桃仁总质量，kg。

（4）壳仁分离率

与破壳率同时测定，人工挑选出用手容易分开的核桃壳、仁，按下式计算壳仁分离率。

式中 Q3——壳仁分离率；

M4——容易分离的核桃壳、仁质量，kg。

3.3 试验结果及检测结果

3.3.1 试验结果

在不考虑交互作用的情况下［15］，采用 L9（34）正交表安排试验，通过3因素3水平的正交试验分析各指标与各个因素之间的量化关系，因素的水平随机排列。因素水平、方案及结果和结果分析分别见表3、表4及表5。

表3 试验因素及水平Tab.3 Factors and level of the experiment

表4 试验方案及结果Tab.4 Scheme and results of the experiment

表5为3种试验因素在不同的水平因素组合下的核桃破壳效果指标的试验结果分析，对于不同指标而言，各因素影响程度是不一样的，故不能简单的将3个因素对3个指标影响的重要性的主次顺序统一起来。所以采用综合平衡法来得到综合优方案，评判过程如下：

表5 试验结果分析Tab.5 Analysis of test results

从极差来看，A因素主要影响高露仁率，B因素主要影响壳仁分离率，C因素主要影响半仁率，对于高露仁率和半仁率来说A因素最佳取值为A2，对于壳仁分离率和半仁率来说B因素最佳取值为B2，对于半仁率和高露仁率来说C因素的最佳取值为C1，但对客户来说高露仁的含量越高越好，且半仁率不得低于60%，故综上分析，优方案为A3B2C1，即动筒转速70 r/min，定筒与动筒最小间距19 mm，定筒游动间隙2 mm时，破壳效果较好。此时破壳率为100%，高露仁率为90.5%，半仁率为68.9%，壳仁分离率为78.8%。

3.3.2 检测结果

经陕西省农业机械产品质量监督检测总站检测，结果如表6所示。