高效青皮核桃处理一体机的设计与研究*

赖浩然，黎骏轩，刘雨洁，何志良，曾嘉俊

(广东工业大学 先进制造学院，广东 揭阳 515200)

0 引言

核桃是世界著名的四大坚果之一,果仁中富含多种微量元素、矿物质和维生素[1]。其种植投入较小、收益高,国内外市场对商品核桃的需求量大。我国核桃栽培面积和总产量均居世界首位[2],随着核桃产量的逐年增加,开发核桃的适时采收及适合的青皮剥离技术对于核桃后期的开发利用来说十分重要。由于青皮核桃成熟期集中、季节性强的特点,过晚采收,青皮成熟裂开时间较长,易增加虫害和霉菌感染的风险,使核桃硬壳表面产生黑斑,降低核桃品质和市场竞争力[3]。目前主流的脱青皮的方法是堆沤脱皮法和化学脱皮法,青皮核桃脱青皮的机械化程度低,而且对青皮的利用率低。

本文针对高效青皮核桃处理一体机进行研究,在保证核桃品质及去皮效率、操作简单、适用范围广的条件下,使之能够将不同尺寸核桃的青皮完整脱落,同时还能对脱掉的青皮进行提取利用。青皮含有胡桃醌成分,因此可将青皮作为原料生产染料,也可以利用青皮治疗皮肤病、胃炎、胃溃疡及十二指肠溃疡,开发药品[4-6]。而剩下的青皮渣可以作为原料制备土壤消毒剂,而且能够增加土壤的养分[7]。这样不仅提升了核桃加工的产品附加值,还能增加农民的收入。

1 一体机的总体结构和工作原理

1.1 总体结构

青皮核桃处理一体机由青皮核桃入料斗、输送绞龙、圆柱滚筒、栅格、榨汁装置、核桃青皮收集器和电机等装置组合而成。青皮核桃处理一体机总体结构如图1所示。

1-青皮核桃入料斗;2-大带轮;3-圆柱滚筒;4-输送绞龙;5-皮带;6-小带轮;7-扭矩传感器;8-电机;9-榨汁电机支架;10-榨汁装置电机;11-联轴器;12-榨汁装置;13-机架;14-核桃青皮收集器;15-核桃收集器;16-轴承支座;17-栅格支架;18-栅格;19-钢刷区

青皮核桃入料斗通过螺栓连接在栅格上,栅格通过螺栓连接固定在机架上。圆柱滚筒两端安装圆锥滚子轴承并放置在轴承支座上,圆柱滚筒在靠近青皮核桃入料斗的一端连接一个大带轮,大带轮通过皮带与小带轮相连。输送绞龙通过焊接与圆柱滚筒连接在一起。与圆柱滚筒同心的栅格通过螺栓连接在栅格支架的一侧上,两者通过螺栓固定在机架上。圆柱滚筒、输送绞龙、栅格组成去皮工作区的核心构件。栅格支架另一侧连接核桃收集器,去皮后的核桃通过核桃收集器落在指定的容器里。在栅格下方是核桃青皮收集器,青皮经收集器汇集后进入青皮榨汁装置,榨汁装置通过两个螺旋结构的挤压作用,最终实现青皮的汁与渣分离。

1.2 工作原理

工作时,电机可根据转速扭矩传感器的信号调节速度,不同大小的核桃,滚筒的负载不同,从而使带轮的扭矩不同,转速扭矩传感器发出信号,电机调节到相应速度,从而提高核桃的适应性和去皮率,降低核桃破损率。连接着扭矩传感器的小带轮通过皮带传动带动圆柱滚筒转动。栅格上安装有倾角为15°的刀片,当青皮核桃进入工作区后会被输送绞龙带动向前,同时在圆柱滚筒转动时受到离心作用而紧贴栅格,圆柱滚筒转动方向与刀刃的方向相反,当核桃青皮与刀片接触时可以获得更大的作用力,以取得最好的去皮效果,同时在圆柱滚筒的每根小圆柱上有钢刷,可以有效去除残留在核桃表皮中的青皮。栅格采用漏斗式设计,其中接近入料口的一段口径较大,在核桃通过输送绞龙推动前进的过程中,栅格的半径逐渐变小,使得核桃能够充分地接触刀片,增加去皮的时间,达到预期的去皮效果。相邻刀片间隔约3 cm,使去除的青皮能够落入位于栅格下方的收集器,最后进入榨汁装置。

2 去皮区域的参数设计

在设计结构前,根据去皮区域所需的生产率,计算绞龙的转速、去皮区域实际的生产率和格栅的纵向长度。

为了方便计算,假设以下条件:

(1) 青皮核桃连续进入一体机的去皮部分区域。

(2) 青皮核桃相互紧密接触且相邻的核桃之间无间隙。

(3) 青皮核桃的形状近似地看成球形且每个球直径都为0.05 m。

(4) 假设一体机去皮区域所需的生产速率为3 750 kg/h。

2.1 绞龙转速的计算[8]

根据文献《农产品加工机械与设备》中螺旋输送生产速率整理可得以下公式:

(1)

其中:Q为一体机去皮部分的生产速率,Q=3 750 kg/h;D为绞龙外直径,D=0.34 m;d为转轴外直径,d=0.28 m;P为绞龙的螺距,P=0.15 m;n为绞龙的转速,r/min;Ψ为物料充满系数,Ψ=0.3;ρ为物料密度,ρ=800 kg/m3。

将相关数值代入式(1)计算并取整得:n=60 r/min。

2.2 一体机去皮区域实际生产率的计算

绞龙转动一圈推入去皮区域的核桃重量的计算公式为:

q=2πRSPλρΨ.

(2)

其中:q为绞龙转动一圈推入去皮区域的核桃重量,kg;R为转轴的半径,R=0.14 m;S为核桃直径,S=0.05 m;λ为直径0.05 m的球的体积与边长0.05 m的立方体的体积之比,λ=0.52。

一体机去皮部分实际生产速率的计算公式如下:

Q实=60qn.

(3)

联立式(2)和式(3)计算并取整可得:Q实=2 963 kg/h。

2.3 栅格纵向长度的计算

当核桃以单层的方式均匀地布满格栅时,格栅上核桃数量的计数公式如下:

(4)

其中:N为核桃以单层的方式均匀地布满格栅时的核桃数量,根据文献[9],取N=10;L为栅格的纵向长度,m;r为青皮核桃的平均半径,m;r=0.025 m。

一体机去皮部分的生产速率公式如下:

(5)

其中:k为每个青皮核桃的平均质量,k=0.06 kg/个。

联立式(4)和式(5)计算并取两位小数得:L=1.03 m。

2.4 去皮部分电机的功率

去皮部分中所有机构机械传动总效率的计算公式如下[10]:

η总=η1η2η3.

(6)

其中:η总为剥皮部分中所有机构机械传动的总效率;η1为带传动的效率,η1=96%;η2为联轴器的机械传动效率,η2=99%;η3为中心轴上的球轴承的机械传动效率,η3=99%。

经计算得:η总=94%。

中心轴转矩的计算公式如下:

(7)

其中:T为转矩,N·m;μ为核桃青皮与栅格之间的摩擦因数,查机械手册μ=0.5;Fn为核桃被挤压的正挤压力,根据文献[9],Fn=196 N;z为栅格内径,z=0.37 m。

经计算得:T=181.3 N·m。

电机输入功率:

电机输出功率:

核桃大小不同,核桃达到最好去皮效果所需要的绞龙转速也不同,根据计算确定绞龙转速为40 r/min～80 r/min。去皮部分的电机根据滚筒转速要求选用型号为YCT132-4B的YCT电磁调速电机,额定功率为1.5 kW,输出转速为125 r/min～1 230 r/min。

3 去皮区域的结构设计

3.1 去皮结构

采用切割去青皮的方法,栅格主体由18根刀口夹角为15°的刀片组成,相邻刀片间隔3 cm。在连接入料斗的一端,去皮结构采用内接的连接方式,节省了用料并提高了稳定性,同时设计了支座的结构,使栅格在工作时能够保持稳定性。栅格的内径由大变小,可以使不同的青皮核桃紧贴去皮内壁,达到更好的去皮效果。图2为栅格结构示意图。

图2 栅格结构示意图

3.2 滚动结构

滚动结构采用圆柱式设计,圆柱滚筒的长轴连接带轮和轴承,短轴则只连接轴承,并通过轴承放置在机架上。圆柱滚筒采用直径为2 cm的圆柱条构成,在靠近短轴的圆柱部分设置了钢刷区域,从而增加青皮核桃的去皮能力。图3为圆柱滚筒结构示意图。

图3 圆柱滚筒结构示意图

3.3 输送结构

输送结构采用输送绞龙进行输送,输送绞龙与圆柱滚筒焊接,圆柱滚筒旋转时带动绞龙旋转,从而推动青皮核桃向前。图4为输送绞龙结构示意图。

图4 输送绞龙结构示意图

4 榨汁装置结构设计与工作原理

4.1 榨汁装置结构设计

榨汁装置采用“8”字型的结构设计,两根榨汁螺杆上一端连接了轴承和齿轮,另一端连接轴承,使两根榨汁螺杆放置在榨汁装置机架上,通过传动齿轮实现同步转动。图5为榨汁装置结构示意图。

1-传动齿轮;2-上榨汁螺杆;3-下榨汁螺杆;4-榨汁装置机架;5-汁水收集器;6-出汁口;7-出渣口;8-弹簧;9-榨汁装置外壳;10-锥圈;11-青皮入料斗

4.2 榨汁装置工作原理

青皮从入料斗进入榨汁装置。榨汁装置内部设置有双螺杆结构;参考文献[10],双螺杆采用“前端啮合,后端相切”的设计,这样的设计使得轴向推力更大,压榨更加充分。下方的榨汁螺杆使用电机进行驱动,通过传动齿轮带动上方的榨汁螺杆转动。双螺杆的前半部分为输送和预榨部分,青皮通过输送部分向压榨部分移动并进行预压榨。在双螺杆的后半部分,榨汁螺纹相切,且设置有锥圈。青皮在锥圈处第一次挤压,随后进入第一级榨汁区域,再通过一次锥圈,进入二级榨汁区域,最后通过一次锥圈,进入三级榨汁区域,在青皮通过的过程中,青皮处于压缩-松弛-压缩-松弛-压缩-松弛的状态,实现间歇性压榨。末尾段两个弹簧接在榨汁装置机架上,弹簧呈上下分布,两个弹簧与可轴向移动的挡板相连,挡板通过密封圈与榨汁装置外壳内接。当青皮渣对挡板的压力大于弹簧提供的推力时会推动挡板,开启出渣口,使青皮渣顺利落下。

5 结语

本文基于对传统去皮方式以及现有去皮机械的研究,为了进一步提高去皮效率和实现对青皮的回收利用,设计出了一种全新的青皮核桃处理一体机。首先,基于理论分析与数据计算,确定了去皮栅格的长度及绞龙的转速。其次,榨汁部分采用双螺旋挤压方式,再加上弹簧挡板的作用,提高了青皮的出汁率。最后,青皮核桃处理一体机实现了核桃从去青皮到青皮榨汁,大大提高了青皮核桃的经济价值。