赵景涛 尚鹏旭 吴晓雪 方　烨

(晋中学院，山西 晋中　030600)



新型青核桃单体脱皮分离机机构原理及设计

赵景涛 尚鹏旭 吴晓雪 方烨

(晋中学院，山西 晋中030600)

该脱皮机主要用于青核桃的绿皮与核桃的分离，采用单个核桃脱皮工艺，通过切割破皮、挤压扭转、抛皮分离工序完成青核桃的脱皮分离工作。为实现连续进给与卸料，专门设计抛离装置，实现旋转—下移—扭转—复位的一系列抛离分离动作，完成青核桃皮与核桃的抛离工作。机械结构紧凑，操作方便；加工刀具系列化，可根据具体情况更换合适的刀具进行加工，通用性好，具有良好的开发和实用前景。

青核桃；切割破皮；挤压扭转；抛皮分离；抛离机构

目前中国青核桃脱皮主要采用手工脱皮、堆沤脱皮、化学法脱皮。手工脱皮费时费工，批量生产受限；堆沤脱皮处理时间长且严重影响核桃的品相；化学方法，常用乙烯利，再采用人工或机械脱皮，青皮腐烂果核污染面积大，且化学制剂的残留也会对人体造成一定的伤害[1-3]。近年来，中国学者提出了多种机械技术方案，典型的有采用钢刀毛刷旋转滚筒式[4-5]、旋切滚筒式[6]、鼠笼滚筒式[7]和压板辊筒式[8-9]。旋转和旋切滚筒式利用核桃与栅条的碰撞脱皮，易导致破裂；鼠笼滚筒式利用挤压摩擦脱皮，通用性较差且不能实现连续进给与卸料；压板辊筒式调节压板与滚筒的间隙复杂，且核桃与青皮分离难度大[10-12]。由于核桃种植与收获模式的差异，目前国外还未见专门针对青核桃的脱皮机械[13]。

针对现有青核桃脱皮机的不足，拟设计一种通过旋转挤压复合运动来实现青核桃脱皮的新型单体脱皮分离机，采用三维数字建模构建虚拟原理样机并进行仿真分析，之后通过实物原理样机予以验证，进行设计。

1　青核桃脱皮机设计与工作原理

1.1设计思路

青核桃脱皮机经过切割破皮的前处理，然后通过扭转挤压的复合运动将核桃绿皮与核桃分离，最终经过核桃抛离装置，实现青核桃的脱皮。其采用逐个脱皮技术，可有效避免漏剥现象；且机构中存在缓冲装置，可有效降低破壳率；为提高脱皮效率采用六工位设计；该设计可以实现连续进给与卸料。青核桃脱皮机结构原理示意图见图1。

1.2受力分析

当青核桃进入下托盘刀头10与压杆刀头12之间时，两刀头工作内壁为波纹齿，摩擦系数为μ；沿z轴受挤压力F1和重力mg作用；在x-y平面，受扭转切向力F、F等作用，扭转切向力主要为摩擦力，见图2。

Fτ1=Fτ2=(mg+F1)μ，

(1)

(2)

式中：

F、F——扭转切向力，N；

m——青核桃重量，g；

g——重力加速度，m/s2；

F1——挤压力，N；

1. 主轴2. 拨盘3. 主动齿轮A 4. 套筒A5. 从动槽轮6. 凹槽凸轮7. 连杆8. 下托盘刀杆9. 扭转弹簧10. 下托盘刀头11. 定位盘12. 压杆刀头13. 压缩弹簧14. 压杆刀杆15. 曲柄16. 从动锥齿轮17. 套筒B18. 从动齿轮B19. 滚子20. 滚子销21. 凸轮22. 摩擦轮23. 摩擦轮轴24. 键A25. 主动齿轮B26. 主动锥齿轮27. 键B28. 活塞29. 外套筒30. 刀具弹簧31. 内套筒32. 挡板33. 键C34. 主动拨盘35. 从动轴36. 键D37. 从动齿轮A38. 键E39. 圆螺母

图1青核桃脱皮机结构原理示意图

Figure 1Schematic diagram of the structure of the green walnut peeling machine

图2　青核桃受力示意图

μ——摩擦系数；

T——扭转力矩，N•mm；

D——青核桃直径，mm。

由式(1)、(2)可知，扭转力矩T的大小主要取决于摩擦系数μ和挤压力F1，当增大摩擦系数μ或挤压力F1可显著增大扭转切向力F、F，从而增大扭转力矩T，使青核桃绿皮破裂，达到分离效果。

1.3工作原理

青核桃脱皮机采用逐个脱皮处理，单个青核桃首先经过刀具——切割破皮，作为扭转挤压的前期处理；在扭转挤压中脱皮动力主要为摩擦力，在摩擦力作用下挤压和扭转核桃皮，从而达到脱皮效果；最后经过抛离装置，将核桃绿皮与核桃抛出，完成脱皮作业；如此往复循环进给和卸料，达到连续生产的目的。

1.4设计参数

(1) 外型尺寸：1 000 mm×1 500 mm×1 600 mm。

(2) 配套动力：1.5 kW。

(3) 生产率：120 kg/h。

(4) 结构质量：≤130 kg。

(5) 脱净率：≥90%。

(6) 破壳率：≤3%。

2　脱皮机具体工作流程

脱皮机主要分为3个工序：切割破皮工序、挤压扭转工序、抛皮分离工序。

(1) 切割破皮工序：如图3所示，电动机通过减速器带动主轴1转动，主轴1通过键B 27，将转矩传递给主动锥齿轮26，齿轮通过啮合运动将转矩传递给从动锥齿轮16，从动锥齿轮再将旋转运动传递给曲柄15，曲柄将旋转运动转换为直线运动，并带动活塞28做直线往复运动，将绿皮核桃挤压进入内套筒31，内套筒31中的刀具弹簧30将绿皮切破，完成青核桃的前期处理。

(2) 挤压扭转工序：如图4所示，电动机通过减速器带动主轴1转动，主轴1通过键A 24，将转矩传递给主动齿轮B 25，主动齿轮2通过啮合运动将转矩传递给从动齿轮B 18，从动齿轮B 18通过正六边形的异形孔带动压杆刀杆14做旋转运动；与此同时在主动齿轮B 25的带动下摩擦轮22旋转，摩擦轮22通过摩擦轮轴23带动凸轮21做旋转运动，凸轮21将回转运动转变为往复直线运动，为降低凸轮21的磨损，采用滚子19将滑动磨擦改变为滚动摩擦。此时旋转运动与往复直线运动复合，实现旋转挤压运动，同时压杆刀头中波纹齿增大摩擦，从而达到脱皮效果。因核桃大小不一，防止挤压力过大导致核桃被压碎，故在压杆刀头12与压杆刀杆14之间加入压缩弹簧13达到缓冲作用，防止破壳现象发生。

1. 主轴15. 曲柄16. 从动锥齿轮26. 主动锥齿轮27. 键B28. 活塞29. 外套筒30. 刀具弹簧31. 内套筒

图3切割破皮原理示意图

Figure 3Schematic diagram of cutting broken skin

1. 主轴12. 压杆刀头13. 压缩弹簧14. 压杆刀杆18. 从动齿轮B19. 滚子20. 滚子销21. 凸轮22. 摩擦轮23. 摩擦轮轴24. 键A25. 主动齿轮B39. 圆螺母

图4挤压扭转原理示意图

Figure 4Schematic diagram of the squeezing and twisting principle

(3) 抛皮分离工序：如图5所示，电动机通过减速器带动主轴1转动，主轴1通过键E 38，传递给主动齿轮A 3，主动齿轮A 3通过啮合传动，将运动传递给从动齿轮A 37，从动齿轮A 37通过键D 36将运动传递给从动轴35，从动轴35通过键C 33将旋转运动传递给主动拨盘34，主动拨盘34将运动传递给从动槽轮5，主动拨盘34旋转一圈，从动槽轮5转动60°；其中从动槽轮5与套筒A 4过盈连接传递运动，下托盘刀杆8与套筒A 4通过机械关节连接，故从动槽轮5与下托盘刀杆8同步运动。凹槽凸轮6固定于机架上保持不动。下托盘刀杆8随从动槽轮5间歇运动，当完成挤压扭转工序后，下托盘刀杆继续运动，在凹槽凸轮6的作用下，通过连杆7引导下托盘刀杆8向下运动一定位移，从而撞上挡板32，使扭转弹簧9因受力发生弹性形变，发生扭转，从而将核桃与核桃皮抛离，经过挡板32后，弹性形变消失，恢复原来位置，进入切割破皮工序循环工作。抛离后的核桃与绿皮在

1. 主轴2. 拨盘3. 主动齿轮A 4. 套筒A5. 从动槽轮6. 凹槽凸轮7. 连杆8. 下托盘刀杆9. 扭转弹簧10. 下托盘刀头32. 挡板33. 键C34. 主动拨盘35. 从动轴36. 键D37. 从动齿轮A38. 键E39. 圆螺母

图5分离抛皮原理示意图

Figure 5Schematic diagram of separation and cast-off principle

拨盘2的作用下滚离机箱，完成抛离。最后经过外挂件——惯性筛分离装置，分离核桃与核桃绿皮。

3　脱皮机关键零件作用与机构设计原理

3.1下托盘

下托盘由下托盘刀杆8扭转弹簧9和下托盘刀头10组成，下托盘主要完成下移—扭转—复位的一系列抛离分离动作；下托盘刀头10为半球形内有波纹齿，增大摩擦力，与压杆刀头12配合使用，因为核桃品种不同，核桃直径也不相同。为了使脱皮机满足各种核桃的脱皮需要，可将下托盘刀头10与压杆刀头12做成系列产品，以满足具体需要，提高了机器通用性，有效降低了成本；扭转弹簧9在下托盘刀杆8与下托盘刀头10之间，发生弹性形变实现扭转—复位运动；下托盘刀杆8起支撑作用。

3.2压杆

压杆由压杆刀头12压缩弹簧13和压杆刀杆14组成，压杆主要完成扭转和挤压运动，完成对青核桃的脱皮；通过调节压杆上端的凸轮21，可改变压杆轴向向下的位移大小，以适应不同种类核桃的大小，满足生产要求；压缩弹簧13在压杆刀头12和压杆刀杆14之间，主要起缓冲作用，防止因挤压力过大导致破壳率增加；压杆刀头12为半球形内有波纹齿增大摩擦力，与下托盘刀头12配合，起脱皮作用，并根据实际要求系列化；压杆刀杆14起支撑作用。

3.3抛离机构设计

为实现青核桃脱皮机的连续进给与卸料，提高脱青核桃皮机的自动化水平，现专门设计抛离机构，实现旋转—下移—扭转—复位的一系列抛离分离动作，保证青核桃脱皮机的连续工作，抛离机构主要由槽轮机构，齿轮机构，凹槽凸轮和下托盘等零件装配而成。

3.3.1槽轮机构槽轮机构由从动槽轮5与主动拨盘34组成。结构简单，运动平稳，便于制造，转角精准，可靠性较高，机械效率高，且槽轮机构适用于中低速场合。槽轮机构为抛离机构关键零件，将圆周运动转变为实际需要的间歇运动，根据实际需求，基本设计参数：径向槽数目z=6，从动盘转角60°，拨盘圆销个数K=1。

槽轮机构动停比：k=z-2/z+2=1/2，槽轮运动时间总小于静止时间，停止2 s运动1 s。

槽轮机构主要有两个作用：① 从动盘每次转动60°，为脱皮机6个工位提供动力，其中两个切割破皮工位，两个挤压扭转工位，两个抛皮分离工位；② 为脱核桃皮提供工作时间。

3.3.2凹槽凸轮凹槽凸轮6是具有曲线轮廓凹槽的凸轮，带动连杆7实现预期目的高副机构。依靠凹槽的限制作用，使连杆与凹槽凸轮在运动过程中保持接触。结构简单方便，可靠性较高，本次设计的凹槽凸轮，主要作用是在抛皮分离工位前通过目标曲线轮廓引导抛离机构中的连杆将下托盘杆竖直向下平移一段距离，为下托盘刀头提供翻转的空间和与挡板32发生碰撞提供条件，经过抛皮分离工位后在目标曲线轮廓的约束下恢复原来位置，使核桃脱皮机顺利进入下一道筛分工序。

3.4惯性筛分离机构

经过青核桃脱皮机处理后得到核桃绿皮与核桃的混合物，因此在出料口加装惯性筛分离机构，惯性筛分离机构原理为双曲柄摇杆机构，筛底为网状，通过惯性筛的往复摆动，使核桃绿皮掉落，从而达到最终分离效果。

4　试验情况

4.1试验材料

选用山西晋中地区晋龙1号核桃品种作为试验材料，本批核桃直径范围为37.1～39.8 mm，平均直径为37.8 mm青皮厚度为4～5 mm，硬壳厚度为1.1 mm。

4.2试验结果

使用本青核桃脱皮原理样机进行3次试验，每次试验核桃个数为20个，果见表1。

由表1可知，青核桃脱皮机基本达到设计要求，脱皮机产量约为120 kg/h。脱皮效果与现有设备基本相同，但破壳率和漏剥率明显低于现有设备[5-8]。不过也存在不足：① 刀尖对核桃硬壳有轻微划痕；② 核桃表面粘有少量绿皮易氧化变黑，需经过清洗装置处理；③ 青核桃绿皮中的液体对机身寿命会造成一定影响。

5　结论

该新型青核桃脱皮机设计原理，为青核桃的脱皮提供了一种新的方法，可一次性完成脱皮分离作业，提高了生产效率和核桃品质。本机构设计原理的优点为：① 机械结构紧凑，体积小，操作简单，能耗较低，配套容易，选用220 V单相电作为电源；② 采用挤压扭转脱皮，脱净率较高；③ 机构采用缓冲弹簧装置，有效降低破壳率；④ 采用逐个处理加工，可避免漏剥现象的发生；⑤ 抛离机构由槽轮、凹槽凸轮、下托盘和扭转弹簧等组成，可实现旋转—下移—扭转—复位的一系列抛离分离动作；⑥ 加工刀具系列化，可根据不同种类的核桃选用合适的刀具，且更换调整方便，通用性强；⑦ 可实现连续进给和卸料。若需进一步提高生产效率，可在本设计的基础上加装自动控制和自动检测装置，以提高机器的自动化水平。

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Design of the mechanism principle of the new green walnut peeling machine

ZHAO Jing-taoSHANGPeng-xuWUXiao-xueFANGYe

(JinzhongUniversity,Jinzhong,Shanxi030600,China)

The peeling machine is mainly used for separation of the green walnut green and walnut, using a single walnut peeling process, along with cutting through broken skin, torsion straining, and casting skin process. In order to realize the continuous feeding and discharging, a special kick-off device was designed, by utilizing a series of repeat actions, including rotation-depression-torsion-reduction, finally achieve the separation of the green walnut pericarp from walnut. It turned out that the mechanical structure was compact and easy to operate as well as the knifes were systematized. Therefore, the appropriate tool can be replaced according to the specific utilization. The machine designed in this study showed the good prospects for the development and practice.

Green walnut; cutting of the broken skin; torsion straining; cast-off and separation of skin; kick-off device

山西省高等学校大学生创新创业训练计划项目(编号：2016412)

赵景涛，男，晋中学院在读本科生。

雷文平(1973—)，男，晋中学院研究员级高级工程师，硕士。E-mail：1554721483@qq.com

2016-05-26

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.020