穆合塔尔·穆喀热普,亚森江·白克力,穆尼莱·艾尔肯,玛伊热·约麦尔,依克沙尼·买买提江,古丽米热·克然木

(新疆农业大学 机电工程学院,乌鲁木齐 830052)

0 引言

文冠果被誉为“生命之果”,珍稀而又独特。它富含多种维生素和矿物质,对身体健康有着很好的促进作用,在药用方面也起着重要的作用。文冠果在生态环境中具有绿化荒山、水土保持、防风固沙等重要作用,有着重要的社会价值[1]。最关键是文冠果非常适合生长在荒漠地区,新疆栽种面积达到千万亩以上,是新疆特色林果发展中的重要部分,并且有望更大限度地弥补我国食用植物油的缺口。此外,文冠果产后加工也可为新疆带来数亿元的经济收入。破壳是文冠果深加工的首道加工工序,以机械化作业提高文冠果破壳效率,是提高品质、降低生产成本的重要途径。

目前,市场上各类破壳机械均已发展的较为成熟。李忠新等[2]研究了一种核桃破壳取仁设备,该破壳机精巧、结构简单且操作方便,破壳效率高,能使核桃充分破壳。随着农业现代化程度的不断提高,研究人员对坚果类物料物理特性做了大量的研究[3]。韩本勇等[4]对核桃的的外形尺寸、厚度,以及果肉和果壳的密度等进行了测量,这对核桃加工设备的研究和壳仁分离工艺有极大的参考价值。曹成茂等[5]设计山核桃二次破壳取仁机,能够最大限度地保证破壳的成功率和果仁完整性。目前,市场针对文冠果的破壳机械相对较少,破损率高,机械使用效果不佳,并未得到广泛的推广应用。

本文设计的文冠果破壳机能够自动完成破壳过程,还可根据不同尺寸、硬度和湿度等因素进行调整,适应各种品质的文冠果。此外,使用文冠果破壳机还可以减少人力成本,降低食品污染风险。手工操作容易出现微小划伤或细菌感染等问题,通过机械化处理可以保持一定程度上的卫生与安全。

1 文冠果的物理特性参数

文冠果呈椭圆形或卵圆形,壳坚硬,尺寸、重量和大小因品种而异,常见品种有金乡文冠果、沙田柚文冠果、火龙果文冠果、红心文冠果等,本文参考的是金乡文冠果。为保证样本具有代表性和数据分析的可靠性,采用随机抽样方法,样本容量达到100个以上。通过测量,金乡文冠果壳厚度一般在0.5～2.0 mm,间隙大小在0.5～2.0 mm,密度一般为0.7～1.1 kg/m3,破壳载荷在200～400 N,变形量为1～3 mm。文冠果的长、宽、厚标准及占比示意图如图1所示,基本尺寸如图2所示。

图1 文冠果的长厚宽的标准及占比示意图

图2 文冠果的基本尺寸

根据图1可知,在100个样本中质量范围在25～30 g的文冠果占77%～94%,其中长、宽、厚尺寸分别为L=66 mm,T=57 mm,W=54 mm。文冠果品种、尺寸大小和质量可能会因生长环境、季节、成熟度和其他因素而有所不同。

2 整机结构

文冠果破壳机主要由机架部分、分级部分、破壳部分和壳仁分离部分组成(图3)。首先,机架部分固定各个部件;其次,分级部分对待破壳的文冠果进行分级;再次,主从滚筒挤压果实完成第一次破壳;接着,三叶打板快速运转完成二次破壳工作;最后,由风机完全分离并分开进行收集。该文冠果破壳机的设计参数如表1所示。

表1 一种文冠果破壳机的设计参数

1.进料口;2.滚筒侧板;3.主动齿轮;4.风机;5.壳仁分离部分;6.三叶打板的v带轮;7.v带;8.出仁口;9.电机;10.机架;11.凹型挡板;12.落料斗;13.滚筒间距调节手轮;14.破壳部分;15.从动齿轮;16.分级部分

3 工作原理

文冠果破壳机的破壳原理,对获取高质量的果仁、提高净收获率以及果仁完整性至关重要。文冠果破壳机是通过机械力将文冠果破壳,具体来说,文冠果在经过一定处理后,被输送到破壳机的进料口,破壳机内部有一个旋转式破壳器(破壳部分),它以一定的速度旋转,将文冠果强制压入破壳器中,从而使果皮和果核分离,果壳经出壳口排出,果仁则继续向前输送。工作原理简图如图4所示。

图4 工作原理简图

破壳机采用高速旋转的刀片,将文冠果从外面切割,把果仁与果壳分离,实现文冠果破壳的目的。同时,破壳机设有壳仁分离部分,可对文冠果进行分级筛选,达到不同规格的破壳要求。整个过程由电机驱动,自动化程度高,效率稳定。

4 主要零部件设计

4.1 壳仁分离部分设计

文冠果完成破壳后,果仁和果壳的分离也尤为关键,最终分离的程度也极大地影响了机器的整体性能评估,如果含杂率过高,就会导致人工必须进行二次分离工作,这无疑加大了工作量,浪费时间,所以文冠果壳仁分离工作至关重要。

本文设计出仁口的尺寸为180 mm×180 mm,风机外壳直径为460 mm、出壳口尺寸为150 mm×160 mm,整个分离机构的高度为920 mm。风力管道通过进口法兰连接在风机的轴向进口上[6],考虑到风机动力的提供,采用了与从动滚筒共用一根轴的设计,一个动力源提供了整个机器的动力供给和动力传递,不仅减少了动力源数量,放在侧面还解决了机身过高的问题。具体结构示意图,如图5所示。

1.出仁口;2.出壳口;3.齿轮传动;4.风机

本文设计主要根据文冠果果壳和果仁密度(物理特性)的不同进行分离方案的确定,由于壳仁的密度不同,导致两者的悬浮度有着很大的差距,所以采用风力清选的方法进行分离[7]。其工作原理是在文冠果经破壳处理后,其壳仁混合物沿着落料斗经机械的震动慢慢落入风力管道下方,通过风机产生的风力,将文冠果果壳吸入到分选中,由风机中的叶片将其从风机的出壳口吹出;而果仁相对密度大,悬浮速度也大,所以受重力影响从风力管下方的出仁口落下,进行果仁的集中收集工作。

4.2 挤压滚筒的设计与受力分析

4.2.1 挤压滚筒的设计

挤压滚筒是文冠果破壳机中最核心的装置,为了满足破壳要求,将其设计为变径的圆柱滚筒,大径为350 mm,小径为340 mm,直径变化为10 mm。滚筒长度为1 000 mm,分别固定在主动、从动滚筒轴上(图6)。挤压滚筒一般采用硬度较高、耐磨损性能好的不锈钢材料制造,以确保其使用寿命和破壳效果。挤压滚筒转速设置合理,转速800 r/min以上,圆周速度为15～30 m/s,合理的转速有利于提高滚筒的冲击度和耐磨性[8]。滚筒表面有规律地附着菱形花纹,其目的是为了增大破壳过程中的摩擦力和破壳的钳入角。

1.主动滚筒轴;2.从动滚筒轴;3.从动滚筒;4.主动滚筒;5.滚筒侧板

4.2.2 文冠果破壳受力分析

破壳装置在工作区域内,文冠果受到自身重力F和挤压辊给予的正压力N1、N2以及摩擦力F1、F2的作用,图7为文冠果的受力分析。其中,挤压辊产生的正压力和摩擦力是实现文冠果破壳的主要作用力,文冠果破壳所受N1、N2、F1、F2水平方向分力对文冠果进行挤压,N1、N2、F1、F2竖直方向分力对文冠果进行剪切,使裂纹进一步扩大,碎壳间发生相对错动和滑移,从而实现文冠果的碾搓挤压破壳[9]。

图7 文冠果破壳受力分析图

文冠果挤压破壳的起始点A1、A2与挤压辊中心连线所构成的角度α1、α2,挤压角度越大,文冠果所受的挤压力就越大,从而容易产生破裂,如式

(1)

(2)

式中μ—文冠果与挤压辊间的摩擦系数;

φ—文冠果与挤压辊间的夹角,(°)。

要使文冠果能顺利进入挤压间隙,竖直方向必须满足

F1cosα1+F2cosα2+G>N1sinα1+N2sinα2

(3)

由于文冠果的重量远小于自身受到的力,即

F1cosα1+F2cosα2>N1sinα1+N2sinα2

(4)

将式(1)、式(2)代入式(4)中,得到α<φ,实现文冠果破壳。

4.3 三叶打板的设计

4.3.1 主要参数

三叶打板(图8)是文冠果破壳机进行二次脱壳的机构,其主要参数为:三叶打板长度1 000 mm,叶片夹角120°,三叶打板轴长度1 270 mm,转速200～300 r/min,叶端线速度3～15 m/s,适用黏度可达5×103mPa·s。三叶打板一般采用硬度较高的不锈钢材料制作,以保证其在高速旋转时不会变形或者磨损。由于文冠果在第一次挤压时,存在一部分果壳和果仁没有完全分离开,所以设计了三叶打板进行二次破壳,在高速转动的状态下击打掉落的壳仁混合物,击打至凹型挡板的位置,再落入到落料斗内进行下一步的工艺操作,从而达到文冠果二次脱壳的效果,大幅提升了文冠果的剥净率[10-11]。

1.转轴;2.叶片;3.圆柱体连接部分

4.3.2 轨迹方程

三叶打板的轨迹方程依赖于多个因素,如三叶打板的转速、叶片长度、叶片形状、三叶打板的安装高度等。一般情况下,三叶打板的轨迹可以近似看作一个圆锥曲线或者球面曲线,以下是2种常见情况下三叶打板的轨迹方程。

1)假设三叶打板的转速为ω,叶片长度为L,三叶打板安装高度为h,那么三叶打板产生的风力,在距离三叶打板中心的水平距离为x、高度为y,可用下面的圆锥曲线方程来表示

y2=x(x-1)×(h-x)/(h-1)

(5)

2)假设三叶打板的叶片形状为圆环形,半径为r,三叶打板的转速为ω,那么三叶打板产生的风力,在距离三叶打板中心的距离为d、高度为h,可用下面的球面曲线方程来表示

(x2+y2+z2-r2)2=4r2(x2+y2)

(6)

其中,x、y、z分别表示三叶打板产生的风力矢量在三个坐标轴上的分量。

4.4 主要零部件的参数计算

破壳机(样机)选用电机型号为Y160L-8,电机功率7.5 kW,转速720 r/min,额定电流15.4 A,额定电压380 V,频率50 Hz,使用带传动和齿轮传动,传动方案简图如图9所示。

1.电机;2.大带轮传动;3.齿轮传动;4.挤压滚筒;5.三叶打板;6.小带轮传动

5 轴的设计

5.1 轴的材料及选择

轴的材料选择45钢,经调质处理。

先初步估算轴的最小直径。根据《机械设计手册》[12]表15-3,取d0=706 mm2,得

(7)

得出dmin=28.75 mm,选取d1=30 mm。

由于轴较长,为降低制造加工难度,故选调心球轴承,根据轴承的尺寸确定d1=30 mm,轴承选用6208,选取d2=40 mm,d3=50 mm,d4=60 mm,L1=80 mm,L2=65 mm,L3=50 mm,L4=1 020 mm。主动滚筒轴结构示意图,如图10所示。

图10 主动滚筒轴结构示意图

5.2 轴的受力分析与校核

1)主动轴传递的扭矩

(8)

式中P—传递功率,6.9 kW;

n—输入转速,n1=720 r/min;

带入公式可得,T=91.5 N·m。

轴的受力分析:

水平面的受力分析得,F1=142 N;

垂直面的受力分析得,F2=251 N。

计算轴的弯矩:

水平弯矩

MH1=F1L1=168 N·m

(9)

垂直弯矩

Mv1=F1L1=133.1 N·m

(10)

合成弯矩

(11)

2)按弯扭组合强度条件校核轴的强度

根据下列公式,取α=0.6,则有

(12)

式中σc—轴的计算应力,MPa;

Mca—轴所受的弯矩,N·m;

T—轴所受的扭矩,N·mm;

由式(12)计算可得σca=45.65 MPa。

σca<[σ-1]=60 MPa

(13)

所以主动轴安全,符合要求。

6 三叶打板静力学仿真分析

本文根据关键部件的设计分析,在SolidWorks软件中对文冠果破壳机关键部件进行三维建模,经过校核检验,证明各结构参数符合设计要求,零部件之间不存在干涉现象。此外,使用SolidWorks-Simulation 静应力新算例程序进行应力测试。测试中,将三叶打板暴露在逐渐增加的载荷下,记录每个部位的最大应力,并进行求解分析。通过试验分析得到,三叶打板在受到逐渐增加的载荷后,最大应力出现在三叶打板离轴心最远段处,但没有超过材料的屈服力,获得三叶打板的应力-应变模拟状况后,得到相应应力和位移变形结构比较图(图11)。

图11 三叶打板应力和位移变形结构比较图

由静力学程序运行结果分析可知,三叶打板的最大应力为60 MPa,远小于三叶打板材料的屈服强度极限,最大位移变形量为0.30 mm,最大应变量为0.34 mm。对文冠果破壳机三叶打板结构而言,此影响可忽略不计,故三叶打板选材合理,能够满足作业强度要求,可以提高产品的质量和稳定性。

7 结语

1)本文设计了一种能够同时完成分选、分离为一体的文冠果破壳机。介绍了文冠果的物理特性参数、受力特性,以及三叶打板和挤压滚筒配合进行二次破壳的工作原理,对文冠果破壳机各工作部件进行了分析。

2)本文进行多次仿真模拟试验和结构参数优化设计,对零部件之间的配合进行了干涉检查,机具各主体结构进行了结构原理分析,确认结构设计合理。另外,对三叶打板进行了静力学仿真分析,仿真结果表明,三叶打板转速为200～300 r/min,最高叶端线速度可达15 m/s;挤压滚筒转速800 r/min,圆周速度为15～30 m/s,能够有效分离文冠果的果仁与果壳,满足机械化开发的要求,改良和完善现有的生产结构。

3)本文设计的文冠果破壳机对文冠果的产后加工具有重要意义,可为新疆维吾尔自治区带来数亿元的经济收入。通过机械化作业,极大方便了人们对文冠果的食用,降低了劳动强度和加工成本,为文冠果产业的可持续发展提供有力支撑。