核桃分级剥壳级分离一体机设计

前言

核桃分级、剥壳及分离一体机设计

1前言

核桃是我国的传统果树，在我国农村区域经济中占有重要地位。核桃在我国的栽培面积位居世界第一位，2000年我国核桃的总产量为30万吨。核桃的深加工潜力巨大，有待开发。核桃除用于人们熟悉的食品工业外，还可以用于医药、化工、工艺美术等领域。随着我国核桃产量的逐年增加，农民如何依靠核桃致富，如何对核桃进行深加工，如何提高它的附加值等问题很快就会突现出来。核桃破壳取仁这是核桃深加工的第一步，必须首先解决。

一般来说，核桃破壳取仁有这样几种方法①离心碰撞式破壳法②化学腐蚀法③真空破壳取仁法④超声波破壳法⑤定间隙挤压破壳法。第一种方法，碎仁太多，所以应用很少。第二种方法，由于在实际操作中不好控制，仁易受到腐蚀，处理不好还会造成对环境的污染，因此人们不愿接受。第三、四种方法，设备昂贵，破壳成本高，且破壳效果不够理想。而第五种方法是一个值得探索的方向。

但由于核桃品种繁杂，尺寸差异较大、形状不规则、壳仁间隙小，所以核桃的破壳取仁难度较大。破壳后还需进行壳仁分离，鉴于壳仁密度相差不大(约为0.04ｇ/cm3)加之碎壳，碎仁上有许多毛刺，所以壳仁分离也有相当难度。解决以上难题的方法就是将破壳取仁分解为分级，挤压破壳，多点壳仁分离三部分，逐一加以解决。

所以基于目前工厂的生产现状，长江大学机械工程学院机械设计及其自动化专业的我在指导老师黄和祥副教授的指点下，对核桃脱壳的生产机械进行了设计研究。2选题背景

2.1开发核桃剥壳机械的必要性

随着核桃产量的逐年增加，同时人们对核桃营养价值的认识加深，如何对核桃进行深加工，以提高它的附加值等问题就突现出来。核桃脱壳取仁是核桃深加工的第一步，必须首先解决。

由于核桃品种繁杂，形状不规则、尺寸差异较大、壳仁间隙小，壳完全破裂所要求的变形量大于壳仁间隙，所以破壳取仁难度较大。用一般的机械挤压方法破壳必将

核桃分级、剥壳及分离一体机设计

造成大量的碎仁，对于固定挤压间隙的破壳装置来说，挤压间隙是固定的，不同尺寸的核桃都在同一开度内破壳，会出现小尺寸核桃难以破壳而大尺寸核桃仁的破碎率高的现象。因此为了很好的破壳而又保证仁不破碎，就需要：1挤压间隙与核桃尺寸相适应,有必要在破壳前对核桃进行分级；2合理施力使核桃产生裂纹且变形量小，这是提高核桃破壳机破壳质量的关键因素之一，因此有必要对核桃的施力方式及结果进行有限元受力分析；3裂纹的扩展是核桃完全破壳的基本条件，按核桃正确姿态喂入进行破壳是裂纹扩展的条件，有必要进行破壳前的导向。

我国从20世纪80年代开始着手脱壳机具的研究和开发，但由于存在一些技术难点，至今此类机具没有得到大范围的推广和应用。因此，对脱壳机主要技术问题做深入的研究具有重要的意义。

目前，全国核桃年产量十多万吨，其中山西、陕西、云南和河北四省的年产量均在万吨以上。核桃和核桃仁是中国传统的出口商品，在国际市场上一直处于领先地位。中国出口的核桃仁全部是手工砸取的，手工取仁不仅劳动生产率低,而且人手污染造成的大肠杆菌总数高于国际食品卫生法规定的标准。因此，实现核桃机械剥壳取仁十分重要。

2.2国内外发展现状

核桃分级装置是定间隙挤压破壳机的必要装置,核桃破壳装置是核桃破壳取仁机的核心装置。对于具有固定间隙的核桃剥壳机来说,物料尺寸必须与固定间隙的大小相适应。尺寸大了，仁会被挤碎。尺寸小了，壳破不开。壳仁分离问题是核桃破壳取仁的难题之一，目前国内尚未见到好的分离方法和分离设备的报道而国外虽然很好地解决了壳仁分离的问题。但设备成本高，工艺复杂，对于加工能力有限的工厂和个人来说是很难接受的。现对常见的核桃分级及剥壳分离装置加以介绍。

2.2.1核桃分级装置按工作原理可分为辊轴式、筛网式、栅条滚筒式、智能式：

①辊轴式分选装置

锥辊式分级机是由成对的锥形辊组成，其间有间隙，如图所示。果品位于两轴间隙之上，并随输送装置前进，当果品直径小于辊轴时，落入到辊子下面的果盘中。因为平行的锥辊间隙在逐渐增大，因此可根据间隙的变化，把果品分成不同的等级。

选题背景

图1辊轴式分选装置

1锥辊2核桃

②筛网式分选装置

山核桃被传输设备传输至壳体内空间的顶层，并落到第 1 层筛网上; 同时，在振动装置以及振动棒的共同作用下，第1 层筛网上的山核桃部分从网眼漏至第2 层筛网上，部分山核桃通过第1 层筛网筛选并通过连通第1 筛网的第1 出料口被收集，最终将山核桃按照大小分为若干部分，完成分级。

图2筛网式分选装置

③栅条滚筒式

分级机构的主体是分选筛筒，其内壁分成若干筛选段，每个筛选段开有大小不同的筛选孔，且在其筒壁的内侧还覆有螺旋状的橡胶螺旋管，在相都筛选段的分段处设有环形阻挡板，各筛选段的下边分别设有相匹配的分级收集槽。

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图3栅条滚筒式

1进料斗2出料斗3栅式滚

④核桃智能分选装置

光线式大小分级机是根据光束遮断法和图像处理法制成，进行非接触式测量。当被测果品不满足分级要求时，检测信号传送到控制装置，用推板或强气流将果品排出。

图4核桃智能分选装置

综合以上介绍的多种核桃分级设备的现状，对于机械式的核桃分级技术而言，单一定量的分级方法始终不能达到很高的分级精度，需要进一步解决其分级间歇不可调的瓶颈问题; 就基于智能分级技术而言，需要更加快速、精确的检测系统，以及更为综合性的分级因素，还有待于在其通用性和推广方面进一步的研究和探讨。

2.2.2核桃破壳装置可分为对辊窝眼式破壳装置、双齿盘—齿板式破壳装置、变形恒定破壳装置、内外磨核桃破壳装置、平板挤压破壳装置、平板挤压破壳装置、弧板—滚筒破壳装置、机械击打破壳装置、碰撞碎壳装置

①对辊窝眼式破壳装置

对辊窝眼式开口装置的每个辊上同一个圆周平均分布着8 个窝眼。窝眼在整个

选题背景

挤压辊表面上呈交错排列，窝眼纵向间距为54mm，所有窝眼开口半径均为30mm，但不在同一圆周的窝眼的深度都不相同，从13mm依次增加0.5mm直到20mm为止，对辊的长度870mm。该装置能对大小不同的核桃进行定距离挤压，同时挤压时用窝眼抓取核桃，抓取可靠，核桃挤压时不会窜动，能进行可靠的挤压。破壳的核桃需进行进一步的脱壳。该装置生产能力>150kg/h，核桃按粒径大小自动分级的准确率>95%，开口率>95%，破碎率<2%。

图5对辊窝眼式破壳装置

1窝眼辊2核桃

②双齿盘—齿板式破壳装置

齿盘旋转带动核桃边旋转边挤进由齿盘、偏心圆弧齿板组成的剥壳区，受到挤压作用，核桃表面产生裂纹并逐渐扩展，直至最终完全破裂，碎壳和仁从最小间隙处掉下。由于该装置能较好满足“四点加压”原理，且可实现核桃的滚动挤压，因此破裂效果好、碎仁率低。最大生产率180kg/h，破壳率90%以上，高路仁率70%~90%，其中一路仁率30%~40%。

图6双齿盘—齿板式破壳装置

1核桃2齿盘3齿板

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③变形恒定破壳装置

该破壳装置是由一对螺纹螺旋方向相反的滚柱组成，在滚柱面上切制有螺距恒定的梯形栅纹，栅纹滚柱在结构上保证了核桃的实际变形能随果径的增大而增大（图5）。当核桃夹在一对左、右螺纹之间时，形成了四点加压。不同果径的核桃可在不同开度处破壳。为避免核桃与滚柱间发生相对滑移，滚柱面进行了“滚花”处理。

图7变形恒定破壳装置

1挤压辊2核桃

④内外磨核桃破壳装置

外磨固定在机架上，内磨在电机的带动下转动。核桃在内外磨之间的间隙内破裂脱壳，当破碎到合适的粒度后，由挡板与内磨下底之间的缝隙落到落料扳上。因该机不能自动适应核桃的大小，又由于目前核桃品种不纯、大小不一，因此该机在实际使用中存在一定缺陷，破裂果径不同的核桃，需更换尺寸大小不同的内外磨。

图8 内外磨核桃破壳装置

1外磨2核桃3内磨4挡板

选题背景

⑤圆盘破壳装置

该装置由一对端面呈倾斜、上宽下窄的破壳盘3组成的。两破壳盘用等速万向节偶合。狭缝角度通过动轴承组件可调，狭缝宽度通过破壳盘上的固定螺钉可调。落人破壳盘狭缝一侧的核桃，随盘旋转经最窄处破壳后从另一侧甩出。该机可破大小混杂在一起的核桃。

图9圆盘破壳装置

1主动轴2螺钉3破壳盘4从动轴5万向节6核桃

⑥平板挤压破壳装置

选用平板挤压破壳方法，采用了一对端面呈倾斜、上宽下窄的破壳板作为核桃破壳工作部件，对核桃进行破壳取仁。并设计出了6PK-400核桃破壳机，该装置由一对端面呈倾斜、上宽下窄的破壳板组成。动破壳板一端通过铰链连接到壳体，一端可由偏心轴带动做往复曲线运动；定破壳板是一可调挤压直板，上方一端与机体铰接，下方与调距手柄相连，手柄由可转动的一段螺栓组成。旋转手柄可推动定破壳板前后运动，用来调节两板之间的间隙和角度，使挤压间隙的最小宽度小于果壳的直径，并接近于核桃果仁最大外径。两破壳板表面焊有鱼鳞状铁网，有许多细小的横纹，用于增加与核桃接触的粗糙度。落入破壳板狭缝的核桃，随动破壳板运动经最窄处破壳后，经出料口甩出。该机可破大小混杂在一起的核桃。

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图10平板挤压破壳装置

1定破壳板2调距手柄3偏心轴4动破壳板

⑦弧板—滚筒破壳装置

该装置是由弧形板2 和滚筒1组成（图9），在滚筒上装有两个角度成180°的活塞，两活塞由弹簧支撑。当分级后的核桃喂入旋转滚筒后，自行定位在活塞的顶端，随滚筒转动，在活塞和弧板的共同挤压下破裂，而后进入料斗。半仁以上的占75%，碎仁占15%，未破壳的约占6%，生产能力30kg/h。

图11弧板—滚筒破壳装置

1滚筒2弧板3活塞4弹簧5气压装载系统

⑧机械击打破壳装置

打击方式破壳能得到较多的高路仁，破壳后的核桃壳较碎，有利于实现核桃的机械破壳，破壳的综合效果优与挤压破壳。洪翎等人采用仿生机械敲击臂敲击山核桃使其破壳，研制了一种采用机械击打方式的实用高效手剥山核桃破壳机。该机主要由输送机构、破壳机构、传动机构、电机及机架等组成，不受山核桃形状和大小限制，免除了分级步骤。

选题背景

图12机械击打破壳装置

1支架2发动机3出料口4下机壳5螺钉

6支架7打击器8脱壳室9辐条筛10上机壳11进料口

⑨碰撞碎壳装置

该装置由上机壳10与下机壳4，以及传动部件组成。上机壳下部设置和传动部件相连的脱辊，脱棍与上机壳的外壁之间设置数根固连在上机壳两侧与脱辊平行的辐条筛9，相邻辐条筛的间距为18~20mm，辐条筛与脱棍之间形成上大下小漏斗形状的脱壳室8，辐条筛的下部和脱辊之间形成脱壳室的咽喉，进入脱壳室的核桃在凸筋的抛送下与辐条筛碰撞击碎核桃壳，为碰撞的核桃在咽喉处被搓擦挤压破碎。脱出的核桃仁一、二等品占70%以上。

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图13碰撞碎壳装置

1机架2出料口3主滚筒4进料

5电机6敲击臂7压杆滚筒8电机

2.2.3核桃壳仁分离装置分为带式壳仁分离法、比重法分离壳仁、风选法分离壳仁、静电法分离壳仁

①带式壳仁分离法：

纵向带式壳、仁分离法，在长度方向上，环形带和水平面有一定的倾斜角，其上带面由低处运行到高处。摩擦系数较小的仁沿环形带下行，从低处进入接仁斗;摩擦系数较大的壳沿环形带上行，从高处进入接壳斗。由于破壳后的核桃物料中核桃壳、核桃仁和半截核桃的断裂端口都有毛刺，且破开不完全核桃表面相对光滑，所以该方法在分离核桃壳仁时不能达到预计的效果

选题背景

图14带式壳仁分离法

1料斗2挡板3绒辊4出料斗

②比重法分离壳仁：

此法主要用于分离外形尺寸比较相近而比重相差较大的各种物料以及种子籽粒。利用此方法进行了破壳后的杏仁与壳的分离试验:把破壳后的杏仁与壳的混合物放入水中，为了提高分离的效果，在水中加入一定分量的盐;由于壳仁的比重不同，杏壳漂浮在盐水的表面，而杏仁沉在盐水的下层，从而完成壳仁的分离。但是核桃壳与仁的密度相差不大，在盐水中表现出来的浮沉现象不明显，分离效果不佳。同时利用此方法在对壳仁进行分离后还要对核桃仁进行烘干，提炼盐，增加了加工工序，还易造成仁的污染。

图15比重法分离壳仁

1接壳斗2进料斗3分离带4 接仁斗

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③风选法分离壳仁：

风选法是利用壳与仁单体质量的区别以及壳仁之间空气动力学性质—物体在运动气流中力学性质不同，在气流的作用下，由于悬浮速度不同而产生不同运动状态，从而进行分离。此方法常用于分离烟草物料、淀粉、瘪谷和茶叶等。从理论上讲，物料的悬浮速度不同，就应该得到很好的分离，但是在实际生产中却有很多复杂情况。例如，同一种被分离的物料，由于大小和质量的差异，其悬浮速度不完全相同，同时气流方向不断改变，造成气流场内气流的不稳定，因此很难完全分离两种悬浮速度相互交错或相接近的物料。

图16风选法分离壳仁

④静电法分离壳仁

静电法是利用壳与仁的介电性质差异产生不同的极化，在强电场作用下向强电场方向产生不同的偏移，从而使壳与仁高精度高效地分开。被分离的壳仁不受颗粒大小、形状和比重的限制，同时在分离的过程中因不受机械力的作用，不会被二次破损。该方法主要的缺点在于，在破壳前需要对核桃进行处理，且利用此方法研制出的机器价格比较任昂贵。

2.3目前核桃剥壳取仁机械存在的主要问题

目前许多科研人员对核桃初加工机械的机理及设备做了大量的研究和分析，也取得了很多的成果，但是在核桃壳仁分离装置方面的研究还比较少。要想达到核桃壳仁分离的预期效果只能借鉴其它物料的筛分规律，针对核桃壳仁做相应的基础性研究，找出最佳方案，因此主要存在以下几个方面的问题:

选题背景

①我国核桃生产量大、品种多，不同品种的核桃形状、壳的厚度、内隔和内褶的面积大小差别比较大，例如新疆的核桃品种扎343,温185、新新2等大都是长圆形，外表呈椭球状，内隔和内褶都比较少;而云南的山核桃是扁圆形的，外壳坚硬，内隔比较多。内隔和内褶多的核桃品种，其夹层较多，核桃仁卡在壳中不易取出，为后续的核桃壳仁分离带来一定的困难。

②尚未对破壳后的核桃物料进行深入的研究，己研制的核桃破壳机大都采用定间隙多点挤压或击打方式使核桃果壳在机械外力作用下开裂或破坏，为了追求较高的高路仁率，其破壳率就要降低。同时核桃进入挤压空间的姿态不易控制，核桃沿缝合线处的粘合力较小，因此采用挤压或击打方式破壳，尤其是挤压方式，所产生的半截核桃(核桃沿缝合线破开，夹层未破，仁仍然卡在壳中)和破开不完全核桃(核桃外壳只裂一小口，几乎未被破开)较多。因此破壳后的核桃物料由四种物料组成:半截核桃、破开不完全核桃、核桃壳与核桃仁。为了后续核桃仁的加工以及半截核桃与破开不完全核桃的二次破壳，在将核桃壳分离出的同时，也必须将半截核桃、破开不完全核桃与核桃仁彼此分离开。但是现有的核桃风选装置只是将破碎的核桃壳分选出，对后续核桃仁、半截核桃和破开不完全核桃的分离并没有做分析研究。

③目前国内外尚未对破壳后核桃物料的形状、物理机械性能以及在分离过程中核桃仁的损失做分析研究在壳仁的分离过程中，核桃仁因受到外力的作用，就会产生破碎或表皮磨损的现象。磨损掉的核桃仁是没有办法被回收的，从而造成核桃仁的浪费。而目前国内外研究人员主要还是研究核桃的初加工机械，而对在加工过程中核桃仁的损失还没有做研究。虽然筛分法在其它谷物或物料中的应用较为普遍，但是用此方法进行核桃壳仁分离时，在如何选取适合的振动筛参数，尽量减少核桃仁的损失方面还是存在一定的难度。

核桃分级、剥壳及分离一体机设计

3核桃剥壳机的整体结构

图17核桃剥壳机

1料斗2分机滚筒3链条4漏斗及导向槽

5导向辊6传动齿轮7弧形齿板8挤压辊9变速电机

整机由料斗、锥形栅条分级滚筒、导向机构、剥壳机构、传动机构以及动力所组成，如图14所示。它们依靠物料自身的重力自上而下形成一个系统作业流水线。核桃由料斗1进入分级滚筒2。分为五级后分别通过漏斗4(漏斗和一级导向机构的组合机构)接触到导向辊5，经导向后的核桃进入由偏心圆弧齿板7和剥壳齿盘8所组成的剥壳区域。受到挤压作用，核桃表面产生裂纹并逐渐扩展，直至最终完全破裂，碎壳和仁从最小间隙处掉下。

4核桃剥壳机分级机构的设计

4.1分级的必要性

由于核桃受到压缩后，其直径的变形与果径的大小有关，一般说来，果径越大受压时壳皮上的压力越高。如果某一变形对中型果能很好破壳的话，则同样的变形对小型果来说就显得偏大。反之对大型果则又显得小了。对于变形恒定(即固定间隙)的

核桃剥壳机分级机构的设计

核桃破壳机来说，要想对各个尺寸的核桃都能很好的破壳的话，就应该在破壳前对核桃进行分级。

4.2分级原理及栅式滚筒的结构

为了把核桃分成大小不同的等级，须按尺寸对核桃进行分级，按尺寸特性进

行分级的方法很多，如平面筛、转筒、辊轴等。虽然这些分级装置都是利用孔穴或缝隙的大小进行尺寸分选，但由于它们的结构，分级精度以及对农产品的冲击程度等各不相同。故使用对象也有所不同。具体地说，对于核桃分级来说，上述分级装置基本都能满足要求，但为了降低制造成本和整机尺寸，设计了栅式分级滚筒。其结构见简图。

图18栅式分级滚筒结构简图

1传动链条2电机3出料口4栅条5进料斗

4.3核桃在栅式分级机构里的运动及力学分析

4.3.1运动分析

由喂料斗喂入的核桃从滚筒的右端(直径小的一端)进入滚筒，随着滚筒的转动，小尺寸核桃率先从栅格中漏下，在重力、离心力、摩擦力以及栅格反力的共同作用下，尺寸大于栅格间隙的核桃继续向左移动，直到栅格间隙大于核桃尺寸时漏下。

4.3.2力学分析

为了使核桃能准确分级，大小尺寸不同的核桃应能及时的互换位置，以增加每一个核桃与下方栅格接触的几率。