平板挤压式核桃破壳机的设计

绪论1.1选题的意义和目的为了使坚果食品增值，近年来在各国都在加工制造成品方面很想办法。目前整体核桃核仁在国际市场上的价格是带壳核桃的几十倍，且核桃带壳保存易霉烂。因此，寻求效率高，质量好的脱壳方法，是必然发展的。我国核桃资源丰富，如何的有效去壳，对满足人们生活需要和换取外汇都有着很重要的意义。现在剥核桃的方法很多比说门缝里夹，锤子砸等等，都解决不了批量剥壳的问题，核桃破壳是核桃深加工的第一步，必须首先解决经实测发现核桃形状的不规则、壳仁的间隙小，试验证明核桃壳完全破裂所需的变形量大于壳仁的间隙，用一般的机械挤压方法破壳必然会造成大量的碎仁，随着逐年核桃产量的猛增加，如何对核桃深加工问题也就随而来之，核桃破壳取仁技术也突显出来了。实际上人工剥壳速度难以满足生产发展的要求，故研制高效剥壳机已经成当务之急1］。针对核桃加工存在的问题和市场需求，确定核桃加工的工艺，除脱青皮、分级、清洗、脱水、烘干、去壳、仁壳分离与包装外，还可进一步的深加工。在加工中，存在的问题是核桃脱壳比较困难，主要都由人工完成。人工剥壳难以满足生产的发展的要求，故研制高效剥壳机已成当务之急2］。我国的核桃栽培面积约130万hm2以上，主要种植区域在西南与西北。在国际的市场上，核桃与杏仁、腰果、榛子一起并列为世界的4大干果，核桃作为保健食品早已经被国内外所认识。我国核桃总产量约1万t，全国人均占有为0.24kg。这与国际上一些国家相比相差很远，如美国人均占有核桃量为1.5kg，是我国国民的6倍。核桃系胡桃科核桃属。原产我国的有4个种和1个杂交种，栽培较多的有普通核桃和云南薄壳核。目前我国核桃面积约为66.7公顷，年产量约20多万吨。核桃出仁率达50%左右，优质的核桃仁为淡黄色或琥珀色，营养丰富而味美，可以生食，是很好的滋养品，也是制作糕点的好原料。很多国家有消费核桃的习惯，美国的膳食指南将核桃与大豆列为同类食物。近些年来，核桃除销售干果或核桃仁外，核桃乳、核桃速食粉、核桃精等加工品也进入市场，另有少量的核桃油产品的销售，但是核桃的深加工产品很少见，随着核桃生产的发展，其后续产品的开发和加工迫在眉⑵。1.2本课题所涉及的问题及国内（外）研究现状及分析1.2.1国外研究现状及分析国外坚果类破壳问题的研究，如苏联专利的破裂松果的方法，日本专利的破除栗壳的方法，我国对棉核桃剥取仁的研究，在理论和实践方面都做了许多探讨，但均未解决好核桃去壳取仁的问题。目前核桃核桃生产国中最有代表性的、生产水平最高的、市场占有份额最大的当数美国。美国可谓核桃生产上年轻而又强大的王国。美国核桃采收的机械化的程度很高，先是喷洒乙烯利，然后采用振落机采收，再用脱青皮机脱皮，用清洗机清洗，用烘干机再烘干、利用冷库再进行干燥处理和贮藏。如加工果仁，采用破壳机破壳，通过气流分选机进行壳仁分离，然后用分色机将果仁分为深色和浅色，再分出全仁和碎仁，最后分别称重包装销售。国外早在20世纪60年代初，就着手研制坚果剥壳机具，到80年代初，美国、意大利、法国等已相继推出了各种坚果剥壳机，如夏威夷果剥壳机、杏仁剥壳机等。经过数十年的发展，坚果剥壳机具已日趋成熟，目前，正朝着机电一体化方向发展［3］。1.2.2国内研究现状及分析在我国，如山西、陕西的核桃剥壳机，性能不甚好，我国出口的核桃仁全都是手工砸取，劳动生产率低，且菌感染指数高于国际食品卫生法规定的标准，影响了核仁的品质，降低了换汇率。在国内的市场销售，对人民不利。如今国内外核桃破壳有以下几个方法：（1）离心式碰撞破壳法（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。这些方法第一种碎仁太多，所以应用很少。第塔里木大学毕业设计二种在实际操作中不容易控制，仁容易受到腐蚀，处理不好还造成环境污染，很少有人采用。第三种第四种，设备昂贵，破壳成本高，效果我国坚果剥壳机具发展缓慢，远远落后于种植业的发展，在一些生产应用的机具中，存在如下几个突出的问题，因而，难以推广应用［4」不够理想。第五种最理想，值得探索。还有：机器剥壳率低。不少剥壳机有漏剥或剥壳不完全果仁去净率不高，有些剥壳机剥壳率只有50%。这机器是坚果剥壳机推广使用的最大障碍。损失率高。由于参数的选择不合理，造成剥壳不完全现象严重，碎仁夹带在碎壳中难以回收而被弃除。有些机具的果仁损失率高达20%。果仁的完整性差。有些机具设计，为了减少漏剥或剥壳不完全现象，一味追求剥壳率,导致高的破碎率,从而降低产品的商品价值。设备的通用性差。一般剥壳机仅能用于某一品种坚果的剥壳作业对于不同品种的坚果，不能通过更换主要的零部件来实现一机多用。机具性能的不稳定，适应性差。为某类坚果专门开发的专用机型，在该坚果品种、大小规格、外壳形状和含水量等因素出现变化时，剥壳机具的剥壳性能就变差。(6)设备的作业成本的偏高。我国坚果剥壳机具还未形成规模和系列，多数都是单机制造，制造工艺水平低、成本高、也因为通用性差,不能一机多用，使得生产企业设备配置成本高，致使加工坚果作业的成本增加。1.3核桃破壳机的技术现状及存在的问题现在核桃品种多，只能制造出适合大多数品种的适应，挤压式属于定间隙挤压式破壳法，研究很有意义，符合现阶段的需要，适宜大产量的生产，进一步的深加工。目前，虽然我国已研制开发出了一些坚果破壳机械，但是核桃破壳机的发展相当缓慢，并且能进行批量生产的成熟机型不多，远不能满足实际的生产需要。具有代表性核桃破的壳机主要有：①新疆农业大学史建新、乔园园、董远德等研究人员研制的新型核桃破壳机。该新型核桃破壳机结构简单、破壳效率高，能实现核桃的机械化破壳取仁。目前核桃破壳取仁有下列几种方法：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定问隙挤压破壳法。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，处理不好还对环境会造成污染的，因此人们都不愿接受；第三、四种方法，设备昂贵、破壳成本高，且破壳效果不够理想；只有第五种方法值得探索。但由于核桃品种繁杂、尺寸的差异较大、形状的不规则、壳仁的间隙小，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，加之碎壳、碎仁上有许多的毛刺，所以壳仁的分离也有相当难度。解决以上难题的方法就是将破壳取仁分解为分级、导向、挤压破壳、壳仁分离四部分，逐一俄的加以解决。1.4方案的确定我的设计是一种由一对端面呈倾斜、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。该机可破分级的核桃。这样的装置成本低，没污染。适合大中型企业生产需要。其结构如下图所示：1.调隙手轮*定板3.动板4.进料口5.排料器6.弹簧7.偏心轴8.电动机2.图1—4核桃破壳机的结构示意图工作过程：由于用两板挤压破壳，故需要先对核桃进行预处理一将核桃分级处理后。核桃进入进料口后，掉入动板和定板组成的破壳间隙，动板工作，核桃受到挤压作用，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。设计方案的选择经过多次查阅相关资料和同学探讨，最终确定设计的部分包括定板，动板，进料口，出料口，调隙装置，电动机，皮带轮链轮等等。2.1进料口的设计经过查找资料，可以知道当进料口与水平面夹角为37。时，更加有利于核桃的导向与进入工作区［6］因此设计进料口一边与水平面夹角为37。，另一边与水平面垂直，与箱体用螺栓连接。其结构示意图如下：图2—1核桃破壳机进料口结构示意图在此之上，我在进料口上加了一个类似于外槽轮排种器的装置，这样的装置可以实现核桃一排一排的往破壳板之间的间隙掉落，其结构示意图如下：

1.盛料斗2.排料器3.排料舌图2-1.1核桃破壳机排料口结构示意图工作过程：核桃经过分选后进入盛料斗中，来不及一字排开，核桃靠重力堆积在排料器上，并被排料器带着一起旋转进行强制排料：处在排料器外面的一层核桃在排料器的拨动和核桃之间的摩擦力的作用下也被带动起来了，其运动速度从排料器圆周线速度逐渐向外递减之静止层。由排料器强制带出的核桃从排料舌上掉入破壳板的间隙中，然后进行破壳。2.2核桃破壳部分的设计其结构示意图如图2-2所示:其结构示意图如图2-2所示:1.定破板2.动破板3.核桃4.偏心轴接触板5.偏心轴图2—2核桃破壳机的破壳部分的结构示意图工作过程：核桃由排料装置掉入动板和定板板表面造成的缝隙后，偏心轴转动过程中强制推动塔里木大学毕业设计动板移动，使得动板与定板之间的间隙变小，从而使得核桃受压破裂，动板靠重力和弹簧的拉力使得动板回位，完成一次破壳。在整机工作中，不停地重复这个动作。2.4板的设计2.4.1板的选择根据查找资料，为了增加板与核桃壳之间的摩擦，我选用菱形花纹钢板，面积为240000mm2定板结构示意图如图2—4所示：图2—3核桃破壳机的破壳板定板的结构示意图定板在破壳机中很重要，它的作用是实现间隙的变化，它的背部安装一调隙装置来推动板的移动实现间隙变化，在此之上为了防止定板的旋转和晃动我设计了一个定位空，此空装一个扁平的钢板，另一头用螺栓固定在机架上。2.4.2板的设计板的宽确定为400mm后，采用黄金矩形求出挤压辊的长度L黄金矩形为：长/宽 一10.618板长度L=647mm，取L=600mm板厚为10mm2.5轴的设计2.5.1轴的设计设计的轴长为594mm，轴分为4段。其结构示意图如下:495-coso+u溢卡495-coso+u溢卡CIIKI-CIVWW二aJLal5luzxlCDSO+_」£图2—4传动轴结构示意图第一段轴与皮带轮连接，其直径为24mm；第二段轴用来装轴承的，还需要设计一个轴肩，用来固定轴承：第三段是偏心轴，其基准直径为36mm，偏心距为5mm。第四段轴与大链轮连接。轴的材料：轴的材料主要是碳刚和合金刚。由于碳刚比合金刚价格便宜，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，所以本设计采用45号刚作为轴的材料。调制处理。第三段轴轴表面淬火，增加其表面的耐磨性能。2.5.2轴的校核经过分析，主轴轴的受力最大，而且轴的周向受力是主要的，因此，对该轴进行扭矩校核。轴的结构见图2-6主轴转速h=—gth=—gt22(2—5)其中h为板的高度0.6m，g为10m/s2t为时间得时间t约为0.35s取t为0.4s既得主轴0.4s转一圈所以主轴转速至少为150r/min取其整数倍轴的扭矩计算电动机输出转矩:(2—6)T厂9550%=9550x-4-=50.93Nm(2—6)m式中：P为电动机额定功率，nm为电动机转速主轴输入转矩：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"T=Txixnxnxn=50.93x10.21x0.93X0.98X0.97=454.97Nm （2—7）d1 2 3n为皮带轮的传动效率根据设计指导书参考初选n=0.93n为轴承的传动效率初选1=0.98n为链轮的传动效率初选1=0.963 4根据要求，轴要满足下列条轴的强度条件：（2—8）t=T=冬=_f549L=0.05305MPaV[t]W 0.2d3 0.2x353（2—8）T式中：t为轴的切应力，MPa;T为转矩，N.mm;wt为抗扭截面系数，mm3;［t］为许用扭切应力，MPa.表2—4常用材料的［t］值和C值轴的材料Q235,20354540Cr，35SiMn[t]/MPa12-2020-3030-4040-52C160-135135-118118-107107-98该轴的材料为45号钢，则满足强度条件，轴是安全的。［11］（4）轴传递的转矩T1=T3=F]幺=11540x0035=201.95N.m2 2（2—9）T2日d=F・一^=T221540x0040=230.8N.m2（2—10）轴的扭矩图:图2-7图2-7扭矩图轴的刚度计算Tl 32Tl ,32x454.97x594=0.208<[Q](2—11)Q= ==0.208<[Q](2—11)GI Gnd4 8.1x104x兀x354p式中：T为转矩；l为受转矩作用的长度，mm;G为材料的切变模量，MPa;d为轴径，mm;1尸为轴截面的极惯性距。[Q]>1,[Q]>Q，故轴是安全的。2.5.3轴系零件的定位轴向定位为了防止轴上零件发生沿轴向的移动，必须对其进行定位，来保证齿轮的正确啮合，根据轴上零件的的安装要求和对轴的结要求，要选择不同的定位方式，常用的定位方式主要有轴肩定位、套筒定位、轴端挡圈和弹性挡圈，轴间定位方式在本设计中有用到，具体的结构和参数见零件图和明细表。周向定位键主要是为了实现轴上零件的周向定位来传递转距，键的形式用多种，因此要根据不同的要求来选择不同型号的键，根据传动的要求，本设计全部采用圆头普通平键(A型)，它的两个侧面是工作面，上表面与轮毂槽底之间留有间隙，其主要特点是定心性好、拆装方便。2.6轴承的选择主轴通过粉碎室内腔，其两端由轴承固定在机架上。根据轴受力和轴径的不同,本设计选用的轴承是：深沟球轴承已知此处轴径d=35mm，所以选内径为35mm的轴承，在机械设计手册中选择深沟球轴承；查表6-1，选择型号为6007GB/T276—94的轴承。另一处已知轴径为d=25mm，所以选内径也为25mm的轴承，选择型号61805GB/T276—94的轴承。所选的轴承基本参数如下：[12]轴承内径：d=35mmD=72mm

B=17mm基本额定动载荷：C「19.8KN基本额定静载荷：C=13.5KN0r轴承内径：d=25mmD=52mmB=15mm基本额定动载荷：C,=10.8KN基本额定静载荷：C0r=6.95KN滚动轴承的寿命计算：P£L=常数P-当量负荷L-基本额定寿命106r）£-寿命指数，球轴承£=3,磙子轴承10/3L60nf「温度系数，1<120C0P-f（XR+YA）P=fR（受纯径向负荷的轴承）P=fA（受纯轴向负荷的轴承）f-负荷系数=1.2-1.8A-轴向力6005850=6005850=0.102£=0.19P=f(P=f(XR+YR)=1.2(0.56x2400+600x2.145)=3157.2N16670(CV

nIP/16670(10000)3

480[3157.2/=351785.2hC,=C,=3157』585。x480)I16670)13=17436.36h2.7键联结的选择与校核2.7.1键的选择根据轴的直径的不同，应该选择不同型号的键，另外，键的长度也有一系列的标准，应该优先选用第一系列，在以上的说明书中知道安装键的轴有两处，分别是第一段和第二段。第一段的直径为25mm。从机械设计手册表中查得键的截面尺寸为：宽度》=8mm，高度h=5mm。2.7.2键的安装键的安装位置见零件图。2.7.3校核键联接的强度轴和带轮的材料是钢和铸铁，且属于静联接由文献12的表6-2查得许用挤压应力为[Op]=120-150MPa,取其平均值，9p]=135MPa。键的工作长度为l=L—b=27mm-10mm=17mm，键与轮毂的键槽的接触高度为k=0.5h=0.5x5=2.5mm。由文献1的式6-1可得b=27x103<[y]ckld cp=2x525x103=90.16MPa<135MPa4x32x35M一传递的转矩（N.M）d—轴的直径（mm）l—键的工作长度（mm）;A型，l=L—bk一键与轮毂的接触高度（mm）;k=h—t,h为键的高度，b—键的宽度（mm）t一切向键工作面宽度（mm）bc一键的许用切应力（MPa）b卬一键连接的许用挤压应力，/MPa可见联接的挤压强度满足，即该键可以正常工作。2.8轴承端盖的设计所选轴承外径为62mm，在45-65的范围内，所以选择螺钉直径d3=6mm，螺钉数4个d=d+1=7mmD0=D+2.5d3=62+2.5x6=77mm气=D0+2.5d3=77+2.5x6=92mmD4=D—（10-15）=62—10=52mmD5=D0—3d3=77—3x6=59mmD6=D—（2~4）=62—2=60mm

e=1.2d=7.2mm3。］>eb=5~10b取5mmh=(0.8~1)b=8mm带轮和链轮的选择带轮是依靠带与带轮接触面间的摩擦传动的，它可以吸收和缓冲振动，结构简单，成本低廉。3.1带轮的结构设计小带轮的材料选择HT150，由小带轮的基准直径d=40mm<2.5d=2.5X20=50mm，因此小带轮可d1采用实心式；由机械设计第八版表8—10得Y型槽的结构尺寸bd=5.3mm,ha=1.6mm,e=8mm,Z=2，da=dd+2ha=40+2X1.6=43.2mm，B=(Z—1)eX2f=(2—1)X8+2X6=20mm。图3-1小带轮结构大带轮的材料选择HT150，由大带轮的基准直径d=100mm<2.5d=2.5X24=60mm，因此大带轮d2可采用腹板式，由机械设计第八版表8—10得Y型槽的结构尺bd=5.3mm,ha=1.6mm,e=8mm,Z=2，d=dd+2h=100+2X1.6=103.2mm，B=(Z—1)eX2f=(2—1)X8+2X6=20mm。

mm-gmm-gE0图3-2大带轮结构3.2链轮传动部分计算：选择链轮齿数：Z1=34 Z2=17 中心距：500mm确定链节数L_丑+Z]+%+火_气*-2X500+17+17+19.05(17-17*

p—~P*122+39.5/ 19.05+2+39.5x500_112_15.7Kw1.3_15.7Kw0.887x0.7x1L-节数a。-中心距KA-工作情况系数Kz-修正系数Km-多排链系数验算链速："—七Pn1-17x19.05x206_11”

U_60X1000 60x1000 .mS（4）作用在轴上的压力:①离心力F_qv2_0.65x1.12_0.79K_6②悬垂压力水平布置时垂度系数以C19.05CCF=Kqga_6x0.65x9.81x40x顶。。=29N③紧边拉力和松边拉力F_1000-_1000157_14272.7N圆周拉力 u1.1紧边拉力F1=F+FL4272.7+29T4301.7松边拉力F2=Fy=29N（3） 最后选定的链型号：12A-1-112GB1243.1-83电动机的选择进过多方查阅资料，确定偏心轴转速为300r/min，所需功率为3KW，符合这一范围的同步转速为：查机械设计文献3第155页表12-1可知750rmin1000r.min1500rmin根据容量和转速，由设计手册查出的电动机型号，因此有以下三种传动比选择方案，如下表4—14—1电动机的类型方案方电动机型号额定功率kw同步转速rmin满载转速rmin电动机质量kg参考价格传动装置传动比1Y-160M1-847507201185.0010.212Y132M1-641000960733.4813.613Y112M-4415001440432.2220.42①本参考价格为4极，同步转速为750r\min，功率为4kw的电动机价格为1计算，表中数值为相对值，仅供参考。综合考虑电动机和传动装置的尺寸，质量，价格以及传动比，可见第三种方案比较合适，因此选定电动机的型号是Y-160M1-8。5电机的尺寸及安装5.1电机的安装电机选定后，可根据其安装尺寸设计机架及调节装置，考虑到V带传动运转一段时间以后，会因为带的塑性变形和磨损而松弛。为了保证带传动正常工作，应定期检查带的松弛程度，做相应的调整［10］。设计采用定期张紧装置，通过人为定期改变中心距的方法来调节带的初拉力，使带重新张紧。将电机安放在角铁上，通过调节螺栓来改变中心距，使V带保持张紧状态，将效率损失降到最低。电动机的安装尺寸见表4-2该电动机的主要外型和安装尺寸如下表4—2：表4—2电动机主要外形尺寸中心高外形尺寸地脚安装尺寸地脚螺栓孔直径轴伸尺寸装键部位尺寸11238X265X190190X1401228X608其主要外形安装尺寸如图4-3图4-3电动机主要外形安装尺寸5.2电机的调整电机底座安放在30x30的等边角钢的平面上，角铁通过四根①12mm的全螺线螺栓固定在总机架上，定期检查带的松紧程度，如果需要调整中心距，可通过调节四根螺栓上锁紧螺母的位置来实现。这样有效的防止了带的打滑，减小了机械效率损失。使电机功率得到合理应用［1］。6固定支撑部分的设计6.1机架的设计机架采用角铁焊接而成，根据需要选择热轧槽钢(GB/T707-1988)。基本尺寸见表5-1表5-1槽钢尺寸槽钢号数尺寸/mmd t rr1bh843805.0 8.0 8.04.06.2轴承座的安放由于轴承座为标准件，在选定轴承后，查手册可知轴承座的安装尺寸［10］，见表5-2表5-2滚动轴承座安装尺寸型号A1LJSN1N质量/(kg)SN20546165130M1215201.37装配质量（1） 整机零部件完整，无缺件，安装方便；（2） 运动件操作灵活，无有卡死、磕碰现象；（3） 非运动件无明显偏移、翘曲等现象；（4） 紧固件紧固可靠；（5） 电动机、带轮、链轮安装牢固、可靠。8.总结通过此次设计使我掌握了科学研究的基本方法和思路，为今后的工作打下了基础，在以后的日子我将会继续保持这份做学问的态度和热情。我所选设计题目是“平板挤压式核桃破壳机的设计”，之所以选择这个题目，是因为我对这个课题比较的感兴趣。在我的生活里，核桃破壳主要是在门缝里夹碎，这样力道不容易把握，不是夹得太碎就是破裂程度很小，同时对门也造成了一定程度的破坏。因此，就想设计一款既省力又快速且破壳完整的机械。经过查找资料和老师的指导，以及上网搜集更多的相关学术论文、核心期刊、书籍等，终于对核桃破壳机有了一定得了解，心里有了大体的思路。