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20 年 月 第 期
青皮核桃去皮清洗機的設計
摘 要：鑒于我國核桃種植分布廣，品種多，現(xiàn)階段去皮清洗機械結(jié)構復雜造價高不易推廣，特設計一種結(jié)構較為簡單，通用性較好，制造成本低的青皮核桃去皮清洗機。該機采用撥桿與環(huán)形刀桶相作用的方法切削去除核桃大塊青皮，由粗洗滾筒孔洞與鋼絲刷擊打來去除小塊青皮，短毛刷與水刷洗來徹底清洗核桃完成全部去皮、清洗工作。生產(chǎn)率為600kg/h，功率為1.5kw。機具結(jié)構簡單，設計合理，很大程度上加快了核桃初加工的速度。
關鍵詞：青皮核桃；去皮；清洗；帶傳動
中圖分類號： 文獻標識碼：A 文章編號：
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0 引言
核桃，是世界上有名的干果，它有很高的價值。我國對核桃的需求和生產(chǎn)量都很大。青皮核桃在采摘后需要盡快脫去青皮，并清洗烘干，才能形成市面上最常見的初級農(nóng)產(chǎn)品——核桃。如不及時去青皮，青皮核桃堆積漚爛會產(chǎn)生汁液使果仁發(fā)霉腐爛，且外觀也會非常不美觀。以前采用人工去皮方式，該方式雖然效果較好，但在核桃成熟時需要大量人力，具有成本較高、效率較低、勞動強度較大、生產(chǎn)不靈活等缺點。且青皮汁液污染性極強，人工去皮即使帶膠皮手套，任然能滲透到手上腐蝕皮膚，很難洗凈。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，市場對核桃深加工產(chǎn)品的需求量也在不斷增加，因此對原有產(chǎn)品的需求也隨之增加。但過高的成本和低效率是核桃加工速度很慢，所以，必須由機器去皮代替人力才能滿足市場需求。
市場上現(xiàn)有的同類產(chǎn)品效率高，效果好?，F(xiàn)有機械用不同原理的去皮及清洗，各有優(yōu)缺點，本課題所研究問題即為去皮、清洗的良好結(jié)合。
本次設計的青皮核桃去皮清洗機是加工核桃的必用機械，能很大程度的提高核桃去皮的速度，且降低成本。本課題設計的主要內(nèi)容是青皮核桃去皮清洗機的設計。主要通過對方案的論證比較與選擇，完成對核桃去皮清洗機的總體設計，脫皮原理的設計，清洗原理的設計以及傳動方案的選擇等內(nèi)容。并對青皮核桃去皮清洗機的結(jié)構、傳動件、動力原件、軸及其他零件進行計算說明。[1～4]。
1 設計原理及機構
1.1 去皮原理
青皮核桃落入去皮滾筒中，程單層由撥料桿波動，由相對靜態(tài)在撥料板的作用下加速至撥料板的線速度，此過程為加速階段。青皮核桃離心力不斷加大，核桃相對刀桶既有滑動又有滾動[16]。當核桃速度達到撥料板線速度時，由撥料板與螺旋刀的相對位置作用，撥料板對核桃的作用力F1擠壓核桃，使刀面嵌入青皮中，核桃繼續(xù)隨撥料板運動。此時既有滾動由有滑動。且嵌入青皮的刀刃會給核桃較大阻力F2，核桃受切向力F3及此阻力F2作用，會使核桃達到一定速度的滾動，將青皮切割剜下。期間均勻排列的滾刀會不斷嵌入青皮，將青皮不斷剜下。受進給力作用向前運動到第一級撥料板末端時，核桃會從中間間隙落下，落入第二級撥料板的出時端，更換一方向繼續(xù)去青皮，如圖1所示。
圖1 去皮原理圖
1.2 粗洗原理
核桃在去完大塊青皮進入粗洗滾筒時，會有部分小塊青皮附著于核桃表面，在粗洗滾筒壁上開大小可將核桃固定接受鋼絲刷擊打刷洗的空洞，且該洞的大小不能將核桃落下，也不能阻礙核桃被鋼絲刷擊打時核桃的運動，同時要將被刷下雜物排出。斜置的鋼絲刷起到刷洗及給予核桃軸向進給力的作用，核桃不停被刷洗擊打，達到一定高度滾下，不斷換面，以達到每個表面都被刷洗干凈，如圖2所示。
圖2 粗洗原理圖
1.3 精洗原理
當粗洗完成后，核桃進入精洗滾筒，噴淋水管不斷噴灑干凈水，由斜置的精洗板撥動核桃在精洗滾筒內(nèi)沿內(nèi)壁滾動，且自身滾動受精洗板及滾筒內(nèi)壁毛刷刷洗掉顆粒狀附著物，達到所需干凈程度從出料口排出，如圖3所示。
圖3 精洗原理圖
1.4 整機結(jié)構設計
青皮核桃去皮清洗機的結(jié)構主要由去皮、粗洗、精洗等三大功能機構，進料口、出料口、出雜口、淋水管等四大輔助機構，再配置必不可少的動力和傳動機構來組成整體。人工將青皮核桃喂入進料口，其在撥桿撥動下沿環(huán)切滾筒做圓周運動，既有自轉(zhuǎn)由于公轉(zhuǎn)，如此與環(huán)切滾筒上的刀刃作用來切除大塊青皮。退下的大塊青皮有滾筒間隙落入廢料排出口滑下排出。當螺旋刀片之間間隙被堵塞后，滾筒上端蓋卸去四顆螺絲即可對滾筒內(nèi)部進行清理。兩對并列的去皮撥料桿之間具有一定間隙當喂入核桃過多時，部分核桃從間隙落下，減小撥料板所受阻力，有效防止電機過載。去完大塊青皮的核桃在具有一定角度的撥料板及具有一定螺旋線性的滾筒同時作用下，繞軸旋轉(zhuǎn)的同時向前進給，進入粗洗滾筒。粗洗滾筒布滿小洞，在保證核桃不落下的同時對核桃具有部分固定作用。粗洗滾筒頂部水管不斷噴灑水的同時，由四把鋼絲刷對核桃進行刷洗，鋼絲刷的擊打作用克去除與核桃接觸表面的小塊附著青皮，起到拋光的作用。被擊打的核桃會沿滾筒面滾動，在另一處空洞處停下由鋼絲刷涮洗另一表面，重復的刷洗打擊使得核桃各個表面青皮都去除。去除下的小塊青皮等雜物由小孔洞排入排出口，由上部清洗用水的下流沖出。四把鋼絲刷的排列與軸具有一定角度，核桃經(jīng)過一定清洗后會向前進給，進入精洗滾筒。在精洗滾筒中，去過青皮的核桃因鋼絲毛刷的擊打拋光，表面會粘有擊打下的粉末物。精洗滾筒內(nèi)部付有細短刷，精洗撥板上也具有細刷。核桃在進入精洗滾筒后由精洗板波動在滾筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，與兩側(cè)毛刷摩擦，同時頂部水管碰水，使得核桃表面徹底洗凈細小的粉末狀雜物在水的沖刷下有滾筒底部的小孔洞流入廢料排出口。旋轉(zhuǎn)的核桃具有較高的離心力，始終會貼在滾筒內(nèi)壁進行刷洗。同樣具有一定角度的精洗板會將洗凈的核桃繼續(xù)向前進給，有出料口排出，完成去皮、清洗的工作，得到產(chǎn)品。這樣不斷的以一定速度喂入青皮核桃，對核桃進行連續(xù)的去皮清洗。所有的廢料由排料口排出，可用不同方法進行收集，方便簡單。本機器適用于家庭及小型作坊，操作方便，維修簡單，成本較低，省時省力，如圖4/5所示。
1.電機 2.張緊輪 3.主軸 4.軸承進料口 5.進料口6.去皮滾筒上蓋 7.粗洗滾筒 8.噴淋水管 9.精洗滾筒 10.出料口 11.機架 12.排污口13.去皮滾筒下蓋
圖4 外部結(jié)構圖
14. 去皮撥料組 15.鋼絲刷組件 16.精洗板組件
圖5 內(nèi)部結(jié)構圖
2 關鍵部件設計
2.1 去皮撥料板斜置角度設計
核桃脫皮的質(zhì)量受很多方面的影響，首先是核桃的青皮厚度、水分、形狀、核桃大小等因素。核桃較圓而青皮較薄，青皮含水量較少成熟度較高的核桃去皮容易。而青皮較厚，青皮含水量較多尚未成熟的核桃，青皮對核桃硬殼的附著較強，不易脫下大塊的青皮，且留在核桃表面的小塊青皮雜物較多，加大粗洗的工作量?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，不同采收期對核桃去青皮效果的影響較為顯著?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，當核桃青皮含水率控制55%~65%時更容易去皮[5]。影響核桃去皮率的因素還有核桃在去皮滾筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，既撥料板的斜置角度。我國各地種植的核桃由于品種不同而差異較大，各種核桃間具有尺寸和皮厚的差異，相同的核桃也會有不同大小。我們可以把去皮前后的核桃都近似看成球體來方便研究，對我們學校周邊常見的幾種核桃進行樣品采集，通過測量以下三個品種的核桃外形尺寸，得出青皮核桃和硬殼核桃的直徑見表1。
表3-2 核桃近似球體直徑尺寸
樣品號
溫185
新新2
扎343
青皮
硬殼
青皮
硬殼
青皮
硬殼
1
55.1
39.8
49.1
36
57.1
38.8
2
51.7
38.3
48.7
35.5
56.8
38.3
3
54.6
39.2
49.7
36.6
57.6
39.2
皮在每把滾刀上去除體積為：
將被切下青皮每個面都近似看為平面，則切下青皮可看成兩個四棱錐體的組合體，如圖6所示。
圖 6 青皮切塊近似圖
則所切青皮塊體積為此兩四棱錐體體積之和。
切塊青皮體積為：
核桃在滾筒內(nèi)線速度為：
核桃在滾筒內(nèi)的運動如圖7所示。
圖7 核桃運動分析
2.2 其它部件
為方便物料的輸入，通常將料斗設計成上大下小的四棱柱型，以充分利用物料的自有重力使物料連續(xù)下落。喂料斗底部連接一小段垂直引導板，有效阻隔核桃從進料口與螺旋刀桶之間的間隙滾出，或避免核桃旋轉(zhuǎn)到連接處時卡主。進料口固定在機架上，方便拆卸切穩(wěn)固。因喂料自由下流，且原料形狀為球體，故淌板角度不用過大，淌板與垂直線程30°角即可。這樣使得青皮核桃垂直落入滾筒內(nèi)，重力G作用下使得核桃撞擊到底部刀刃，刀刃自然嵌入青皮中，撥料板接觸到核桃時，瞬間的擊打會使核桃皮對核桃的附著不在那么緊固，易于削下大塊青皮。使核桃皮對核桃的附著不在那么緊固，易于削下大塊青皮。正常工作下對生產(chǎn)率的需求為Q=600kg/h，設計進料斗出口尺寸，設核桃連續(xù)喂入，且將核桃近似為球體[6]。
已知青皮核桃平均直徑為d1=53.38mm，則核桃從進入進料口到排出進料斗的時間為：
推出：
因此，核桃生產(chǎn)率：
其中上式中：
Q—核桃生產(chǎn)率（kg/h）；
a—料斗出口寬度（m）；
b—料斗出口長度（m）；
Ψ—物料填充系數(shù)，一般為0.3-0.4；
r—青皮核桃半徑（m）；
t—核桃從進入料斗到排出料斗時間（s）；
k—核桃平均質(zhì)量（kg）；
帶入數(shù)據(jù)得：
計算得：
，取，。
3 結(jié)論
1) 該青皮核桃去皮清洗機，與市場現(xiàn)有類似產(chǎn)品相比，結(jié)構較為簡單，省去了很多精細零件。且所用零件都為大塊鑄造、焊接件。對生產(chǎn)水平要求不高，適合各種規(guī)模工廠生產(chǎn)。
2) 該機簡單的結(jié)構使得成本大大降低，對該機器的推廣有一定的促進作用。功能方面，在保證去皮效率的同時，用粗洗、精洗兩步來加強的清洗功能。
3) 頂部噴淋水管在工作時無間斷的噴水使該機的水資源浪費量較大，因核桃青皮內(nèi)汁液污染極強，若循環(huán)用水將不能保證核桃清洗的質(zhì)量。該問題是本機器存在較為顯著的缺點，也是后期改進升級要重點研究的問題。
參考文獻：
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[5] 吳東澤,鄭甲紅,梁金生.青核桃塊狀去皮機的研制[J].食品與機械.2015.05:033.
[6] 崔波寬,李忠新,楊莉玲.連續(xù)式核桃清洗機的設計與實驗[J].農(nóng)產(chǎn)品加工.2013.08:08.
Green?walnut?peel?cleaning?machine
Abstract:In view of our country walnut cultivation is widely distributed, multi species, stage peeled and cleaned the complex mechanical structure high cost not easy to promote, and designed a structure is relatively simple, general better, walnut green husk peeled cleaning machine for producing low cost. The machine by poking rod and annular knife barrel phase method cutting removal of large walnut green husk, coarse washing drum hole with a wire brush strike called to remove a small piece of peel, short hair brush and water to scrub thoroughly cleaning walnut finish all peeled, cleaning work. Productivity is 600kg/h, power 1.5kw. machine is simple in structure, reasonable design, greatly accelerate the walnut processing speed..
Key words: Green walnut peeling; cleaning; belt drive;