吳東澤 鄭甲紅 梁金生 牛碩雅（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

核桃是世界著名的四大干果（核桃、扁桃、板栗、腰果）之一，其經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益極高，是一種分布和栽培遍及世界五大洲的廣域經(jīng)濟(jì)樹種，在中國(guó)有2 000多年的栽培歷史，并逐漸由中國(guó)的西部擴(kuò)展到黃河流域［1－5］。核桃去青皮機(jī)械在美國(guó)、加拿大和澳大利亞等核桃種植大國(guó)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且形成了一定的規(guī)模，脫皮原理通常為擠壓、揉搓、刷洗、切割等［6－8］。陜西省是核桃生產(chǎn)大省［9］，在核桃產(chǎn)業(yè)大發(fā)展時(shí)期，核桃初加工機(jī)械也應(yīng)隨之發(fā)展，并大力服務(wù)和推進(jìn)核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。核桃采收后，要求盡快脫皮，否則易霉變。傳統(tǒng)的“堆漚脫皮法”，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。目前市場(chǎng)上的青核桃去皮機(jī)械按原理可分為三類［10，11］：① 鼠籠滾筒式去青皮機(jī)；② 旋切滾筒式去青皮機(jī)；③ 鋼刀毛刷旋轉(zhuǎn)式去青皮機(jī)等。這些設(shè)備都會(huì)不同程度地將青皮打成泥狀，污染環(huán)境，腐蝕設(shè)備。

針對(duì)陜西省大面積種植的采收前噴灑乙烯利和萘乙酸溶液［12］催熟的青核桃，本試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)一種采用剝離方式去皮的核桃去皮機(jī)。結(jié)合青核桃青皮與核桃硬殼的生物機(jī)理，分別對(duì)陜西省商洛、商州、咸陽、銅川等各大種植區(qū)的青核桃取樣研究，確定滿足要求的機(jī)器方案。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 去皮原理

去皮原理示意圖見圖1。將成熟的青核桃投入進(jìn)料口，電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)及重力G作用下帶動(dòng)青核桃進(jìn)入揉搓去皮工作區(qū)，隨著內(nèi)圓滾筒和外圓固定筒之間的間隙逐漸減小，青核桃轉(zhuǎn)到合適的位置時(shí)開始受到內(nèi)外筒的擠壓力F1和F11以及剪切力F2和F22作用，內(nèi)滾筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，擠壓力達(dá)到上述試驗(yàn)所得的破損力時(shí)，青皮破裂，最終實(shí)現(xiàn)揉搓剪切將青皮去除。

圖1 去皮原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of peeling principle

1.2 方案確定

根據(jù)上述去皮原理對(duì)機(jī)器方案進(jìn)行確定見圖2，主要包括機(jī)架、進(jìn)料口、轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)圓筒、固定外圓筒、分離篩等組成部分。此方案優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，機(jī)器體積小，方便單戶使用，解決了當(dāng)前去青皮機(jī)器將青皮打成液汁狀的問題。其核心原理采用脫皮滾筒與外筒對(duì)青皮核桃進(jìn)行滾動(dòng)、擠壓，實(shí)現(xiàn)揉搓，破壞青皮與核桃的結(jié)合面，使之分離，并利用擠壓力在轉(zhuǎn)動(dòng)的脫皮輥筒與外筒間產(chǎn)生擠壓及摩擦，將青皮剪開、剝離；根據(jù)需要還可增加鋼絲毛刷將少量未剝凈的青皮清除。本方案的動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)輸出，經(jīng)過減速器減速后，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒和分離機(jī)構(gòu)的曲軸，實(shí)現(xiàn)青核桃的去皮以及分離。

圖2 青核桃去皮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of green walnut peel machine structure

1.3 技術(shù)要求

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求及文獻(xiàn)［13］和［14］，確定青核桃脫皮機(jī)的技術(shù)指標(biāo)為：

（1）外形尺寸：620mm×560mm×1 100mm；

（2）配套動(dòng)力：1.5kW；

（3）生產(chǎn)率：2 500kg/h；

（4）去皮率：≥92%；

（5）破碎率：≤5%；

（6）單機(jī)造價(jià)：≤2 000元。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 相關(guān)設(shè)計(jì)

2.1.1 相關(guān)尺寸確定 設(shè)計(jì)內(nèi)滾圓筒長(zhǎng)度500mm，直徑360mm；設(shè)核桃尺寸為50mm，核桃沿軸向排列時(shí)的間隙為20mm，核桃在周向排列時(shí)的間隙為20mm。

沿軸向的核桃數(shù)n：

由弧長(zhǎng)公式求出約在工作區(qū)可分布核桃的排數(shù)N：

2.1.2 相關(guān)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 由圖3可知，沿工作區(qū)周向的7排核桃中，有3排核桃參與揉搓擠壓變形，靠近入口的3排在滾動(dòng)過程中起到導(dǎo)向作用，靠近出口的一排為已去皮的核桃；已知有變形核桃的變形量：50.00－49.25＝0.75mm；50.00－43.09＝6.91mm；50.00－39.55＝10.45mm。

圖3 青核桃在去皮過程中的排列圖Figure 3 The green walnut arrangement diagram in the peeling process

由于核桃在擠壓剪切過程中有一段導(dǎo)向距離，所以只能保證青核桃在去皮過程中是沿著X、Y和傾斜3個(gè)方向擠壓揉搓的，但不能確定具體擠壓的是哪個(gè)一個(gè)方向，即根據(jù)壓力試驗(yàn)過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取3個(gè)方向上變形量對(duì)應(yīng)的最大力。

由圖4可知：0.75對(duì)應(yīng)的力約為4kg；6.91對(duì)應(yīng)的力約為31kg；10.45對(duì)應(yīng)的力約為22kg。

圖4 變形量與試驗(yàn)壓力的關(guān)系圖Figure 4 Diagram of the relationship between deformation and pressure test

所以在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的力矩

初步設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速為30r/min，通過求得的轉(zhuǎn)速及力矩可進(jìn)行電機(jī)的選擇。

2.2 青皮剝離機(jī)構(gòu)

為了綜合考慮青皮剝離的生產(chǎn)效率，降低核桃的破碎率以及增加青皮的利用率，最終采用揉搓剪切去皮原理，實(shí)現(xiàn)核桃青皮剝離過程。剝離原理采用內(nèi)外偏心安裝圓筒實(shí)現(xiàn)，內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)外圓筒固定。此方案解決了3個(gè)問題：①可連續(xù)喂料保證生產(chǎn)效率；② 固定外圓筒內(nèi)表面和轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)圓筒外表面附有網(wǎng)格型橡膠降低去皮過程中核桃的破碎率；③ 采用揉搓剪切剝離青皮，剝離的青皮是成塊掉落，便于青皮的收集利用同時(shí)減少環(huán)境污染。當(dāng)青核桃進(jìn)入內(nèi)外圓筒之間時(shí)開始會(huì)有一段起到導(dǎo)向作用的距離，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)間隙逐漸減小，青核桃被擠壓剪切。

2.3 分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖5所示，分離機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，主要包括分離篩、連桿、曲軸。工作原理是青核桃經(jīng)過揉搓剝離后，大部分青皮都與核桃分離，還有一小部分青皮與核桃相連，掉入抖動(dòng)的分離篩后，經(jīng)過分離篩的抖動(dòng)摩擦以及核桃相互之間的擠壓，全部的青皮都會(huì)分離并通過柵條篩子進(jìn)行分離。篩子采用6號(hào)螺紋鋼筋焊接制成，篩底為柵條狀，相比網(wǎng)格篩的優(yōu)點(diǎn)是能有效減少青皮及核桃的堆積現(xiàn)象，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量測(cè)得已去皮的核桃的最小尺寸31mm，考慮到鋼筋和核桃的微小變形，所以確定兩鋼筋之間的距離25mm。篩底向核桃出料口傾斜15o，保證晃動(dòng)分離篩的過程中核桃能夠向出料口流動(dòng)。

圖5 分離篩俯視圖Figure 5 Top view of separation sieve

3 去皮機(jī)的試驗(yàn)

針對(duì)上述原理對(duì)去皮機(jī)器進(jìn)行試制并作出相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為大面積種植的矮化新品種—“香玲”。采用變傳動(dòng)比的方式改變內(nèi)筒的轉(zhuǎn)速，對(duì)內(nèi)筒的轉(zhuǎn)速進(jìn)行5次轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn)，用 轉(zhuǎn) 速 表 實(shí) 測(cè) 轉(zhuǎn) 速 分 別 為 30.0，42.0，55.6，70.0，78.0r/min；配套電機(jī)為 Y90L－4 1.5kW 農(nóng)用機(jī)械專用電機(jī)；根據(jù)青核桃及堅(jiān)果的外形尺寸調(diào)整內(nèi)外筒之間的間隙。啟動(dòng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，從入料口加料。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最理想效果為：轉(zhuǎn)速55.6r/min時(shí)，去皮率為98.33%，破損率為2%，生產(chǎn)率約為2 200kg/h。

4 總結(jié)

結(jié)合目前市場(chǎng)上去青皮設(shè)備存在的問題，通過采用揉搓剪切原理剝離青皮的方式，使得青皮在剝離過程中保持小塊狀，容易收集，對(duì)機(jī)器以及環(huán)境造成的污染小。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：① 進(jìn)行揉搓強(qiáng)度、揉搓時(shí)間、擠壓力與青皮破碎率和剝凈率的關(guān)系的試驗(yàn)和理論分析；② 對(duì)青皮的剝離不進(jìn)行切削，避免了現(xiàn)有切削剝離方式的弊端；③ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，經(jīng)濟(jì)安全。

1 韓華柏，何方.我國(guó)核桃育種的回顧和展望［J］.經(jīng)濟(jì)林研究，2004（3）：45～50.

2 楊忠強(qiáng)，李忠新，楊莉玲，等.核桃脫青皮技術(shù)及其裝備研究［J］.食品與機(jī)械，2013，29（6）：121～124，142.

3 吳子岳.綿核桃剝殼機(jī)的研究設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，1995（3）：22～24.

4 馮連芬，呂芳德，張亞萍，等.我國(guó)核桃育種及其栽培技術(shù)研究進(jìn)展［J］.經(jīng)濟(jì)林研究，2006（2）：69～73.

5 王煒，李鵬霞，伍玉潔.我國(guó)核桃發(fā)展現(xiàn)狀及貯藏研究概況［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2007（4）：63～66，86.

6 Andersen N G.Machine for fulling nuts：US，2208239［P］.1940—07—16.

7 James C Hamiltion. Hulling apparatus and method： US，7302886B2［P］.2007—12—04.

8 William R Ham.Nut shelling apparatus：US，5404809［P］.1995—04—11.

9 劉廣振.陜西省核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與基地建設(shè)對(duì)策研究［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

10 王亞妮，盧軍黨，王維，等.一種青核桃去皮機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［J］.包裝與食品機(jī)械，2014（1）：32～34.

11 王維，劉東琴，王亞妮，等.一種實(shí)用型青核桃去皮機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.包裝與食品機(jī)械，2014（3）：14～16.

12 張建國(guó).噴灑乙烯利和萘乙酸混合液促進(jìn)核桃果皮開裂的研究［J］.林業(yè)科技通訊，1990（6）：23～25.

13 石鑫.青核桃脫皮、清洗機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［D］.新疆：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

14 馮宏波，史毅偉.5QHT－500型青核桃脫皮清洗機(jī)的研制［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械，2012（20）：67～68.