趙景濤 尚鵬旭 吳曉雪 方　燁

(晉中學院，山西 晉中　030600)

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新型青核桃單體脫皮分離機機構原理及設計

趙景濤 尚鵬旭 吳曉雪 方燁

(晉中學院，山西 晉中030600)

該脫皮機主要用于青核桃的綠皮與核桃的分離，采用單個核桃脫皮工藝，通過切割破皮、擠壓扭轉(zhuǎn)、拋皮分離工序完成青核桃的脫皮分離工作。為實現(xiàn)連續(xù)進給與卸料，專門設計拋離裝置，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)—下移—扭轉(zhuǎn)—復位的一系列拋離分離動作，完成青核桃皮與核桃的拋離工作。機械結(jié)構緊湊，操作方便；加工刀具系列化，可根據(jù)具體情況更換合適的刀具進行加工，通用性好，具有良好的開發(fā)和實用前景。

青核桃；切割破皮；擠壓扭轉(zhuǎn)；拋皮分離；拋離機構

目前中國青核桃脫皮主要采用手工脫皮、堆漚脫皮、化學法脫皮。手工脫皮費時費工，批量生產(chǎn)受限；堆漚脫皮處理時間長且嚴重影響核桃的品相；化學方法，常用乙烯利，再采用人工或機械脫皮，青皮腐爛果核污染面積大，且化學制劑的殘留也會對人體造成一定的傷害[1-3]。近年來，中國學者提出了多種機械技術方案，典型的有采用鋼刀毛刷旋轉(zhuǎn)滾筒式[4-5]、旋切滾筒式[6]、鼠籠滾筒式[7]和壓板輥筒式[8-9]。旋轉(zhuǎn)和旋切滾筒式利用核桃與柵條的碰撞脫皮，易導致破裂；鼠籠滾筒式利用擠壓摩擦脫皮，通用性較差且不能實現(xiàn)連續(xù)進給與卸料；壓板輥筒式調(diào)節(jié)壓板與滾筒的間隙復雜，且核桃與青皮分離難度大[10-12]。由于核桃種植與收獲模式的差異，目前國外還未見專門針對青核桃的脫皮機械[13]。

針對現(xiàn)有青核桃脫皮機的不足，擬設計一種通過旋轉(zhuǎn)擠壓復合運動來實現(xiàn)青核桃脫皮的新型單體脫皮分離機，采用三維數(shù)字建模構建虛擬原理樣機并進行仿真分析，之后通過實物原理樣機予以驗證，進行設計。

1　青核桃脫皮機設計與工作原理

1.1設計思路

青核桃脫皮機經(jīng)過切割破皮的前處理，然后通過扭轉(zhuǎn)擠壓的復合運動將核桃綠皮與核桃分離，最終經(jīng)過核桃拋離裝置，實現(xiàn)青核桃的脫皮。其采用逐個脫皮技術，可有效避免漏剝現(xiàn)象；且機構中存在緩沖裝置，可有效降低破殼率；為提高脫皮效率采用六工位設計；該設計可以實現(xiàn)連續(xù)進給與卸料。青核桃脫皮機結(jié)構原理示意圖見圖1。

1.2受力分析

當青核桃進入下托盤刀頭10與壓桿刀頭12之間時，兩刀頭工作內(nèi)壁為波紋齒，摩擦系數(shù)為μ；沿z軸受擠壓力F1和重力mg作用；在x-y平面，受扭轉(zhuǎn)切向力F、F等作用，扭轉(zhuǎn)切向力主要為摩擦力，見圖2。

Fτ1=Fτ2=(mg+F1)μ，

(1)

(2)

式中：

F、F——扭轉(zhuǎn)切向力，N；

m——青核桃重量，g；

g——重力加速度，m/s2；

F1——擠壓力，N；

1. 主軸2. 撥盤3. 主動齒輪A 4. 套筒A5. 從動槽輪6. 凹槽凸輪7. 連桿8. 下托盤刀桿9. 扭轉(zhuǎn)彈簧10. 下托盤刀頭11. 定位盤12. 壓桿刀頭13. 壓縮彈簧14. 壓桿刀桿15. 曲柄16. 從動錐齒輪17. 套筒B18. 從動齒輪B19. 滾子20. 滾子銷21. 凸輪22. 摩擦輪23. 摩擦輪軸24. 鍵A25. 主動齒輪B26. 主動錐齒輪27. 鍵B28. 活塞29. 外套筒30. 刀具彈簧31. 內(nèi)套筒32. 擋板33. 鍵C34. 主動撥盤35. 從動軸36. 鍵D37. 從動齒輪A38. 鍵E39. 圓螺母

圖1青核桃脫皮機結(jié)構原理示意圖

Figure 1Schematic diagram of the structure of the green walnut peeling machine

圖2　青核桃受力示意圖

μ——摩擦系數(shù)；

T——扭轉(zhuǎn)力矩，N?mm；

D——青核桃直徑，mm。

由式(1)、(2)可知，扭轉(zhuǎn)力矩T的大小主要取決于摩擦系數(shù)μ和擠壓力F1，當增大摩擦系數(shù)μ或擠壓力F1可顯著增大扭轉(zhuǎn)切向力F、F，從而增大扭轉(zhuǎn)力矩T，使青核桃綠皮破裂，達到分離效果。

1.3工作原理

青核桃脫皮機采用逐個脫皮處理，單個青核桃首先經(jīng)過刀具——切割破皮，作為扭轉(zhuǎn)擠壓的前期處理；在扭轉(zhuǎn)擠壓中脫皮動力主要為摩擦力，在摩擦力作用下擠壓和扭轉(zhuǎn)核桃皮，從而達到脫皮效果；最后經(jīng)過拋離裝置，將核桃綠皮與核桃拋出，完成脫皮作業(yè)；如此往復循環(huán)進給和卸料，達到連續(xù)生產(chǎn)的目的。

1.4設計參數(shù)

(1) 外型尺寸：1 000 mm×1 500 mm×1 600 mm。

(2) 配套動力：1.5 kW。

(3) 生產(chǎn)率：120 kg/h。

(4) 結(jié)構質(zhì)量：≤130 kg。

(5) 脫凈率：≥90%。

(6) 破殼率：≤3%。

2　脫皮機具體工作流程

脫皮機主要分為3個工序：切割破皮工序、擠壓扭轉(zhuǎn)工序、拋皮分離工序。

(1) 切割破皮工序：如圖3所示，電動機通過減速器帶動主軸1轉(zhuǎn)動，主軸1通過鍵B 27，將轉(zhuǎn)矩傳遞給主動錐齒輪26，齒輪通過嚙合運動將轉(zhuǎn)矩傳遞給從動錐齒輪16，從動錐齒輪再將旋轉(zhuǎn)運動傳遞給曲柄15，曲柄將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，并帶動活塞28做直線往復運動，將綠皮核桃擠壓進入內(nèi)套筒31，內(nèi)套筒31中的刀具彈簧30將綠皮切破，完成青核桃的前期處理。

(2) 擠壓扭轉(zhuǎn)工序：如圖4所示，電動機通過減速器帶動主軸1轉(zhuǎn)動，主軸1通過鍵A 24，將轉(zhuǎn)矩傳遞給主動齒輪B 25，主動齒輪2通過嚙合運動將轉(zhuǎn)矩傳遞給從動齒輪B 18，從動齒輪B 18通過正六邊形的異形孔帶動壓桿刀桿14做旋轉(zhuǎn)運動；與此同時在主動齒輪B 25的帶動下摩擦輪22旋轉(zhuǎn)，摩擦輪22通過摩擦輪軸23帶動凸輪21做旋轉(zhuǎn)運動，凸輪21將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑椭本€運動，為降低凸輪21的磨損，采用滾子19將滑動磨擦改變?yōu)闈L動摩擦。此時旋轉(zhuǎn)運動與往復直線運動復合，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)擠壓運動，同時壓桿刀頭中波紋齒增大摩擦，從而達到脫皮效果。因核桃大小不一，防止擠壓力過大導致核桃被壓碎，故在壓桿刀頭12與壓桿刀桿14之間加入壓縮彈簧13達到緩沖作用，防止破殼現(xiàn)象發(fā)生。

1. 主軸15. 曲柄16. 從動錐齒輪26. 主動錐齒輪27. 鍵B28. 活塞29. 外套筒30. 刀具彈簧31. 內(nèi)套筒

圖3切割破皮原理示意圖

Figure 3Schematic diagram of cutting broken skin

1. 主軸12. 壓桿刀頭13. 壓縮彈簧14. 壓桿刀桿18. 從動齒輪B19. 滾子20. 滾子銷21. 凸輪22. 摩擦輪23. 摩擦輪軸24. 鍵A25. 主動齒輪B39. 圓螺母

圖4擠壓扭轉(zhuǎn)原理示意圖

Figure 4Schematic diagram of the squeezing and twisting principle

(3) 拋皮分離工序：如圖5所示，電動機通過減速器帶動主軸1轉(zhuǎn)動，主軸1通過鍵E 38，傳遞給主動齒輪A 3，主動齒輪A 3通過嚙合傳動，將運動傳遞給從動齒輪A 37，從動齒輪A 37通過鍵D 36將運動傳遞給從動軸35，從動軸35通過鍵C 33將旋轉(zhuǎn)運動傳遞給主動撥盤34，主動撥盤34將運動傳遞給從動槽輪5，主動撥盤34旋轉(zhuǎn)一圈，從動槽輪5轉(zhuǎn)動60°；其中從動槽輪5與套筒A 4過盈連接傳遞運動，下托盤刀桿8與套筒A 4通過機械關節(jié)連接，故從動槽輪5與下托盤刀桿8同步運動。凹槽凸輪6固定于機架上保持不動。下托盤刀桿8隨從動槽輪5間歇運動，當完成擠壓扭轉(zhuǎn)工序后，下托盤刀桿繼續(xù)運動，在凹槽凸輪6的作用下，通過連桿7引導下托盤刀桿8向下運動一定位移，從而撞上擋板32，使扭轉(zhuǎn)彈簧9因受力發(fā)生彈性形變，發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而將核桃與核桃皮拋離，經(jīng)過擋板32后，彈性形變消失，恢復原來位置，進入切割破皮工序循環(huán)工作。拋離后的核桃與綠皮在

1. 主軸2. 撥盤3. 主動齒輪A 4. 套筒A5. 從動槽輪6. 凹槽凸輪7. 連桿8. 下托盤刀桿9. 扭轉(zhuǎn)彈簧10. 下托盤刀頭32. 擋板33. 鍵C34. 主動撥盤35. 從動軸36. 鍵D37. 從動齒輪A38. 鍵E39. 圓螺母

圖5分離拋皮原理示意圖

Figure 5Schematic diagram of separation and cast-off principle

撥盤2的作用下滾離機箱，完成拋離。最后經(jīng)過外掛件——慣性篩分離裝置，分離核桃與核桃綠皮。

3　脫皮機關鍵零件作用與機構設計原理

3.1下托盤

下托盤由下托盤刀桿8扭轉(zhuǎn)彈簧9和下托盤刀頭10組成，下托盤主要完成下移—扭轉(zhuǎn)—復位的一系列拋離分離動作；下托盤刀頭10為半球形內(nèi)有波紋齒，增大摩擦力，與壓桿刀頭12配合使用，因為核桃品種不同，核桃直徑也不相同。為了使脫皮機滿足各種核桃的脫皮需要，可將下托盤刀頭10與壓桿刀頭12做成系列產(chǎn)品，以滿足具體需要，提高了機器通用性，有效降低了成本；扭轉(zhuǎn)彈簧9在下托盤刀桿8與下托盤刀頭10之間，發(fā)生彈性形變實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)—復位運動；下托盤刀桿8起支撐作用。

3.2壓桿

壓桿由壓桿刀頭12壓縮彈簧13和壓桿刀桿14組成，壓桿主要完成扭轉(zhuǎn)和擠壓運動，完成對青核桃的脫皮；通過調(diào)節(jié)壓桿上端的凸輪21，可改變壓桿軸向向下的位移大小，以適應不同種類核桃的大小，滿足生產(chǎn)要求；壓縮彈簧13在壓桿刀頭12和壓桿刀桿14之間，主要起緩沖作用，防止因擠壓力過大導致破殼率增加；壓桿刀頭12為半球形內(nèi)有波紋齒增大摩擦力，與下托盤刀頭12配合，起脫皮作用，并根據(jù)實際要求系列化；壓桿刀桿14起支撐作用。

3.3拋離機構設計

為實現(xiàn)青核桃脫皮機的連續(xù)進給與卸料，提高脫青核桃皮機的自動化水平，現(xiàn)專門設計拋離機構，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)—下移—扭轉(zhuǎn)—復位的一系列拋離分離動作，保證青核桃脫皮機的連續(xù)工作，拋離機構主要由槽輪機構，齒輪機構，凹槽凸輪和下托盤等零件裝配而成。

3.3.1槽輪機構槽輪機構由從動槽輪5與主動撥盤34組成。結(jié)構簡單，運動平穩(wěn)，便于制造，轉(zhuǎn)角精準，可靠性較高，機械效率高，且槽輪機構適用于中低速場合。槽輪機構為拋離機構關鍵零件，將圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H需要的間歇運動，根據(jù)實際需求，基本設計參數(shù)：徑向槽數(shù)目z=6，從動盤轉(zhuǎn)角60°，撥盤圓銷個數(shù)K=1。

槽輪機構動停比：k=z-2/z+2=1/2，槽輪運動時間總小于靜止時間，停止2 s運動1 s。

槽輪機構主要有兩個作用：① 從動盤每次轉(zhuǎn)動60°，為脫皮機6個工位提供動力，其中兩個切割破皮工位，兩個擠壓扭轉(zhuǎn)工位，兩個拋皮分離工位；② 為脫核桃皮提供工作時間。

3.3.2凹槽凸輪凹槽凸輪6是具有曲線輪廓凹槽的凸輪，帶動連桿7實現(xiàn)預期目的高副機構。依靠凹槽的限制作用，使連桿與凹槽凸輪在運動過程中保持接觸。結(jié)構簡單方便，可靠性較高，本次設計的凹槽凸輪，主要作用是在拋皮分離工位前通過目標曲線輪廓引導拋離機構中的連桿將下托盤桿豎直向下平移一段距離，為下托盤刀頭提供翻轉(zhuǎn)的空間和與擋板32發(fā)生碰撞提供條件，經(jīng)過拋皮分離工位后在目標曲線輪廓的約束下恢復原來位置，使核桃脫皮機順利進入下一道篩分工序。

3.4慣性篩分離機構

經(jīng)過青核桃脫皮機處理后得到核桃綠皮與核桃的混合物，因此在出料口加裝慣性篩分離機構，慣性篩分離機構原理為雙曲柄搖桿機構，篩底為網(wǎng)狀，通過慣性篩的往復擺動，使核桃綠皮掉落，從而達到最終分離效果。

4　試驗情況

4.1試驗材料

選用山西晉中地區(qū)晉龍1號核桃品種作為試驗材料，本批核桃直徑范圍為37.1～39.8 mm，平均直徑為37.8 mm青皮厚度為4～5 mm，硬殼厚度為1.1 mm。

4.2試驗結(jié)果

使用本青核桃脫皮原理樣機進行3次試驗，每次試驗核桃個數(shù)為20個，果見表1。

由表1可知，青核桃脫皮機基本達到設計要求，脫皮機產(chǎn)量約為120 kg/h。脫皮效果與現(xiàn)有設備基本相同，但破殼率和漏剝率明顯低于現(xiàn)有設備[5-8]。不過也存在不足：① 刀尖對核桃硬殼有輕微劃痕；② 核桃表面粘有少量綠皮易氧化變黑，需經(jīng)過清洗裝置處理；③ 青核桃綠皮中的液體對機身壽命會造成一定影響。

5　結(jié)論

該新型青核桃脫皮機設計原理，為青核桃的脫皮提供了一種新的方法，可一次性完成脫皮分離作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率和核桃品質(zhì)。本機構設計原理的優(yōu)點為：① 機械結(jié)構緊湊，體積小，操作簡單，能耗較低，配套容易，選用220 V單相電作為電源；② 采用擠壓扭轉(zhuǎn)脫皮，脫凈率較高；③ 機構采用緩沖彈簧裝置，有效降低破殼率；④ 采用逐個處理加工，可避免漏剝現(xiàn)象的發(fā)生；⑤ 拋離機構由槽輪、凹槽凸輪、下托盤和扭轉(zhuǎn)彈簧等組成，可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)—下移—扭轉(zhuǎn)—復位的一系列拋離分離動作；⑥ 加工刀具系列化，可根據(jù)不同種類的核桃選用合適的刀具，且更換調(diào)整方便，通用性強；⑦ 可實現(xiàn)連續(xù)進給和卸料。若需進一步提高生產(chǎn)效率，可在本設計的基礎上加裝自動控制和自動檢測裝置，以提高機器的自動化水平。

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Design of the mechanism principle of the new green walnut peeling machine

ZHAO Jing-taoSHANGPeng-xuWUXiao-xueFANGYe

(JinzhongUniversity,Jinzhong,Shanxi030600,China)

The peeling machine is mainly used for separation of the green walnut green and walnut, using a single walnut peeling process, along with cutting through broken skin, torsion straining, and casting skin process. In order to realize the continuous feeding and discharging, a special kick-off device was designed, by utilizing a series of repeat actions, including rotation-depression-torsion-reduction, finally achieve the separation of the green walnut pericarp from walnut. It turned out that the mechanical structure was compact and easy to operate as well as the knifes were systematized. Therefore, the appropriate tool can be replaced according to the specific utilization. The machine designed in this study showed the good prospects for the development and practice.

Green walnut; cutting of the broken skin; torsion straining; cast-off and separation of skin; kick-off device

山西省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(編號：2016412)

趙景濤，男，晉中學院在讀本科生。

雷文平(1973—)，男，晉中學院研究員級高級工程師，碩士。E-mail：1554721483@qq.com

2016-05-26

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.08.020