宋 超，陳超超，劉賢喜，張開興

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引言

山核桃又名小核桃，主要產(chǎn)于皖、浙交界的天目山區(qū)及昌北區(qū)，具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和獨(dú)特的風(fēng)味[1-2]。隨著種植規(guī)模和需求量的增加，采用人工敲打破殼取仁的方法不僅效率太低、人工成本較高，且容易產(chǎn)生二次污染，品質(zhì)不能保證[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者對山核桃破殼機(jī)械進(jìn)行了大量的研究。曹成茂[5]等設(shè)計(jì)了一種凹槽滾筒載料的山核桃破殼機(jī)械；Ojolo[6]等設(shè)計(jì)了一種通過機(jī)械臂和載有山核桃的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行擠壓從而實(shí)現(xiàn)破殼的山核桃破殼機(jī)。因?yàn)樯胶颂覀€體存在較大差異，故破殼效果參差不齊[7-8]。針對山核桃個體存在差異、大部分破殼機(jī)械沒有進(jìn)行分級擊打的現(xiàn)狀，研制了一種自分級擊打式山核桃破殼機(jī)，設(shè)計(jì)了分級機(jī)構(gòu)和擊打機(jī)構(gòu)對山核桃進(jìn)行逐個破殼作業(yè)，保證了不同尺寸的山核桃的破殼質(zhì)量。本機(jī)提高了破殼率，加快了山核桃破殼機(jī)械化的步伐。

1 山核桃的力學(xué)性能分析

山核桃進(jìn)行破殼作業(yè)時(shí)，會對果殼進(jìn)行縱向(平行縫合線)擠壓。果殼所受最大壓縮變形量及最大破壞載荷是設(shè)計(jì)擊打裝置的重要參考參數(shù)，故有必要進(jìn)行殼體承受載荷和壓縮變形量的檢測。

隨機(jī)選取完好山核桃100粒作為試驗(yàn)對象，然后將這山核桃逐一放置于微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)[9]作業(yè)平臺中，測試施加外加力與殼體縱徑方向時(shí)的破殼過程。對試驗(yàn)機(jī)的相關(guān)監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，逐漸增加施加于殼體上的作用力，取部分曲線可得到實(shí)時(shí)載荷曲線如圖1所示。

圖1 破殼壓力變化曲線圖Fig.1 Broken shell pressure variation graph

壓力變化曲線可分為3個階段：第1階段，對殼體進(jìn)行的壓縮力開始增加，此時(shí)山核桃殼體的形變量較小，壓縮位移在0～0.3mm之間，為彈性受力階段；第2階段，隨著壓力的繼續(xù)增加，當(dāng)形變達(dá)到0.3～0.7mm時(shí)，壓力迅速增加，此時(shí)殼體開始屈服破裂，然而破裂不完全，為屈服破裂階段；第3階段，破裂的殼體不能保持穩(wěn)定，壓力迅速下降，碎裂的果殼碎片散落開從而不能再承受壓力，為余裂階段。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

分級擊打式山核桃破殼機(jī)主要由分級機(jī)構(gòu)、破殼機(jī)構(gòu)及分離機(jī)構(gòu)等部件組成，如圖2所示。

1.喂料斗 2.分級從動輪 3.分級輥筒 4.落果斗 5.三角帶 6.擊打機(jī)構(gòu) 7.料斗 8.振動板 9.分離從動輪 10.出風(fēng)口

11.減速機(jī) 12.電動機(jī) 13.風(fēng)機(jī) 14.從動輪

圖2 山核桃破殼機(jī)的原理示意圖

Fig.2 Schematic diagram of pecan shell breaking machine

工作原理：將處理后的山核桃加入喂料料斗中，山核桃在重力的作用下流入分級機(jī)構(gòu)中。分級機(jī)構(gòu)中的分級滾筒設(shè)計(jì)為呈現(xiàn)一定傾斜角度的由細(xì)到粗的形狀，由電動機(jī)帶動以特定速度旋轉(zhuǎn)，由喂料斗進(jìn)入分級輥筒的山核桃在重力和分級輥筒旋轉(zhuǎn)的作用力下，由分級滾筒的一端向另一端螺旋移動；分級輥筒設(shè)計(jì)為柵條間距不同的分級輥，當(dāng)在輥筒內(nèi)的山核桃尺寸小于柵條間距時(shí)，山核桃落到落果斗，從而實(shí)現(xiàn)分級功能。進(jìn)入落果斗中的山核桃隨即在重力作用和下落入擊打機(jī)構(gòu)導(dǎo)管中，擊打機(jī)構(gòu)中的凸輪軸牽引敲擊錘向后移動，敲擊錘后退一定距離時(shí)，在機(jī)構(gòu)的聯(lián)動下山核桃從導(dǎo)管中落入擊打機(jī)構(gòu)的擊打管中。當(dāng)敲擊錘與軸承達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，敲擊錘不再受凸輪的牽制，敲擊錘沖出撞向擊打凹槽，從而實(shí)現(xiàn)山核桃的破殼作業(yè)。破殼后的物料經(jīng)料斗落向振動板,曲柄連桿機(jī)構(gòu)使振動板產(chǎn)生顫動，物料在振動中落下，且由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流促使殼仁分離開來。

3 主要機(jī)構(gòu)、工作原理及參數(shù)確定

3.1 分級機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

山核桃存在個體的差異，為確保山核桃的破殼效果，在對山核桃進(jìn)行破殼作業(yè)前，需先要對山核桃進(jìn)行分級，故設(shè)計(jì)了分級機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 分級機(jī)構(gòu)三維模型Fig.3 Three-dimensional model of hierarchical organization

分級機(jī)構(gòu)由喂料斗、分級輥筒、活門板及出料斗等部件組成。其中，喂料斗采用頂置式；活門板安裝于喂料斗與分級輥筒的連接處，可調(diào)控山核桃喂入分級輥筒的速度與量；分級輥筒與機(jī)架處安有橡膠，橡膠與分級輥筒中的柵條接觸，有效防止了山核桃夾在柵條之間的狀況發(fā)生。分級機(jī)構(gòu)下安裝有7個落果斗，落果斗與垂直方向呈30°夾角，以便于山核桃的順利下流。

3.1.1 分級輥筒轉(zhuǎn)速的計(jì)算

為確保對山核桃順利準(zhǔn)確的分級，需要將落入分級輥筒中尺寸不一的山核桃進(jìn)行位置互換，從而增加山核桃與柵格的接觸機(jī)會，提升下落的機(jī)率。

分級輥筒內(nèi)的山核桃受力大小與在輥筒內(nèi)的位置有較大關(guān)系，山核桃在分級輥筒內(nèi)存在3個特殊的位置點(diǎn)-90°、0°、+90°。

1)當(dāng)分級滾筒的轉(zhuǎn)速偏小時(shí)，此時(shí)山核桃轉(zhuǎn)動到β角，而β的范圍在-90°～0°之間時(shí)，山核桃的受力如圖4所示。假定此時(shí)處于相對靜止，即此時(shí)在輥筒內(nèi)的山核桃受力平衡，忽略山核桃與輥筒柵條之間的摩擦作用力，則再轉(zhuǎn)dβ度時(shí)，山核桃開始滾動，此時(shí)：

在水平方向上有

F1sinβ-Nsinβcosθ+Ffcosβcosθ=0

(1)

在豎直方向上有

Nsinβcosθ-F1cosβ-G+Ffsinβcosθ=0

(2)

其中，β為γ軸與離心力之間的夾角；θ為中心線和輥筒柵條間的夾角；Ff為摩擦力；F1為離心力；G為重力；μ為摩擦因數(shù)；ω為輥筒角速度；R為離心半徑。

圖4 山核桃在滾筒的受力圖Fig.4 Pecan force in the drum

2)在分級輥筒轉(zhuǎn)速相對較大時(shí)，在離心力的作用下β角在0°～90°時(shí)(見圖5)可得：

在水平方向上有

F1cos(180°-β)-Ncos(180°-β)cosθ+
Ffsin(180°-β)cosθ=0

(3)

在豎直方向上有

F1sin(180°-β)-Nsin(180°-β)cosθ-
G+Ffcos(180°-β)cosθ=0

(4)

圖5 山核桃在滾筒內(nèi)的受力圖Fig.5 Pecan force in the drum

因此，為了讓山核桃在輥筒內(nèi)滾動以實(shí)現(xiàn)相對位置的互換，需確保在滾筒內(nèi)轉(zhuǎn)到0°～90°之間下落，即滿足

mω2R

(5)

所以，保證尺寸不一的山核桃能夠?qū)崿F(xiàn)交換位置必須滿足為

(6)

代入數(shù)值得：n<180r/min，取n=60r/min。

3.1.2 分級滾筒錐角的計(jì)算

山核桃尺寸不一，但相差不大，所以分級滾筒的兩端的直徑差別不大，故分級滾筒的錐角不大。分級滾筒大小端半徑分別為

(7)

(8)

(9)

其中，C1為輥筒大端柵條間距；C2為輥筒小端柵條間距；d為柵條直徑；a為柵條間角；Φ為輥筒錐角；L為輥筒長度。

代入數(shù)據(jù)可得：Φ<8°。因此，山核桃在分級滾筒的小端向大端移動時(shí)，殼體較大的山核桃在輥筒內(nèi)的移動相對較慢，為防止影響后續(xù)喂入輥筒內(nèi)山核桃的移動，使分級效率下降，需要在分級輥筒內(nèi)安裝螺旋形導(dǎo)向板，從而增大山核桃在輥筒軸向的移動速度。

3.2 擊打機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

擊打機(jī)構(gòu)包括擊打凹槽、敲擊錘、彈簧、落果調(diào)控閥、凸輪軸及牽引桿等組成，如圖6所示。

1.敲擊錘導(dǎo)管 2.落果調(diào)控閥 3.導(dǎo)管 4.擊打凹槽 5.敲擊錘 6.杠桿片 7.凸輪 8.彈簧圖6 擊打機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The three-dimensional structure of the strike mechanism

分級后的山核桃進(jìn)入擊打機(jī)構(gòu)的導(dǎo)管中，擊打機(jī)構(gòu)中的凸輪帶動敲擊錘向后移動，同時(shí)壓縮彈簧；當(dāng)敲擊錘后退到一定距離，敲擊錘帶動落果調(diào)控閥打開，在導(dǎo)管中的山核桃落入敲擊錘導(dǎo)管中；此后凸輪帶動敲擊錘后退到臨界點(diǎn)時(shí)，敲擊錘沖出，完成對山核桃的一次擊打；在凸輪釋放敲擊錘的同時(shí)，落果控制閥隨著敲擊錘的釋放而關(guān)閉，完成一個循環(huán)。

3.2.1 擊打裝置的設(shè)計(jì)

擊打機(jī)構(gòu)是本機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，敲擊錘的形狀結(jié)構(gòu)關(guān)系到山核桃的破殼效果。所以，采用合理的敲擊錘凹形槽結(jié)構(gòu)與角度，能提高山核桃的破殼率與高露仁率。鑒于人工破殼較好的破殼效果，擊打機(jī)構(gòu)中的擊打裝置借鑒了人工敲擊工具，人工敲擊工具的形狀和角度為擊打裝置提供設(shè)計(jì)依據(jù)[10]。擊打裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 敲擊錘的結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of hammer broken shell

3.2.2 凸輪軸的設(shè)計(jì)

為了滿足不同尺寸山核桃的破殼要求，并提高破殼率及露仁率，擊打機(jī)構(gòu)采用多工位設(shè)計(jì)，擊打機(jī)構(gòu)的工位數(shù)目及間距的設(shè)定要與分級機(jī)構(gòu)各級占比和長度匹配，由于一、二、三級占比較大，故設(shè)計(jì)為2個工位，四級占比較小設(shè)計(jì)為1個工位。故凸輪軸上共設(shè)計(jì)了7個凸輪，同時(shí)為避免應(yīng)力集中或過大，造成機(jī)構(gòu)的損壞，故凸輪設(shè)計(jì)為沿凸輪軸軸心順時(shí)針間距60°排列分布，如圖8所示。

圖8 凸輪軸三維模型Fig.8 The three-dimensional model of the camshaft

4 仿真分析與試驗(yàn)

4.1 擊打機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的仿真與分析

自分級擊打式山核桃破殼機(jī)擊打機(jī)構(gòu)中的凸輪軸是其核心部件，為了確保其工作可靠，使用集成在Pro/E中的有限元分析軟件Mechanica進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 凸輪軸應(yīng)力云圖Fig.9 Camshaft stress cloud

圖10 凸輪軸位移云圖Fig.10 Cam shaft displacement cloud

圖11 凸輪軸的安全系數(shù)云圖Fig.11 Camshaft cloud safety factor

由圖9可知：在凸輪齒根部受應(yīng)力較大，凸輪軸的最大應(yīng)力發(fā)生在輪齒的根部，最大應(yīng)力數(shù)值為4.002e+03N/m2。由如圖10可知：凸輪的最大位移發(fā)生于凸輪軸的齒尖上，最大位移量為5.1383e-01mm。由圖11可知：最大安全系數(shù)位于受力一側(cè)的凸輪齒齒根部，大小為9.000e+05；最小安全系數(shù)出現(xiàn)在受力的兩凸輪齒處，為1.000e+05。因此，最小安全系數(shù)是3，依照第四強(qiáng)度理論[11]對強(qiáng)度校核，屈服準(zhǔn)則的表達(dá)式為

σvonMises=

第四強(qiáng)度理論強(qiáng)度條件為

≤[σ]

屈服應(yīng)力可等同于應(yīng)力極限σlim，故安全系數(shù)(FOS)=σlim/σvonMises，安全系數(shù)(FOS)=1.906，取安全系數(shù)為1.906，可以滿足使用要求。

4.2 樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證樣機(jī)的破殼率及果仁損傷率，對樣機(jī)進(jìn)行了山核桃破殼試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的材料為產(chǎn)于安徽省寧國市的寧國山核桃。目前，山核桃的橫徑(垂直縫合線方向)大多集中在15～25mm，分別隨機(jī)選取大小不一的3組質(zhì)量在5 000g左右的山核桃，試驗(yàn)前需將山核桃進(jìn)行去青皮、開水煮、烘干處理，并保證含水率在14.55%～16.35%。

為了便于測算統(tǒng)計(jì)，將果殼表面有裂痕但整體完整的山核桃歸為未破殼山核桃。破殼后的核桃仁小于整體核桃仁1/4的為碎仁。

試驗(yàn)的破殼效果與果仁損傷情況如表1所示。

表1 樣機(jī)試驗(yàn)的破殼效果與果仁損傷情況Table 1 Prototype test performance of pecan shell break and kernel damage

從表1數(shù)據(jù)可以看出：進(jìn)行的3組山核桃破殼試驗(yàn)破殼率分別為99.41%、99.51%和98.79%，平均破殼率為99.24%；3組山核桃破殼試驗(yàn)的果仁損傷率分別為6.04%、6.54%和6.84%，平均果仁損傷率為6.47%，在合理的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1)利用Pro/E軟件建立擊打式山核桃破殼機(jī)的模型，并通過Mechanica軟件進(jìn)行了關(guān)鍵零部件的有限元分析。

2)對山核桃進(jìn)行了物理學(xué)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而為結(jié)構(gòu)參數(shù)、零部件的設(shè)計(jì)提供理論支持。根據(jù)山核桃外觀尺寸的差異進(jìn)行了破殼前的分級工作，并采用多工位逐一擊打的破殼方式。

3)破殼試驗(yàn)表明：本機(jī)的破殼率較高，山核桃的損傷率在合理范圍內(nèi)。