郭俊，王新

1. 內蒙古機電職業(yè)技術學院機電工程系（呼和浩特 010070）；2. 內蒙古農業(yè)大學職業(yè)技術學院車輛工程技術系（包頭 014109）

巴西松子除不飽和脂肪酸含量較大以外，與其他類別松子的營養(yǎng)成分相近，而且巴西松子的個頭較大，松仁飽滿，深受全世界人民的喜愛，被廣泛應用于甜食、糕點及色拉配料中[1-2]。松仁可以用來壓榨松子油，松子油中的皮諾林酸成分可以調節(jié)血脂、增強人體免疫力。此外，松仁還可以用來制作松仁罐頭、松子露、松仁酒等，松仁在休閑食品領域的應用范圍較為廣泛[3-4]。

現(xiàn)如今，脫殼去皮的食品類加工機械研究已較為深入，但針對于巴西松子的破殼分仁裝置的研究報道卻較少。傳統(tǒng)的破殼去皮方法主要有沖壓式、輥壓式、擠壓式、敲擊式、滾筒式和揉搓式[5]。在輥壓式破殼方法應用的基礎上，結合巴西松子的果殼特點，設計出一套破殼和分離松仁的破殼分離裝置，并在關鍵部件設計方面詳細介紹，研究試驗過程中影響破殼效果的因素，利用ANSYS有限元分析軟件進行受力仿真分析。

1 試驗部分

1.1 破殼機的整體結構

巴西松子一般呈瓜子狀，如圖1所示，單顆松子的體積范圍為1.5～3.2 cm3，巴西松子之間存在較大體積差異，需經篩分預處理。松子的殼體較薄，平均厚度為0.7 mm，但力學強度較高。松子與松仁之間貼合緊密度有限，一般存在0.2 mm左右大小的間隙，當松子經烘曬處理后殼內間隙會加大，便于破殼分離松仁。

為提高破殼效率，參考輥壓式破殼方法[6-7]對巴西松子破殼，從而減小對松仁整仁率的降低。試驗設計的輥壓式巴西松子破殼機的主體結構如圖2所示。其中，主要的部件為空氣壓縮機、電機、輥壓調節(jié)器和輥壓裝置。輥壓調節(jié)器的一端與整料口相連通，機架上的電動機為輥壓裝置提供動力。整料口的下面增設了整料箱，輥壓裝置的下面則設置了碎料口[8]。

工作原理：松子從入料口推壓入槽狀通道內，以一定的擠壓力破碎松殼。若一部分松殼未被破壞，則輥壓裝置逆向移動撕扯松殼開裂。松殼散開后經整料口整理后落料，于出口處收集松仁和些許破碎松殼。

圖1 試驗所用巴西松子圖片

圖2 破殼機主體結構圖

表1為破殼機的設計與工作具體參數(shù)，其中部分參數(shù)的結果（最大脫凈率、最大整仁率、工作效率）為在破殼機穩(wěn)定工作后所得[9]。

表1 破殼機的性能參數(shù)

1.2 松殼與松仁的分離裝置

破殼機處理后的松殼和松仁混合物料需要進一步分離，此次試驗利用松殼與松仁的滑動摩擦角差異較大進行帶式分離。經破殼處理后的松殼散碎而且形狀不一，在斜面上滾動式的摩擦角較大。相反，松仁顆粒較為圓潤，滾動時的摩擦角較小。根據此原理[10]，設計如圖3所示松殼松仁分離裝置，將滾動中的松仁輸送到因摩擦力較大而停止運動的松殼的相反方向，從而實現(xiàn)松仁進入松仁收集器，破碎的松殼進入松殼收集器的有效分離回收。影響此分離效果的最主要因素為斜面的傾角α，為了保證松仁沿著皮帶下方落下，而松殼沿著皮帶上方分離。設計時應tanθ1（松仁的滑動摩擦角）＜tanα＜tanθ2（松殼的滑動摩擦角）。

圖3 分離裝置結構示意圖

2 破殼機的零部件設計

2.1 輥軸設計

輥軸是破殼機的核心部件，由轉動軸、螺旋板、壓筋構成，具體如圖4所示。轉動軸控制松子的受力大小與頻率，其總長約530 mm，輥軸上的長壓筋長度約260 mm，寬度約12 mm，短壓筋長度約80 mm，寬度約12 mm。螺旋板與上壓筋間距約80 mm，與下壓筋間距約20 mm。壓筋用于撥動松子，并與篩條共同作用擠壓松殼。壓筋直徑偏小容易發(fā)生松殼受力接觸面積小，受力不均勻，并且撥動松子效果較差，而直徑偏大又容易直接壓碎松殼、損壞松仁，整仁率下降的同時功率消耗也有所增加。試驗中的螺旋板采用導料機構，幫助松子有序進入輥壓腔的同時，防止松殼堵塞，卡死輥軸轉動的情況發(fā)生。螺旋板采用4 mm鈑金鋼條，可旋轉角度最大為340°，徑向寬度25 mm，軸向長度280 mm。

圖4 輥軸結構示意圖

2.2 輥壓調節(jié)器設計

輥壓調節(jié)器可以通過調節(jié)輥軸轉速來決定輥壓力度的大小，而且還能夠使松子在輥壓裝置中均勻鋪開，避免堆積和堵塞影響破殼效果。輥壓調節(jié)器中的主要部件為調節(jié)絲桿、滑塊和連桿，具體如圖5所示。通過調節(jié)螺母來調節(jié)輥軸距離，絲桿驅動滑塊帶動連桿轉動來調節(jié)輥軸轉速。連桿控制輥軸轉速在20～30 r/min范圍內，可根據實際情況微調處理。當對松子進行剛性輥壓時，調節(jié)螺母控制輥軸間距在0.5～1.5 mm為宜。

圖5 輥壓調節(jié)器結構示意圖

2.3 入料口設計

破殼方向對巴西松子的破殼效率和整仁率有較大影響，沿水平向和寬度向施加擠壓力更容易破殼。巴西松子沿入料口自由滾動時會調整滾動方向，使其以水平向或寬度向進入槽狀通道內，具體如圖6所示。入料口長度L≈370 mm，材質為不銹鋼。

圖6 入料口示意圖

2.4 分離裝置出料篩選口設計

篩選機構主要由電機、齒輪和篩選條組成，結構如圖7所示。篩選機構采用傾斜式安裝，角度為15°，使得松殼和松仁在重力和旋轉力的雙重作用下落入分選帶。電機參數(shù)為u=220 V，I=0.60 A，功率P=120 W，齒輪轉速v=130 r/min，變速比=10∶1。

圖7 篩選口結構示意圖

3 試驗結果與分析

3.1 施加載荷方向對破殼力的影響

巴西松子經篩選后，隨機選取顆粒直徑在6～8 mm范圍內的巴西松子分別進行X軸、Y軸、Z軸方向施加載荷的試驗。設定材料試驗機速度均為10 mm/min，不同施加載荷方向的破殼力隨時間變化的關系如圖8所示。X軸方向施加載荷時的破殼力最低，而Y軸方向的破殼力最高。并且3個方向的破殼力大小均隨時間的延長而增大，當破殼力達到臨界點，即松子的松殼開始破裂脫落時，此后的破殼力大小隨時間的延長而減小。

圖8 不同載荷方向的破殼力與時間的關系曲線

根據相關試驗結果，沿不同方向施加載荷時的破殼率、整仁率計算結果如表2所示。從表2中可知沿Y軸方向輥壓時的破殼率和整仁率都較高，因而試驗時應盡量沿Y軸方向對松子輥壓破殼。

表2 不同加載方向條件下的松子破殼率與整仁率結果

3.2 輥軸轉速對破殼效果的影響

圖9為輥軸轉速與松子脫凈率和整仁率的影響關系曲線圖。不難看出，破殼機的脫凈率隨著輥軸轉速的增大而增大，整仁率卻隨著輥軸轉速的增大而降低。輥軸轉速的增大使得進入輥壓裝置中的松子所獲得的速度和向心力增大，松子撞擊輥軸以及輥軸單位時間內擠壓松子的頻率增大，此時松殼易開裂而脫落，但同時輥軸擠壓頻率的增大使得松仁受損的可能性加大，整仁率下降[11]。在實際工作中，脫凈率和整仁率是一對互相矛盾的參數(shù)，不應只通過單獨提高輥軸轉速的方法對巴西松子破殼處理，還需要其他措施來保證較高的整仁率。

3.3 破殼機的工作效率

以破殼機開始運作為起點計時，松子加工完成為終點計時測算。巴西松子破殼機的工作效率計算公式如式（1）所示。

工作效率的計算結果如表3所示，兩個試驗組的工作效率依次為72.86和69.26 kg·h-1，均值為71.06 kg·h-1。當入料口的松子數(shù)量逐漸減少時，輥壓逐漸降低，加工速率會下降，因而在破殼機正常工作過程中，應盡量保持入料口物料較為充盈的狀態(tài)，從而實現(xiàn)工作效率最大化。

圖9 輥軸轉速與破殼效果的關系曲線

表3 兩個試驗組的工作效率測定結果

3.4 有限元的破殼受力分析

沿Y軸方向輥壓時的破殼率和整仁率較高，試驗采用脆斷破壞強度準則模擬巴西松子的受力擠壓試驗，對松子施加Y軸載荷。依靠ANSYS有限元分析軟件[12]，設定摩擦系數(shù)為0.25，如圖10所示。

對下壓板約束處理，施加在上壓板上的力不得大于400 N。巴西松子沿Y軸方向的等效應力和等效應變如圖11（a）和（b）所示。松子所受應力和應變的主要方向集中在松子尖端，而尖端受力面積較小，因此容易產生較大的應力、應變。有限元分析結果與實際壓縮試驗結果相符，沿Y軸方向施加載荷產生的裂紋集中于松子尖端，并沿Y軸方向擴散向下，具體的形變量試驗結果如表4所示。

表4 有限元分析與壓縮試驗的形變量結果對比

根據有限元分析結果和裂紋出現(xiàn)具體情況，裂紋首先出現(xiàn)在松子尖端，并且對比形變量可以發(fā)現(xiàn)有限元分析結果與試驗結果相近，說明該設計模型具有一定的有效可行性。推測模型與試驗在形變量結果上出現(xiàn)的誤差原因為：理論模型形狀與真實巴西松子形狀相類似，但并不完全相同。而且沿Y軸施加載荷時，松子尖端由于接觸面積較小，容易出現(xiàn)崩碎現(xiàn)象，應力能量在尖端局部釋放，使得其余松殼沒有得到足夠的應力能量使其剝落，故理論模型的完全脫殼與試驗中松殼并未完全脫殼存在一定偏差，這也是導致形變量不統(tǒng)一的原因之一。

圖10 巴西松子Y 軸施加載荷示意圖

圖11 Y 軸方向的等效應力和等效應變

4 結語

采用輥壓原理設計巴西松子破殼機，并對松殼和松仁分離清選裝置進行初步設計。在對破殼機和分離裝置結構設計之后，對破殼機中的輥軸、輥壓調節(jié)器、入料口以及分離裝置中的出料篩選口的設計詳細介紹。仿真該破殼機穩(wěn)定工作后，得到破殼機設計和工作時的具體參數(shù)。在松殼破殼過程中，載荷施加方向和輥軸轉速對破殼效果的影響最為顯著，經測試：X軸方向施加載荷的破殼力最低，Y軸方向施加載荷破殼力最大，且各方向破殼力的大小均隨時間的延長而增大，臨界點之后破殼力逐漸下降。輥軸轉速方面，輥軸轉速使得破殼機的脫凈率上升，而整仁率下降，綜合考慮二者的平衡關系，選定輥軸轉速30 r/min。在此基礎上測算出的破殼機平均工作效率為71.06 kg·h-1。試驗結果顯示，Y軸方向的輥壓方式對松殼破殼最為有效，利用ANSYS有限元分析軟件分析Y軸方向的等效應力和等效應變，有限元分析軟件的形變量結果為0.913 mm，實際壓縮形變量結果為0.978mm，松子破殼時的形變量較高，破殼機對巴西松子的實際破殼效果良好。