1、关键词：杏仁；分级；破壳Design of Almond Broken Shell MachineAbstractAlmond have great medical value, consumption demand is also increasing, So now many farmers are beginning to grow almonds, planting almonds in some areas have become the main economic crops. In this paper, I mainly design a small almond broken
2、 shell machine that the majority of farmers can use. This almond broken shell machine is simple in operation and clear layout of the various mechanism, this machine mainly includes the classification mechanism, transmission mechanism, breaking mechanism and kernel husk separation mechanism , etc. Th
3、rough the force analysis proved that the necessary condition of almond breaking, analyzed the related mechanism of classification mechanism and the motion data of kernel husk separation mechanism. The almond broken shell machine can obviously increase the rate of shelled almond and reduce the almond
4、 broken rate, basic production capacity can reach 250 kg per hour processing .In the process of design, almond broken shell machine manufacturing costs and the use of safety is also an important consideration, such a machine can be accepted by the majority of farmers in order to better popularizatio
5、n. Key words:almond; classification; breaking1 绪 论1.1 选题的依据及意义近几年来杏仁无论医用还是食用其需求量都比较大，因此现在有些地区的农民开始种植并自行加工杏核，但所用的杏仁破壳装置还是八九十年代的老式破壳机械，由于杏仁大小不一并且老式的破壳机械没有分级机构，因此老式杏仁破壳机的破壳率和整仁率都比较低。然而随着机械生产自动化程度的提高，以前的手动式或简单杏仁破壳机已经难以满足现代农村发展的需求。改革开放后的几年以来，国内的杏仁破壳机械在相关的科技人员的开发下有了很大的发展，但这些设备很大一部分都是针对食品加工企业的大型设备较多，适合农民的那
6、些小型设备没有太大的改进和突破。面对当前形势开发一种适合我国农民使用的体积小、效率高的小型壳果类破壳机械，是广大农村地区解决自行加工工艺的主要手段，加快步入小康社会的关键。1.2 本设计及相关主要机构国内外发展现状 1.2.1 国内发展现状 我国杏仁加工业总的来说有较大的起伏，早在建国后的十几年内，就有一些科技人员从生产实际出发，为了代替手工劳动设计出简单的杏仁破壳机械，就这样产量曾经占到世界的80，但之后由于某些原因开始走下坡路。但在改革开放后，随着食品加工业、美容业和制药业对杏仁需求的大幅度增加，以及对国外的杏仁出口量持续增多，这些因素都促进了杏仁加工机械的发展。近几年来，某些杏仁破壳加工
7、设备已经被国内的一些相关科研人员研究设计出来，但这些设备很大一部分都是针对食品加工企业的大型设备较多，适合农民的那些小型设备的碎仁率偏高，加工损失大。现在国内也有很多研究者对破壳机构进行了改进和创新，各自都有优缺点。目前主要有以下几种破壳机械及相关机构：（1）对辊挤压破壳机 该机器的主要破壳机构（如图1-1）是由两个相对转动的轧辊对杏仁进行挤压破壳。通过考虑杏仁的大小以及壳仁间隙来调节两个破碎辊的间隙来达到破壳的目的。图1-1 对辊挤压破壳机构使用该种机构的机器的生产性能稳定，因此应用的比较广泛。但由于破壳时该机构间隙是固定的，因此加工之前必须进行杏核的分级，如果不分级，那么会导致杏仁的整仁率
8、低，杏核的破壳率也受到一定的影响。（2）由压辊和压板组成的杏仁破壳机 该机型主要的破壳机构（如图1-2所示）是采用压辊和压板的工作面间隙由大到小来进行破壳的。对形状不规则的坚果破壳较好，但由于破壳后没有及时的进行壳仁分离，因此许多加工出来杏仁会受到挤压和搓碎，所以杏仁整仁率很低。进行实际加工时为保证加工质量，最好对杏核先进行分级。图1-2 轧辊压板式破壳机（3）国内其它的破壳类型 动静盘破壳机构是由静鄂板调整工作机构的间隙和倾角，使杏核类坚果受到挤压和搓擦的复合力作用进行破壳取仁，但这种机型由于机构比较复杂并且性能不稳定，因此在实际生产中没有能够推广；还有研究机构研究过一种经过特质的液压包而进
9、行破壳的装置，但此装置结构复杂，破壳率低；另一种是冲击式破壳机，但这种机械的破仁率太高，能达到30%，因此一般不被采用；还有一种以超声波破壳为机理的一种杏仁破壳机，这种机器适合破碎像瓜子和花生这种表皮不太坚硬的坚果，对杏核的破碎效果不太明显，有待于进一步研究，并且生产成本较高。1.2.2 国外发展现状美国的加利福尼亚州是国外最大的杏仁源产地，到上世纪末，仅加州就有6000多杏仁种植户，杏仁产量占美国市场的80，美国加州的大面积种植促进了杏仁加工业的发展。手工破壳在杏仁产业发展初期占据主要位置，手工破壳加工在科技和机械自动化程度的发展的情况下已经满足不了市场需求，破壳机械的发展高潮随之而来。国外
10、的杏仁破壳机械及其相关机构主要有以下几种： （1）美国的Sarig和Grosz等人在1980年提出改进压辊和压板破壳机工作机理1，将杏仁等坚果在压辊和压板之间成为弹性接触（如图1-3所示），间隙在破碎过程中是变化的，其中的弹簧减压装置可以对破壳后的压辊和静压板进行减压，果仁因此可以得到保护，使整仁率提高，但杏核破碎率下降。并且二人提出了静压板的理论设计公式，使破壳机械在理论上有了较完善的发展。图1-3 间隙可调式轧辊压板破壳机构1.压辊 2.静压板 3.轧辊活塞 4.弹簧 5.气孔间隙（2）在之后的几年里，美国的Luan和Liang等人又设计出了一种杏仁破壳机械，它的破壳机构原理图见图1-4。
11、如图所示，此机构是利用两个带凸轮的螺旋辊子同时进行传送和破壳的，两个辊子上面有一个倾斜的压板，使辊子和压板的间隙由大到小，杏核在压板和棍子之间借助螺旋辊子的挤压作用使杏核破壳。但杏仁容易受到挤压而破碎。图1-4 螺旋辊子破壳机构示意图（3）国外其它的破壳机械 美国人Patel用激光将杏核逐个切割，试验表明用这种破壳方法几乎可以达到100的整仁率，但是价格昂贵、效率低等原因这种机械很难得到推广2；美国人Prussia和Verma曾经研究一种新的坚果脱壳机，采用碰撞的机理，即通过杏核在高速运动中突然受撞击力来使杏核破壳，但最后的试验表明，由于杏核壳韧性较大，如果不达到足很高的速度，很难将杏核的外壳
12、破碎3；有的科学家先对坚果进行冷却处理在加工，发现坚果破壳时的整仁率上升了15，而破壳率也提高了4，可以看出冷冻处理后对果仁品质起很大的作用。由上述可以了解到，国外的研究人员在杏核的破壳原理、理论以及破壳方法的创新方面都有比较深入的研究，但也存在相应的缺点。1.3 方案的比较确定通过对国内外杏仁破壳机械的介绍，以及对一系列破壳机构的了解，我发现很多新研究的破壳机构主要是针对大中型食品加工企业设计的，有的占地面积大，有的机构原理复杂，有的辅助设备多，有的研究发展还不算完善，虽然有些机构的破壳率和整仁率都提高了，但是加工机械成本和使用成本也相应的增加了，这对经济条件一般的农民和小企业是很难承担得起
13、的。因此结合当前中国广大农村的实际加工条件，并且综合考虑杏仁的破壳率、加工性能稳定性、破壳机构简单、易于维修和购机成本等几方面因素，我认为比较适合农民使用的破壳机构为生产性能稳定的对辊挤压机构，但需要对此机构进行适当的改进和添加一些分级、送料等辅助机构，这样可以提高杏核的破壳率、整仁率，符合本次设计的要求。1.4 本文研究设计的主要内容本次主要研究设计出一款小型性能稳定并且加工效率较高的杏仁破壳机械，而且本机械是集分级、破碎、壳仁分离于一体，主要面向的客户群体为广大农民和一些民间小加工作坊。其中主要的研究设计内容包括以下几个方面：（1）对杏核加工尺寸确定和杏核的一些物理特性的研究。（2）对杏核
14、分级机构的确定和尺寸的计算。（3）分级后杏核的传送机构的设计和计算。（4）对杏核破碎时进行受力分析并计算校核破碎辊的强度。（5）对壳仁分离机构的确定和有关尺寸的确定。（6）在上述设计中会涉及到电机的选择，传动机构的设计和计算以及相关的机架的有关设计工作。2 杏核的尺寸及物理特性简要分析要想进行杏仁破壳机械的设计，首先必须对加工对象杏核的尺寸和物理性能有所研究，这样可以根据杏核的相关尺寸确定相关设计参数。本章我们就来研究杏核的主要尺寸和相关的物理特性。2.1 杏核的尺寸的定义杏核的外形是不规则的扁壳类球体。由于杏核破壳加工时采用对辊挤压方式，因此应按杏核的厚度进行分级。首先先对杏核的形状结构进行
15、定义（参照示意图 图2-1）4：图2-1 杏核形状结构示意图1.核（棱）长 2.结合线 3. 核（棱）宽 4. 核（棱）厚（1）结合线在杏核两壳体结合的一侧往往存在两条对称的棱突，将在其中间突起的结合部称为结合线。（2）核（棱）长将杏核自然平放，沿结合线方向，两尖角间的最大距离。（3）核（棱）宽将杏核自然平放，沿结合线水平垂直方向，杏核周边最大距离。（4）核（棱）厚将杏核自然平放，沿结合线竖直垂直方向，杏核两壳面间最大距离。（5）壳（棱）厚杏核壳的平均厚度。2.2 杏核尺寸样本的测量与分析由于杏核的外形尺寸比较小，为了追求较高的尺寸精度和测量的方便性，因此综合考虑选用游标卡尺进行测量。本次选取
16、230颗杏核进行测量。主要测量杏核厚度、杏核壳的厚度和壳仁间隙。测量这几个数据主要是因为杏核厚度是影响杏核分级的主要因素，同时也是进行分级的主要依据，而杏核壳的厚度和壳仁间隙是进行对辊挤压破壳机构间隙调整的主要依据，因此主要进行以上三组数据的测量。下面就采用一下周祖锷教授等人的测量结果5来进行进一步的分析。杏核的具体厚度分布测量结果见表2-1：表2-1 杏核的厚度分布厚度范围/mm粒数/个粒数百分率/%9.0,9.5）10.439.5,10.0）41.7410.0,10.5）93.9110.5,11.0）104.3511.0,11.5）3113.4811.5,12.0）6628.7012.0,
17、12.5）6327.3912.5,13.0）3314.3513.0,13.5）52.1713.5,14.0）14.0,14.5）31.3114.5,15.0 杏核壳厚度和壳仁间隙的关系分布见表2-2：表2-2 杏核壳厚度和壳仁间隙分布壳厚平均值/mm壳仁间隙平均值/mm9，10）1.261.5810，11）1.271.0911，12）1.412.2912，13）0.963.7613，14）1.322.6614，151.331.37为了更加直观的比较个组数据，将杏核厚度、杏核壳的厚度和壳仁间隙的数据进一步整理成线性分布图，杏核厚度分布图如图2-2所示：图2-2 杏核厚度分布图杏核壳厚度和壳仁间隙
18、分布图见下图2-3：图2-3 杏核壳厚度和壳仁间隙分布图 由表2-2和图2-2可以清楚而又直观的看出，我们所取得样本中杏核的厚度范围大约为9.0mm15.0mm。其中杏核厚度范围为11.5mm12.5mm的颗粒数约占总数的56%，并且厚度范围在11.0mm13.0mm的颗粒数约占总的颗粒数的84%。由表2-3和图2-3所表示的杏核壳厚度和杏仁间隙的分布关系可以得出，随着性和厚度的增加，杏核壳厚度基本没有什么太大的尺寸变化，变化范围在0.96mm1.33mm，平均值为1.09mm。而杏仁间隙的尺寸变化随着杏核厚度的增加先增大到一个最大值3.76mm之后减小到1.37mm，总变化趋势是一个先增大后
19、减小。2.3 杏核的压缩破坏载荷和变形分析现在我们开始研究一下杏核的力学特性。杏核力学的主要特性为抗压力和抗剪力，而杏核抗压力和抗剪力通过杏核的压缩破坏载荷和杏核破坏时的变形量反映的，并且杏核破壳机功率消耗依据需要根据压缩破坏载荷确定。通过查阅资料6可得到如表2-3所示的杏核压缩破坏载荷和变形量与杏核厚度的关系。表2-3 杏核压缩破坏载荷和变形量杏核厚度范围/mm压缩破坏载荷平均值/mm破坏时变形平均值/mm198.71.80229.12.08266.72.09328.32.05304.71.72282.12.23由表2-3可知压缩破坏载荷在各个杏核厚度范围是不同的。破坏载荷的总平均值为268
20、.3N，破坏载荷在刚开始时随着杏核厚度范围增大而增大，破坏载荷达到最大值是在杏核厚度12mm-13mm处，之后随着杏核厚度的范围继续增大破坏载荷略有减小。为了确定杏仁破壳机的功率大小，最大破坏载荷是确定设计破壳机功率依据。由表2-3还可以看出各个杏核厚度尺寸组破坏时的变形无太大的起伏变化，变形量的总平均值为2.00mm。杏核破坏时的变形量是确定破壳机对辊间隙和杏核分级级数的依据。杏核分级的级差和变形量之间的极差越大破壳率越高，但级差的太小会给机器的调整带了很多困难，并且精确度要求较高导致制造成本加大，而杏核分级的级差太大又会造成杏仁破碎率和未破壳率上升。因此确定极差很重要。2.4 确定杏核加工
21、前的分级由于破壳机构采用的是对辊式破壳，因此只要辊子的间隙小于杏核厚度与壳仁间隙的差值，杏核破碎后杏仁是不会受到挤压的。又上面分析可知杏核厚度在11mm-13mm所占的比例为84%，占到了绝大部分，在考虑到加工成本、机器的复杂性等因素。所以拟将杏核分为三级。为了保证杏核破壳，杏核分级的级差必须小于压缩破坏时的变形量，而11mm-12mm与12mm-13mm的变形量基本一致约为2.08mm左右小于2mm，所以符合要求。所以分级结果与对辊间隙的关系如下表2-4所示。表2-4 杏核厚度分级与对辊间隙的关系级数对辊间隙/mm9,11）7.5211,13）9.013,1512.0因此按照表2-4的标准进
22、行分级，在本论文中为了设计的简化，分级之后只显示对第二级的杏核进行加工，第一级和第三级按同样原理另行加工。2.5 杏核滑动摩擦系数的确定 确定杏核的滑动系数主要是用于杏核在破碎过程中的计算，以及为破碎后壳仁分离所应用，因此确定杏核滑动系数也是很重要的一项工作。通过查阅有关资料7可知几种杏核在不同材料表面上的滑动系数，如表2-5所示。并且查阅到了杏核、杏核壳、杏仁的平均密度分别为：957kg/m3、1080 kg/m3、1126 kg/m3。表2-5 杏核在不同材料表面上的滑动系数杏核种类摩擦种类甜杏核圆苦杏核扁苦杏核橡胶板0.50130.42340.3675木板0.63940.57490.47
23、34铁板0.44910.39400.3738 由物理力学知识可知，只要设计的进料斗等机构的倾斜角度大于由滑动摩擦系数确定的摩擦角，那么杏核就可以顺利的移动进入其他装置。3 杏核分级机构的确定与研究本章主要介绍杏仁加工前的分级机构以及分级机的设计参数等，经过综合考虑选择分级效率比较高的滚筒式分级机（简图见图3-1）。图3-1 滚筒式分级机1.进料斗 2.滚筒 3.滚圈 4.摩擦轮 5.铰链 6.收集料斗 7.机架 8.传动系统3.1 滚筒筛的设计参数 有第二章阐述的内容所知，加工前需要将杏核分为三级，每一级杏核厚度的范围分别是9-11mm，11-13mm，13-15mm，之后根据每一级杏核长度与
24、厚度的关系，将每一级的最大核长确定为20mm，25mm，30mm。因此每一级滚筒筛的筛孔尺寸也就确定下来了如图3-2。图3-2 滚筒筛孔三个等级尺寸3.1.1 各个等级的筛孔总数的确定有了各个等级筛孔的尺寸之后，我们可以按照下面公式8来计算滚筒筛的孔眼总数Z = 10000G/（36） 公式（3-1）式中 Z滚筒上孔眼总数，个； G生产能力，有年产量算出，t/h；在同一秒内从筛孔掉下物料的系数，一般为1.0%-2.5%，长形物料取上限，直径较小的圆形物料取下限；单只物料平均质量，g；生产能力按照设计要求每次加工20kg，加工一次约五分钟，每天按照工作八小时，则12208=19202000kg，
25、及G =0.25t/h。取1.0%，取3g。所以由公式（3-1）可得Z =2315个。由第二章表2-1可知，每种尺寸杏核所占比例不同，因此每一级筛孔的数目比例也不一样，通过比较选取的比例为第一级：第二级：第三级=3：5：2。所以有上述比例可以算出各个等级所占的比例数为695个，1158个，463个。3.1.2 各个等级的直径和长度以及筛孔行列数的确定 初步假设滚筒的直径和长度的关系为直径D：长度L=1：4。按照筛孔的比例大小来确定第二级的直径与长度比为D2：L2=1：2，第一级和第二级直径与长度比为1：1，并且每个等级的直径是相等的，每个筛孔之间的尺寸设置为5mm。因此先假设直径为X mm，则
26、L2为2X mm，利用面积的关系可以列出下面方程式：23.14X 2=18301158可求出 X=315.47mm316mm因此长度L2=2X=632mm。各级筛孔的行列数也可以求出如下所示。行数=3.14315.4730=33 （行） 列数=218=35 （列） L2=2X=632mm第一级：25=39.640（行） 列数=69540=17.37517（列） L1=1716=272mm第三级：35=28.328（行） 列数=46328=16.5417（列） L3=1720=340mm综上可得：D:L=316：（632+272+340）=316：12441：所以取得的滚筒筛直径和长度符合原先假
27、设的直径和长度比例要求。3.1.3 滚筒筛的功率计算每种传动方式的功率计算方法也不相同，对滚筒筛的传动功率P为下式P=R（G1+13G2）/（60）（W） 公式（3-2）式中 R滚筒内半径，m；滚筒转速，r/min；传动效率0.60.7； G1滚筒本身重； G2滚筒内原料重；其中G1=S 公式（3-3）这里 S滚筒表面积，m2；滚筒材料厚度，m；滚筒材料重度，N/m3；G2= R2 L 1 公式（3-4）这里 L滚筒长度，m；1物料重度，N/m3；物料在滚筒中的充填细数（0.050.1）。滚筒的转速和骨痛的直径有密切的关系，考虑滚筒有一定的倾角，所以根据资料可知，滚筒的半径按照下式确定=814/ （r/min） 公式（3-6）因此滚筒转速求得 =10/25 r/min ；求得S=0.5m2 ；滚筒材料厚度选择1.5mm，即=1.510-3m；滚筒的材料取碳钢，由机械工程师手册（上）表1-10可查得碳钢的密度=7.85g/cm3,
