郭俊，王新

1. 內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系（呼和浩特 010070）；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程技術(shù)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(yīng)用于甜食、糕點(diǎn)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(diào)節(jié)血脂、增強(qiáng)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(lǐng)域的應(yīng)用范圍較為廣泛[3-4]。

現(xiàn)如今，脫殼去皮的食品類加工機(jī)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(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合巴西松子的果殼特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一套破殼和分離松仁的破殼分離裝置，并在關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)方面詳細(xì)介紹，研究試驗(yàn)過程中影響破殼效果的因素，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行受力仿真分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 破殼機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

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(jīng)篩分預(yù)處理。松子的殼體較薄，平均厚度為0.7 mm，但力學(xué)強(qiáng)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(dāng)松子經(jīng)烘曬處理后殼內(nèi)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(yàn)設(shè)計(jì)的輥壓式巴西松子破殼機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，主要的部件為空氣壓縮機(jī)、電機(jī)、輥壓調(diào)節(jié)器和輥壓裝置。輥壓調(diào)節(jié)器的一端與整料口相連通，機(jī)架上的電動機(jī)為輥壓裝置提供動力。整料口的下面增設(shè)了整料箱，輥壓裝置的下面則設(shè)置了碎料口[8]。

工作原理：松子從入料口推壓入槽狀通道內(nèi)，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(jīng)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(yàn)所用巴西松子圖片

圖2 破殼機(jī)主體結(jié)構(gòu)圖

表1為破殼機(jī)的設(shè)計(jì)與工作具體參數(shù)，其中部分參數(shù)的結(jié)果（最大脫凈率、最大整仁率、工作效率）為在破殼機(jī)穩(wěn)定工作后所得[9]。

表1 破殼機(jī)的性能參數(shù)

1.2 松殼與松仁的分離裝置

破殼機(jī)處理后的松殼和松仁混合物料需要進(jìn)一步分離，此次試驗(yàn)利用松殼與松仁的滑動摩擦角差異較大進(jìn)行帶式分離。經(jīng)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(jù)此原理[10]，設(shè)計(jì)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(yùn)動的松殼的相反方向，從而實(shí)現(xiàn)松仁進(jìn)入松仁收集器，破碎的松殼進(jìn)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(shè)計(jì)時應(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖

2 破殼機(jī)的零部件設(shè)計(jì)

2.1 輥軸設(shè)計(jì)

輥軸是破殼機(jī)的核心部件，由轉(zhuǎn)動軸、螺旋板、壓筋構(gòu)成，具體如圖4所示。轉(zhuǎn)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(yàn)中的螺旋板采用導(dǎo)料機(jī)構(gòu)，幫助松子有序進(jìn)入輥壓腔的同時，防止松殼堵塞，卡死輥軸轉(zhuǎn)動的情況發(fā)生。螺旋板采用4 mm鈑金鋼條，可旋轉(zhuǎn)角度最大為340°，徑向?qū)挾?5 mm，軸向長度280 mm。

圖4 輥軸結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 輥壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

輥壓調(diào)節(jié)器可以通過調(diào)節(jié)輥軸轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器中的主要部件為調(diào)節(jié)絲桿、滑塊和連桿，具體如圖5所示。通過調(diào)節(jié)螺母來調(diào)節(jié)輥軸距離，絲桿驅(qū)動滑塊帶動連桿轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)輥軸轉(zhuǎn)速。連桿控制輥軸轉(zhuǎn)速在20～30 r/min范圍內(nèi)，可根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)處理。當(dāng)對松子進(jìn)行剛性輥壓時，調(diào)節(jié)螺母控制輥軸間距在0.5～1.5 mm為宜。

圖5 輥壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 入料口設(shè)計(jì)

破殼方向?qū)Π臀魉勺拥钠茪ば屎驼事视休^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(diào)整滾動方向，使其以水平向或?qū)挾认蜻M(jìn)入槽狀通道內(nèi)，具體如圖6所示。入料口長度L≈370 mm，材質(zhì)為不銹鋼。

圖6 入料口示意圖

2.4 分離裝置出料篩選口設(shè)計(jì)

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

圖7 篩選口結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 施加載荷方向?qū)ζ茪ちΦ挠绊?/h3>

巴西松子經(jīng)篩選后，隨機(jī)選取顆粒直徑在6～8 mm范圍內(nèi)的巴西松子分別進(jìn)行X軸、Y軸、Z軸方向施加載荷的試驗(yàn)。設(shè)定材料試驗(yàn)機(jī)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(guān)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(dāng)破殼力達(dá)到臨界點(diǎn)，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(guān)系曲線

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，沿不同方向施加載荷時的破殼率、整仁率計(jì)算結(jié)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(yàn)時應(yīng)盡量沿Y軸方向?qū)λ勺虞亯浩茪ぁ?/p>

表2 不同加載方向條件下的松子破殼率與整仁率結(jié)果

3.2 輥軸轉(zhuǎn)速對破殼效果的影響

圖9為輥軸轉(zhuǎn)速與松子脫凈率和整仁率的影響關(guān)系曲線圖。不難看出，破殼機(jī)的脫凈率隨著輥軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，整仁率卻隨著輥軸轉(zhuǎn)速的增大而降低。輥軸轉(zhuǎn)速的增大使得進(jìn)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(nèi)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(shí)際工作中，脫凈率和整仁率是一對互相矛盾的參數(shù)，不應(yīng)只通過單獨(dú)提高輥軸轉(zhuǎn)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(jī)的工作效率

以破殼機(jī)開始運(yùn)作為起點(diǎn)計(jì)時，松子加工完成為終點(diǎn)計(jì)時測算。巴西松子破殼機(jī)的工作效率計(jì)算公式如式（1）所示。

工作效率的計(jì)算結(jié)果如表3所示，兩個試驗(yàn)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(dāng)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(jī)正常工作過程中，應(yīng)盡量保持入料口物料較為充盈的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)工作效率最大化。

圖9 輥軸轉(zhuǎn)速與破殼效果的關(guān)系曲線

表3 兩個試驗(yàn)組的工作效率測定結(jié)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(yàn)采用脆斷破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則模擬巴西松子的受力擠壓試驗(yàn)，對松子施加Y軸載荷。依靠ANSYS有限元分析軟件[12]，設(shè)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(yīng)力和等效應(yīng)變?nèi)鐖D11（a）和（b）所示。松子所受應(yīng)力和應(yīng)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(chǎn)生較大的應(yīng)力、應(yīng)變。有限元分析結(jié)果與實(shí)際壓縮試驗(yàn)結(jié)果相符，沿Y軸方向施加載荷產(chǎn)生的裂紋集中于松子尖端，并沿Y軸方向擴(kuò)散向下，具體的形變量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 有限元分析與壓縮試驗(yàn)的形變量結(jié)果對比

根據(jù)有限元分析結(jié)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(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近，說明該設(shè)計(jì)模型具有一定的有效可行性。推測模型與試驗(yàn)在形變量結(jié)果上出現(xiàn)的誤差原因?yàn)椋豪碚撃Ｐ托螤钆c真實(shí)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(yīng)力能量在尖端局部釋放，使得其余松殼沒有得到足夠的應(yīng)力能量使其剝落，故理論模型的完全脫殼與試驗(yàn)中松殼并未完全脫殼存在一定偏差，這也是導(dǎo)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(yīng)力和等效應(yīng)變

4 結(jié)語

采用輥壓原理設(shè)計(jì)巴西松子破殼機(jī)，并對松殼和松仁分離清選裝置進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。在對破殼機(jī)和分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，對破殼機(jī)中的輥軸、輥壓調(diào)節(jié)器、入料口以及分離裝置中的出料篩選口的設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹。仿真該破殼機(jī)穩(wěn)定工作后，得到破殼機(jī)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)速對破殼效果的影響最為顯著，經(jīng)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(diǎn)之后破殼力逐漸下降。輥軸轉(zhuǎn)速方面，輥軸轉(zhuǎn)速使得破殼機(jī)的脫凈率上升，而整仁率下降，綜合考慮二者的平衡關(guān)系，選定輥軸轉(zhuǎn)速30 r/min。在此基礎(chǔ)上測算出的破殼機(jī)平均工作效率為71.06 kg·h-1。試驗(yàn)結(jié)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(yīng)力和等效應(yīng)變，有限元分析軟件的形變量結(jié)果為0.913 mm，實(shí)際壓縮形變量結(jié)果為0.978mm，松子破殼時的形變量較高，破殼機(jī)對巴西松子的實(shí)際破殼效果良好。