（陜西省農(nóng)業(yè)機械研究所，陜西咸陽 712000）

0 引言

核桃是陜西主要經(jīng)濟樹種之一，也是種植群眾最多的經(jīng)濟林樹種。據(jù)陜西統(tǒng)計年鑒統(tǒng)計：截止2018年底，全省核桃面積為78萬公頃，總產(chǎn)量30萬噸［1］，面積、產(chǎn)量居全國第二位。目前，陜西已形成了陜南秦巴山區(qū)、渭北旱原兩大核桃產(chǎn)區(qū)。商洛市和黃龍、鎮(zhèn)安、洛南等縣已先后被國家林業(yè)局授予“中國核桃之都”和“中國核桃之鄉(xiāng)”稱號［2-5］。

隨著核桃盛果期的來臨，陜西核桃產(chǎn)量迅速提高，原核桃銷售市場趨于飽和，核桃的精深加工越來越被重視，為推動核桃產(chǎn)業(yè)的精深加工的深度發(fā)展，解決人工效率低下、衛(wèi)生條件差、成本高的問題［6-7］，近年來核桃機械化破殼出現(xiàn)了研究熱的現(xiàn)象。史建新［8］研究了弧板滾筒擠壓式核桃破殼機的分級滾筒的轉(zhuǎn)速、錐角以及擠壓滾筒的的大小對破殼效果的影響。董詩韓［9］針對多輥擠壓式核桃破殼機主、從動輥轉(zhuǎn)速，以及最小間距對破殼效果的影響。李忠新［10］設計了錐籃式核桃破殼裝置，分析在不同錐度下破殼效果。目前大多數(shù)設備存在調(diào)節(jié)不方便、破殼性能差，且難以滿足生產(chǎn)線規(guī)?；a(chǎn)要求。為了解決上述問題，本文設計一種柔性剪切擠壓破殼裝置，通過定筒周向游動和動筒線速度的實時調(diào)節(jié)，有望提高核桃破殼率。該設計可為核桃機械化破殼提供參考。

1 主要結(jié)構(gòu)、工作原理及結(jié)構(gòu)特點

1.1 主要結(jié)構(gòu)

6HP-400型錐籃式破殼機主要由變頻器、進料斗、蝸輪減速器、電機、機架、動筒、定筒及收料斗組成，見圖1。

圖1 6HP-400型錐籃式破殼機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of 6HP-400 cone-basket sheller

1.2 工作原理及結(jié)構(gòu)特點

首先接通電源，打開變頻器，根據(jù)核桃的大小、殼厚，調(diào)試至最佳頻率，打開頻率旋鈕，變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，電機與蝸輪減速器通過鍵連接，蝸輪減速器將動力傳遞給動筒軸，帶動動筒旋轉(zhuǎn)，動筒和定筒在周向上形成破殼區(qū)，核桃從進料斗喂入，核桃在重力的作用下掉落至動筒的上臺面，通過動筒的旋轉(zhuǎn)使核桃進入破殼區(qū)，為了使核桃順利進入，定筒上半部分筒壁光滑，下半部分采用去除材料的方法加工成三段柵條狀結(jié)構(gòu)。定筒分三段加工成柵條狀結(jié)構(gòu)，一方面確保定筒結(jié)構(gòu)的強度與剛度，防止型材加工出現(xiàn)變形；另一方面防止長期加工核桃出油，導致內(nèi)筒壁滲油打滑，柵條狀結(jié)構(gòu)在擠壓過程中有利于核桃破殼過程中的裂紋擴展，提高破殼率。動筒的錐度為6°，根據(jù)物料的基本物理特性不同，動筒與定筒的游動間隙可調(diào)，動筒與定筒最小處間隙可調(diào)，動筒軸的轉(zhuǎn)速可調(diào)，可適應不同殼厚、不同大小的核桃破殼。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)性能指標Tab.1 Performance indexes of main technical parameters

2 關(guān)鍵部件的設計

2.1 變頻裝置的設計

根據(jù)GB/T 20398—2006《核桃堅果質(zhì)量等級》和用戶分級標準，同一品種的核桃按橫徑分為三個等級，結(jié)合前期研究［11-14］，不同等級核桃的基本物理參數(shù)不同，破殼時需要的擠壓剪切力不同，因此為設備增加變頻裝置，變頻器控制電機轉(zhuǎn)速，電機與蝸輪減速器直連，直接控制動筒的轉(zhuǎn)速，見圖2。為了提高設備通用性，控制器上3個頻率旋鈕，旋鈕頻率的值可以根據(jù)需要通過試驗確定。

圖2 變頻器控制圖Fig.2 Control diagram of frequency converter

2.2 定筒和動筒結(jié)構(gòu)設計

定筒和動筒是錐籃式破殼機的關(guān)鍵部件，對破殼的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，主要功能是將核桃硬殼破開，以便桃仁與硬殼分離，動筒采用花紋鋼，設計為圓錐形，錐度為6°，上端面封閉，軸線方向有旋轉(zhuǎn)軸，上端與蝸輪減速器連接，下端與機架連接。核桃通過進料斗進入掉落到動筒的上端面，隨著動筒的旋轉(zhuǎn)甩進破殼區(qū)。定筒為圓柱形，上下端均有法蘭與機架通過螺栓連接，安裝時，連接螺栓直徑均小于法蘭孔徑2～4 mm，使定筒在圓周方向游動。防止定間隙擠壓造成桃仁表面損傷和碎仁率增加?？紤]到結(jié)構(gòu)件的強度和表面的粗糙度，將定筒破殼區(qū)設計為三段柵條，以提高破殼率。定筒結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 定筒結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of stationary cylinder

3 試驗及檢測結(jié)果

3.1 試驗物料基本物理特性

圖4為陜西黃龍地區(qū)主產(chǎn)的香玲核桃，該品種果形為圓形，果基較平，果頂微尖，殼面光滑美觀，淺黃色，縫合線窄而平，結(jié)合緊密，香玲核桃品種可取整仁。核仁充實飽滿，味香不澀， 出仁率65.4%，種仁出油率為65.3%左右。

圖4 陜西香玲核桃Fig.4 Shaanxi Xiangling walnut

每次取不少于10個核桃，共取3次，測量平均果重、仁重、橫徑、棱徑、縱徑、殼厚，待測物料的基本物理參數(shù)如表2所示。

表2 香玲核桃的基本物理參數(shù)Tab.2 Basic physical parameters of Xiangling walnut

3.2 試驗指標

性能試驗時，每次加工的核桃不少于小時生產(chǎn)率的10%，且不少于50 kg。試驗開始前，在待加工的核桃中分三次隨機取樣，每次取樣不少于10個核桃。

（1）破殼率

在破殼機出口處分3次隨機取樣，每次取樣不少于1 kg，共取3次，人工挑選出破殼的核桃，并稱重，按下式計算破殼率。

式中 Q1——破殼率；

m1——已破開物料質(zhì)量，kg；

M ——樣品核桃總質(zhì)量，kg。

（2）高露仁率

高露仁為核桃仁中大于或等于四分仁的核桃仁，與破殼率同時測定，人工挑選出路仁為高露仁的核桃仁，按下式計算高露仁率。

式中 Q2——高露仁率；

m2——高露仁質(zhì)量，kg；

M1——核桃仁總質(zhì)量，kg。

（3）半仁率

與破殼率同時測定，人工挑選出路仁為半仁的核桃仁，按下式計算半仁率。

式中 Q3——半仁率；

m3——半仁質(zhì)量，kg；

M1——核桃仁總質(zhì)量，kg。

（4）殼仁分離率

與破殼率同時測定，人工挑選出用手容易分開的核桃殼、仁，按下式計算殼仁分離率。

式中 Q3——殼仁分離率；

M4——容易分離的核桃殼、仁質(zhì)量，kg。

3.3 試驗結(jié)果及檢測結(jié)果

3.3.1 試驗結(jié)果

在不考慮交互作用的情況下［15］，采用 L9（34）正交表安排試驗，通過3因素3水平的正交試驗分析各指標與各個因素之間的量化關(guān)系，因素的水平隨機排列。因素水平、方案及結(jié)果和結(jié)果分析分別見表3、表4及表5。

表3 試驗因素及水平Tab.3 Factors and level of the experiment

表4 試驗方案及結(jié)果Tab.4 Scheme and results of the experiment

表5為3種試驗因素在不同的水平因素組合下的核桃破殼效果指標的試驗結(jié)果分析，對于不同指標而言，各因素影響程度是不一樣的，故不能簡單的將3個因素對3個指標影響的重要性的主次順序統(tǒng)一起來。所以采用綜合平衡法來得到綜合優(yōu)方案，評判過程如下：

表5 試驗結(jié)果分析Tab.5 Analysis of test results

從極差來看，A因素主要影響高露仁率，B因素主要影響殼仁分離率，C因素主要影響半仁率，對于高露仁率和半仁率來說A因素最佳取值為A2，對于殼仁分離率和半仁率來說B因素最佳取值為B2，對于半仁率和高露仁率來說C因素的最佳取值為C1，但對客戶來說高露仁的含量越高越好，且半仁率不得低于60%，故綜上分析，優(yōu)方案為A3B2C1，即動筒轉(zhuǎn)速70 r/min，定筒與動筒最小間距19 mm，定筒游動間隙2 mm時，破殼效果較好。此時破殼率為100%，高露仁率為90.5%，半仁率為68.9%，殼仁分離率為78.8%。

3.3.2 檢測結(jié)果

經(jīng)陜西省農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測總站檢測，結(jié)果如表6所示。

表6 檢測結(jié)果Tab.6 Detection result

4 結(jié)語

針對不同地區(qū)核桃基本物理特性，設計一種柔性剪切擠壓的破殼裝置，設備增加變頻裝置便于動筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。定筒下端去除材料的設計，提高了破殼率，定筒周向游動的連接方式，提高了高露仁率和半仁率。

以陜西香玲核桃為試驗及檢測物料，進行正交試驗，試驗結(jié)果表明：當動筒轉(zhuǎn)速為70 r/min，定筒與動筒最小間距為19 mm，定筒游動間隙為2 mm時，綜合破殼效果較好。其性能指標分別為破殼率100%，高露仁率90.5%，半仁率為68.9%，殼仁分離率78.8%。

經(jīng)陜西省農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測總站檢測，其破殼率為97.3%、高露仁率為90.3%、半仁率為65.1%、殼仁分離率為77.3%，檢測結(jié)果合格。