核桃去青皮机构设计-去皮机设计含水洗清洗功能含仿真动画 【含4张CAD图纸、文档全套】【NJ系列】
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大学毕业论文(设计)题 目: 核桃去青皮机构设计指导老师: 姜宏学生姓名: 聂延闯所属院系: 机械工程学院专 业: 机械工程(矿山机电)班 级: 机械13-11完成日期: 2017年05月13日大学机械工程学院本科毕业论文(设计)声 明本人郑重声明,毕业设计论文核桃去青皮机构设计系本人在相关教师指导下独立完成,没有抄袭、剽窃他人成果,由此造成的一切后果由本人负责。 声明人:年 月 日VI新 疆 大 学毕业论文(设计)任务书 班 级: 机械13-11 姓 名: 聂延闯 论文(设计)题目: 核桃去青皮机构设计 专 题: 工程设计 要求完成的内容:1.查阅、收集、整理毕业设计所需资料 2.根据设计任务制定工作进度 3.完成机构设计及设计说明书一份 4.完成数字化样机,绘制A0总装配图纸1张,关键零 键A3图纸两张 5.实现机构仿真运动 发题日期:2016年12月08日 完成日期:2017年05月25日实习实训单位: 中国一拖 地点: 河南 洛阳 论文页数: 页; 图纸张数: 指导教师: 姜宏 教研室主任:伊力哈木阿布都热木 院 长: 孙文磊 摘 要核桃是经济价值很高的油料作物,市场上需求量大,售价高,经济收益好。本文针对维吾尔自治区的核桃种植面积大,收获和处理机械化程度低的实际现状,从核桃青皮、硬壳的物料学特性作为研究的切入点,开展核桃的脱青皮原理与脱青皮装置的技术研究,研制出机械化脱青皮的机械。本文通过阅览已有核桃去皮机文献提出本次设计方案,该方案设计的机器目标为:生产率600kg/h,去青皮效率。该设计的核桃去皮机主要有 电动机、张紧轮、主轴、进料口、去皮滚筒上盖、粗洗滚筒、喷淋水管、精洗滚筒、出料口、机架、排污口、去皮滚筒下盖等部件,通过对上述各主要部件进行详细的设计与校核,使用UG-NX10.0进行建模、装配、运动仿真。该核桃去青皮原理为:(1)去杂:通过研究青皮核桃的物理性能特点,确定了圆筒式青皮分离筛网栅条之间的间隙为10mm,实现杂物、青皮等与硬壳核桃的有效分离;(2)送料:青皮核桃由设计斜置角度为的去皮拨料板及具有一定螺旋线性的滚筒同时作用下,绕主轴旋转的同时向前进给;(3)去青皮:青皮核桃在进给力作用下依次通过刀片去切削核桃青皮,钢丝刷的摩擦、揉搓来去掉部分未由刀片切削掉的青皮,同时喷洒水管不断滴水由毛刷清洗硬壳核桃表面的粉末,一系列的协助作业,有效的实现青皮核桃的去皮。由于客观条件的原因,未能对本次设计的核桃去青皮机构进行实物测验,但是本文的研究对今后各类核桃的去皮和去壳的设计与改进都有很好的参考价值。关键词:核桃去青皮;刀片;钢刷;带传动ABSTRACTWalnut is one of the oil crops with high economic values,which can be seen in its high demand, price and economic benefits. Given the vast planting area and lower mechanization in the harvesting and processing in Xinjiang Uygur Autonomous Region , the author takes the material characteristics of the walnut green husk and hard shell as the breakthrough point , and carries out the technical study on the principle of green husk peeling and its relevant device, so as to develop a mechanical peeling machine.After reading documents on the walnut peeling machine, the author puts forward the design proposal, aiming at achieving its productivity of 600kg/h and walnut green husk peeling efficiency over 95%. Such mechanical peeling machine mainly involves components as motor, tensioner pulley spindle, feed port, cover the leather roller, coarse washing drum, spray pipe, fine cleaning roller, outlet, frame sewage outfall, peeling drum lower cover. After the detailed design and check of these main components, UG-NX 10.0 is finally applied to modeling, assembling and the motion simulation. The principle of walnut green husk peeling is as follows:(1)Removal of the debris: after the study of the physical performance of walnut with green husk, the separation gap between cylindrical green separation screen grid is set as 10mm, to realize the effective separation of debris, green husks and hard shells.(2)Feeding roller: with the simultaneous action of the stripper plate with the oblique angle of 5% and a spiral linear roller , walnuts with green husk rotate around the shaft to move forward;(3)Green husk peeling: with feeding force, blade does the job of peeling , friction and rub of wire brush removing the peels not cut off by the spiral blade, powders on the hard surface of walnut cleaned by the brush with the help of dripping water from the spraying water pipe. All these assist work contributes to the effective walnut green husk peeling together.Due to objective conditions, physical test on the designed walnut peeling mechanism can not be done , but the research provides good reference value on the design and improvement of walnut peeling and shelling.keywords: Walnut peeling green husk; Spiral blade; Steel brush; Belt drive目 录1 绪论11.1 课题研究意义11.1.1核桃及其概况11.1.2核桃机械化脱青皮的必要性21.2 国内外研究现状31.2.1国外机具状况31.2.2国内机具机及发展状况31.2.3课题的提出51.3设计方案61.3.1设计目标61.3.2研究方法61.3.3技术路线72 青皮核桃物理性能特点82.1 青皮核桃及果实的三维尺寸82.2 青皮核桃的青皮含水率92.3小结93 青核桃去皮机的总体设计103.1核桃去青皮的典型方法103.2核桃去青皮方案的选择103.3核桃去青皮机的结构113.4核桃去青皮的原理123.5核桃去皮机清洗原理133.6核桃去青皮机构的传动原理134 传动装置的设计与选用154.1电机的选择154.2传动比的确定164.3 带轮的确定164.4. 轴的校核185 青皮核桃去皮机结构设计215.1拨料板斜置角度的计算215.2进料机构245.3圆筒式青皮分离筛的设计255.4机架的设计说明266 数字化样机及运动仿真276.1主要零件实体特征建模276.1.1排污口的建模276.1.2 带轮的建模276.1.3主轴的建模276.1.4拨料杆的建模286.1.5去青皮刀片的建模286.1.6钢刷的建模296.1.7毛刷的建模296.2装配306.3 运动仿真30总 结31致 谢34参考文献32大学机械工程学院本科毕业论文(设计)1 绪论1.1 课题研究意义1.1.1核桃及其概况核桃,又称胡桃,羌桃,与扁桃、腰果、榛子并称为世界著名的“四大干果”。 核桃的栽培历史悠久是最早种植核桃的地区之一。考古工作者,在巴楚县脱库孜沙来北朝时期古址和吐鲁番县阿斯塔那唐朝古墓中都发掘出核桃等物,说明早在13001500年前,就已经有核桃栽培了。核桃在我国地区多被誉为“万岁子”、“长寿果”。按照植物学分类,核桃是属胡桃科胡桃属植物,果实呈圆形或者椭圆形,外层青皮苦涩,主要吃其果仁,核桃仁细腻质感,常被老百姓称之“肉”,是我区最重视的干果之一。的气候干旱少雨,日夜温差大,日照时间长,核桃中含有丰富的蛋白质、脂肪,性味甘,温。核桃的种类也不同,国内核桃的种类主要有四大类:秋子核桃、麻核桃、铁核桃、棉核桃,核桃分为以下几类纸皮核桃,薄壳核桃,露皮核桃,新温179号等。核桃的栽培地域十分广泛,从南疆的于田到北疆的博乐,自西端的塔什库尔干到东部的哈密,主要分布在阿克苏、喀什、和田地区。核桃的营养价值很高,并且有一定的保健作用。核桃仁内含有丰富的蛋白质15%20%,脂类50%60%,碳水化合物15%左右,并含有人体必需的钙、磷、铁、锌、锰、铬等多种微量元素和矿物质,以及胡萝卜素、核黄素等多种维生素。医学认为核桃性温、味甘、无毒,有健胃、补血、润肺、养神等功效1,还广泛用于治疗神经衰弱、高血压、糖尿病、冠心病、肺气肿、胃痛、癌症等症,有较高的医学药用价值。(a)青皮核桃 (b)核桃果实(坚果)图1-1青皮核桃及核桃果实所以核桃越来越受到我国大众百姓爱戴的干果,核桃的市场需求量明显大于同等干果的市场需求,因此核桃的加工产业要大力的发展起来。1.1.2核桃机械化脱青皮的必要性是我国核桃坚果的重要产地之一,其栽培面积较大、产量较多,全疆核桃的种植面积大约420万亩。核桃成熟后因其特性不宜在田间放置过久,要及时脱青皮,否则会导致果仁霉烂变色,严重影响核桃的品质。特别是南疆地区核桃园内炎热潮湿,经常因核桃脱青皮不及时而造成核桃青皮腐烂而侵染核桃坚果,影响了核桃坚果外观和内在品质,同时也降低了后期销售核桃的价格。所以核桃脱青皮是核桃加工产业重要的第一环节,是解决困扰核桃产业的瓶颈。核桃成熟的时期刚好是玉米、大枣、巴旦木等农作物管理需要大量人力的时候,所以对核桃的收获造成了很大困难。目前大部分果农还是采用堆沤脱皮的方式,果农们将采摘的核桃堆积起来,用湿秸秆覆盖或者直接喷洒化学药物如乙烯利,3-4天之后核桃青皮有裂痕时组织农民手工剥青皮,需要大量的人力且劳动强度也较大,效率较低,耗时较长。因此核桃种植地区非常需要一种既省时、省力又能降低成本的机械化脱青皮机。 图1-2核桃脱青皮、去杂手工作业现场中国核桃的产量大约占世界总产量的三成,其中作为我国主要的生产区域维吾尔自治区,在2011年的核桃产量大约是12万吨,种植面积大约是300万亩。在核桃采收方面,由于传统的种植模式和观念等方面的原因,我国果农一般在核桃快要成熟时采摘青核桃(即带有青皮的核桃),接着再去去除青皮,在堆放过程中往往使得核桃青皮来不及脱皮,在高温高湿的条件下部分核桃青皮会腐烂,核桃仁极易因青皮的腐烂而发生霉变。会影响经济价值和营养成分。核桃脱青皮作业一直困扰着核桃作物的发展,因此在核桃脱皮作业上特别需要机械化设备。这样就会及时脱掉核桃的青皮,对核桃作物的储藏及深加工等核桃的产品提供了有力的保障。1.2 国内外研究现状1.2.1国外机具状况核桃脱青皮是一个非常复杂的环节,也是核桃加工的第一步,这与核桃采收的成熟时间有着非常大的关系。目前澳大利亚、加拿大、美国等都是核桃种植的大国,在核桃生产加工已达到世界一流水平2-4。在这些国家中涉及到核桃的加工工艺,包括采摘、剥离青皮、清理机干燥以及破壳、壳仁分离,已经达到了非常高的机械化水平。这些国家是采用振动原理使树上成熟的核桃落到地面上,接着再利用清扫集条机将地面上分散的核桃搜集到一起,接着再由捡拾清理机捡起去除叶子等杂物并搜集起来装到箱子里,最后就等待着青皮剥离。在青皮剥离和烘干工艺加工上在生产线里一般是一起完成,并依据需要是否进行破壳取仁等下一步对核桃的工艺加工,机械化程度非常之高,这样省时省力、效率高、品质好。国外有一些关于核桃脱青皮的论文、专利等,他们的脱皮原理大概分为四种挤压、揉搓、刷洗、切割,在美国的脱核桃青皮机使用揉搓、挤压的原理专利有如专利号为: 2,147,0025、6,422,1376、5,404,8097等;使用钢丝刷刷核桃青皮的原理,或刷去青皮用一定压力的水清洗的去核桃青皮原理专利有如专利号2,208,2398、4,034,6659等。国外的去核桃青皮的机械设备是不适合我国的青皮核桃剥青皮,且查阅资料发现国外的取核桃青皮的机器不经济,价格比较高,不宜加工制作,不合适我们去模仿。再者说国外和国内的核桃种植培育、收获加工所采用的方式方法也是不一样,国外在核桃去青皮的研究上已经饱满啦,所以去核桃青皮的机械设备不会再去研制开发了。例如美国,从1904年到现在这77年都没有去普通核桃青皮的一些相关方面的专利了,也就有四个去山核桃青皮机械的专利20。1.2.2国内机具机及发展状况在我国,近年来许多农户在核桃采收方面都采用提前收获的方法,以此同时核桃的产量也在快速的增加,这样就导致了去核桃青皮的领域飞快的发展。我国的去核桃青皮机械总的来说结构简单,通用性不好,在对一些个别的核桃品种脱青皮才有一定的作用10-12。以下原因可以证明:第一,在我国种植的核桃品种非常繁多,品种不一样的青核桃其三维尺寸有着较大的差异,这就给去核桃青皮的机械研究带来了严峻的挑战。第二,虽然我国在核桃的产量方面是非常庞大的,但是每个农户的产量低且不集中分布,这对大型的脱核桃青皮的机械规模化的加工是不允许的,因此对去核桃青皮机械的研制也无形中提出了要求,体积上必须要小,价格上必须要实惠、便宜,这也给研究具有良好性能的去核桃青皮机构带来了严峻的挑战。我国种植核桃虽然比较早,但是核桃品种不单一,因此核桃青皮的薄厚程度也是不同,在核桃的加工方面也是比较落后的,在加工水平上远远不如那些发达国家。目前国内的去核桃青皮机械都存在一些问题,比如研究花费高、青皮脱不干净、加工工艺复杂等问题。国内已有去核桃青皮的加工方法和机械成品如下:(1)堆沤脱青皮法13核桃成熟采摘之后以500mm左右的厚度堆在一起晾晒在室内或室外阴凉处,再往上面放上一层秸秆提高保温的效果,有利于促进青皮脱离的速度。在正常的情况下,堆沤五天左右核桃青皮就会裂开,在用人工进行脱皮。人工剥青皮的效率非常低,一个人一小时的作业量大约是100斤,在核桃成熟旺盛的时期,人工的劳动强度将特别大,由于人工的效率低将会使青皮核桃在堆沤过程中发生霉变,严重影响外观和实用价值,这也对核桃的销售产生很大的影响。(2)化学药品处理法27采摘后的青皮核桃在表面上喷洒浓度为3500045000mg/kg的乙烯利,利用化学方法催熟后在堆沤起来。催熟的效果即所用时间的长短与乙烯利的浓度和青皮核桃的成熟程度都有关系,核桃的成熟程度越高或化学药品的浓度越高催熟的时间就越短。这种去核桃青皮的方法与堆沤法去核桃青皮的原理佷像似,也是存在着耗人力大,另外用化学药品对环境、水污染、人体皮肤都有一定的影响。(3)冷冻转热熔化处理法27成熟的核桃进行分类、挑选,在用速冻机或单体冻结机或冷库等一些制冷设备冷冻,通常把温度设置在零下525,冻透的标准是核桃青皮全部结冰,在薄皮的时候青皮内嵌有明显的冰屑,冻透的时间通常是一天到两天之间。当核桃青皮冻透后,在进行升温0以上融化。融化可以采用自然堆放12h或用温开开水、热风等快速的融化。这种技术效率高、无污染,但采用热水热风消耗大、不经济、工艺复杂等。(4)机械脱青皮法经检索文献,介绍几种国内机械脱核桃青皮的原理: 刮削原理,这种原理是通过刮削部件与青核桃之间做相对运动来完成脱皮(如图1-3bc所示),常用的刮削部件是金属片或钢刷。优点是通用性强,缺点是脱皮效率低。梁勤安等人在2004年研制了6BXH-800型核桃青皮剥离机,用钢丝刷脱青皮、毛刷清洗机相结合的方法实现核桃的青皮剥离。在自治区内多为薄皮核桃,去核桃青皮的加工中硬壳易破损,核桃仁外露,所以没有大量的投入使用。14 挤压原理,这种原理是通过挤压力来完成脱皮(如图1-3d所示),局限性大、适用性低,还容易把核桃硬壳挤坏,这种缺点太多。如专利CN200920140238.9,帕合尔鼎等人利用挤压、摩擦的作用原理实现核桃的青皮剥离研制了6TXH-600型剥离、清洗一体机,采用物料在向出料口运动的过程中,核桃在滚刀和栅条之间的挤压、摩擦作用、水流的清洗下,实现核桃的青皮剥离,但是由于核桃本身的物料学特点,核桃青皮仍然不能有效地去除。21 切割原理15-16,这种原理是通过刀片与青核桃之间的相对运动来完成脱皮(如图1-3a所示),优点是通用性强,缺点是容易把核桃壳割坏。王合等人利用脱皮刀钢刷的共同反复刮摩的原理设计一种去核桃青皮机构,核桃的青皮被脱下后在离心力的作用下从出料斗出去,核桃坚果在滚筒呈螺旋叶片的推动下,向滚筒后部运动。此方法必须要先将核桃青皮腐烂到一定的程度,因此也没有解决核桃去青皮的问题。 (a) (b) (c) (d) 图1-3青核桃脱皮原理示意图1.2.3课题的提出针对 “十三五”期间特色林果业纳入国家重点扶持产业,我们要大力发展林果业机械化设备,提高林果基地综合收益和生产效率,增加农民收入。本研究针对我区青皮核桃去青皮机械化程度低,不能满足生产实际的现状。把研究的切入点放在核桃青皮以及核桃硬壳的物理特性上,进而开展核桃脱青皮的机理与核桃去青皮机构的设计研究,研制出核桃机械化脱青皮机构,扩大机械化程度,也大大减少化学药品对青核桃的处理,提高了核桃的食用安全性。本研究借鉴帕合尔鼎等人研制脱皮刀辊去核桃青皮的脱青皮方式21。通过刀片去切削核桃青皮,再利用钢丝刷的摩擦、揉搓来去掉部分未由刀片切削掉的青皮,同时喷洒水管不断滴水由毛刷清洗硬壳核桃表面的粉末。该项技术的研究能够有效的去除核桃的青皮解决核桃初加工的问题,这为我区实现特色林果业的发展提供了技术性支持,所以核桃去青皮分离技术及机械设备的研制与开发更新换代势在必行,这不但降低了核桃的发霉率、节约成本、提高生产效率,为我区果农带来了巨大的经济效益,而且也为我区的社会稳定做出了一定的贡献。1.3设计方案1.3.1设计目标以青皮核桃与硬壳核桃的三维尺寸为切入点,研究设计去核桃青皮机器,解决我区去青皮机械化低的问题。该方案设计的机器目标为:生产率600kg/h,去青皮效率。1.3.2研究方法(1)青皮核桃物理特性研究的核桃品种有六种:扎343、新丰、温179、温185、新早丰、新新2号,以扎343、新新2号、温185三个品种为研究对象,采用试验或查阅文献分析已有数据的方式研究青皮核桃和硬壳核桃的三维尺寸及含水量,同时分析核桃的三维尺寸、成熟度对去青皮的影响。(2)脱青皮方法的研究通过借鉴国内外核桃去青皮的理论和机型的去青皮方式,研究青核桃去青皮机理:第一分析青皮核桃的物理性能特点,设计核桃的青皮分离筛网的一些重要参数和结构,使去掉的核桃青皮更有效地与硬壳核桃分离,提高纯净度;第二青皮核桃在拨料板的输送刀片的切削钢丝刷的摩擦、揉搓作用以及毛刷的清洗作用,设计出刀片、钢丝刷、毛刷的一些重要参数和具体结构,有效实现核桃的去青皮。(3)脱青皮机具的研究通过青皮核桃的物理性能特点、脱青皮机理与方法研究有效的结合,设计出去核桃青皮的理论结构,用UG建模装配,设计出去核桃青皮的整机结构、关键部件、传动机构,用计算机的数字化模型对青核桃去皮机运动仿真,并不断对青核桃去皮机进行整机优化。1.3.3技术路线通过青核桃去皮机的研究内容,确定的技术路线如图1-4。确定去核桃青皮方案核桃脱青皮国内技术青皮核桃物理性能特点核桃脱青皮国外技术机构的设计计算UG-NX装配建模否运动仿真是否按预期运动是对去青皮核桃机不断优化图1-4技术路线1.4 应用前景及意义本文针对核桃去青皮机具的工作原理,把重心放在其关键的去青皮机构的研究上,进行脱青皮的机构设计与仿真,形成一套核桃脱青皮的有效设计,为去核桃青皮机具的推广打下深厚的基础。由于我区农业产业的调整,核桃已经成为我区特色经济作物之一,大力推动我区的经济作物发展,栽培总面积420万亩之多,到了盛果期后,年产量可达23.42万吨,可加工成高级食品原料,成为我区的经济效益来源之一。核桃的收入已占到果农年收入的50%左右,核桃种植业已开始成为核桃主产县市促进农村农业经济发展、可持续增收的优势主导产业。去核桃青皮机的研发推广,解决了青核桃初加工过程中的技术难题,为核桃产业化的发展提供了有力的技术支持。核桃种植效益的提升会带动核桃的种植面积会逐年扩大,进而会形成以核桃为核心的产业链,带动相关行业的大力发展,为提高我区的经济水平做出了有力的贡献。 2 青皮核桃物理性能特点核桃的品种不单一,每个核桃品种的青皮厚度、果实硬壳硬度是不一样的,为了成功设计青皮核桃去皮机的去皮机构,需要对不同的品种进行参数实验研究,从核桃的青皮、硬壳作为出发点,一步步去解决所有核桃品种的去青皮问题。由于实际客观原因,无法对青皮核桃做实验性能分析,只能查阅文献获得数据,青皮核桃、青皮、果实的三维尺寸及青皮含水率对去核桃青皮机的设计有着举足轻重的作用。通过青皮核桃的三维尺寸,可以确定去皮部件与青皮分离网格栅板之间的间距,从而有效的保证核桃青皮能被完全去除;通过果实的三维尺寸和青核桃的青皮厚度,可以确定青皮分离网格栅板空隙的大小,从而有效的保证核桃去除的青皮与硬壳核桃完全分离;通过青皮含水率,可以确定核桃青皮与硬壳核桃分离的最佳时间,从而有效的保证去核桃青皮效果。2.1 青皮核桃及果实的三维尺寸青核桃是由核桃青皮及硬壳核桃(俗称果实)组成,当核桃成熟时,核桃外层的青皮与硬壳核桃会分离,核桃的青皮就会很容易去掉,青皮核桃的外形特征如下图2-1所示:2-1-a 扎343青皮核桃 2-1-b新新2青皮核桃 2-1-c温185青皮核桃图2-1三种青皮核桃的外观图通过查阅前人的实验数据来获取核桃青皮与硬皮核桃的三围尺寸。经查阅文献17,青皮核桃和硬壳核桃的直径如下表2-1所示:表2-1三种核桃中尺寸样品号温185新新2扎343青皮核桃硬皮核桃青皮核桃硬皮核桃青皮核桃硬皮核桃155.139.849.13657.138.8251.738.348.735.556.838.3354.639.249.736.657.639.2从以上图表可以看出,青皮核桃与硬壳核桃直径相差13-17mm,核桃青皮的平均直径取为7.7mm。硬皮核桃的平均直径取为40mm。2.2 青皮核桃的青皮含水率由于客观原因无法对核桃青皮含水率进行试验测定,只有通过查阅文献数据对核桃青皮含水率分析。经查阅文献18-19,核桃青皮中的水分达到90%,核桃青皮的厚度会随核桃的成熟度越来越瘪,核桃青皮水分损失越高,核桃青皮就越粘附在硬壳核桃上,越难去除核桃的青皮。每当核桃成熟的时候,核桃青皮的颜色会从绿色变成黄绿色,这时的水分为55%-65%,青核桃中青皮与硬壳特别易分开。2.3小结本章根据核桃的物理性能特点,分析三种品种的三维尺寸、质量、含水率。(1)青皮及硬壳核桃的三维尺寸可以确定分析筛筒栅条间隙的大小,实现核桃的青皮与坚果完全分离。间隙过小,则核桃青皮不能通过间隙下落从出料口排出,从而达不到青皮与硬壳核桃的分离;间隙过大,则会造成尺寸较小的硬壳核桃从栅条间隙中挤出。(2)青皮水分的含水率直接影响青皮在硬壳核桃上的附着力,进而影响去青皮效果,查阅文献青皮含水率在55%-65%之间,青皮与硬壳最易分开。因此,对核桃的果实、青皮尺寸、含水率的研究是解决核桃去青皮机构设计的关键环节。3 青核桃去皮机的总体设计3.1核桃去青皮的典型方法目前市场上去核桃青皮常用的方法:(1)切削式脱青皮机:由刀刃挤压核桃,用刀刃对核桃进行切削去皮,再用钢刷进一步把未去掉的皮刷净,从而达到去核桃青皮的效果。同时可以调节外筒的位置来改变刀具的位置,对核桃的大小没有太大的局限性,滚筒上有孔槽为了使去除的核桃青皮与核桃硬壳分离22。(2)滚筒式脱青皮机:通常采用鼠笼滚筒的结构,青皮核桃在滚筒旋转的挤压力作用下达到去皮的效果,为了脱净效率的提高,在该机械中添加了钢刷结构。滚筒上的孔槽是为了使去除的核桃青皮与硬壳核桃的分离。该脱青皮机器能够很好的去除核桃青皮,但是不能够持续的加料,脱去的青皮容易被滚筒滚压成黑色粘稠状,严重污染环境,且需要对此加工的核桃再进行二次加工,实用经济性较差,去皮的效率较低23。(3)挤压揉搓剥离式去青皮:通过对核桃的挤压、揉搓而达到青皮与硬壳核桃的分离,该方法去皮的效率较低,还容易破坏核桃的硬壳24。3.2核桃去青皮方案的选择通过对已有去核桃青皮的原理整合对比及对青皮核桃、青皮、果实的三维尺寸和核桃青皮含水率的分析我提出以下两种解决核桃去青皮的方案:(1)用钢钉和刚刷作为去核桃青皮核心部件,钢钉与钢刷共同分布在主轴上,首先利用钢钉滚筒去破坏核桃的青皮,再利用钢刷把破坏掉的青皮完全去除。这种方案优点能很好地去掉核桃的青皮,缺点是青皮核桃容易被扎在钢钉上而影响其余核桃去青皮的效率。示意图如下图3-1所示图3-1钢钉、钢刷去皮示意图(2)用两对四片刀片对栅筒上的青核桃进行切削、刮蹭去青皮,接着用钢丝刷先进行简单的清洗(粗清洗),去掉未去除的部分核桃青皮,再由毛刷进一步的清洗(精洗)。其原理简单、结构易设计和制造,实用性较高,对机器的转速要求不高。示意图如下图3-2所示图3-2 刀片、钢刷去皮示意图通过两种方案的对比,方案二具有较好的实用性,能够很好的去除核桃青皮并能清洗核桃,因此选择方案二。3.3核桃去青皮机的结构去核桃青皮机主要由去青皮、粗洗、精洗等三大功能,同时具有进料口、出料口、出青皮口、清洗淋水管等辅助机构,再由动力和传动机构共同组成。人工把青核桃倒入进料口,在旋转轴的带动下沿滚筒做圆周运动,通过刀片的刀刃切削作用去除青核桃的大块青皮,被去除的核桃青皮通过滚筒上面的缝隙滑落从排污口排出。如果滚筒内部出现堵塞,可以卸去滚筒上面的螺钉对滚筒内部进行清理。刀片两两之间之都有一定的空隙,当青皮核桃放入过多时,部分青皮核桃会从刀片间隙向下滑落,减小刀片及连接杆所受阻力,非常有效的防止了电动机过载现象。在刀片去除青皮之后,通过具有具有一定角度的拨料板及具有一定线性的滚筒同时作用下,青皮核桃绕主轴旋转的同时向前进给,进入粗洗滚筒。粗洗滚筒设计了一定大小的圆洞,保证硬壳核桃不下落的同时,使硬壳核桃未去净的青皮在刚刷的摩擦下刷去青皮并从洞口滑落。粗洗滚筒的顶部具有喷洒水管,由水管喷洒的水与四把钢丝刷对核桃进行清洗,钢丝刷的摩擦与揉搓来去除核桃表面未完全去除得青皮,经过多次的刷洗、摩擦、揉搓使核桃各个表面青皮有效地去除。被去掉的核桃青皮从圆洞中排入排出口,由喷洒水管水的下流冲出。由于四把钢丝刷的排列不是垂直于轴而是与轴具有一定的角度,核桃经过粗洗后向前进给,进入精洗滚筒。在精洗滚筒中,由于钢丝刷的摩擦、揉搓、击打的作用,核桃表面会附有一定的粉末物。精洗滚筒内有毛刷,去除青皮后的核桃在滚筒里由轴带动毛刷旋转与毛刷摩擦,同时也在喷洒水管的冲洗作用下,使核桃表面的粉末物被洗刷干净并排出。核桃在旋转的过程中具有很大的离心力,会一直贴在滚筒内壁清洗。毛刷的安装也不是垂直于轴而是具有一定的角度,会把核桃继续往前进给,从出料口排出,从而完成核桃去青皮、清洗的工作,获得洁净的硬壳核桃。不断地从进料口倒入青皮核桃,核桃去青皮、清洗完成后从出料口排出,青皮从排料口排出,这样就完成了核桃去青皮及清洗的工作,代替人工作业,大大提高了生产效率。本机器适用于家庭及小型农作坊,操作简单,维修方便,成本较低,省时省力,实用性较强。 1. 电机 2.张紧轮 3.主轴 4.轴承5.进料口6.去皮滚筒上盖 7.粗洗滚筒 8.喷淋水管 9.精洗滚筒 10.出料口 11.机架 12.排污口13.去皮滚筒下盖 图3-3 外部结构图14.去皮拨料组 15.钢丝刷组件 16.精洗板组件图3-4 内部结构图3.4核桃去青皮的原理青皮核桃从进料斗倒入,落到去皮滚筒中,旋转运动的刀片碰到青皮核桃时会切削核桃,核桃在刀片的切削力和栅条的挤压力共同作用下使青皮被大块的切削掉,同时在受拨料板的拨动下旋转并向前运动,在运动过程中核桃之间的挤压滚动使核桃向刀片上方移动,最后会脱离此刀片落到栅条滚筒中,被下一刀片继续切削。如下3-3所示: 图3-5切削示意图3.5核桃去皮机清洗原理清洗过程如下流程图所示: 由刀片去完青皮,核桃表面未除净得部分青皮在粗洗滚筒内被钢刷揉搓、摩擦去除部分青皮 在精洗滚筒内由毛刷去除核桃表面附着物清洗完成后由排料口排出图3-6流程图青皮核桃在去皮滚筒内去掉大块的青皮后被推进粗洗滚筒,此时核桃表面可能会附有部分青皮,在粗洗滚筒内会被钢刷揉搓、摩擦、击打使青皮完全被去除。粗洗滚筒的内壁上有一定大小的空洞,保证核桃不落下的同时,排出去除的杂物。钢丝刷斜置安装不仅刷洗核桃的部分青皮,且给于核桃轴向进给力的作用,核桃不断被刷洗,达到一定高度滚下,继续换面,是各个面都被刷洗干净。如图3-4所示,完成粗细后,核桃会被推入精洗滚筒,水管不断滴入水流,在斜置的精洗板拨动下在滚筒内壁滚动,由毛刷刷洗掉颗粒状附着物,最后在拨料板的拨动下从出料口排出。 (a) (b) (c) (d)图3-7清洗工作原理图3.6核桃去青皮机构的传动原理传动结构由电机、张紧轮、带轮构成,在符合工作要求的情况下优先选用经济实惠的电动机。带传动在传动、结构、经济等多方面具有很大的优点,在农业机械上使用非常合适,因此传动结构上优先选择带传动。青皮核桃去皮机的传动原理是由电动机带动皮带轮进行一定的减速,将合适的转速传递到主轴上,由主轴带动轴上的去皮部件、清洗部件来进完成去青皮、清洗一系列的工作。 1.轴上皮带轮 2.张紧轮装置 3.电机上皮带轮图3-8核桃去青皮机构传动机构4 传动装置的设计与选用4.1电机的选择依据机器在作业中所需要的功率和动力来选择合适的电动机。 由查阅已有的研究数据及和相关的资料得,青皮核桃的平均质量大约为m=0.06kg,去核桃青皮的拨杆组件中每两个拨料板的有效距离大约为0.4m。每个核桃去青皮所需要的力大约为30N。对研究取理想情况,近似计算,由动能定理得: (4-1) (4-2)其中上式中:m每个青皮核桃的质量(kg);v拨料板线的速度(m/s);n拨料板的转速(m/s); D拨料组件的直径(m);F刀片对青皮的切割力(N);S一青皮核桃受到切割的相对位移(m);依据去皮条件可得:去皮力F破壳力查阅文献24可得去青皮所需要转速为160r/min230r/min,取主轴的转速为180r/min 因此单个青核桃去皮所需要功率为: (4-3)由公式4-2计算得拨料板的线速度为: (4-4)所以由公式4-3得单个青核桃去皮所需要功率为:由核桃去青皮机参考数据得:生产效率为:600kg/h,得出该去青皮机每秒可以脱净0.17kg青皮核桃,因此需要去青皮总功率为: (4-5)该机器是由去青皮、粗洗、精洗三部分组成,并且清洗所需要的功率会小于去青皮所需要的功率,为保障机器正常地运行,总功率取去青皮功率的三倍: (4-6) 查阅相关机械资料可知带传动的传动比大,则小带轮的包角将减小,带传动的承载能力降低。因此,带传动的传动比不宜过大,一般为,推荐值为: (4-7)查机械设计手册第4版得型号为Y100L-6的电动机符合该机器作业条件,其主要性能如下表4-1所示:表4-1 电机参数电机型号额定功率(kw)满载转速(r/min)同步转速(r/min)质量(kg)Y100L-61.59401000334.2传动比的确定总传动比为: (4-8) 由此可以取出V带的传动比,初步取i=5.2。4.3 带轮的确定为保障该去青皮机器动力传递的稳定性,皮带要选取承受能力较强的。第一级皮带与电动机轴相连,因此功率损耗可忽略不计,=1.5kw传递到第二级皮带上的功率为: (4-9)P传递到皮带上的功率(kw);电机功率(kw);带的传递效率 ; 经查阅相关文献可获得数据: 将数据代入公式(4-9)得: (4-10)经计算主轴上的输入功率为1.38kw,所以选择合适的皮带参数来传递动力。假设以每天工作时间8h来进行设计: (1)确定计算功率P: 通过查找机械设计基础第五版表13-8可得: (4-11)式中:p输出功率(kw);KA工况系数1.1;P电机传递功率(kw); 求得: (4-12)(2)选择V带型号:依据p、n、电动机属性 ,从机械设计基础第五版里图13-3中可以查出最适合的带型为A型。(3)确定大带轮d2,小带轮d1的基准直径:查机械设计基础第五版中表13-9可知,d1应不小于75mm,故选取主动轮直径d1=75mm,从动轮基准直径d2为: (4-13) (4)验算带的速度 : (4-14) (4-15) 因此所选带的速度合适(5)中心距a与v带的基准长度Ld的确定: 初步选取中心距为: (4-16) 符合: (4-17) 根据公式 : (4-18) 式中:带的基准长度(m); 带轮中心距(m);小轮直径(m); 大轮直径(m); 求得: (4-19) 通过机械设计基础第五版里的表13-2,可以选用Ld =2240mm 因此可以计算出实际中心距a: (4-20)(6) 验算主动轮上的包角; 包角公式为: (4-21) 则,主动轮包角: 因此主动轮包角合适。(7)计算V带的数量z: (4-22)已知数据,通过机械设计手册第五版查表可得: , 将数值代入上式中,经计算可得: 因此取z=24.4. 轴的校核在机器作业过程中,主轴要承受轴上所有零件的压力,以及轴上所有零件作用于青皮核桃时的转矩。因此先计算出轴的最小直径,经机械设计基础第五版查得轴的最小直径公式。轴的最小直径为: (4-23)式中:d主轴最小直径(mm);轴的许应扭切应力(MPa);p轴上所得功率(kw);n轴的转速(r/min);C轴用材料和承载情况确定的常数; 由上述计算已知以下数据:轴的转速:n=180r/min轴的输入功率:p=1.38kw求轴的转矩: (4-24)求得: 该轴为主要工作部件动力源,设计要求强度高,故选用45钢,调制处理,抗拉强度600MPa,屈服强度355MPa。根据以上已知条件带入公式4-23求得轴的最小直径为:设计主轴最小直径该轴上分布的主要零件分别为刀片、钢刷、毛刷,把它们近视看作长方体进行计算质量。 求出轴的弯矩和扭矩后,针对危险界面(刀片1面)做弯矩合成强度校核计算。按第三强度理论计算应力: (4-25)对于直径为d的轴,弯曲应力为,扭矩切应力其中抗拒截面系数,取。则轴的弯矩合成强度条件为: 因此该轴可以满足强度要求保障正常工作。5 青皮核桃去皮机结构设计5.1拨料板斜置角度的计算由本文第二章青皮核桃的物理性能特点可知道去核桃青皮的效率受很多因素的影响,首先是青皮核桃、青皮、果实的三维尺寸及青皮含水率等因素。青皮核桃形状较圆且青皮比较薄时,青皮含水量就较少成熟度就较高,此时青皮核桃去皮较容易。而青皮核桃的青皮比较厚,青皮含水量就较多,此时的青皮核桃是尚未成熟,青皮与核桃硬壳的附着作用较强,就不易去掉核桃的青皮。加大粗洗的工作量。现有数据表明25,不同采收期对核桃去青皮效果的影响较为显著。每当核桃成熟的时候,核桃青皮的颜色会从绿色变成黄绿色,这时的水分为55%-65%,青核桃中青皮与硬壳特别易分开。影响核桃去皮率的因素还有核桃在去皮滚筒内的旋转圈数,既拨料板的斜置角度。图5-1 不同采收期对核桃去青皮效果的影响25我区核桃品种众多,通过实验的方法去获取核桃青皮及硬壳核桃的三维尺寸。但是由于实际客观原因,无法对青皮核桃做实验,只有通过查阅前人的实验数据来获取核桃青皮与硬皮核桃的三围尺寸。经查阅文献17,青皮核桃和硬壳核桃的直径如下表5-1所示:表5-1三种核桃中尺寸样品号温185新新2扎343青皮核桃硬皮核桃青皮核桃硬皮核桃青皮核桃硬皮核桃155.139.849.13657.138.8251.738.348.735.556.838.3354.639.249.736.657.639.2由表5-1得青皮的平均尺寸如下:青皮核桃的平均直径d1为: 硬壳核桃的平均直径d2为: 青皮平均厚度b1=7.7mm: 则:青皮核桃平均体积V1为: (5-1)式中:青皮核桃平均体积(mm);r青皮核桃平均半径(mm);硬壳核桃平均体积V2为: 青皮平均体积V3为: (5-2)青皮在每把滚刀上去除体积为:将被切下青皮每个面都近似看为平面,则切下青皮可近似看成长方体。则所切青皮块体积为此长方体的体积,切刀为斜置15,青皮厚度=7.7mm,则每刀去皮量为,每圈去皮刀数为每圈去除青皮量V4为:每刀去皮量刀数 (5-3)式中:核桃在滚筒内最小切割圈数;青皮平均体积;每圈去除青皮量;去皮滚筒对核桃的有效去皮长度为=1000mm,则每圈需轴向进给距离为167mm。主轴所需工作转速为N=180r/min,轴向进给速度=Nl2=501mm/s。对置拨料板及连杆有效直径已知为mm;有效周长为: (5-4)式中:滚筒有效周长(mm);圆周率(取3.14);拨料杆有效直径(mm); (5-5)式中:核桃在滚筒内线速度(mm/s);滚筒有效周长(mm);N主轴所需工作转速(r/min)核桃在滚筒内的运动如图 5
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