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花生去殼機(jī)設(shè)計
摘 要
花生脫殼機(jī)可以替代手工剝殼，極大地提高花生的脫殼效率。為此，針對目前花生脫殼機(jī)存在的機(jī)器性能不穩(wěn)定、適應(yīng)性差、通用性差和利用率低等問題，設(shè)計了刮板式花生脫殼機(jī)，計算了脫殼機(jī)轉(zhuǎn)軸部件的轉(zhuǎn)速和脫殼機(jī)的功率，采用皮帶傳動，選用了電磁調(diào)速電動機(jī)，設(shè)計了轉(zhuǎn)軸、凹板篩、料斗和箱體等零部件; 通過采用電磁調(diào)速電動機(jī)和不同尺寸間隔的凹板篩提高了花生脫殼機(jī)的通用性，同時也提高了脫殼機(jī)的適應(yīng)性和利用率; 由于電磁調(diào)速電動機(jī)的控制器具有速度負(fù)反饋系統(tǒng)，可以使電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速基本上保持不變，從而提高了脫殼機(jī)運行過程中性能的穩(wěn)定性; 刮板式脫殼機(jī)運行中具有沖擊性，因此對轉(zhuǎn)軸部件的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了校核，結(jié)果表明，設(shè)計的轉(zhuǎn)軸部件結(jié)構(gòu)合理，其運行轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)軸部件的最小臨界轉(zhuǎn)速值。
關(guān)鍵詞: 花生脫殼機(jī); 脫殼原理; 脫殼機(jī)械化; 剝殼
1總體方案的確定
1.1 脫殼原理
目前，花生的主要脫殼方法有撞擊法、碾搓法、剪切法、擠壓法、搓撕法、壓力膨脹法和真空法等［4］。本文設(shè)計的刮板式花生脫殼機(jī)具備撞擊法、碾搓法、剪切法和擠壓法的特點，所以脫殼效率很高，效果好。
1.2 工作原理
刮板式花生脫殼機(jī)主要由進(jìn)料斗、脫殼轉(zhuǎn)軸部件(包括刮板架和刮板) 、凹板篩、風(fēng)機(jī)、電動機(jī)、機(jī)架、花生殼出口和花生仁出口等組成，如圖1 所示。
圖 1 刮板式花生脫殼機(jī)
設(shè)備工作時，花生果由進(jìn)料斗進(jìn)入脫殼室，在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸部件—刮板的反復(fù)打擊與碰撞，以及刮板與凹板篩共同作用產(chǎn)生的摩擦、碾搓、剪切、擠壓的作用下，花生殼不斷破裂; 花生殼和花生仁在刮板的旋轉(zhuǎn)風(fēng)壓和打擊下穿過凹板篩，花生殼在下落時受到風(fēng)機(jī)的吹力作用，從花生殼出口被吹出，花生仁則從花生仁出口排出。
2花生脫殼機(jī)的設(shè)計
2.1 轉(zhuǎn)軸部件的半徑和轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)軸部件中刮板的旋轉(zhuǎn)速度必須確保能將花生殼通過打擊作用撞碎。文獻(xiàn)［6］的實驗結(jié)果表明，當(dāng)花生與鋼板的相對速度在4～5m/ s 時，可以達(dá)到較好的破碎花生殼效果。根據(jù)此數(shù)據(jù)來設(shè)計轉(zhuǎn)軸部件的旋轉(zhuǎn)半徑和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，如圖2 所示。花生下落的位置在轉(zhuǎn)軸部件R /2 到R之間，設(shè)計時采用最小打擊半徑R /2 為設(shè)計基準(zhǔn)。
圖 2 轉(zhuǎn)軸部件花生下落簡圖
為了有較高的生產(chǎn)率，此處設(shè)計的轉(zhuǎn)軸部件半徑R = 250mm，v = 4 ～ 5m/s。
(1)
由此得出n = 305.7 ～ 382.2r /min。為了使所設(shè)計的設(shè)備具有更廣泛的適用性，應(yīng)根據(jù)花生品種的不同調(diào)整轉(zhuǎn)軸部件的轉(zhuǎn)速。
由于刮板式脫殼機(jī)采用的主要脫殼原理是打擊和擠壓兩種方法，因此對刮板的強(qiáng)度有一定要求，且刮板由于受到間斷式的持續(xù)沖擊，屬于易損件。根據(jù)文獻(xiàn)［6］的實驗結(jié)果顯示，破碎板使用橡膠和木板的脫殼效果較差，脫凈率在70% 左右，而鋼板的脫凈率基本能夠保持在95% 左右。刮板零件采用高錳鋼制造，并用螺栓和刮板架聯(lián)接，使其易于調(diào)整和更換，其結(jié)構(gòu)見圖3 所示。
圖 3 轉(zhuǎn)軸部件三維圖
2.2 脫殼功率
由于脫殼是在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸部件—刮板的反復(fù)打擊與碰撞以及刮板與凹板篩共同作用產(chǎn)生的摩擦、碾搓、剪切和擠壓的作用下進(jìn)行的，因此脫殼功率不能夠簡單地以刮板對花生產(chǎn)生的動能來計算，空氣阻力和摩擦對脫殼功率的消耗非常顯著，進(jìn)行功率計算時不能夠忽略，因此應(yīng)按以下公式進(jìn)行計算，即
( 2)
式中 Q —脫殼機(jī)的加工量( kg /h) ;
Rd—每脫1kg 物料所需的功( N·m/kg) ;
A —高速運轉(zhuǎn)空氣阻力所消耗的功率系數(shù);
η—機(jī)械效率;
K —花生與打板間摩擦消耗的功率系數(shù)。
此處，根據(jù)設(shè)計要求取Q = 1 000kg /h;Rd根據(jù)文獻(xiàn)資料對比，取Rd = 300N·m/kg;取A=1.4; 取η =0.7; 取K = 2。代入式( 2) 計算得，P = 1.2kW。因此，刮板式脫殼正常工作需要的最小功率為1.2kW。
2.3 驅(qū)動電機(jī)
由于電磁調(diào)速電動機(jī)具有在規(guī)定的調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)均勻地、連續(xù)地?zé)o級調(diào)速，并能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在運行中當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動時可通過控制器的速度負(fù)反饋系統(tǒng)使輸出轉(zhuǎn)速基本上保持不變的特點，所以選用電磁調(diào)速電動機(jī)，能夠提高設(shè)備的工作的穩(wěn)定性和通用性。選用YCT132－4B 型號的電磁調(diào)速電機(jī)來驅(qū)動轉(zhuǎn)軸部件進(jìn)行脫殼工作，其功率為1.55kW，額定轉(zhuǎn)矩為9.5 N·m，調(diào)速范圍為125～1400r /min。
2.4 傳動方式
有兩種傳動方案可供脫殼機(jī)選用: 一是皮帶傳動; 二是減速器傳動。兩者都可以實現(xiàn)低電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和增加轉(zhuǎn)矩的作用。第2 種傳動方案可以使設(shè)備設(shè)計的更為緊湊，傳遞效率高，但是其價格相對較高，在設(shè)備的實際運行中，還應(yīng)該考慮設(shè)備的過載保護(hù)，因為刮板式脫殼機(jī)具有慣性沖擊作用，應(yīng)考慮通過料斗進(jìn)入小石塊等其它異物時的情況。綜合考慮各種情況，選用第一種皮帶傳動的方案更為合理，可以有效保護(hù)運行中的設(shè)備安全。
2.5 仁殼分離裝置
仁殼分離裝置的工作原理主要是利用花生仁和花生殼的重力，以及受風(fēng)吹時的受力面積不同，用氣流對其進(jìn)行分離，質(zhì)量大且受力面積小的花生仁不會被風(fēng)機(jī)吹來的氣流吹走，落到下面的花生仁收集板上，并從花生仁出口自動流出; 質(zhì)量小且受力面積大的花生殼被氣流吹出花生殼出口( 其具體結(jié)構(gòu)見圖1所示)，從而完成分離任務(wù)。
2.6轉(zhuǎn)軸部件臨界轉(zhuǎn)速的校核
由于轉(zhuǎn)軸部件是刮板式脫殼機(jī)的關(guān)鍵核心部件，其運行的可靠性和平穩(wěn)性嚴(yán)重影響著脫殼機(jī)的性能，因此需要對轉(zhuǎn)軸部件的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核。由于轉(zhuǎn)軸部件比較復(fù)雜，所以采用有限元方法計算能夠更真實地反映出轉(zhuǎn)軸部件的臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)軸部件的臨界轉(zhuǎn)速計算采用一維有限元模型，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。
圖 4 轉(zhuǎn)軸部件轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
該有限元模型綜合考慮了皮帶輪和刮板部件對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響，臨界轉(zhuǎn)速值的計算結(jié)果為: 轉(zhuǎn)軸部件的一階正進(jìn)動臨界轉(zhuǎn)速為6479r/min 左右，其一階反進(jìn)動臨界轉(zhuǎn)速值最低，為1205r/min，由于設(shè)計的轉(zhuǎn)軸部件的工作轉(zhuǎn)速最高為382.2r /min，低于轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸部件的最低臨界轉(zhuǎn)速，不會導(dǎo)致振動現(xiàn)象的產(chǎn)生。
參考文獻(xiàn)
［1］中華人民共和國商業(yè)部.2009,年出口花生質(zhì)量安全預(yù)警分析報告［R］.北京:商務(wù)部對外貿(mào)易司,2010.
［2］高學(xué)梅,胡志超,謝煥雄.打擊揉搓式花生脫殼機(jī)脫殼性能影響因素探析［J］.花生學(xué)報,2011,40( 3) :30－34.
［3］喻杰,包秀輝.常用花生脫殼機(jī)的分析研究［J］.農(nóng)業(yè)科技與裝備,2009(1):114－118.
［4］劉明國,杜鑫,程獻(xiàn)麗等.花生脫殼機(jī)械化對遼寧省花生產(chǎn)業(yè)的影響［J］.農(nóng)機(jī)化研究,2010,32( 10):222－225.
［5］李建東,尚書旗,李西振等.我國花生脫殼機(jī)械研究應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.花生學(xué)報,2006, 35( 4):23－27.