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6BH一1800型花生脱壳机械采用了三轧辊混合脱壳结构,能够进行二次脱壳。
而随着我国花生产业的进一步调整,花生产量逐年增加,花生的机械化脱壳程度将大幅提高,花生脱壳机械将拥有广阔的发展前景。
花生剥壳的原理很多,因此产生了很多种不同的花生剥壳机械。
花生剥壳部件是花生剥壳机的关键工作部件,剥壳部件的技术水平决定了机具作业刚花生仁破碎率、花生果一次剥净率及生产效率等重要的经济指标。
在目前的生产销售中,花生仁破碎率是社会最为关心的主要指标。
八十年代以前的花生剥壳机械,破碎率一般都大于8%,有时高达l5%以上。
加工出的花生仁,只能用来榨油,不能作种用,也达到出口标准。
为了降低破碎率而探讨新的剥壳原理,研制新式剥壳部件,便成为花生剥壳机械的重要研究课题。
从六十年代初,开始在我国出现了封闭式纹杆滚筒,栅条凹板式花生剥壳机。
自1983年以来,在已有的花生剥壳部件的研制基础上,我国又相继研制了多种不同结构型式的新式剥壳部件,其主要经济技术指标,特别是破壳率指标大有改善。
我国上个世纪几种主要的花生剥壳部件
1).封闭式纹杆滚筒,栅条凹板式花生剥壳部件,结构简图如图1
图1
六十年代初,我国在吸收国外技术的基础上,研制了TH-340型花生剥壳机,其剥壳部件是在一个圆筒上镶上若干根纹杆组成的封闭式纹杆滚筒,下面装有若干根圆钢条组成的栅条式凹板。
在该机构中花生进口大(3O-50毫米),出口小(1O-25毫米),工作时,花生果在滚筒的推动下由进口向出口端运动,在滚筒和凹板的冲击、挤压、揉搓作用下直接脱壳,花生受列剥壳机的直接搓擦作用,系强制脱壳,故破碎率高。
剥壳时,直径同凹板栅缝一样大小的单粒果及双粒果便从栅缝中分离出来,所以一次剥净率低,最高80%。
为了将混在一起的花生仁和未脱果分离开来,采用栅条式凹板的剥壳机一般要配置分离机构。
后来研制并生产的TH-47O型,6BH-570型等型式的剥壳机,结构与其大同小异,剥壳质量均不理想。
2).封闭橡胶板滚筒,直立橡胶板式剥壳部件,结构简图如图2
图2
该机的剥壳部件是由封闭胶辊和直立胶板组成,剥壳原理系挤压式
作业时,花生果在胶辊的推动下,通过剥壳间隙(5—20毫米),由胶辊和胶板的挤压作用脱壳,避开了剥壳部件的揉搓作用,破碎率有所降低,但仍在5%以上。
另外,因直径小于剥壳间隙的小果未经剥壳便被分离出来,故一次剥净率很低,只有30%左右。
所以不得不增设循环机构,以使花生经多次挤压脱壳,致使机器结构复杂、庞大,造价较高。
3).开式纹杆滚筒,编织凹板式花生剥壳部件,结构简图如图3
图3
剥壳部件采用了由两根金属纹杆组成的开式纹杆滚筒和用编织丝网制成的编织凹板
作业时,花生果在滚筒的推动下,受挤压揉搓脱壳,该结构与封闭滚筒式不同,花生果受到开式滚筒的搅拌作用,剥壳力带有柔性,故其破碎率较低,可控制在3%-5%。
另外,与栅条式凹板不同,因系编织网孔凹板,剥壳时,只有直径小于网孔尺寸的单粒瘪果末脱壳而被网孔分离,双粒长果则漏不出来,仍被剥壳,故剥净率较高。
4).立式剥壳机构,结构简图如图4
图4
剥壳部件采用了由两根扁钢条焊接而成的立式转子,下面装着用编织丝网制成的编织平底筛。
在剥壳室内,花生果受立式转子的推动而相互磨擦,从而达到剥壳的目的,此方法系柔性揉搓剥壳。
实践证明,该机破碎率较低,可控制在3%以下。
其缺点是由于采用立式传动,故传动机构较为复杂。
5).开式扁条滚筒,编织凹板式花生剥壳部件,结构简图如图5
图5
采用了由三根扁钢条制成的开式扁条滚筒,和用编织丝网制成的凹板结构。
作业时,花生果在扁条的推动下随滚筒转动,在滚筒和凹板之间形
成一个活动层,花生果在该活动层内互相揉搓而脱壳。
由于在该机构中,避开了剥壳部件的直接挤压,冲击的作用,而是花生搓花生,系柔性剥壳,故破碎率较低,该机鉴定时实测破伤率(破碎率+损伤率)为0.91。
另外脱净率及生产效率等指标亦较理想。
3花生脱壳机械的研究应用现状
目前国内花生脱壳机从其脱壳原理、结构和材料上基本可分为以打击、揉搓为主的钢纹杆——钢栅条凹板以挤压、揉搓为主的橡胶滚筒一一橡胶浮动凹板两大类,但脱壳质量均不高,破损率都大于8%,剥出的花生米只能用于榨油和食用,满足不了外贸出口和作种子的要求。
探索先进的脱壳原理是解决脱壳机现存问题的重要途径。
1)目前花生脱壳机采用的脱壳原理
目前应用比较广泛的花生机械脱壳原理有以下几种。
撞击法脱壳撞击法脱壳是物料高速运动时突然受阻而受到冲击力,使外壳破碎而实现脱壳的目的。
其典型设备为由高速回转甩料盘及固定在甩料盘周围的粗糙壁板组成的离心脱壳机。
甩料盘使花生荚果产生一个较大的离心力撞击壁面,只要撞击力足够大,荚果外壳就会产生较大的变形,进而形成裂缝。
当荚果离开壁面时,由于外壳具有不同的弹性变形而产生不同的运动速度,荚果所受到的弹性力较小,运动速度也不如外壳,阻止了外壳迅速向外移动而使其在裂缝处裂开,从而实现籽粒的脱壳。
撞击脱壳法适合于仁壳间结合力小,仁壳间隙较大且外壳较脆的荚果。
影响离心式脱壳机脱壳质量的因素有,籽粒的水分含量、甩料盘的转速、甩料盘的结构特点等。
碾搓法脱壳花生荚果在固定磨片和运动着的磨片间受到强烈的碾搓作用,使荚果的外壳被撕裂而实现脱壳。
其典型的设备为由一个固定圆盘和一个转动圆盘组成的圆盘剥壳机。
荚果经进料口进入定磨片和动磨片的间隙中,动磨片转动的离心力使籽粒沿径向向外运动,也使荚果与定磨片问产生方向相反的摩擦力;
同时,磨片上的牙齿不断对外壳进行切裂,在摩擦力与剪切力的共同作用下使外壳产生裂纹直至破裂,并与壳仁脱离,达到脱壳的目的。
该种方法影响因素有,荚果的水分含量、圆盘的直经、转速高低、磨片之间工作间隙的大小、磨片上槽纹的形状和荚果的均匀度等。
剪切法脱壳花生荚果在固定刀架和转鼓间受到相对运动着的刀板的剪切力的作用,外壳被切裂并打开,实现外壳与果仁的分离。
其典型设备为由刀板转鼓和刀板座为主要工作部件的刀板剥壳机。
在刀板转鼓和刀板座上均装有刀板,刀板座呈凹形,带有调节机构,可根据花生荚果的大小调节刀板座与刀板转鼓之间的间隙。
当刀板转鼓旋转时,与刀板之间产生剪切作用,使物料外壳破裂和脱落。
主要适用于棉籽,特别是带绒棉籽的剥壳,剥壳效果较好。
由于其工作面较小,故易发生漏籽现象,重剥率较高。
该种方法影响因素有,原料水分含量、转鼓转速的高低、刀板之间的间隙大小等。
挤压法脱壳挤压法脱壳是靠一对直径相同转动方向相反,转速相等的圆柱辊,调整到适当间隙,使花生荚果通过间隙时受到辊的挤压而破壳。
荚果能否顺利地进入两挤压辊的间隙,取决于挤压辊及与荚果接触的情况。
要使荚果在两挤压辊间被挤压破壳,荚果首先必须被夹住,然后被卷入两辊间隙。
两挤压辊间的间隙大小是影响籽粒破损率和脱壳率高低的重要因素。
搓撕法脱壳搓撕法脱壳是利用相对转动的橡胶辊筒对籽粒进行搓撕作用而进行脱壳的。
两只胶辊水平放置,分别以不同转速相对转动,辊面之间存在一定的线速差,橡胶辊具有一定的弹性.其摩擦系数较大。
花生荚果进入胶辊工作区时,与两辊面相接触,如果此时荚果符合被辊子啮人的条件,即啮人角小于摩擦角,就能顺利进入两辊问.此时荚果在被拉人辊间的同时,受到两个不同方向的摩擦力的撕搓作用;
另外,荚果又受到两辊面的法向挤压力的作用,当荚果到达辊子中心连线附近时法向挤压力最大,荚果受压产生弹性——塑性变形,此时荚果的外壳也将在挤压作用下破裂,在上述相反方向撕搓力的作用下完成脱壳过程。
影响脱壳性能的因素有,线速差、胶压辊的硬度、轧入角、轧辊半径、轧辊间间隙等。
2)新型脱壳技术
压力膨胀法原理是先使一定压力的气体进入花生壳内,维持一段时间,以使花生荚果内外达到气压平衡,然后瞬间卸压,内外压力平衡打破,壳体内气体在高压作用下产生巨大的爆破力而冲破壳体,从而达到脱壳的目的。
主要影响因素有,充气压力、稳定压力维持时间、籽粒的含水率等。
真空法将花生荚果放在真空爆壳机中,在真空条件下,将具有相当水分的荚果加热到一定温度,在真空泵的抽吸下,荚果吸热使其外壳的水分不断蒸发而被移除,其韧性与强度降低,脆性大大增加;
真空作用又使壳外压力降低,壳内部相对处于较高压力状态。
壳内的压力达到一定数值时,就会使外壳爆裂。
激光法用激光逐个切割坚果外壳。
试验显示,用这种方法几乎能够达到1009/6的整仁率,但因其费用昂贵、效率低下等原因,很难得到推广。
3)花生脱壳机械的工艺研究
在脱壳技术方面,除了在原理和设备上进行研究外,人们还在工艺上进行了研究以提高籽粒的脱壳率及脱壳质量。
分级处理物料的粒度范围大,必须先按大小分级,再进行脱壳,才能提高脱壳率,减少破损率。
水分含量花生荚果的含水率对脱壳效果有很大的影响,含水率大,则外壳的韧性增加;
含水率小,则果仁的粉末度大。
因此应使花生荚果尽量保持最适当的含水率,以保证外壳和果仁具有最大弹性变形和塑性变形的差异,即外壳含水率低到使其具有最大的脆性,脱壳时能被充分破裂,同时又要保持仁的可塑性,不能因水分太少而使果仁在外力作用下粉末度太大,可减少果仁破损率。
4)花生脱壳机械存在的问题
目前我国在花生脱壳技术研究方面一直没有大的突破,资金投入也不足,脱壳部件的研制仍在2O世纪90年代初的技术水平上徘徊,所以在脱壳性能上并没有很大的提高。
由于机械脱壳时对花生仁的损伤率偏高,用于种子和较长期贮存的花生仁至今仍是手工剥壳。
脱壳机械在技术性能和作业环节上存在以下问题:
①脱壳率低,脱壳后的果仁破损率高,损失大。
②机具性能不稳定,适应性差。
③通用性差,利用率低。
④作业成本偏高,多数是单机制造,制造的工艺水平较低,同时能耗较高。
⑤有些产品仅进行了样机试制或少量试生产,未进行大量生产性考核和示范应用,作业性能及商品性等方面还存在不少问题。
4花生脱壳机械研究重点
我国加入WTO以来,国内外关于花生脱壳机械的开发与推广应用日益增多,针对现有花生脱壳机械存在的优点与不足,在未来的发展过程中,对花生脱壳机械在生产应用中的经验进行总结,不断完善其功能,使其呈现良好的发展势头。
1)提高花生脱壳机械的通用性和适应性
提高花生脱壳机械的通用性和适应性仍是当前的主要研究方向之一目前,许多花生脱壳机械只是针对某一花生品种和所在地区的生长环境来设计,其通用性、兼容性和适应性较差。
提高花生脱壳机械的通用性和兼容性,使研制的花生脱壳机械通过更换主要部件能够同时对其他带壳物料进行脱壳加工。
研制通过变换主要工作部件即能满足不同坚果脱壳作业需要的脱壳机具,并提高制造工艺水平,降低制造成本,以适应不同加工企业的需要。
花生脱壳机械能否适应这种发展趋势,将直接影响到花生脱壳机械能否更好的推广应用与健康发展。
2)提高机械脱壳率。
降低破损率
对花生脱壳机械的关键技术与工作部件进行重点攻关,改革传统结构,研究新的脱壳机理,优化结构设计;
同时在整体配置上进一步改进和完善,提高脱壳率,降低籽仁破损率。
目前国内外的花生脱壳机械均存在脱壳率和破损率之间的矛盾,处理好这一关键技术将关系到花生脱壳机械的发展前景。
3)向自动控制和自动化方向发展大多数机具目前仍依赖人工喂料或定位,影响了作业速度和作业质量。
因此应通过机电一体化手段,开发设计自动喂料、自动定位脱壳装置,保证均匀喂料与有效定位,实现机组自动化操作,进一步提高作业精确性和作业速度,提高产品质量与生产率,满足部分大、中型加工企业的需要,以开拓国内和国外市场。
新技术原理、新结构材料、新工艺将不断应用于花生机械的研制开发中,随着液压技术、电子技术、控制技术以及化工、冶金工业的发展,许多复杂的机械机构、动力传递、笨重的材料和落后的工艺将逐渐被取代。
减轻重量,减少阻力,简化操作,减少辅助工作时间,延长使用寿命,降低劳动使用费用等将作为主要设计目标应用于脱壳机械的设计制造。
随着国内外高新技术的进一步发展,如何将这些高新技术更好的应用到实际生产中,也是目前花生脱壳机械需要尽快解决的问题。
5花生脱壳机械应用前景展望
花生生产机械化是农业现代化的重要组成部分,是农业和农村经济持续快速发展的重要保证,近年来,花生机械装备总量不断稳步增长,作业水平进一步提高,社会化服务规模不断扩大,虽然目前花生脱壳机械化水平较高,但是多应用于经济发达地区与示范推广区,并且小型机械多、大型机械少,低档机械多、高性能机械少。
在一些地区,用作种子和特殊用途的花生仁仍采用传统的手工剥壳,劳动生产率低,区域性发展不平衡。
进入21世纪,我国花生生产机械化开始了新的发展阶段,农业结构调整发生了新的变化,也对花生机械的发展产生了积极而深远的影响,不仅拉动了新的有效需求,而且构筑了适合花生生产机械化发展的新舞台,为花生生产机械化真正成为农村经济发展的推动器提供了广阔的市场发展条件。
在一些地区推进花生生产机械化的过程中,相继出台了鼓励和扶持农民购买花生机械、开展花生机械作业服务的优惠政策和措施,调动了农民购买花生机械的积极性,形成了新的市场需求。
随着花生种植业的不断发展,国内外对花生深加工产品的需求不断增大,提高花生脱壳机械化作业水平成为必然。
花生脱壳机在提高劳动生产率,减轻劳动强度方面起到了积极的作用,促进了花生加工业的科技进步,为花生脱壳机械的发展提供了空间。
解决问题及思考准备
对于大一刚结束的我来说,解决这样的问题是不太现实的,但是要解决这样的问题,现在必须得准备了。
通过资料,我可以终结出花生剥壳机工作的一般工序:
花生果由人工喂料,先落到粗文栅里,由于文板转动与固定栅条凹板间的搓力,将花生壳剥离分离后的花生仁与壳同时经过栅网落下,再通过风道过由风力将大部分花生壳吹击机外,而花生仁和一部分尚未剥离的花生小果一起落入比重分选筛,经过重筛选后,花生仁由分离筛面上行,通过料口流入麻袋,而尚未剥离的花生(小果),则由筛面下行,经过出料道口流入提升机,再由提升机送入细纹栅进行二次剥壳,再经过比重分行筛分选,即可达到全部剥离。
目前花生脱壳机的影响因素主要是花生的含水量和机械本身的性能。
要提高花生脱壳机械的通用性和适应性,可以将花生的含水量定位一个范围,使花生剥壳机对于任何大小的花生都具有很好的性能,提高剥壳率降低破碎率。
这就需要经过试验找到花生的含水量与机械物理性能的关联,建立一个数学模型。
对花生果进行了机械特性试验,得出了使花生壳破碎的最佳受力状况,结合对已有花生脱壳装置的结构和工作原理的总结和分析,设计出性能更好的花生剥壳机。
剥出的花生米只能用于榨油和食用,满足不了外贸出口和作种子的要求。
要使得剥出的花生米能用作种子则在机械的材料上和物理精度上的要求很高,对不同花生的壳的韧性得清楚。
剥壳时,力度要合适。
机械设计师要考虑运动和结构方面得问题以及保存和封装的规定。
在机械工程领域以及其他工程领域应用机械设计,都需要注入开关,凸轮,阀门,容器和搅拌器等机械装置。
设计始于真正的或想象的需要。
现在的仪器可能需要在耐用性,效率,重量,速度或成本上加以改进。
也可能需要用新的仪器完成人的工作。
整个机械设计是一个复杂的过程。
设计人员必须在这样的领域,如静电学,运动学,动力学和材料力学具有良好的素养,此外,还必须熟悉制造材料和制造工艺。
设计人员必须能够组合所有相关的事实,进行制作草图和制图来吧制造要求传递到车间。
选择材料是很重要的,在选择时,产品的功能,外观,材料成本和制造成本都很重要。
在任何计算之前必须仔细评估材料的性能。
有必要仔细计算以确保设计的有效性。
计算从不出现在图上,而是由各种原因被存起来。
一旦任何部件失效,就要弄清楚在最初设计这个有缺陷的零件时做了什么;
而且,从对过去的项目的计算中获得一份经验文件。
计算机对于工作人员来说是很重要的含有用的工具,可以减轻乏味的计算并且对现有数据提供扩张分析。
基于计算机的性能的交互系统式计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)成为可能。
通过这样的系统,就可以把一个初步构思传送到打孔纸带用于数字加工控制而无须绘制正式施工图。
所以计算机要会用。
细节补充
要设计出一个好的花生剥壳机,需要掌握多方面的知识。
材料、结构、力学、花生本身的性质,等等。
知识的准备,材料的性能、成型,机械工作的原理,力学……
我们需要深入研究花生的物理机械特性及脱壳机理。
对花生摩擦系数及动态疲劳进行测定及花生脱壳力学性质的研究,估算出单粒带壳花生在不同摩擦表面疲劳破坏时所需的能量。
研究结果对花生脱壳设备的进一步设计提供了理论依据。
摩擦系数及动态疲劳进行测定
1、花生摩擦系数测定(图6)每个品种随机选取18粒,先将选取的花生并排用胶布粘在一起(由于胶布的质量相对于花生的质量相差很大,因此在做摩擦试验时可以忽略胶布对摩擦系数的影响),将并排一组被束缚的花生水平放置在摩擦系数测量仪的平面上然后缓慢转动手柄使斜面倾角逐渐增大当花生刚开始沿斜面下滑时,停止转动手柄,将斜面的倾斜角度从刻度盘中读出,所测得的角度为花生在该材料上的摩擦角。
反复做试验最后将结果统计出来。
2、花生动态疲劳测定在花生疲劳试验机上(图7),通过调速电机带动凸轮转动,使得拉杆在试验机的水平工作平面上做往复运动为了减少冲击与摩擦在凸轮与拉杆之间用轴承连接。
机架上的导管确保拉杆的运动方向,拉杆上的复位弹簧保证凸轮与轴承的充分接触,定位导套是为了使复位弹簧在拉杆的运动过程中,始终有复位弹力。
在拉杆与摩擦板间用定位夹连接在上摩擦板上并加有一定量的重物。
将花生放置在上压板与下压板中间,调节上下压板间隙,确保加载重物后上压板保持水平。
让调速电机以匀速转动,通过凸轮和拉杆传动,使上面的压板以匀速作往复运动,花生就在两板之间做往复运动。
花生试验前状态摩擦角测量仪
图6
图7花生疲劳试验机
1凸轮;
2凸轮轴;
3轴承;
4.拉杆;
5.导管;
6.定位导套;
7.复位弹簧;
8上摩擦板;
9试样样品;
10.下摩擦板
测出花生的摩擦系数和动态疲劳后,我们需要对其结果进行分析。
花生脱壳的能量测定
在花生疲劳试验中,加载在花生上的扭矩表达为:
式中:
F为作用在花生上的力;
M为作用在花生上的质量;
T为转矩;
d为两平板之间的间隙;
μ'
为上压板与花生的摩擦系数;
μ为下压板与花生的摩擦系数。
因为花生在摩擦表面做的是平面运动,所以花生疲劳破坏所做的功就应该由两部分构成,共表达为:
F'
R为作用在花生上的力系主矢;
Mc为作用在花生上的力系对花生质心的主矩;
C1为花生质心单行程的初
始位置;
C2为花生质心单行程的终了位置;
如为花生单行程的初始角;
快为花生单行程的终了角;
W为单个花生脱壳所需要的能量;
W1为单个花生克服滑动摩擦所需要的能量;
W1为单个花生克服滚动摩擦所需要的能量。
花生在摩擦表面疲劳破坏时,一次往复运动花生运动到的路程。
经过N次的循环运动达到破坏,那么,在N次的循环运动过程中花生平动所做的总功为:
s为花生往复运动的单个行程,s=(C2-C1);
N为往复运动次数;
F'
R=f得:
式中:
单个花生疲劳破坏所需要的能量:
想法:
需要分析出花生的品种对花生的摩擦系数影响,不同材料的摩擦表面对花生的摩擦系数影响;
花生的疲劳循环次数随着加载力的大小的关系。
单粒花生疲劳破坏时,用橡胶板、铁筛网、木板、薄铁板分别做脱壳表面时需要的能量。
不同脱壳部件对花生造成疲劳破坏所需的能量不同,分析出什么材料最适合做脱壳部件。
鉴于试验条件的限制花生疲劳脱壳试验只选取了几种摩擦表面做了单体的疲劳研究。
为了更全面、深人研究疲劳破壳、花生米疲劳破坏、疲劳能量消起,选择高效、低损伤的脱壳部件材料,需要增加试验材料并进行深入的群体疲劳试验。
3花生脱壳力学特性研究
以花生破损力为目标参数,以施压方向、施压速率、含水率为因素进行三因素三水平有重复观测值的正交试验。
1)花生壳厚度的测量
选取花生样品3组,每组30个样本,用游标
卡尺测量花生壳顶部、腰部、柄部各部位的厚度并记
录。
2)花生施压的力学实验
用LDS微机控制电子拉压实验机进行不同方向花生
受压的力学实验,对含水率为15.8%(湿基)的花生样品分别沿x、y、z三维方向以10mm/min速度进行施压至破壳[6-11]。
并测定花生破裂时的破损力。
破损力测定的方法如下:
采用压力实验机以不同速度对花生施压,当压头接触到花生时,其显示器开始显示压力数据;
直到花生因受力增大开始破裂时,压力
骤减而自动停机,记录压力峰值;
每次实验时任意选用含水率相同的10颗花生,最后取实验结果的平均值。
3)花生受压正交试验
对花生样品进行了以花生破损力为目标参数,以含水率、施压速率和施压方向为因素进行了三因素三水平有重复观测值的正交试验,试验按L9(34)排列。
试验重复两组,每组做5次,取平均值。
因素水平表如表1所示[13]。
试验数据采用Matlab软件进行回归分析和SAS软件进行极差和方差分析
结果分析
A)花生壳厚度
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- 花生 剥壳
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