對(duì)輥擠壓式杏核破殼機(jī)關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

韓閏勞， 左志剛， 趙宗朝

(1.慶陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745199； 2.慶陽(yáng)市農(nóng)機(jī)化研究所，甘肅 慶陽(yáng) 745000； 3.慶陽(yáng)市西峰區(qū)光輝機(jī)器廠，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

0 引 言

杏核破殼是杏核加工的關(guān)鍵工序，也是保證杏仁質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)我國(guó)在破殼機(jī)具的研究上做了大量的工作，也研制出了一些類型的杏核破殼機(jī)，其中擠壓對(duì)輥式破殼機(jī)就是典型設(shè)備之一，擠壓對(duì)輥式破殼機(jī)是由一組或兩組直徑相同、相向轉(zhuǎn)動(dòng)的擠壓對(duì)輥，通過其間隙調(diào)整，實(shí)現(xiàn)杏核破殼的設(shè)備。由于其擠壓對(duì)輥結(jié)構(gòu)形式、間隙調(diào)整裝置、加料機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件不同程度的存在著一些設(shè)計(jì)缺陷，運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性方面還存在一定的不足，在破殼過程中杏核反彈、打滑、碎殼飛濺較嚴(yán)重，其傳動(dòng)部件的使用壽命較短、破殼率低，果仁損失率大等問題依然存在，不能滿足現(xiàn)代杏產(chǎn)品深加工的生產(chǎn)需求。

通過進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出了一種具有淺窩坑定位、螺旋卡槽雙點(diǎn)擠壓及搓揉式功能的新機(jī)型，可實(shí)現(xiàn)殼仁快速分離，有效提高破殼質(zhì)量。目前已完成前期圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和樣機(jī)研制工作。

1 杏核破殼力學(xué)特性分析

杏殼外形不規(guī)則，一般為非對(duì)稱橢球薄殼殼體，硬而脆、殼厚不一，難以剝離。在實(shí)際擠壓破殼中，杏核的危險(xiǎn)截面在其橢圓截面的最小回轉(zhuǎn)半徑處[1]。也就是說(shuō)，最易破殼的位置為雙凸面接近最高凸點(diǎn)的區(qū)域。絕大部分杏核的長(zhǎng)度分布在18～25 mm以內(nèi)，寬度分布在14～18 mm以內(nèi)，厚度分布在9.5～12 mm以內(nèi)[2]。其危險(xiǎn)截面雙凸面區(qū)域約為10～12 mm。杏核破殼機(jī)要達(dá)到理想的破殼效果，其關(guān)鍵部件擠壓對(duì)輥必須滿足兩個(gè)條件：一是杏核在擠壓輥間被夾持而不滑脫 (即導(dǎo)入條件)；二是滿足設(shè)計(jì)要求的生產(chǎn)率[3]。

傳統(tǒng)機(jī)型擠壓對(duì)輥的圓弧面與杏核橢球凸面為單點(diǎn)接觸，杏核所受擠壓力P的方向?yàn)榕c擠壓對(duì)輥之間接觸點(diǎn)的半徑方向，杏核與對(duì)輥之間的摩擦力F的方向?yàn)榻佑|點(diǎn)的切線方向。如果其擠壓力P在垂直方向的分力Pv大于擠壓對(duì)輥對(duì)杏核的摩擦力F在垂直方向的分力fv，杏核就會(huì)打滑甚至從對(duì)輥間隙處彈出，達(dá)不到破殼的目的。傳統(tǒng)破殼機(jī)對(duì)輥擠壓杏核受力分析如圖1所示。另外，當(dāng)擠壓對(duì)輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，輥徑越小，杏核的被擠壓角度θ越大，杏核被夾持重心上移，擠壓對(duì)輥對(duì)杏核的摩擦力F在垂直方向的分力fv越小，杏核在輥面上打滑飛彈趨勢(shì)也就越大。反之，輥徑越大，杏核的被擠壓的角度θ越小，杏核被夾持重心下移，輥筒對(duì)杏核的摩擦力F在垂直方向的分力fv越大，其夾持杏核的能力就越大，打滑飛彈趨勢(shì)越小。擠壓對(duì)輥輥徑與杏核被夾持角關(guān)系如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)破殼機(jī)對(duì)輥擠壓杏核受力分析

圖2 對(duì)輥輥徑與杏核被夾持角關(guān)系示意圖

2 擠壓對(duì)輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)擠壓對(duì)輥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改傳統(tǒng)的擠壓對(duì)輥圓柱表面與杏核點(diǎn)點(diǎn)接觸的擠壓方式為淺窩坑定位、螺旋卡槽雙點(diǎn)擠壓的搓揉式破殼(以一組對(duì)擠輥筒破殼機(jī)為例)，具體為在一個(gè)輥筒圓柱表面加工有多個(gè)間隔均勻的淺窩坑，進(jìn)行杏核預(yù)定位，在另一個(gè)輥筒圓柱表面加工有小角度螺旋卡槽。通過對(duì)輥的擠壓力和剪切力使杏殼發(fā)生形變并最終破裂，達(dá)到破殼的目的。同時(shí)，通過傳動(dòng)方式的改進(jìn)，使其兩個(gè)輥筒存在有一定的轉(zhuǎn)速差(選螺旋卡槽輥筒轉(zhuǎn)速n1>淺窩輥筒轉(zhuǎn)速n2)，使碎殼在對(duì)輥轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中發(fā)生小幅度滑移，增加了破殼擠壓的穩(wěn)定性，有效的避免了杏核飛彈，實(shí)現(xiàn)杏核與杏殼快速分離。改進(jìn)型對(duì)輥擠壓杏核受力分析如圖3所示。

圖3 改進(jìn)型對(duì)輥擠壓杏核受力分析

圖中：杏核在擠壓輥間所受到的力: 一個(gè)是螺旋卡槽輥筒的擠壓剪切力P1、P2，另一個(gè)是淺窩輥筒對(duì)杏核的彈力P3，為三點(diǎn)受力，對(duì)比傳統(tǒng)破殼機(jī)對(duì)輥擠壓杏核受力分析可以看出，其受力點(diǎn)增加，擠壓方向也有利于破殼的實(shí)現(xiàn)，而且破殼后碎殼和杏仁隨螺旋槽輥筒的螺旋槽導(dǎo)向排出。實(shí)際驗(yàn)證表明：在滿足擠壓效果和生產(chǎn)效率的情況下,選壓輥直徑在150～200 mm，卡槽螺旋角約為3°，槽寬確定為10～12 mm，槽深2～3 mm時(shí)，能夠更容易實(shí)現(xiàn)破殼和殼仁快速分離。

3 傳動(dòng)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)型多采用變位齒輪傳動(dòng)和十字滑塊聯(lián)軸器齒輪式傳動(dòng)方式，這兩種傳動(dòng)方式存在著很大的局限性，變位齒輪傳動(dòng)其對(duì)輥間隙調(diào)整受限，不適合外形差異較大的杏核破殼作業(yè)，而且在間隙調(diào)整后實(shí)際運(yùn)行過程中，變位齒輪輪齒承受著連續(xù)的沖擊載荷，輪齒磨損非常嚴(yán)重。十字滑塊聯(lián)軸器的齒輪式傳動(dòng)，雖然解決了變位齒輪間隙調(diào)整不足的缺陷，卻增大了主動(dòng)輥轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，在破殼過程中，對(duì)輥擠壓間隙不穩(wěn)定，而且使用壽命低，故障率相對(duì)較高，不利于破殼機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)輥排列及傳動(dòng)方式如圖4所示。

圖4 對(duì)輥排列及傳動(dòng)方式示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于擠壓對(duì)輥式破殼機(jī)作業(yè)過程中擠壓輥轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，為了提高生產(chǎn)效率，我們采用了兩組對(duì)輥擠壓破殼作業(yè)，改傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式為鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)相結(jié)合的傳動(dòng)方式，即螺旋槽輥筒一與淺窩輥筒二為鏈傳動(dòng)(接近螺旋卡槽輥筒處安裝張緊鏈輪)，兩個(gè)淺窩輥筒之間為齒輪傳動(dòng)，淺窩輥筒一與螺旋槽輥筒二之間也為鏈傳動(dòng)。為了增加傳動(dòng)的平穩(wěn)性，鏈傳動(dòng)采用雙排鏈的形式。

4 擠壓對(duì)輥間隙調(diào)整裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)輥間隙是杏核有效破殼的關(guān)鍵因素，擠壓對(duì)輥間隙較小時(shí)，會(huì)使碎仁量增大，間隙過小時(shí)，杏核不能導(dǎo)入對(duì)輥之間有效位置，也就達(dá)不到破殼的目的；間隙較大時(shí)，杏核通過率提高，碎仁量降低，但會(huì)出現(xiàn)較小的杏核被漏破的情況，破殼率下降，間隙過大時(shí)，會(huì)使大部分杏核從對(duì)輥間隙中漏出，失去了擠壓破殼的作用。

由于杏仁與杏殼之間存在一定的間隙，破殼過程杏殼變形量不能大于殼仁之間的間隙，杏核厚度與破殼間隙的差值應(yīng)小于殼仁間隙[4]。也就是說(shuō)，要根據(jù)杏核大小對(duì)其擠壓對(duì)輥間隙加以控制，以保證杏核破殼后杏仁的完整性。對(duì)于優(yōu)化改進(jìn)后的機(jī)型，杏核進(jìn)入淺窩輥筒的淺窩坑預(yù)定位后，經(jīng)帶有螺旋卡槽輥筒擠壓時(shí)，其凸面會(huì)有一部分卡入螺旋卡槽。所以，對(duì)輥間隙與淺窩和卡入螺旋槽的量有直接的關(guān)聯(lián)，即：

L=S-t1-t2

式中：L為對(duì)輥間隙；S為杏核雙凸面厚度；t1為淺窩深度；t2為杏核單側(cè)面在螺旋槽內(nèi)卡入量。

其中：t2=r-B/2×ctgφ/2

式中：r為對(duì)輥半徑；B為螺旋槽寬度；φ為螺旋槽對(duì)應(yīng)的圓心角。擠壓對(duì)輥間隙示意圖如圖5所示。

圖5 對(duì)輥間隙示意圖

以兩組輥筒同步擠壓方式為例，將中間位置帶有淺窩的兩個(gè)輥筒兩端方形軸承座設(shè)計(jì)為固定式，左右兩側(cè)的螺旋卡槽輥筒兩端方形軸承座設(shè)計(jì)為滑移式，方形滑移式軸承座通過帶有球頭螺桿的調(diào)節(jié)裝置獨(dú)立控制，可在機(jī)架的軌道上通過調(diào)節(jié)裝置左右位移，實(shí)現(xiàn)兩組對(duì)輥的間隙調(diào)節(jié)。方形軸承座外形如圖6所示。

圖6 方形軸承座外形示意圖

方形滑移式軸承座與方形固定式軸承座之間安裝有壓縮彈簧，在破殼過程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)輥間隙微調(diào)。間隙調(diào)節(jié)時(shí)可根據(jù)螺旋槽方向，調(diào)節(jié)為從小到大的形式，以利于外形差別不大的杏核在螺旋卡槽的導(dǎo)向作用下順利破殼。

5 加料斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的加料斗為梯形一體式結(jié)構(gòu)，無(wú)法控制杏核導(dǎo)入方向，會(huì)造成杏核飛彈和粉塵污染。多數(shù)加工企業(yè)，采用封蓋式結(jié)構(gòu)，雖然降低了粉塵污染，但杏核飛彈的問題始終存在，杏核有效破殼率相對(duì)較低。改進(jìn)后的加料斗結(jié)構(gòu)為隔板式設(shè)計(jì)，并在左右兩個(gè)加料斗的上部加裝導(dǎo)料板，能夠使杏核順利的堆積在淺窩輥筒圓柱表面上，可遮擋杏核及碎殼飛彈，減緩粉塵污染。兩組對(duì)擠輥筒兩端加裝封板，可可有效防止對(duì)擠輥筒兩端部漏料現(xiàn)象。每組對(duì)輥下部加裝刮料板，能夠連續(xù)清除附著在對(duì)擠輥筒表面碎殼等雜物。整個(gè)加料到落料的過程中基本上實(shí)現(xiàn)了減少杏核飛彈和減緩粉塵污染的功能。料斗結(jié)構(gòu)與輥筒刮板示意圖如圖7所示。

圖7 料斗結(jié)構(gòu)與輥筒刮板示意圖

6 結(jié) 論

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的試制樣機(jī)(兩組輥筒同步擠壓)經(jīng)實(shí)地測(cè)試，其運(yùn)行過程中杏核及碎殼飛濺明顯減小，生產(chǎn)效率≥800 kg/h，碎仁率≤3%，含仁率≤1%。與傳統(tǒng)機(jī)型相比雖然生產(chǎn)效率有所下降，但整仁完率有所提高，而且杏核破殼后其碎殼相對(duì)較大，有利實(shí)現(xiàn)于殼仁快速分離，杏核飛彈和粉塵污染明顯減緩，整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)運(yùn)行不良現(xiàn)象。