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1、外松籽剥壳技术结构设计第一章 绪论1.1问题的提出松籽是松树的种子,又称海松子。松籽为名贵树种红松的种子。主要分布于我国的东北长白XX省脉及小兴安岭林区,属国家一级濒危物种,野生红松需生长50年后方开始结籽,成熟期约两年。因此极为珍贵。其种子粒大,种仁味美,被誉为长生果、长寿果,并以较高的营养价值受到人们的青睐。其食用历史悠久,属无污染的高级有机绿色食品。据有关资料显示,红松籽含油率高达78%,蛋白质14.8%,并含有多种维生素,是很有价值的木本油料和保健食品。松子中所含大量矿物质如钙、铁、磷、钾等,能给机体组织提供丰富的营养成分,强壮筋骨,消除疲劳,对老年人保健有极大的益处；同时松子中含维生
2、素E高达35%之多,有较好的软化血管、延缓衰老的作用,是一些中老年人的理想保健食物,同时也是女士们润肤美容的理想食物；松仁富含脂肪油,能润肠通便缓泻而不伤正气,对老人体虚便秘,小儿津亏便秘有一定的食疗作用；松子中的脂肪成分是油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸；松子中的磷和锰含量丰富,对大脑和神经有补益作用,是学生和脑力劳动者的健脑佳品,对老年痴呆也有很好的预防作用。目前我国是松籽生产的大国,每年生产松籽25000t左右折合成松约5000t,排在世界第二。我国也是松籽出口的大国,我国每年出口的松籽占世界贸易量的40%以上。因此松籽的加工显得尤为重要,其中松籽剥壳就是松籽加工的第一步。目前,松籽加工产品开
3、发面临的关键技术难题就是脱壳及护色。保证松仁原有形状、成分和色、味、形状不变的条件下,去除松籽坚硬的外壳和软薄的红皮就成为了目前需要解决克服的技术难题。松籽脱壳最早是采用的手工脱壳法,生产效率相对比较低和困难,劳动成本高,加工质量无法有效保证。后来又出现了化学蒸汽、热力解决、机械加工、能量等方法脱壳。这些方法都有其本身的缺点和不足。进入80年代,随着产量的增加,国内外均对松籽剥壳技术与设备进行了大量的研究。目前国内松籽加工主要以手工为主,生产效率比较低,加工成本高,加工质量难以保证,而剥壳机大多面临剥壳率低和松仁完好率低等问题。因此,松籽剥壳机的研究设计有非常重要的现实意义。 / 1.2国内外
4、松籽剥壳技术的研究1.2.1常温机械及高压气流联合脱壳法该方法是先将新鲜的松籽在高速旋转的辊刀和高速打击片中进行破壳,在刀棍的作用下先将松籽外皮初步破碎,再由高速旋转的钢片将松籽外壳去掉,然后松籽进入高压气流脱皮机,在这里松籽被近一步脱壳。这种设备剥壳率较小,但红衣去净低,一般要配置专门的红衣二次去除设备。同时,这种设备结构复杂,部件制造精度要求高,价格昂贵。1.2.2火烧脱壳法这种方法大多用液化气火焰在高温下将松籽外壳先烧掉,然后对未完全燃尽的松籽进行挤压式去皮,这种方法脱壳率很高,但燃烧温度不容易很好地控制,这种方法工艺独特,属外国专利,故整套设备价格昂贵,在国内比较难推广。1.2.3蒸汽
5、脱壳法首先先将松子打磨、去皮、抛光后用碱性水溶液浸泡,再用高温蒸汽机进行开口,然后在进行人工敲打的方法使松子开口去壳的方法,不仅违反食品安全生产,更主要的是松子经过高温蒸汽并且去壳后的松籽含有大量的水份,使其原有的营养价值尽失。这种方法成本低,技术含量低容易入门。但是加工效率低,并且破坏了松籽的营养成份,耗费人力。1.2.4机械脱壳法将松籽装在密闭的容器中,利用高速刀具不断脱去松籽外壳的方法。刀棍的速度是可调结其快慢,沿轴向喂入的松籽在高速旋转的组合刀具下逐渐分离破碎。这种方法虽然脱壳率较高,但对松仁的完整性不能很好地保证,经脱壳后需进一步加工处理来获得松仁,同时增设了松籽的筛选工序,造价较高
6、,不宜大面积推广使用。1.2.5真空爆壳机首先就是要对松子进行一定的干燥处理,之后同时通过蒸汽管道和内部空心加热板,对干燥室内的松籽进行间接加热；加热的同时,干燥室不断旋转使松籽不断与壁碰撞和搅拌提高传热效率,缩短干燥时间,最后松籽壳爆开脱壳。1.2.6国外研究状况国外早在二十世纪六十年代初期,就针对各种坚果剥壳机具展开了研发和实验,到八十年代初期,美国、意大利、法国等相继在市场推出了各种坚果剥壳机,其加工的技术相对较完善,在之后的数十年的发展过程中,坚果剥壳机具已经日趋成熟,目前正朝着机电一体化方向快速发展。1.3松籽特性的研究松籽由封闭的外壳和籽仁构成, 松籽仁的外层紧裹着一层很薄的红衣皮
7、, 在红衣皮之外则是坚硬、粗糙的松籽壳, 除松籽籽脐处的红衣皮与松籽壳粘连外, 两者之间存在间隙。以X向表示长度方向,Y向表示宽度方向,Z向表示厚度方向。模型如下：该几何模型由四片曲面构成,其中、是这四个曲面的一部分。N1FN 、 N1F2N2是相贯线,两者构成第一分型面。N1AN2 、N1BN2是相贯线,两者构成第二分型面。直线N1N2是相贯线公共弦。在松籽的几何模型中,主要的特征参数D-松籽直径N1N2是设计和研究松籽脱壳机的重要参数之一。图1-1 松籽几何模型查34得知松籽的三向尺寸如表1-1：表1-1 松籽的三向尺寸mm松籽y方向的尺寸分布概率如表1-2：表1-2 Y方向几何尺寸概率分
8、布松籽的壳皮厚度如表1-3:表1-3 松籽皮壳厚度mm松籽壳仁间隙如表1-4,从中显示,Y向间隙最大,X向次之,Z向最小。表1-4 松籽壳仁间隙mm松籽壳体的静摩擦系数如表1-5：表1-5 松籽壳体的静摩擦系数松籽Y向破壳力、位移和间隙如表1-6:表1-6.不同含水松籽Y方向的破壳力、位移及间隙通过对松籽壳体的三向尺寸与概率分布、壳仁间隙、静摩擦系数等数据的分析研究得知。a.由于松籽的外形尺寸差异很大, 采用碾压式破壳的方式时应预先按尺寸进行分级；B.每个松籽壳体厚度相差不大, 可认为是同等厚度；c.同一含水率的松籽沿三轴压缩, 其破壳力有显著差异, Y向居中, 沿Y向壳仁间隙最大, 且位移最
9、小, 建议设计破壳机时, 沿Y向对松籽挤压或碾压。第二章 总方案的确定2.1各种剥壳方案的探讨松籽原料在脱壳加工前要进行预处理,其目的在于去除杂质,石块等异物避免损坏机器中的有关零件；自然干燥使松籽含水量降至6-9%有利于崩壳和防霉储存；清除松籽外表面的附着物有利于松籽机械脱壳以及防止对松仁的污染。松籽剥壳是松籽加工中一道主要工序,松籽一次剥壳率和果仁完整率是衡量剥壳机性能的两个重要指标,而影响这两个指标的关键是剥壳方式指机械方式。就目前市场上投入使用的剥壳机,其主要还是以保证其脱壳的高效率及其完整性为主。这也是我们研究的主要内容。总结人们手工锤击破壳取仁且保证仁完好无损有以下要点：根据人们日
10、常手工破壳的经验而言,最省力成功率最高的方法是敲击沿着松籽宽度最大的载面,利用松仁与松籽外壳之间细小的间隙从而破开坚硬的外壳,假设松籽外壳为空心壳体是正确的,通过观察分析可知,松籽壳的组织为无纤维、无方向性。松籽壳经过干燥后的力学特性是脆性材料,破壳时的弹性变形是可以忽略不计的,我们研究机械脱壳把松籽的几何形状简化找出其共性,利用其共性研究其几何特征。干燥后硬壳的力学特性属脆性材料,极微小的弹性变形可略而不计否则,在锤击破壳时,弹性变形大,就不能很好地保证松仁的完整性。2.1.1冲击式剥壳方式 这种方法就是利用破碎碰撞原理,把松籽放入料斗中然后进入高速旋转的导管中,在导管中被加速后射向罩壳内壁
11、,在壁面反射力作用下,硬壳破碎脱落,漏出松籽。在不同速度下可以控制松籽的进入量。这种的机械加工方法的加工效率较低,并且带有一定的危险性,并且松籽松壳加工后混在一起不便分离。故这种方法没有用于大量生产中。试验台如图2.1所示。实验数据如表2-1所示。图2-1 冲击式剥壳方式原理图1.轴承座 2.轴承 3.导管 4.罩壳 5.带轮 6.电机 7.转轴 8.机座 9.料斗从下表2-1中可以看出：转速增加,破壳率增加,但完整率下降。群体喂入的剥壳率、完整率均低于单体喂入方式,其原因是群体喂入有两次碰撞的现象。在最佳工艺条件下工作时, 剥壳率和完整率均为37%,显然远远不能满足生产要求, 故未被应用于生
12、产中。表2-1 转速与剥壳率、完整率的关系转速r/min单粒喂入群体喂入剥壳率%完整率%剥壳率%完整率%62030.06022.056.075039.53531.831.582063.01258.79.02.1.2剪切剥壳方式这种加工方法是利用剪切力作用在松籽壳上,使壳破裂的方式。其机器的运作基本原理如图所示,松籽放在一块固定的糟板和运动的槽板中,当运动槽板向右运动时,受到剪切力同时包含些许及压力,当达到强度极限时松子壳破裂。这种方法只能单次顺序的将松子一粒一粒的送入槽中,并且不能很好的保持松仁的完整性。故不适宜大量高效的投入生产。其原理图如图2-2所示。图2-2剪切剥壳方式断面工作其原理图在
13、试验台上进行试验测得：一次剥壳率85%,完整率55%。在试验中发现, 当动槽板凹槽左端接触到松籽后再继续向右运动时,松籽壳发生剪切变形, 并很快达到极限破裂但此时动槽板仍继续向右运动,压迫已破碎的碎壳造成松仁二次损伤,容易破坏松仁,由此推断,这种剪切剥壳方式也不能很好地满足生产需要。2.1.3对辊挤压方式这种加工方法是利用松子壳受压易破碎的性质,将手工冲压原理的锤的往复运动变为双轴的回转运动,并赋以控制松子着力点位置。机器的基本原理如图所示：松子由振动进给器进行定量的送料,保证松子沿宽度方向受挤压,使其松子壳在两个梯形槽之间受力被挤压碎裂。这种方法经过大量的实验和调查发现,一次的破壳率高达76
14、%,完整性在92%左右。破壳原理如图2-3所示。数据得出：采用适当的分级和松籽喂入方式,对辊挤压方式基本满足生产实际要求。图2-3对辊挤压工作原理图2.1.4斜槽面自动分级挤压方式从对辊挤压剥壳方式中我们看到:松籽宽度尺寸对松籽剥壳率、完整率影响很大,机器工作前需严格将松籽分级,造成成本提高。为解决这个问题,我们又设计了一种松籽斜槽面自动分级挤压方式,其工作原理如图2-4所示。1.回位弹簧 2.凸轮 3.挺杆 4.动斜槽板 5.定斜槽板图2-4 斜槽面自动分级挤压工作原理图松籽由槽面振动输料器定时、定向供料,使其松籽沿宽度方向。喂入槽间,停留在斜槽某一位置,与此同时动斜槽板在凸轮、挺杆的推动下
15、向左移动,挤压松籽使壳破裂,而仁完整。随后动斜槽板向右移动,松开夹持的松籽,使其自由下落落,而后,动斜槽板又在弹簧的作用下回复到待料状态。就这样循环工作,凸轮的各种状态的相角与输送器配套、协调。但此种方法松籽只在同一部位受到挤压作用,很难保证为了的有效剥离,其次,稳定性差,剥壳率低。2.2 总体方案的选定本次课题设计的对轴式松籽脱壳机采用的是双轴梯形槽碾压式去壳,机械机构简图如图2.1所示。其主要是由松籽下料斗、对轴梯形槽碾压系统、电机传动系统、传送带传送系统及主体机架等重要部分组成。工作过程如下：松籽由喂料装置的喂料斗1经涡眼轮式喂料辊2将松籽均匀的排列经由滑道3送入破壳部件,使松籽的受力在y方向,松籽在双压辊的作用下破壳,破壳后的松籽下落到分离筛9上,凸轮轴5带动分离筛子震动,使松籽剥壳后的壳仁进行分离。剥壳机的关键部位是一对相向回转运动的辗压辊来破开松籽的硬壳。这对辗压辊的结构辗压辊由数个辗压轮组成,轮表面加工成环形圆弧槽,在每个槽的表面上再加工多个小三角小槽,这样两个对应轮的弧形槽构成了椭圆孔型,该椭圆孔型的长轴与辗压轮轴线平行。该设计采用涡眼轮式喂料辊使松籽沿Y向进
