對輥擠壓式杏核破殼機關鍵部件的優化設計*

韓閏勞， 左志剛， 趙宗朝

(1.慶陽職業技術學院，甘肅 慶陽 745199； 2.慶陽市農機化研究所，甘肅 慶陽 745000； 3.慶陽市西峰區光輝機器廠，甘肅 慶陽 745000)

0 引 言

杏核破殼是杏核加工的關鍵工序，也是保證杏仁質量的重要環節。近年來我國在破殼機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，其中擠壓對輥式破殼機就是典型設備之一，擠壓對輥式破殼機是由一組或兩組直徑相同、相向轉動的擠壓對輥，通過其間隙調整，實現杏核破殼的設備。由于其擠壓對輥結構形式、間隙調整裝置、加料機構等關鍵部件不同程度的存在著一些設計缺陷，運行穩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、碎殼飛濺較嚴重，其傳動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，不能滿足現代杏產品深加工的生產需求。

通過進一步的優化設計，研制出了一種具有淺窩坑定位、螺旋卡槽雙點擠壓及搓揉式功能的新機型，可實現殼仁快速分離，有效提高破殼質量。目前已完成前期圖紙設計和樣機研制工作。

1 杏核破殼力學特性分析

杏殼外形不規則，一般為非對稱橢球薄殼殼體，硬而脆、殼厚不一，難以剝離。在實際擠壓破殼中，杏核的危險截面在其橢圓截面的最小回轉半徑處[1]。也就是說，最易破殼的位置為雙凸面接近最高凸點的區域。絕大部分杏核的長度分布在18～25 mm以內，寬度分布在14～18 mm以內，厚度分布在9.5～12 mm以內[2]。其危險截面雙凸面區域約為10～12 mm。杏核破殼機要達到理想的破殼效果，其關鍵部件擠壓對輥必須滿足兩個條件：一是杏核在擠壓輥間被夾持而不滑脫 (即導入條件)；二是滿足設計要求的生產率[3]。

傳統機型擠壓對輥的圓弧面與杏核橢球凸面為單點接觸，杏核所受擠壓力P的方向為與擠壓對輥之間接觸點的半徑方向，杏核與對輥之間的摩擦力F的方向為接觸點的切線方向。如果其擠壓力P在垂直方向的分力Pv大于擠壓對輥對杏核的摩擦力F在垂直方向的分力fv，杏核就會打滑甚至從對輥間隙處彈出，達不到破殼的目的。傳統破殼機對輥擠壓杏核受力分析如圖1所示。另外，當擠壓對輥轉速一定時，輥徑越小，杏核的被擠壓角度θ越大，杏核被夾持重心上移，擠壓對輥對杏核的摩擦力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，打滑飛彈趨勢越小。擠壓對輥輥徑與杏核被夾持角關系如圖2所示。

圖1 傳統破殼機對輥擠壓杏核受力分析

圖2 對輥輥徑與杏核被夾持角關系示意圖

2 擠壓對輥結構優化設計

通過對擠壓對輥的結構優化設計，改傳統的擠壓對輥圓柱表面與杏核點點接觸的擠壓方式為淺窩坑定位、螺旋卡槽雙點擠壓的搓揉式破殼(以一組對擠輥筒破殼機為例)，具體為在一個輥筒圓柱表面加工有多個間隔均勻的淺窩坑，進行杏核預定位，在另一個輥筒圓柱表面加工有小角度螺旋卡槽。通過對輥的擠壓力和剪切力使杏殼發生形變并最終破裂，達到破殼的目的。同時，通過傳動方式的改進，使其兩個輥筒存在有一定的轉速差(選螺旋卡槽輥筒轉速n1>淺窩輥筒轉速n2)，使碎殼在對輥轉動的過程中發生小幅度滑移，增加了破殼擠壓的穩定性，有效的避免了杏核飛彈，實現杏核與杏殼快速分離。改進型對輥擠壓杏核受力分析如圖3所示。

圖3 改進型對輥擠壓杏核受力分析

圖中：杏核在擠壓輥間所受到的力: 一個是螺旋卡槽輥筒的擠壓剪切力P1、P2，另一個是淺窩輥筒對杏核的彈力P3，為三點受力，對比傳統破殼機對輥擠壓杏核受力分析可以看出，其受力點增加，擠壓方向也有利于破殼的實現，而且破殼后碎殼和杏仁隨螺旋槽輥筒的螺旋槽導向排出。實際驗證表明：在滿足擠壓效果和生產效率的情況下,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，能夠更容易實現破殼和殼仁快速分離。

3 傳動裝置優化設計

傳統機型多采用變位齒輪傳動和十字滑塊聯軸器齒輪式傳動方式，這兩種傳動方式存在著很大的局限性，變位齒輪傳動其對輥間隙調整受限，不適合外形差異較大的杏核破殼作業，而且在間隙調整后實際運行過程中，變位齒輪輪齒承受著連續的沖擊載荷，輪齒磨損非常嚴重。十字滑塊聯軸器的齒輪式傳動，雖然解決了變位齒輪間隙調整不足的缺陷，卻增大了主動輥轉動扭矩，在破殼過程中，對輥擠壓間隙不穩定，而且使用壽命低，故障率相對較高，不利于破殼機穩定運行。對輥排列及傳動方式如圖4所示。

圖4 對輥排列及傳動方式示意圖

在實際生產中，由于擠壓對輥式破殼機作業過程中擠壓輥轉速相對較低，為了提高生產效率，我們采用了兩組對輥擠壓破殼作業，改傳統的傳動方式為鏈傳動和齒輪傳動相結合的傳動方式，即螺旋槽輥筒一與淺窩輥筒二為鏈傳動(接近螺旋卡槽輥筒處安裝張緊鏈輪)，兩個淺窩輥筒之間為齒輪傳動，淺窩輥筒一與螺旋槽輥筒二之間也為鏈傳動。為了增加傳動的平穩性，鏈傳動采用雙排鏈的形式。

4 擠壓對輥間隙調整裝置優化設計

對輥間隙是杏核有效破殼的關鍵因素，擠壓對輥間隙較小時，會使碎仁量增大，間隙過小時，杏核不能導入對輥之間有效位置，也就達不到破殼的目的；間隙較大時，杏核通過率提高，碎仁量降低，但會出現較小的杏核被漏破的情況，破殼率下降，間隙過大時，會使大部分杏核從對輥間隙中漏出，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小于殼仁間隙[4]。也就是說，要根據杏核大小對其擠壓對輥間隙加以控制，以保證杏核破殼后杏仁的完整性。對于優化改進后的機型，杏核進入淺窩輥筒的淺窩坑預定位后，經帶有螺旋卡槽輥筒擠壓時，其凸面會有一部分卡入螺旋卡槽。所以，對輥間隙與淺窩和卡入螺旋槽的量有直接的關聯，即：

L=S-t1-t2

式中：L為對輥間隙；S為杏核雙凸面厚度；t1為淺窩深度；t2為杏核單側面在螺旋槽內卡入量。

其中：t2=r-B/2×ctgφ/2

式中：r為對輥半徑；B為螺旋槽寬度；φ為螺旋槽對應的圓心角。擠壓對輥間隙示意圖如圖5所示。

圖5 對輥間隙示意圖

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輥筒兩端方形軸承座設計為固定式，左右兩側的螺旋卡槽輥筒兩端方形軸承座設計為滑移式，方形滑移式軸承座通過帶有球頭螺桿的調節裝置獨立控制，可在機架的軌道上通過調節裝置左右位移，實現兩組對輥的間隙調節。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，在破殼過程中可實現對輥間隙微調。間隙調節時可根據螺旋槽方向，調節為從小到大的形式，以利于外形差別不大的杏核在螺旋卡槽的導向作用下順利破殼。

5 加料斗結構優化設計

傳統的加料斗為梯形一體式結構，無法控制杏核導入方向，會造成杏核飛彈和粉塵污染。多數加工企業，采用封蓋式結構，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較低。改進后的加料斗結構為隔板式設計，并在左右兩個加料斗的上部加裝導料板，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。兩組對擠輥筒兩端加裝封板，可可有效防止對擠輥筒兩端部漏料現象。每組對輥下部加裝刮料板，能夠連續清除附著在對擠輥筒表面碎殼等雜物。整個加料到落料的過程中基本上實現了減少杏核飛彈和減緩粉塵污染的功能。料斗結構與輥筒刮板示意圖如圖7所示。

圖7 料斗結構與輥筒刮板示意圖

6 結 論

優化設計后的試制樣機(兩組輥筒同步擠壓)經實地測試，其運行過程中杏核及碎殼飛濺明顯減小，生產效率≥800 kg/h，碎仁率≤3%，含仁率≤1%。與傳統機型相比雖然生產效率有所下降，但整仁完率有所提高，而且杏核破殼后其碎殼相對較大，有利實現于殼仁快速分離，杏核飛彈和粉塵污染明顯減緩，整機運行穩定，未發現運行不良現象。