分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機的設計與試驗

王 維，王亞妮，盧軍黨，王 佩，劉東琴

（陜西省農業機械研究所，陜西 咸陽 712100）

核桃仁的蛋白、脂肪、礦物質和維生素含量豐富，其含有的維生素B 和E 可以健腦和延緩衰老。近幾年，隨著核桃種植規模的增加，核桃的產量也在不斷增加，農村勞動力嚴重短缺和人工破殼工價的上漲，使得用戶采購設備的積極性提高，有利于核桃機械化設備的推廣應用。

核桃機械化破殼取仁生產線主要包括破殼機、殼仁混合物料分級機、殼仁分離機及配套提升輸送設備等[1-2]。核桃殼仁混合物料分級是核桃機械化破殼、殼仁分離過程中一道重要的工序。經破殼機破殼后產生的物料稱為殼仁混合物料，目前分離應用最為廣泛的是風選式，風選分離利用風機產生的氣流場使混合物料中的殼、隔膜等輕雜被帶走，而果仁被收集。對混合物料分級有利于提高風選分離的效率和質量。與原核桃分級機不同之處，混合物料分級要求不能對物料進行二次損傷，同時盡量提高工作效率、降低混級率。在分級裝置設計和試驗方面，學者們進行了大量的研究，取得了較大的成果[3-7]，但是在殼仁混合物料分級方面卻鮮有報道。

本文針對殼仁混合物料分級裝置，設計了一種分段滾筒式殼仁混合物料分級裝置，通過設計計算確定最佳的結構參數和性能參數，并進行臺架試驗，驗證分段滾筒式分級裝置的性能，為殼仁混合物料分級設計提供參考依據。

1 結構與工作原理

1.1 整體結構

桃仁市場收購價格從高到低依次為1/2仁、1/4仁、1/8仁、1/16仁及碎末，故篩分裝置設計為6段，從進料斗到出料口方向篩網規格依次增大，分別篩選出碎末、1/16 殼仁混合物料、1/8 殼仁混合物料、1/4 殼仁混合物料、1/2 殼仁混合物料及未破開物料。

圖1 分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機結構示意圖Fig.1 The schematic diagram of the structure

1.2 工作原理

經破殼后的核桃殼仁混合物料由進料斗進入滾筒篩網，電機轉速經減速器和鏈傳動2 次減速后將動力傳遞給滾筒軸，滾筒軸與焊合滾筒通過絲桿螺栓連接，通過滾筒軸旋轉帶動焊合滾筒旋轉，焊合滾筒內部設有螺旋輸送機構，篩網通過喉箍與焊合滾筒連接為一體，進入篩網的混合物料通過焊合滾筒的旋轉游經各段篩網，各級殼仁混合物料由小到大分別透過篩網經出料板排出，未完全破開的核桃與大殼的混合物送至滾筒末端出料口排出，完成一輪分級工作。

2 主要結構設計及參數的確定

2.1 篩網規格的選擇及長度設計

篩網規格主要根據破殼后未破開、1/2 仁、1/4 仁、1/8 仁、1/16 仁及碎末的大小確定，物料大小不同，篩網規格不同，篩網與焊合滾筒通過喉箍連接，可方便更換；混合物料剛進入進料斗時，物料量最多，為了能保證所有物料均能接觸到篩網，將進料處篩網長度稍微加長，考慮到整機長度，中間四級長度次之，末級篩網長度最短。本機以云南泡核桃為例，結合各級物料平均尺寸和人工多次試驗，選擇篩網規格見表1。

表1 人工初步確定基本參數Tab.1 The basic parameters determined manually

2.2 滾筒轉速

要求物料在0 ≤θ≤90°時掉落，則物料在上升的過程中受到重力G、滾筒壁的法向反力N和切向反力F的作用力，見圖2，其質點的運動微分方程在主法線上的投影式：

圖2 物料在滾筒內臨界點的受力分析Fig.2 The stress analysis of critical point of material in drum

質點在未離開滾筒壁時的速度為：

物料落下，此時N=0，則根據計算轉速取值范圍為0＜n＜95 r/min。滾筒轉速是分級設備的一個重要參數，轉速過快會對桃仁損傷嚴重，混級率增加、嚴重堵塞，在滿足生產效率的前提下轉速盡量慢一些。

2.3 螺旋輸送

根據物料特性，選擇帶式葉片螺旋輸送，帶寬根據最大物料的基本參數確定，為使給料均勻，采用給料段為較短的變螺距螺旋[8-10]。本物料的充填系數較小，可以取較大螺距。

螺距應滿足：

其中：ρ——物料對螺旋面的摩擦角，°；D——螺旋直徑，m。

螺旋的最大許用轉數有下面經驗公式確定：

式中：A——經驗系數，根據物料特性查表取A為50。

3 試驗設計

3.1 試驗目的

確定分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機的最佳參數，保證混級率和傷果率最小的工況下工作效率最大化。

3.2 試驗條件

本試驗采用陜西省農業機械研究所原有的混合物料分級機進行改造[11]，將送料方式由傾角式改為帶式變距螺旋輸送；分級級數為6 級，可將物料從大到小依次分為：未破開物料、1/2 殼仁混合物料、1/4 殼仁混合物料、1/8 殼仁混合物料、1/16 殼仁混合物料及碎末殼仁混合物料；傳動裝置采用變頻控制器和電機及鏈條組成，轉速可調，進料采用提升輸送機勻速進料。試驗物料采用云南泡核桃，破殼前未對原核桃進行分級處理。

3.3 試驗因素與水平

影響分級機性能指標因素有滾筒內螺旋螺距、滾筒轉速、滾筒長度、滾筒直徑、喂料量等，根據生產線殼仁分離的加工要求，確定滾筒內螺旋螺距和滾筒轉速，研究其對分級質量的影響，采用二因素三水平的正交試驗L4（23），試驗因素與水平、試驗結果及結果分析如表2、表3及表4所示。

表2 試驗因素及水平Tab.2 The factors and level of the experiment

表3 正交試驗方案與結果Tab.3 The orthogonal test scheme and results

表4 試驗結果分析Tab.4 The analysis of test results

本表中的混級率和生產率按照JB/T12443-2015 的性能測定方法測定。

從表2 與表3 可以看出，分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機的因素A滾筒內螺旋螺距的影響比因素B滾筒轉速的影響顯著，因此，因素的主次順序為A、B。在實際生產的過程中，因為設備的生產率遠遠大于人工，所以用戶要求最大化降低混級率，從而提高商品附加值。因此因素的較優組合為A2B3，即滾筒內螺旋螺距為100 mm，滾筒轉速20 r/min。

4 結論

分段滾筒式核桃殼仁混合物料分級機的內螺旋螺距對核桃殼仁混合物料分級的混級率和生產率影響較大，滾筒轉速次之。經過試驗及實際生產需要，確定設備的較優因素組合為滾筒內螺旋螺距為100 mm，滾筒轉速20 r/min。本試驗結果為18×18×Φ1.5規格的較優因素組合，試驗同時也驗證滾筒轉速為20r/min 時，其余篩網規格的最佳篩網長度和內螺旋螺距的最優組合。

在實際生產中碎末和1/16 桃仁均用于榨油，且此部分的質量占比為5%左右，故將其篩網規格合二為一，取規格型號為6×6×Φ0.8，經多次試驗發現，1/2 仁中混的1/4 仁較高，通過仔細觀察1/4仁有大小之分，見圖3。此部分的質量占比為85%以上，為了降低混級率，在18×18×Φ1.5 規格之后增加20×20×Φ1.5，通過驗證試驗，可以有效降低1/2 仁中的混級率，最低可以降低到4%左右，能夠滿足用戶要求。

圖3 大1/4仁和小1/4仁Fig.3 The large 1/4 kernel and small 1/4 kernel

本試驗中的原核桃在破殼工序前未進行大小分級，破殼前對原核桃分級可以進一步降低混級率，提高生產率。有待驗證。