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1 引言
1．1 課題提出的背景
花生中富含脂肪和蛋白質(zhì)，既是主要的食用植物油來(lái)源，而且又可提供豐富的植物蛋白質(zhì)。利用花生或脫脂后的花生餅粕的蛋白粉，可直接用于焙烤食用，也可作為肉制品、乳制口、糖果和煎炸食品的原料或添加劑。以花生蛋白粉為原料或添加劑制成的食品，既提高了蛋白質(zhì)含量，又改善了其功能特性?；ㄉ鞍追圻€可以通過(guò)高壓膨化制成蛋白肉。花生是食用植物油工業(yè)的重要原料，利用花生油可制造人造奶油、起酥油、色拉油、調(diào)和油等，也可用作工業(yè)原料?；ㄉ?jīng)簡(jiǎn)單加工就可食用外，經(jīng)深加工還可以制成營(yíng)養(yǎng)豐富，色、香、味俱佳的各種食品和保健品?；ㄉ庸じ碑a(chǎn)品花生殼和花生餅粕等可以綜合利用，加工增值，提高經(jīng)濟(jì)效益。
花生在制取油脂、制取花生蛋白、生產(chǎn)花生儀器以及在花生貿(mào)易出口時(shí)，都需要對(duì)花生進(jìn)行預(yù)處理加工。花生的預(yù)處理主要包括花生的剝殼和分級(jí)、破碎、軋胚和蒸炒等。
花生在加工或作為出口商品時(shí)，需要進(jìn)行剝殼加工?；ㄉ谥迫∮椭瑫r(shí)，剝殼的目的是為了提高出油率， 提高毛油和餅粕的質(zhì)量，利于軋胚等后續(xù)工序的進(jìn)行和皮殼的綜合利用。傳統(tǒng)的剝殼為人力手工剝殼，手工剝殼不僅手指易疲勞、受傷，而且工效很低，所以花生產(chǎn)區(qū)廣大農(nóng)民迫切要求用機(jī)器來(lái)代替手工剝殼?；ㄉ鷦儦C(jī)的誕生在很大程度上改變了這種局面，使花生產(chǎn)區(qū)的農(nóng)民不必再采用最原始的剝殼方法進(jìn)行剝殼，從而大大地減輕了農(nóng)民的體力勞動(dòng)，同時(shí)還提高了花生剝殼的效率。
花生脫殼機(jī)是將花生莢果去掉外殼而得到花生仁的場(chǎng)上作業(yè)機(jī)械。由于花生本身的生理特點(diǎn)決定了花生脫殼不能與花生的田間收獲一起進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)，而只能在花生莢果的含水率降到一定程度后才能進(jìn)行脫殼。隨著花生種植業(yè)的不斷發(fā)展，花生手工脫殼已無(wú)法滿足高效生產(chǎn)的要求，實(shí)行脫殼機(jī)械化迫在眉睫。
1．2 花生脫殼機(jī)械的發(fā)展
我國(guó)花生脫殼機(jī)的研制自1965年原八機(jī)部下達(dá)花生脫殼機(jī)的研制課題以來(lái)，已有幾十種花生脫殼機(jī)問(wèn)世。只進(jìn)行單一脫殼功能的花生脫殼機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，以小型家用為主的花生脫殼機(jī)在我國(guó)一些地區(qū)廣泛應(yīng)用，能夠完成脫殼、分離、清選和分級(jí)功能的較大型花生脫殼機(jī)在一些大批量花生加工的企業(yè)中應(yīng)用較為普遍。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的花生脫殼機(jī)種類很多，如6BH一60型花生剝殼機(jī)、6BH一20B型花生剝殼機(jī)、6BH一20型花生脫殼機(jī)等(技術(shù)參數(shù)見(jiàn)附表)，其作業(yè)效率為人工作業(yè)效率的2O～60倍以上。錦州俏牌集團(tuán)生產(chǎn)的TFHS1500型花生除雜脫殼分選機(jī)組一次能實(shí)現(xiàn)花生原料的脫殼、除皮、分選，是一種比較先進(jìn)的花生后期生產(chǎn)機(jī)械。偉民牌6BH一720型花生脫殼機(jī)帶有復(fù)脫、分級(jí)裝置，采用搓板式脫殼、風(fēng)力初選、比重分離清選等裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活方便、脫凈率高、消耗動(dòng)力小等特點(diǎn)。6BK一22型花生脫殼機(jī)是一種一次喂料就可完成花生脫殼工作的機(jī)械，經(jīng)風(fēng)力初選、風(fēng)扇振動(dòng)、分層分離、復(fù)脫清選分級(jí)后的花生仁可直接裝袋入庫(kù)。6BH一1800型花生脫殼機(jī)械采用了三軋輥混合脫殼結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行二次脫殼。而隨著我國(guó)花生產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步調(diào)整，花生產(chǎn)量逐年增加，花生的機(jī)械化脫殼程度將大幅提高，花生脫殼機(jī)械將擁有廣闊的發(fā)展前景。
花生剝殼的原理很多，因此產(chǎn)生了很多種不同的花生剝殼機(jī)械?；ㄉ鷦儦げ考腔ㄉ鷦儦C(jī)的關(guān)鍵工作部件，剝殼部件的技術(shù)水平?jīng)Q定了機(jī)具作業(yè)剛花生仁破碎率、花生果一次剝凈率及生產(chǎn)效率等重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在目前的生產(chǎn)銷售中，花生仁破碎率是社會(huì)最為關(guān)心的主要指標(biāo)。
八十年代以前的花生剝殼機(jī)械，破碎率一般都大于8%，有時(shí)高達(dá)l5%以上。加工出的花生仁，只能用來(lái)榨油，不能作種用，也達(dá)到出口標(biāo)準(zhǔn)。為了降低破碎率而探討新的剝殼原理，研制新式剝殼部件，便成為花生剝殼機(jī)械的重要研究課題。從六十年代初，開(kāi)始在我國(guó)出現(xiàn)了封閉式紋桿滾筒，柵條凹板式花生剝殼機(jī)。自1983年以來(lái)，在已有的花生剝殼部件的研制基礎(chǔ)上，我國(guó)又相繼研制了多種不同結(jié)構(gòu)型式的新式剝殼部件，其主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，特別是破殼率指標(biāo)大有改善。
以下介紹一下我國(guó)上個(gè)世紀(jì)幾種主要的花生剝殼部件
1．封閉式紋桿滾筒，柵條凹板式花生剝殼部件
圖 1
六十年代初， 我國(guó)在吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了TH-340型花生剝殼機(jī)，其剝殼部件是在一個(gè)圓筒上鑲上若干根紋桿組成的封閉式紋桿滾筒，下面裝有若干根圓鋼條組成的柵條式凹板，如圖1所示。
在該機(jī)構(gòu)中花生進(jìn)口大(3O-50毫米)，出口小(1O-25毫米)，工作時(shí)，花生果在滾筒的推動(dòng)下由進(jìn)口向出口端運(yùn)動(dòng)，在滾筒和凹板的沖擊、擠壓、揉搓作用下直接脫殼，花生受列剝殼機(jī)的直接搓擦作用，系強(qiáng)制脫殼，故破碎率高。剝殼時(shí)， 直徑同凹板柵縫一樣大小的單粒果及雙粒果便從柵縫中分離出來(lái)，所以一次剝凈率低，最高80％。為了將混在一起的花生仁和未脫果分離開(kāi)來(lái)，采用柵條式凹板的剝殼機(jī)一般要配置分離機(jī)構(gòu)。后來(lái)研制并生產(chǎn)的TH-47O型，6 BH-570型等型式的剝殼機(jī)，結(jié)構(gòu)與其大同小異，剝殼質(zhì)量均不理想。
2． 封閉橡膠板滾筒，直立橡膠板式剝殼部件
該機(jī)的剝殼部件是由封閉膠輥和直立膠板組成，剝殼原理系擠壓式，如圖2所示
圖2
作業(yè)時(shí)，花生果在膠輥的推動(dòng)下，通過(guò)剝殼間隙(5—20毫米)，由膠輥和膠板的擠壓作用脫殼，避開(kāi)了剝殼部件的揉搓作用,破碎率有所降低，但仍在5％以上。另外，因直徑小于剝殼間隙的小果未經(jīng)剝殼便被分離出來(lái)，故一次剝凈率很低，只有30%左右。所以不得不增設(shè)循環(huán)機(jī)構(gòu)，以使花生經(jīng)多次擠壓脫殼，致使機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大，造價(jià)較高。
3． 開(kāi)式紋桿滾筒，編織凹板式花生剝殼部件
剝殼部件采用了由兩根金屬紋桿組成的開(kāi)式紋桿滾筒和用編織絲網(wǎng)制成的編織凹板，其結(jié)構(gòu)如圖3所示
圖3
作業(yè)時(shí)，花生果在滾筒的推動(dòng)下，受擠壓揉搓脫殼，該結(jié)構(gòu)與封閉滾筒式不同，花生果受到開(kāi)式滾筒的攪拌作用，剝殼力帶有柔性，故其破碎率較低，可控制在3%-5% 。另外，與柵條式凹板不同，因系編織網(wǎng)孔凹板，剝殼時(shí)，只有直徑小于網(wǎng)孔尺寸的單粒癟果末脫殼而被網(wǎng)孔分離，雙粒長(zhǎng)果則漏不出來(lái)，仍被剝殼，故剝凈率較高。
4． 立式剝殼機(jī)構(gòu)
剝殼部件采用了由兩根扁鋼條焊接而成的立式轉(zhuǎn)子，下面裝著用編織絲網(wǎng)制成的編織平底篩，該剝殼部件如圖4所示。
圖4
在剝殼室內(nèi)，花生果受立式轉(zhuǎn)子的推動(dòng)而相互磨擦，從而達(dá)到剝殼的目的，此方法系柔性揉搓剝殼。實(shí)踐證明，該機(jī)破碎率較低，可控制在3％以下。其缺點(diǎn)是由于采用立式傳動(dòng)， 故傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。
5． 開(kāi)式扁條滾筒，編織凹板式花生剝殼部件
采用了由三根扁鋼條制成的開(kāi)式扁條滾筒，和用編織絲網(wǎng)制成的凹板結(jié)構(gòu)，如圖5所示。作業(yè)時(shí)，花生果在扁條的推動(dòng)下隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾筒和凹板之間形
圖5
成一個(gè)活動(dòng)層，花生果在該活動(dòng)層內(nèi)互相揉搓而脫殼。由于在該機(jī)構(gòu)中，避開(kāi)了剝殼部件的直接擠壓， 沖擊的作用，而是花生搓花生，系柔性剝殼，故破碎率較低， 該機(jī)鑒定時(shí)實(shí)測(cè)破傷率(破碎率+損傷率)為0．91。另外脫凈率及生產(chǎn)效率等指標(biāo)亦較理想。
1．3 花生脫殼機(jī)械的研究應(yīng)用現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)花生脫殼機(jī)從其脫殼原理、結(jié)構(gòu)和材料上基本可分為以打擊、揉搓為主的鋼紋桿——鋼柵條凹板 以擠壓、揉搓為主的橡膠滾筒一一橡膠浮動(dòng)凹板兩大類，但脫殼質(zhì)量均不高，破損率都大于8 %，剝出的花生米只能用于榨油和食用，滿足不了外貿(mào)出口和作種子的要求。探索先進(jìn)的脫殼原理是解決脫殼機(jī)現(xiàn)存問(wèn)題的重要途徑。
1．3．1 目前花生脫殼機(jī)采用的脫殼原理
目前應(yīng)用比較廣泛的花生機(jī)械脫殼原理有以下幾種。
撞擊法脫殼 撞擊法脫殼是物料高速運(yùn)動(dòng)時(shí)突然受阻而受到?jīng)_擊力，使外殼破碎而實(shí)現(xiàn)脫殼的目的。其典型設(shè)備為由高速回轉(zhuǎn)甩料盤及固定在甩料盤周圍的粗糙壁板組成的離心脫殼機(jī)。甩料盤使花生莢果產(chǎn)生一個(gè)較大的離心力撞擊壁面，只要撞擊力足夠大，莢果外殼就會(huì)產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)而形成裂縫。當(dāng)莢果離開(kāi)壁面時(shí)，由于外殼具有不同的彈性變形而產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)速度，莢果所受到的彈性力較小，運(yùn)動(dòng)速度也不如外殼，阻止了外殼迅速向外移動(dòng)而使其在裂縫處裂開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)籽粒的脫殼。撞擊脫殼法適合于仁殼間結(jié)合力小，仁殼間隙較大且外殼較脆的莢果。影響離心式脫殼機(jī)脫殼質(zhì)量的因素有，籽粒的水分含量、甩料盤的轉(zhuǎn)速、甩料盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。
碾搓法脫殼 花生莢果在固定磨片和運(yùn)動(dòng)著的磨片間受到強(qiáng)烈的碾搓作用，使莢果的外殼被撕裂而實(shí)現(xiàn)脫殼。其典型的設(shè)備為由一個(gè)固定圓盤和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤組成的圓盤剝殼機(jī)。莢果經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入定磨片和動(dòng)磨片的間隙中，動(dòng)磨片轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力使籽粒沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，也使莢果與定磨片問(wèn)產(chǎn)生方向相反的摩擦力；同時(shí)，磨片上的牙齒不斷對(duì)外殼進(jìn)行切裂，在摩擦力與剪切力的共同作用下使外殼產(chǎn)生裂紋直至破裂，并與殼仁脫離，達(dá)到脫殼的目的。該種方法影響因素有，莢果的水分含量、圓盤的直經(jīng)、轉(zhuǎn)速高低、磨片之間工作間隙的大小、磨片上槽紋的形狀和莢果的均勻度等。
剪切法脫殼 花生莢果在固定刀架和轉(zhuǎn)鼓間受到相對(duì)運(yùn)動(dòng)著的刀板的剪切力的作用，外殼被切裂并打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)外殼與果仁的分離。其典型設(shè)備為由刀板轉(zhuǎn)鼓和刀板座為主要工作部件的刀板剝殼機(jī)。在刀板轉(zhuǎn)鼓和刀板座上均裝有刀板，刀板座呈凹形，帶有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)花生莢果的大小調(diào)節(jié)刀板座與刀板轉(zhuǎn)鼓之間的間隙。當(dāng)?shù)栋遛D(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，與刀板之間產(chǎn)生剪切作用，使物料外殼破裂和脫落。主要適用于棉籽，特別是帶絨棉籽的剝殼，剝殼效果較好。由于其工作面較小，故易發(fā)生漏籽現(xiàn)象，重剝率較高。該種方法影響因素有，原料水分含量、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的高低、刀板之間的間隙大小等。
擠壓法脫殼 擠壓法脫殼是靠一對(duì)直徑相同轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，轉(zhuǎn)速相等的圓柱輥，調(diào)整到適當(dāng)間隙，使花生莢果通過(guò)間隙時(shí)受到輥的擠壓而破殼。莢果能否順利地進(jìn)入兩擠壓輥的間隙，取決于擠壓輥及與莢果接觸的情況。要使莢果在兩擠壓輥間被擠壓破殼，莢果首先必須被夾住，然后被卷入兩輥間隙。兩擠壓輥間的間隙大小是影響籽粒破損率和脫殼率高低的重要因素。
搓撕法脫殼 搓撕法脫殼是利用相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠輥筒對(duì)籽粒進(jìn)行搓撕作用而進(jìn)行脫殼的。兩只膠輥水平放置，分別以不同轉(zhuǎn)速相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，輥面之間存在一定的線速差，橡膠輥具有一定的彈性．其摩擦系數(shù)較大?；ㄉv果進(jìn)入膠輥工作區(qū)時(shí)，與兩輥面相接觸，如果此時(shí)莢果符合被輥?zhàn)訃说臈l件，即嚙人角小于摩擦角，就能順利進(jìn)入兩輥問(wèn)．此時(shí)莢果在被拉人輥間的同時(shí)，受到兩個(gè)不同方向的摩擦力的撕搓作用；另外，莢果又受到兩輥面的法向擠壓力的作用，當(dāng)莢果到達(dá)輥?zhàn)又行倪B線附近時(shí)法向擠壓力最大，莢果受壓產(chǎn)生彈性—— 塑性變形，此時(shí)莢果的外殼也將在擠壓作用下破裂，在上述相反方向撕搓力的作用下完成脫殼過(guò)程。影響脫殼性能的因素有，線速差、膠壓輥的硬度、軋入角、軋輥半徑、軋輥間間隙等。
1．3．2 新型脫殼技術(shù)
壓力膨脹法 原理是先使一定壓力的氣體進(jìn)入花生殼內(nèi)，維持一段時(shí)間，以使花生莢果內(nèi)外達(dá)到氣壓平衡，然后瞬間卸壓，內(nèi)外壓力平衡打破，殼體內(nèi)氣體在高壓作用下產(chǎn)生巨大的爆破力而沖破殼體，從而達(dá)到脫殼的目的。主要影響因素有，充氣壓力、穩(wěn)定壓力維持時(shí)間、籽粒的含水率等。
真空法 將花生莢果放在真空爆殼機(jī)中，在真空條件下，將具有相當(dāng)水分的莢果加熱到一定溫度，在真空泵的抽吸下，莢果吸熱使其外殼的水分不斷蒸發(fā)而被移除，其韌性與強(qiáng)度降低，脆性大大增加；真空作用又使殼外壓力降低，殼內(nèi)部相對(duì)處于較高壓力狀態(tài)。殼內(nèi)的壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)使外殼爆裂。
激光法 用激光逐個(gè)切割堅(jiān)果外殼。試驗(yàn)顯示，用這種方法幾乎能夠達(dá)到100 9／6的整仁率，但因其費(fèi)用昂貴、效率低下等原因，很難得到推廣。
1．3．3 花生脫殼機(jī)械的工藝研究
在脫殼技術(shù)方面，除了在原理和設(shè)備上進(jìn)行研究外，人們還在工藝上進(jìn)行了研究以提高籽粒的脫殼率及脫殼質(zhì)量。
分級(jí)處理 物料的粒度范圍大，必須先按大小分級(jí)，再進(jìn)行脫殼，才能提高脫殼率，減少破損率。
水分含量 花生莢果的含水率對(duì)脫殼效果有很大的影響，含水率大，則外殼的韌性增加；含水率小，則果仁的粉末度大。因此應(yīng)使花生莢果盡量保持最適當(dāng)?shù)暮?，以保證外殼和果仁具有最大彈性變形和塑性變形的差異，即外殼含水率低到使其具有最大的脆性，脫殼時(shí)能被充分破裂，同時(shí)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，可減少果仁破損率。
1．3．4 花生脫殼機(jī)械存在的問(wèn)題
目前我國(guó)在花生脫殼技術(shù)研究方面一直沒(méi)有大的突破，資金投入也不足，脫殼部件的研制仍在2O世紀(jì)90年代初的技術(shù)水平上徘徊，所以在脫殼性能上并沒(méi)有很大的提高。由于機(jī)械脫殼時(shí)對(duì)花生仁的損傷率偏高，用于種子和較長(zhǎng)期貯存的花生仁至今仍是手工剝殼。脫殼機(jī)械在技術(shù)性能和作業(yè)環(huán)節(jié)上存在以下問(wèn)題：① 脫殼率低，脫殼后的果仁破損率高，損失大。② 機(jī)具性能不穩(wěn)定，適應(yīng)性差。③ 通用性差，利用率低。④ 作業(yè)成本偏高，多數(shù)是單機(jī)制造，制造的工藝水平較低，同時(shí)能耗較高。⑤ 有些產(chǎn)品僅進(jìn)行了樣機(jī)試制或少量試生產(chǎn)，未進(jìn)行大量生產(chǎn)性考核和示范應(yīng)用，作業(yè)性能及商品性等方面還存在不少問(wèn)題。
1．4 花生脫殼機(jī)械研究重點(diǎn)
我國(guó)加入WTO以來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于花生脫殼機(jī)械的開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用日益增多，針對(duì)現(xiàn)有花生脫殼機(jī)械存在的優(yōu)點(diǎn)與不足，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，對(duì)花生脫殼機(jī)械在生產(chǎn)應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，不斷完善其功能，使其呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢(shì)頭。
1．4．1 提高花生脫殼機(jī)械的通用性和適應(yīng)性
提高花生脫殼機(jī)械的通用性和適應(yīng)性仍是當(dāng)前的主要研究方向之一目前，許多花生脫殼機(jī)械只是針對(duì)某一花生品種和所在地區(qū)的生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)，其通用性、兼容性和適應(yīng)性較差。提高花生脫殼機(jī)械的通用性和兼容性，使研制的花生脫殼機(jī)械通過(guò)更換主要部件能夠同時(shí)對(duì)其他帶殼物料進(jìn)行脫殼加工。研制通過(guò)變換主要工作部件即能滿足不同堅(jiān)果脫殼作業(yè)需要的脫殼機(jī)具，并提高制造工藝水平，降低制造成本，以適應(yīng)不同加工企業(yè)的需要?；ㄉ摎C(jī)械能否適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，將直接影響到花生脫殼機(jī)械能否更好的推廣應(yīng)用與健康發(fā)展。
1．4．2 提高機(jī)械脫殼率。降低破損率
對(duì)花生脫殼機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)與工作部件進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，改革傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究新的脫殼機(jī)理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；同時(shí)在整體配置上進(jìn)一步改進(jìn)和完善，提高脫殼率，降低籽仁破損率。目前國(guó)內(nèi)外的花生脫殼機(jī)械均存在脫殼率和破損率之間的矛盾，處理好這一關(guān)鍵技術(shù)將關(guān)系到花生脫殼機(jī)械的發(fā)展前景。
1．4．3 向自動(dòng)控制和自動(dòng)化方向發(fā)展大多數(shù)機(jī)具目前仍依賴人工喂料或定位，影響了作業(yè)速度和作業(yè)質(zhì)量。因此應(yīng)通過(guò)機(jī)電一體化手段，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)自動(dòng)喂料、自動(dòng)定位脫殼裝置，保證均勻喂料與有效定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)化操作，進(jìn)一步提高作業(yè)精確性和作業(yè)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)率，滿足部分大、中型加工企業(yè)的需要，以開(kāi)拓國(guó)內(nèi)和國(guó)外市場(chǎng)。
新技術(shù)原理、新結(jié)構(gòu)材料、新工藝將不斷應(yīng)用于花生機(jī)械的研制開(kāi)發(fā)中，隨著液壓技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)以及化工、冶金工業(yè)的發(fā)展，許多復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳遞、笨重的材料和落后的工藝將逐漸被取代。減輕重量，減少阻力，簡(jiǎn)化操作，減少輔助工作時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命，降低勞動(dòng)使用費(fèi)用等將作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)用于脫殼機(jī)械的設(shè)計(jì)制造。隨著國(guó)內(nèi)外高新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，如何將這些高新技術(shù)更好的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，也是目前花生脫殼機(jī)械需要盡快解決的問(wèn)題。
1．5 花生脫殼機(jī)械應(yīng)用前景展望
花生生產(chǎn)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，是農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的重要保證，近年來(lái)，花生機(jī)械裝備總量不斷穩(wěn)步增長(zhǎng)，作業(yè)水平進(jìn)一步提高，社會(huì)化服務(wù)規(guī)模不斷擴(kuò)大，雖然目前花生脫殼機(jī)械化水平較高，但是多應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)與示范推廣區(qū)，并且小型機(jī)械多、大型機(jī)械少，低檔機(jī)械多、高性能機(jī)械少。在一些地區(qū)，用作種子和特殊用途的花生仁仍采用傳統(tǒng)的手工剝殼，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，區(qū)域性發(fā)展不平衡。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)花生生產(chǎn)機(jī)械化開(kāi)始了新的發(fā)展階段，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)生了新的變化，也對(duì)花生機(jī)械的發(fā)展產(chǎn)生了積極而深遠(yuǎn)的影響，不僅拉動(dòng)了新的有效需求，而且構(gòu)筑了適合花生生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展的新舞臺(tái)，為花生生產(chǎn)機(jī)械化真正成為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)器提供了廣闊的市場(chǎng)發(fā)展條件。在一些地區(qū)推進(jìn)花生生產(chǎn)機(jī)械化的過(guò)程中，相繼出臺(tái)了鼓勵(lì)和扶持農(nóng)民購(gòu)買花生機(jī)械、開(kāi)展花生機(jī)械作業(yè)服務(wù)的優(yōu)惠政策和措施，調(diào)動(dòng)了農(nóng)民購(gòu)買花生機(jī)械的積極性，形成了新的市場(chǎng)需求。隨著花生種植業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)花生深加工產(chǎn)品的需求不斷增大，提高花生脫殼機(jī)械化作業(yè)水平成為必然?；ㄉ摎C(jī)在提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度方面起到了積極的作用，促進(jìn)了花生加工業(yè)的科技進(jìn)步，為花生脫殼機(jī)械的發(fā)展提供了空間。
2 刮板式花生去殼機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理
2．1 刮板式花生去殼機(jī)的結(jié)構(gòu)
根據(jù)刮板式花生去殼機(jī)的剝殼原理可知道，花生是從上至下依次經(jīng)過(guò)集料斗、剝殼箱、柵格、下箱出口、分選口，花生仁收集斗這些部件的，因此設(shè)計(jì)剝殼機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的依據(jù)就出來(lái)了。
設(shè)計(jì)過(guò)程是從上往下，從花生的裝集開(kāi)始，最上面是集料斗，集料斗下方是剝殼箱，集料斗可與剝殼箱設(shè)計(jì)為一個(gè)整體。在剝殼箱內(nèi)，花生必須經(jīng)過(guò)刮板的撞擊和擠壓作用才能進(jìn)行剝殼，因此，將刮板設(shè)計(jì)置在剝殼箱內(nèi)。花生經(jīng)過(guò)刮板的撞擊和擠壓進(jìn)行剝殼后，要經(jīng)過(guò)位于剝殼箱底部的柵格，于是可以把柵格設(shè)計(jì)成一個(gè)半圓柵籠，將其固定在剝殼箱的下半箱內(nèi)?；ㄉ┻^(guò)柵格后經(jīng)過(guò)剝殼箱底部的出口往下落，在下落過(guò)程中，設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)機(jī)的吹入口，其作用是將經(jīng)過(guò)剝殼的花生殼與花生仁進(jìn)行分離，重量稍重的不被風(fēng)吹走，而重量較輕的花生殼將被風(fēng)機(jī)吹來(lái)的氣流帶入到花生殼收集通道，通道的底部設(shè)計(jì)成一定角度。經(jīng)過(guò)分離的花生仁往下落，落入花生仁收集通道，將此通道與花生殼收集通道的底面設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，這樣的設(shè)計(jì)可以讓被風(fēng)吹走的花生仁通過(guò)自身的重量往下回滾到花仁收集通道。
為保證整機(jī)的各部分的安裝，需設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)架，機(jī)架起到其它幾個(gè)部分的支承、定位、連接作用，并將電機(jī)安裝在機(jī)架里面，剝殼機(jī)安裝在機(jī)架的上方。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示。
圖2-1
2．2 工作原理
刮板式花生去殼機(jī)以前也稱為刀籠剝殼機(jī)，是借助轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的刮板與籠柵的擠壓和打擊作用，將花生果外殼破碎的一種機(jī)械設(shè)備，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。它主要由進(jìn)料機(jī)構(gòu)、剝殼機(jī)構(gòu)和支承機(jī)構(gòu)等部分組成。
圖1-1
花生果進(jìn)入存料斗后，經(jīng)下部的入料窄口形成薄層流落下來(lái)進(jìn)入剝殼箱內(nèi)，與高速旋轉(zhuǎn)的刮板相互碰撞，在刮板的錘擊下，花生殼發(fā)生破裂，從而進(jìn)行第一次剝殼。部分花生果在下落過(guò)程中沒(méi)有與刮板發(fā)生碰撞，有些發(fā)生碰撞了而花生殼卻未撞裂，這部分花生落入到由圓鋼棒排列成的柵格上，由于柵格頂部與刮板的旋轉(zhuǎn)外徑間的間距不足以容納一個(gè)花生果，因此花生果將在落入柵格的同時(shí)被刮板再次錘擊和擠壓，從而使這些花生果的果殼也被壓碎。剝殼后的仁與殼通過(guò)柵格間的間隙落下，在下落的同時(shí)，受到風(fēng)機(jī)吹來(lái)的經(jīng)調(diào)節(jié)好的氣流作用，果殼因重量輕而被氣流送入集殼通道，而花生仁因重量大，繼續(xù)往下落，從而達(dá)到了殼仁分離的目的。
3刮板式花生去殼機(jī)主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
刮板式花生去殼機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，看的是其主要部件的設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)不合理，機(jī)器就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)或者說(shuō)不能運(yùn)轉(zhuǎn)，那么生產(chǎn)出來(lái)的這臺(tái)機(jī)器就是一堆費(fèi)品。設(shè)計(jì)合理，機(jī)器就能正常的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)并對(duì)花生果進(jìn)行剝殼。因此，刮板式花生去殼機(jī)的主要部件的設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中顯得尤為重要，合理的設(shè)計(jì)將提供給使用者更多的方便和實(shí)惠。
3．1設(shè)計(jì)前各項(xiàng)參數(shù)的確定
3．1．1 刮板的半徑及轉(zhuǎn)速初定
刮板的旋轉(zhuǎn)必須確保能將部分花生殼撞碎，當(dāng)花生果與鋼質(zhì)物體相對(duì)速度達(dá)到5時(shí)，可使花生殼破碎而不會(huì)破壞到花生仁，可根據(jù)此依據(jù)設(shè)計(jì)刮板的轉(zhuǎn)速與半徑。
如圖3-1所示，花生下落位置在之間，設(shè)計(jì)時(shí)采用最小碰撞半徑為計(jì)算半徑
取半徑R=250mm，則n=382.2r/min
結(jié)論：R=250mm，
n=382.2r/min
圖3-1
3．1．2 刮板所需功率計(jì)算
根據(jù)公式可計(jì)算出刮板所需的功率
刮板對(duì)花生做功
：刮板改變花生的動(dòng)能
：刮板改變花生的勢(shì)能
根據(jù)所給產(chǎn)量要求 1500kg/h,即0.417kg/s,此為花生仁的產(chǎn)量，折合花生果產(chǎn)量為0.417/純?nèi)事?根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，湖南所處地理位置可取花生的純?nèi)事蕿?9%,折合花生果產(chǎn)量為0.604kg/s,此即每秒進(jìn)入剝殼箱內(nèi)被破碎的花生果的重量。花生接觸刮板時(shí)初速度設(shè)為1m/s，方向向下，脫離刮板時(shí)速度為15m/s,方向向左，脫離刮板時(shí)相對(duì)初位置高度為500mm
t=1s
m=0.604kg/s
=1m/s
=15m/s
R=0.5m
=(0.302+67.95+2.96)W=71.212w
加上刮板與花生在柵格中擠壓所需要的能量，P也不會(huì)超過(guò)500w。為計(jì)算電動(dòng)機(jī)的所需工率Pd，先要確定從電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)之間的總效率。設(shè)、分別為滾動(dòng)軸承和V帶傳動(dòng)的效率，于是有
=-0.8668
電動(dòng)機(jī)所需功率不會(huì)超過(guò)700W，由于給定電動(dòng)機(jī)的功率為1.5kW，遠(yuǎn)大于此計(jì)算值，故所給電動(dòng)機(jī)的功率完全符合要求。
3．1．3 傳動(dòng)方案擬定
由于刮板式花生去殼機(jī)的工作軸旋轉(zhuǎn)速度較高，達(dá)到=382.2r/min可有兩種選擇，第一種是采用一級(jí)V帶傳動(dòng)，第二種是采用兩級(jí)混合傳動(dòng)，而很明顯的，若采用兩級(jí)傳動(dòng)方案，將會(huì)致使機(jī)器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本升高，所以選用一級(jí)V帶傳動(dòng)。
3．1．4 電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)所給的功率及同步轉(zhuǎn)速，可選用的電機(jī)型號(hào)有兩種
Y90L-4型 和 Y100L-6型
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速和刮板轉(zhuǎn)速可算出總傳動(dòng)比，現(xiàn)將此兩種電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)和傳動(dòng)比列于下表
方案號(hào)
電機(jī)型號(hào)
額定功率kw
同步轉(zhuǎn)速r/min
滿載轉(zhuǎn)速r/min
總傳動(dòng)比 i
1
Y100L-6
1．5
1000
940
2．459
2
Y90L-4
1．5
1500
1400
3．663
由上表可知：方案1總傳動(dòng)比雖小，轉(zhuǎn)速低，但價(jià)格高，作為家用機(jī)械的電機(jī)不是太合算，故選擇方案2，即電機(jī)型號(hào)為Y90L-4。
查表得此種電動(dòng)機(jī)的中心高H=90mm，外伸軸徑為24mm，軸的外伸長(zhǎng)度為50mm。
3．1．5 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和參數(shù)計(jì)算
軸的轉(zhuǎn)速
軸的輸入功率
=1.35kw
軸的轉(zhuǎn)矩
3．2 V帶傳動(dòng)
首先列出設(shè)計(jì)的基本條件
電機(jī)型號(hào)：Y90L-4
額定功率：1.5kw
轉(zhuǎn)速：=1400r/min
傳動(dòng)比：=3.663
假設(shè)每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間t<10h
1.確定計(jì)算功率
查表得工作情況系數(shù) =1.1
==1.1×1.5=1.65(kw)
2．選擇V帶帶型
根據(jù)、查得最適合的帶型為A型
3．確定帶輪基準(zhǔn)直徑
由主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑系中選取，從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑為
驗(yàn)算帶的速度
v=<=
因此所選帶的速度合適
4．確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
根據(jù)初步確定中心距，計(jì)算帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
=1972.36mm
由V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度系中選取基準(zhǔn)長(zhǎng)度
計(jì)算實(shí)際中心距a
5．驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角
主動(dòng)輪包角合適
6．計(jì)算V帶的根數(shù)z
由,,=3.663查表得
，，，
代入數(shù)值，經(jīng)計(jì)算
Z=1.984
取z=2
7.計(jì)算預(yù)緊力
8．計(jì)算作用在軸上的壓軸力
代入數(shù)值計(jì)算得
=482.7N
9.V帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及選用
帶輪材料選用HT200
根據(jù)基準(zhǔn)直徑的大小選用不同的帶輪類型，小徑帶輪采用實(shí)心式，大徑帶輪采用輪輻式，主要結(jié)構(gòu)尺寸如下
單位：mm
尺寸類型
小帶輪
大帶輪
75
280
基準(zhǔn)寬度
11.0
11.0
基準(zhǔn)線上槽深
2.75
2.75
基準(zhǔn)線下槽深
8.7
8.7
槽間距e
15±0.3
15±0.3
第一槽對(duì)稱面至端面距離f
輪緣厚d
12
12
帶輪寬B
35
35
外徑
80.5
285.5
輪槽角
極限偏差
孔徑
26
16
輪轂長(zhǎng)
50
35
48
32
輪輻厚
8
20
16
230.5
具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)零件圖
3.3 軸
軸的轉(zhuǎn)速
軸的輸入功率
=1.35kw
軸的轉(zhuǎn)矩
1 初步確定軸的最小直徑
先按經(jīng)驗(yàn)公式算郵軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。查表選取，于是得
2擬定軸上零件的裝配方案
通過(guò)對(duì)各種方案的比較，現(xiàn)選用圖3-2所示裝配方案
圖3-2
3 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
（1）為滿足V帶輪的軸向定位，1-2軸右端制一軸肩，故取2-3段直徑=22mm，左端用軸端擋圈定位，取直徑D=22mm。V帶輪與軸配合的轂孔長(zhǎng)試為35mm，為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸端面上，故1-2段長(zhǎng)度取為
（2）初步選擇滾動(dòng)軸承 因軸承只承受徑向力，故先用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)，初步選取深溝球軸承6205,其基本參數(shù)如下表
6204
基本尺寸
安裝尺寸
極限轉(zhuǎn)速
D
B
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
25
52
15
1
31
46
1
12000
16000
（3）安裝刮板架段軸直徑。刮板架段安裝寬度取，
（4） 軸承端蓋總厚度20mm，取端蓋外端與V帶輪右端面間的距離，故取
（5）取刮板距箱體內(nèi)壁，取，。
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長(zhǎng)度。
（6）軸上零件的周向固定
V帶輪與軸的周向定位采用平鍵聯(lián)接，按其直徑查手冊(cè)得平鍵截面如下
長(zhǎng)度取22mm
V帶輪與軸的配合為，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是借過(guò)渡配合來(lái)保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為。
（7）確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角，各軸肩處圓角半徑見(jiàn)零件圖
3.4 刮板結(jié)構(gòu)
刮板結(jié)構(gòu)是整個(gè)機(jī)器的關(guān)鍵部分，它的作用就是對(duì)花生果進(jìn)行剝殼。此結(jié)構(gòu)采用四鋼板十字交叉固定在旋轉(zhuǎn)筒架上，其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示
圖3-3
因?yàn)椴捎玫氖谴驌艉蛿D壓兩種方式配合進(jìn)行剝殼，所以對(duì)刮板的強(qiáng)度有一定要求，采用材料是45號(hào)鋼，而且刮板的表面必須進(jìn)行處理，表面滲碳1-1.5mm，熱處理硬度HRC56-62。刮板選用四塊8mm厚鋼板，長(zhǎng)′寬=500mm′129mm，刮板外緣距旋轉(zhuǎn)中心距離250mm。固定刮板的筒架結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑為26mm，外徑120mm，刮板固定支架長(zhǎng)度為140mm，截面尺寸40mm′20mm，每塊刮板由兩根固定支架固定，兩者間采用M10螺栓聯(lián)接。
3.5 半柵籠
半柵籠在機(jī)器中的作用是讓已經(jīng)被剝殼的花生與未被剝殼的花生進(jìn)行分離，其分離的原理就是“小個(gè)通過(guò)，大個(gè)不過(guò)”。半柵籠的每一個(gè)柵格都只能容許一個(gè)花生仁大小的物體通過(guò)，被剝殼的花生由于花生殼的破裂，被變成破碎的花生殼和整粒的花生仁，花生仁的大小剛好可以穿過(guò)柵格，而花生果因?yàn)樘?，無(wú)法通過(guò)柵格，將被阻擋在剝殼箱內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行剝殼直到其外殼破碎為止。其結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。
圖3-4
柵條是利用兩塊墻板對(duì)兩端進(jìn)行固定的，墻板材料為HT200，柵條材料為20號(hào)鋼。柵條采用圓截面長(zhǎng)條，長(zhǎng)度為538mm，因其特殊的作用，還需對(duì)其進(jìn)行表面處理，要求滲碳1-1.5mm，熱處理硬度HRC56-62。柵條的兩頭裝砌在墻板的圓形槽內(nèi)，組成半圓柵籠，柵條間距為10mm，這樣可使剝出的花生仁能通過(guò)柵格，而未剝殼的剛不能通過(guò)。
裝砌完成后要太上鎖緊條，防止柵條松動(dòng)。半柵籠內(nèi)徑為。
3.6 箱體
箱體的作用是提供給刮板一個(gè)封閉的剝殼環(huán)境，并對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)起到支承和定位作用。
為了便于軸系部件的安裝和拆卸，將箱體做成剖分式，箱由箱座和箱蓋組成，，取軸的中心線所在平面為剖分面。箱座和箱蓋采用普通螺栓聯(lián)接，用圓錐銷定位。箱體的材料選用HT200，鑄造成型。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)零件圖。
3.7 殼仁分離裝置
殼仁分離裝置分為兩個(gè)部分，一個(gè)是氣流通道，它的一端接風(fēng)機(jī)，另一端安裝在箱體的下方，還有就是殼與仁的收集板，它同樣也安裝在箱體下方。花生經(jīng)過(guò)箱體內(nèi)的剝殼過(guò)程后，將由此裝置對(duì)其進(jìn)行殼仁分離，分離的基本原理是利用花生殼與花生仁的重量及受力面積的不同，用氣流對(duì)其進(jìn)行分離。重量稍重的不被氣流吹走，直接下落到花生仁收集通道，而重量較輕的花生殼將被風(fēng)機(jī)吹來(lái)的氣流帶入到花生殼收集通道。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)裝配圖。
3.8機(jī)架
整個(gè)機(jī)架采用L63*63*6角鋼焊接而成，起到其它幾個(gè)部分的支承、定位、連接作用，并將電機(jī)安裝在機(jī)架里面。剝殼機(jī)安裝在機(jī)架上面，聯(lián)接采用普通螺栓聯(lián)接。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)裝配圖。
3.9附件
刮板式花生去殼的附件包括裝料斗，軸承蓋，風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置。 4 總結(jié)
本文是圍繞農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品——花生去殼機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了花生剝殼的機(jī)械化，應(yīng)用本機(jī)器后，可使廣大農(nóng)民群眾大大節(jié)省勞動(dòng)量，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。該機(jī)的關(guān)鍵部分是刮板結(jié)構(gòu)與半柵籠結(jié)構(gòu)，因?yàn)榛ㄉ鷦儦さ恼麄€(gè)過(guò)程都是由這兩部分完成的，剝出來(lái)的花生能不能符合要求，完全是看刮板與半柵籠的性能能不能達(dá)到要求。本文也介紹了目前各種花生剝殼原理及裝備，并對(duì)花生剝殼機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景作出了簡(jiǎn)明的概括和分析。
本次設(shè)計(jì)是對(duì)我的四年的大學(xué)生活做出的總結(jié),同時(shí)為將來(lái)工作進(jìn)行了一次適應(yīng)性訓(xùn)練，從中鍛煉自己解分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為今后自己的研究生生活打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。
從這次設(shè)計(jì)也可以看出一些問(wèn)題:
1.心態(tài):應(yīng)該保持認(rèn)真的態(tài)度,堅(jiān)持冷靜獨(dú)立的解決問(wèn)題
2.基本:認(rèn)真學(xué)好基本知識(shí),扎實(shí)自己的基本知識(shí),使面對(duì)問(wèn)題時(shí)不會(huì)遇到很多挫折,從而打擊自己的信心,結(jié)果使自己很浮躁,越來(lái)越不想搞這設(shè)計(jì),故應(yīng)該好好學(xué)習(xí)基本知識(shí),一步一步的來(lái),不要急功近利!
3.樹(shù)立自己的良好形象,樂(lè)觀的面對(duì)生活,堅(jiān)持自己的想法和意識(shí)
總的說(shuō)來(lái),雖然在這次設(shè)計(jì)中自己學(xué)到了很多的東西,取得一定的成績(jī),但同時(shí)也存在一定的不足和缺陷,我想這都是這次設(shè)計(jì)的價(jià)值所在,以后的日子以后自己應(yīng)該更加努力認(rèn)真,以冷靜沉著的心態(tài)去辦好每一件事情!
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致謝
本文是在周善炳老師的精心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的，周老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、精益求精的工作作風(fēng)、高度的責(zé)任心對(duì)我產(chǎn)生了深深的震撼。在周老師的培養(yǎng)和教育不僅使我順利完成了論文，而且將繼續(xù)激勵(lì)我在今后的人生旅途上不斷進(jìn)取。
最后，謹(jǐn)向所有給我關(guān)心、理解、支持和幫助的人們表示最誠(chéng)摯的謝意！
附錄 英文翻譯資料
中文翻譯
正電原子在電離過(guò)程中碰撞的理論
摘要
我們回顧過(guò)去和現(xiàn)在正子原子在電離過(guò)程中碰撞理論的發(fā)展。 從最終狀態(tài)下合并所有相互作用，在一個(gè)同等立足處和保留少量碰撞動(dòng)力學(xué)的一個(gè)確切的物體分析開(kāi)始, 我們進(jìn)行或重或輕不同的比較, 并且從它們影響電離橫剖面的角度進(jìn)行分析。 終于, 我們發(fā)現(xiàn)了理論碰撞過(guò)程中的連續(xù)統(tǒng)一體, 中心點(diǎn)和其它運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制 。
主題詞: 電離; 碰撞動(dòng)力學(xué); 驅(qū)散; 電子光譜; 反物質(zhì); 正電子沖擊; 中心點(diǎn)電子; 導(dǎo)軌式電子
1. 介紹
正電原子的簡(jiǎn)單電離碰撞由一個(gè)細(xì)小的結(jié)構(gòu)微粒沖擊, “三體問(wèn)題”是很多年未解決的一個(gè)物理問(wèn)題。 1609 年到1687 年“二體”問(wèn)題由約翰尼.開(kāi)普勒和由艾薩克?牛頓共同解決了。三體問(wèn)題比二體問(wèn)題更加復(fù)雜難懂, 除了一些特殊的現(xiàn)象，它不能被簡(jiǎn)單的分析解決。 1765年, 勒翰得. 依魯爾發(fā)現(xiàn)了原始在線的三大量和依然排列的一種"幾何" 解答。不少年后, 拉格朗日發(fā)現(xiàn)了五平衡點(diǎn)的存在, 今后大家都稱為拉格朗日點(diǎn)。
對(duì)三體驅(qū)散問(wèn)題的解答，最早的是三百年前天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家用數(shù)學(xué)工具和相似比的原理解答出來(lái)的。例如, 在大量的中心參考系統(tǒng)下, 我們?cè)?836 年描述三體問(wèn)題由任何空間座標(biāo)都可能的原因已經(jīng)由杰庫(kù)比介紹。所有這些對(duì)由線形點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)變革關(guān)系, 如所描述[ 1 ] 。在動(dòng)量空間, 系統(tǒng)由伴生的描述(千噸), (千焦) 和(千牛) 。 交換對(duì)實(shí)驗(yàn)室參考框架, 大量電子最后的動(dòng)量m, 許多MT (反沖) 目標(biāo)片段和大量MP 子彈頭可能被寫根據(jù)杰克比沖動(dòng)Kj 通過(guò)伽利略變換[ 1 ]得出
數(shù)十年, 電離過(guò)程的理論描述承擔(dān)了三體動(dòng)力學(xué)在最終狀態(tài)下的簡(jiǎn)單表示, 根據(jù)事實(shí)表明
（1）對(duì)于離子和原子碰撞, 一個(gè)微粒(電子) 比其它二兩個(gè)原子要輕。
（2）對(duì)于電子和正子原子碰撞, 一個(gè)微粒(目標(biāo)中堅(jiān)力量) 比其它兩個(gè)原子要重的多。
例如, 根據(jù)眾所周知的中心論據(jù), 離子和原子電離碰撞的理論描述的決大多數(shù)使用沖擊參數(shù)來(lái)設(shè)置, 那里子彈頭跟隨一條未受干擾的直線彈道在碰撞過(guò)程過(guò)程中, 并且目標(biāo)中堅(jiān)力量依然是休息[ 2 ] 。 它是確切, 假設(shè), 子彈頭隨后而來(lái)一條直線彈道沒(méi)有道理在電子或正子原子碰撞的理論描述。 但是, 它通常假設(shè), 目標(biāo)中堅(jiān)力量依然是不動(dòng)。
問(wèn)題的這些簡(jiǎn)單化被介紹了在18 世紀(jì)。 unsolvable t三體問(wèn)題被簡(jiǎn)化了, 對(duì)所謂的有限的三體問(wèn)題, 那里一個(gè)微粒被承擔(dān)有一許多足夠小不影響其它二個(gè)微粒的行動(dòng)。 雖則介紹作為手段提供近似解答對(duì)系統(tǒng)譬如太陽(yáng)行星彗星在古典技工范圍內(nèi), 它廣泛被應(yīng)用在原子物理在所謂的沖擊參量略計(jì)對(duì)離子原子電離碰撞。
三體問(wèn)題的其它簡(jiǎn)單化廣泛被使用在19 世紀(jì)假設(shè), 一個(gè)微粒比其它二巨型的并且依然是在大量的中心鎮(zhèn)定自若由其它二。 這略計(jì)廣泛被應(yīng)用在電子或正子原子電離碰撞。
2. 多個(gè)有差別的橫剖面
一個(gè)三體連續(xù)流最后狀態(tài)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)上完全描述在任一原子碰撞會(huì)要求, 原則上, 九可變物知識(shí), 譬如動(dòng)量的組分聯(lián)系了對(duì)每個(gè)三個(gè)微粒在最終狀態(tài)。 但是, 動(dòng)量和能源節(jié)約的情況減少這個(gè)數(shù)字
到五。 此外, 每當(dāng)最初的目標(biāo)不準(zhǔn)備在任何優(yōu)先方向, 多個(gè)有差別的橫剖面必須是相稱由三體系統(tǒng)的自轉(zhuǎn)在子彈頭的行動(dòng)的最初的方向附近。 因而, 擱置一邊三個(gè)片段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在最終狀態(tài), 只四
喪失九可變物是必要完全地描述驅(qū)散過(guò)程。 所以, 電離過(guò)程的一個(gè)完全描述特性也許被獲得以一個(gè)四倍有差別的橫剖面:
有許多可能的套四可變物使用。 為,事例, 我們能選擇了電子的方位角角度和其它二個(gè)微粒的當(dāng)中一個(gè), 相對(duì)角度在行動(dòng)之間飛機(jī), 并且一個(gè)微粒能量。
這樣選擇是任意的, 但完成在感覺(jué), 其他套可變物可能與這一個(gè)有關(guān)。 獨(dú)立可變物一個(gè)相似的選擇是標(biāo)準(zhǔn)的為原子電離的描述由電子沖擊, 理論上和實(shí)驗(yàn)性地[ 3,4 ] 。
非常一般四倍有差別的橫剖面的圖片不是可行的。 因而, 它通常是必要減少可變物的數(shù)量在橫剖面。 這可能由修理達(dá)到一兩他們?cè)谀承┨厥鈨r(jià)值或情況。 例如, 我們也許任意地制約自己描述coplanar (i.e. ?=?0) 或a collinear motion (i.e. ?=?0 and θ1?=?θ2), 以便使問(wèn)題的依賴性降低到三或二獨(dú)立可變物, 各自地。
另一選擇將集成四倍有差別的橫剖面在一個(gè)或更多可變物。
前廣泛被應(yīng)用學(xué)習(xí)電子碰撞, 當(dāng)后者是主要工具描繪離子原子和正子原子電離碰撞。 特別重要對(duì)唯一微粒分光學(xué)的用途, 那里動(dòng)量的微粒的當(dāng)中一個(gè)被測(cè)量。
3. 單個(gè)微粒的動(dòng)量分布
動(dòng)量發(fā)行為散發(fā)的電子和正子禮物幾個(gè)結(jié)構(gòu)。 首先, 我們能觀察門限在高電子或正子速度因?yàn)橛幸粋€(gè)極限在任一個(gè)微?？赡芪諒南到y(tǒng)的動(dòng)能。 第二個(gè)結(jié)構(gòu)是土坎被設(shè)置沿圈子。 它對(duì)應(yīng)于正子的二進(jìn)制碰撞與散發(fā)的電子, 用目標(biāo)中堅(jiān)力量充當(dāng)實(shí)際角色。 終于, 有尖頂和anticusp 在零速度在電子和正子動(dòng)量分布, 各自地。 第一個(gè)對(duì)應(yīng)于電子的勵(lì)磁于目標(biāo)的一個(gè)低能源連續(xù)流狀態(tài)。秒鐘是取盡由于正子的捕獲的不可能的事由目標(biāo)中堅(jiān)力量。 這些動(dòng)量發(fā)行允許我們學(xué)習(xí)電離碰撞的主要特征。 但是, 我們必須記住, 分析只微粒的當(dāng)中一個(gè)在最后狀態(tài)的任一個(gè)實(shí)驗(yàn)性技術(shù)可能只提供部份洞察入電離過(guò)程。 四倍有差別的橫剖面也許顯示由綜合化洗滌在這實(shí)驗(yàn)的碰撞物產(chǎn)。
4. 理論模型
我們想要討論在這通信的主要問(wèn)題是如果有一些重要碰撞物產(chǎn)在正子原子碰撞, 那不是可測(cè)的，總共, 單或雙有差別的電離橫剖面, 并且那因?yàn)槲幢话l(fā)現(xiàn)。 為了了解這些結(jié)構(gòu)的起源, 我們對(duì)應(yīng)的橫剖面與那些比較被獲得在離子原子碰撞。 履行這個(gè)宗旨它是必要的有一種充分的量子機(jī)械治療能同時(shí)應(yīng)付電離碰撞由重和輕的子彈頭的沖擊是因此相等地可適用的- 例如- 對(duì)離子原子或正子原子碰撞。 一種理論與這特征將允許我們學(xué)習(xí)倍數(shù)任一個(gè)指定的特點(diǎn)的變動(dòng)
有差別的橫斷面當(dāng)許多聯(lián)系在片段之中變化。 特別是, 它會(huì)允許我們學(xué)習(xí)變異當(dāng)改變?cè)诙g制約了運(yùn)動(dòng)學(xué)情況。
第二重要點(diǎn)將對(duì)待所有互作用在最終狀態(tài)在一個(gè)同等立足處。 如同我們解釋了, 在離子原子碰撞, internuclear 互作用不充當(dāng)實(shí)際在散發(fā)的電子的動(dòng)量發(fā)行的角色和因此未被考慮在對(duì)應(yīng)的演算。 在這工作, 這假定被避免了。 橫剖面利益在這范圍內(nèi)是
轉(zhuǎn)折矩陣可能供選擇地被寫在崗位或預(yù)先的形式
那里擾動(dòng)潛力被定義
為出生類型初始狀態(tài)
哪些包括子彈頭的自由行動(dòng)和最初的一定的狀態(tài)Ui 目標(biāo), 并且擾動(dòng)潛力vi 簡(jiǎn)單地是正子電子和正子中堅(jiān)力量互作用的總和。 轉(zhuǎn)折矩陣也許然后被分解入二個(gè)期限依靠是否正子首先與目標(biāo)中堅(jiān)力量或電子相處融洽。
為了是一致的與動(dòng)力學(xué)的我們充分的治療, 它是必要描述最終狀態(tài)Wf 通過(guò)考慮所有互作用在同樣立足處的wavefunction 。 因而, 我們采取一個(gè)被關(guān)聯(lián)的C3 波浪作
那包括畸變Dj 為三活躍互作用。 在連續(xù)流波浪作用這個(gè)選擇的最后渠道擾動(dòng)潛力是[ 5 ]
在純凈的庫(kù)侖潛力情況下, 畸變被給
關(guān)于這個(gè)模型由佳瑞波帝和馬瑞吉拉[ 6 ] 提議為離子原子碰撞, 并且由Brauner 和布里格斯六年后為正子原子和電子碰撞[ 7 ] 。 但是, 在所有這些箱子問(wèn)題的動(dòng)力學(xué)被簡(jiǎn)化了, 依照被談?wù)撛谠缦炔糠? 根據(jù)大非對(duì)稱在介入的片段的大量之間。 另外, Garibotti 和Miraglia 忽略了互作用潛力的矩陣元素在接踵而來(lái)的子彈頭和目標(biāo)離子之間, 并且做銳化的略計(jì)評(píng)估轉(zhuǎn)折矩陣元素。 這進(jìn)一步略計(jì)被取消了在紙由Berakdar 等。 (1992), 雖然他們保留許多制約在他們的離子沖擊電離分析。
5. 電子捕獲對(duì)連續(xù)流尖頂
讓我們回顧一些結(jié)果在立體幾何。 我們選擇作為二個(gè)獨(dú)立參量散發(fā)的電子動(dòng)量組分, 平行和垂線對(duì)正子子彈頭的行動(dòng)的最初的方向。 子彈頭的能量是1 keV 。圖2, 我們觀察三個(gè)不同結(jié)構(gòu): 二個(gè)極小值和土坎。
圖2
土坎的起源很好被了解。 它對(duì)應(yīng)于電子捕獲于連續(xù)流(ECC) 尖頂被發(fā)現(xiàn)在離子原子碰撞三十年前由Crooks 和Rudd [ 8 ] 。 他們測(cè)量了電子能量光譜在向前方向和確切地觀察了尖頂形狀峰頂在子彈頭的速度。 第一理論解釋[ 9 ] 表示, 它分流以與1 相似的方式k 。 這個(gè)尖頂結(jié)構(gòu)是很多實(shí)驗(yàn)性和理論研究焦點(diǎn)。
因?yàn)镋CC 尖頂是一個(gè)推測(cè)橫跨捕獲電離極限入高度激動(dòng)的一定的狀態(tài), 這個(gè)同樣作用必須是存在在正子原子碰撞。 實(shí)際上, 這樣作用的觀察聯(lián)系了假定物體的形成, 當(dāng)被預(yù)言的二十年前由布朗勒和布里格斯, 依然是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。
這爭(zhēng)執(zhí)的原因是那, 與離子對(duì)比盒, 正子外出的速度與那不是相似沖擊, 但主要傳播在角度和巨大。 因而沒(méi)有特殊速度在哪里尋找尖頂。 并且這一定是如此。 如果我們?cè)u(píng)估雙重有差別的橫剖面, 我們看見(jiàn), 尖頂清楚地是可看見(jiàn)的在離子原子碰撞, 但非常溫和和被傳播的肩膀在正子原子碰撞。 因而, 觀察這結(jié)構(gòu)它是必要增加橫剖面的維度。 例如由考慮四倍有差別的橫剖面的零的程度裁減在collinear 幾何。
Kover 和Laricchia 測(cè)量了在1998 dr/dEedXkdXK 橫剖面在一個(gè)collinear 情況在零的程度, 為H2 的電離分子由100 keV 正子沖擊[ 10 ] 。 結(jié)構(gòu)依照為沖擊對(duì)重的離子被觀察那么尖銳不被定義由于占實(shí)驗(yàn)性窗口在正子的卷積
并且電子偵查。 從目標(biāo)反沖不充當(dāng)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)性情況的重大角色, 當(dāng)前一般理論給結(jié)果相似與那些由Berakdar [ 11 ] 獲得, 并且兩個(gè)跟隨嚴(yán)密實(shí)驗(yàn)性價(jià)值。
這同樣實(shí)驗(yàn)由Sarkadi 和工友執(zhí)行了在氬電離由75 keV 氫核沖擊。 他們第一次測(cè)量了四倍有差別的電離橫剖面在collinear 幾何為離子原子碰撞, 并且發(fā)現(xiàn)ECC 尖頂和在正子沖擊在大角度。 在這種情況下, 我們必須保留動(dòng)力學(xué)的一個(gè)完全帳戶為了再生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)性結(jié)果[ 12 ] 。
6. 托馬斯機(jī)制
現(xiàn)在讓我們走回到H2 的電離由1 keV 正子沖擊。 一個(gè)結(jié)構(gòu)在45 可能被觀察, 1993 年哪些象由于被預(yù)言了和被解釋了由Brauner 和布里格斯二個(gè)等效雙重碰撞機(jī)制干涉。 每個(gè)這些過(guò)程包括正子電子二進(jìn)制碰撞, 被偏折跟隨被90 輕的微粒的當(dāng)中一個(gè)被重的中堅(jiān)力量。 這個(gè)機(jī)制由托馬斯[ 13 ] 提議作為扼要負(fù)責(zé)任電子捕獲由快速的重的離子。 在這種情況下, 從電子和正子大量是相等的, 這兩個(gè)過(guò)程干涉在45 。 如果我們降低能量從1000 年eV 到100 eV, 這個(gè)結(jié)構(gòu)在45 消失, 與想法是一致的結(jié)果托馬斯機(jī)制是一個(gè)高能作用。 但有其它結(jié)構(gòu), 在大約22.5。我們?cè)谙聜€(gè)部分將考慮這個(gè)結(jié)構(gòu)。
7. 備鞍點(diǎn)機(jī)制
結(jié)構(gòu)的起源在大約22.5 一定更難辨認(rèn)。 對(duì)我們的最佳的知識(shí), 它以前未被預(yù)言在正子原子碰撞, 即使機(jī)制負(fù)責(zé)任它的起源幾乎已經(jīng)提議在離子原子碰撞二十年之內(nèi)以前。 想法是, 電子能從離子原子碰撞涌現(xiàn)由在在子彈頭和殘余的目標(biāo)離子潛力的備鞍點(diǎn)。 1772 年這個(gè)機(jī)制清楚地與平衡點(diǎn)的當(dāng)中一個(gè)有關(guān)由拉格朗日發(fā)現(xiàn), 或?qū)C(jī)制由Wannier 提議為低能源電子放射。 在 離子原子碰撞案件, 查尋這個(gè)機(jī)制的理論和實(shí)驗(yàn)性證據(jù)是陰暗由生動(dòng)的爭(zhēng)論[ 14-18 ] 。
在正子原子碰撞情況下, 為電子被困住在正子和殘余離子潛力的馬鞍, 電子和正子必須首先執(zhí)行二進(jìn)制碰撞以便最終獲得正確的速度
那里ei 是目標(biāo)的結(jié)合能在初始狀態(tài)。
能量和動(dòng)量保護(hù)原則的應(yīng)用表示, 正子偏離在角度
終于, 為電子涌現(xiàn)在方向和正子一樣, 它必須遭受隨后碰撞以殘余中堅(jiān)力量在a 托馬斯象過(guò)程。 在這第二碰撞, 電子由90 和殘余目標(biāo)離子反沖偏轉(zhuǎn)在形成大約135 角度與電子和正子的方向。 這個(gè)機(jī)制被描述在圖4.
因而, 檢查備鞍點(diǎn)的提案是正確的, 我們看是否我們的演算顯示與備鞍點(diǎn)電子生產(chǎn)的這個(gè)描述是一致的結(jié)構(gòu)。
圖 3
圖 4
極小值被觀察在無(wú)效性QDCS 。 圖3 和圖4 精確地設(shè)置早先條件在任何能量和角度三個(gè)微粒符合的那些點(diǎn)。 我們做了其它測(cè)試在備鞍點(diǎn)機(jī)制的有效性和無(wú)效性。 圖5 表示, 結(jié)構(gòu)完全出現(xiàn)從tp 期限。 這個(gè)結(jié)果與提出的機(jī)制是一致的, 那里備鞍點(diǎn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)從第一正子電子碰撞之后, 正子和電子被中堅(jiān)力量驅(qū)散。
圖 5
8. 結(jié)論
總結(jié)結(jié)果提出了在這通信, 我們由正子的沖擊調(diào)查了分子氫的電離。 被獲得的四倍有差別的橫斷面為電子和正子涌現(xiàn)在同樣方向顯示三個(gè)統(tǒng)治結(jié)構(gòu)。 你是知名的電子捕獲對(duì)連續(xù)流峰頂。 另外一個(gè)是托馬斯機(jī)制。 終于, 有被解釋對(duì)象由于所謂的"備鞍點(diǎn)" 電離機(jī)制的極小值。
雖然主要結(jié)論研究的非常充分但也有一些不足。橫剖面也許會(huì)被很多巨大的困難所阻礙, 但值得高興的是, 我們一直沒(méi)有錯(cuò)過(guò)對(duì)問(wèn)題許多不同的全方位的觀察, 唯一的遺憾就是對(duì)總橫剖面的研究。
英文原文
Theory of ionization processes in positron–atom collisions
Abstract
We review past and present theoretical developments in the description of ionization processes in positron–atom collisions. Starting from an analysis that incorporates all the interactions in the final state on an equal footing and keeps an exact account of the few-body kinematics, we perform a critical comparison of different approximations, and how they affect the evaluation of the ionization cross section. Finally, we describe the appearance of fingerprints of capture to the continuum, saddle-point and other kinematical mechanisms.
Keywords: Ionization; Collision dynamics; Scattering; Electron spectra; Antimatter; Positron impact; Saddle-point electrons; Wannier; CDW
PACS classification codes: 34.10.+x; 34.50.Fa
1. Introduction
The simple ionization collision of a hydrogenic atom by the impact of a structureless particle, the “three-body problem”, is one of the oldest unsolved problems in physics. The two-body problem was analyzed by Johannes Kepler in 1609 and solved by Isaac Newton in 1687. The three-body problem, on the other hand, is much more complicated and cannot be solved analytically, except in