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大學畢業(yè)論文(設(shè)計)
題 目： 核桃去青皮機構(gòu)設(shè)計
指導老師： 姜宏
學生姓名： 聶延闖
所屬院系： 機械工程學院
專 業(yè)： 機械工程（礦山機電）
班 級： 機械13-11
完成日期： 2017年05月13日
大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
聲 明
本人鄭重聲明，畢業(yè)設(shè)計論文——《核桃去青皮機構(gòu)設(shè)計》系本人在相關(guān)教師指導下獨立完成，沒有抄襲、剽竊他人成果，由此造成的一切后果由本人負責。
聲明人：
年 月 日
VI
新 疆 大 學
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
班 級： 機械13-11 姓 名： 聶延闖
論文（設(shè)計）題目： 核桃去青皮機構(gòu)設(shè)計
專 題： 工程設(shè)計
要求完成的內(nèi)容：1.查閱、收集、整理畢業(yè)設(shè)計所需資料
2.根據(jù)設(shè)計任務(wù)制定工作進度
3.完成機構(gòu)設(shè)計及設(shè)計說明書一份
4.完成數(shù)字化樣機，繪制A0總裝配圖紙1張，關(guān)鍵零
鍵A3圖紙兩張
5.實現(xiàn)機構(gòu)仿真運動
發(fā)題日期：2016年12月08日 完成日期：2017年05月25日
實習實訓單位： 中國一拖 地點： 河南 洛陽
論文頁數(shù)： 頁； 圖紙張數(shù)：
指導教師： 姜宏
教研室主任：伊力哈木·阿布都熱木
院 長： 孫文磊
摘 要
核桃是經(jīng)濟價值很高的油料作物，市場上需求量大，售價高，經(jīng)濟收益好。本文針對維吾爾自治區(qū)的核桃種植面積大,收獲和處理機械化程度低的實際現(xiàn)狀，從核桃青皮、硬殼的物料學特性作為研究的切入點，開展核桃的脫青皮原理與脫青皮裝置的技術(shù)研究，研制出機械化脫青皮的機械。
本文通過閱覽已有核桃去皮機文獻提出本次設(shè)計方案，該方案設(shè)計的機器目標為：生產(chǎn)率600kg/h，去青皮效率。該設(shè)計的核桃去皮機主要有 電動機、張緊輪、主軸、進料口、去皮滾筒上蓋、粗洗滾筒、噴淋水管、精洗滾筒、出料口、機架、排污口、去皮滾筒下蓋等部件，通過對上述各主要部件進行詳細的設(shè)計與校核，使用UG-NX10.0進行建模、裝配、運動仿真。該核桃去青皮原理為：
（1）去雜：通過研究青皮核桃的物理性能特點，確定了圓筒式青皮分離篩網(wǎng)柵條之間的間隙為10mm，實現(xiàn)雜物、青皮等與硬殼核桃的有效分離；
（2）送料：青皮核桃由設(shè)計斜置角度為的去皮撥料板及具有一定螺旋線性的滾筒同時作用下，繞主軸旋轉(zhuǎn)的同時向前進給；
（3）去青皮：青皮核桃在進給力作用下依次通過刀片去切削核桃青皮，鋼絲刷的摩擦、揉搓來去掉部分未由刀片切削掉的青皮，同時噴灑水管不斷滴水由毛刷清洗硬殼核桃表面的粉末，一系列的協(xié)助作業(yè)，有效的實現(xiàn)青皮核桃的去皮。
由于客觀條件的原因，未能對本次設(shè)計的核桃去青皮機構(gòu)進行實物測驗，但是本文的研究對今后各類核桃的去皮和去殼的設(shè)計與改進都有很好的參考價值。
關(guān)鍵詞：核桃去青皮；刀片；鋼刷；帶傳動
ABSTRACT
Walnut is one of the oil crops with high economic values,which can be seen in its high demand, price and economic benefits. Given the vast planting area and lower mechanization in the harvesting and processing in Xinjiang Uygur Autonomous Region , the author takes the material characteristics of the walnut green husk and hard shell as the breakthrough point , and carries out the technical study on the principle of green husk peeling and its relevant device, so as to develop a mechanical peeling machine.
After reading documents on the walnut peeling machine, the author puts forward the design proposal, aiming at achieving its productivity of 600kg/h and walnut green husk peeling efficiency over 95%. Such mechanical peeling machine mainly involves components as motor, tensioner pulley spindle, feed port, cover the leather roller, coarse washing drum, spray pipe, fine cleaning roller, outlet, frame sewage outfall, peeling drum lower cover. After the detailed design and check of these main components, UG-NX 10.0 is finally applied to modeling, assembling and the motion simulation. The principle of walnut green husk peeling is as follows:
（1）Removal of the debris: after the study of the physical performance of walnut with green husk, the separation gap between cylindrical green separation screen grid is set as 10mm, to realize the effective separation of debris, green husks and hard shells.
（2）Feeding roller: with the simultaneous action of the stripper plate with the oblique angle of 5% and a spiral linear roller , walnuts with green husk rotate around the shaft to move forward;
（3）Green husk peeling: with feeding force, blade does the job of peeling , friction and rub of wire brush removing the peels not cut off by the spiral blade, powders on the hard surface of walnut cleaned by the brush with the help of dripping water from the spraying water pipe. All these assist work contributes to the effective walnut green husk peeling together.
Due to objective conditions, physical test on the designed walnut peeling mechanism can not be done , but the research provides good reference value on the design and improvement of walnut peeling and shelling.
keywords: Walnut peeling green husk; Spiral blade; Steel brush; Belt drive
目 錄
1 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.1.1核桃及其概況 1
1.1.2核桃機械化脫青皮的必要性 2
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.2.1國外機具狀況 3
1.2.2國內(nèi)機具機及發(fā)展狀況 3
1.2.3課題的提出 5
1.3設(shè)計方案 6
1.3.1設(shè)計目標 6
1.3.2研究方法 6
1.3.3技術(shù)路線 7
2 青皮核桃物理性能特點 8
2.1 青皮核桃及果實的三維尺寸 8
2.2 青皮核桃的青皮含水率 9
2.3小結(jié) 9
3 青核桃去皮機的總體設(shè)計 10
3.1核桃去青皮的典型方法 10
3.2核桃去青皮方案的選擇 10
3.3核桃去青皮機的結(jié)構(gòu) 11
3.4核桃去青皮的原理 12
3.5核桃去皮機清洗原理 13
3.6核桃去青皮機構(gòu)的傳動原理 13
4 傳動裝置的設(shè)計與選用 15
4.1電機的選擇 15
4.2傳動比的確定 16
4.3 帶輪的確定 16
4.4. 軸的校核 18
5 青皮核桃去皮機結(jié)構(gòu)設(shè)計 21
5.1撥料板斜置角度的計算 21
5.2進料機構(gòu) 24
5.3圓筒式青皮分離篩的設(shè)計 25
5.4機架的設(shè)計說明 26
6 數(shù)字化樣機及運動仿真 27
6.1主要零件實體特征建模 27
6.1.1排污口的建模 27
6.1.2 帶輪的建模 27
6.1.3主軸的建模 27
6.1.4撥料桿的建模 28
6.1.5去青皮刀片的建模 28
6.1.6鋼刷的建模 29
6.1.7毛刷的建模 29
6.2裝配 30
6.3 運動仿真 30
總 結(jié) 31
致 謝 34
參考文獻 32
大學機械工程學院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
1 緒論
1.1 課題研究意義
1.1.1核桃及其概況
核桃，又稱胡桃，羌桃，與扁桃、腰果、榛子并稱為世界著名的“四大干果”。 核桃的栽培歷史悠久是最早種植核桃的地區(qū)之一?？脊殴ぷ髡?，在巴楚縣脫庫孜沙來北朝時期古址和吐魯番縣阿斯塔那唐朝古墓中都發(fā)掘出核桃等物，說明早在1300～1500年前，就已經(jīng)有核桃栽培了。核桃在我國地區(qū)多被譽為“萬歲子”、“長壽果”。按照植物學分類，核桃是屬胡桃科胡桃屬植物，果實呈圓形或者橢圓形，外層青皮苦澀，主要吃其果仁，核桃仁細膩質(zhì)感，常被老百姓稱之“肉”，是我區(qū)最重視的干果之一。
的氣候干旱少雨，日夜溫差大，日照時間長，核桃中含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪，性味甘，溫。核桃的種類也不同，國內(nèi)核桃的種類主要有四大類：秋子核桃、麻核桃、鐵核桃、棉核桃，核桃分為以下幾類紙皮核桃，薄殼核桃，露皮核桃，新溫179號等。核桃的栽培地域十分廣泛，從南疆的于田到北疆的博樂，自西端的塔什庫爾干到東部的哈密，主要分布在阿克蘇、喀什、和田地區(qū)。
核桃的營養(yǎng)價值很高，并且有一定的保健作用。核桃仁內(nèi)含有豐富的蛋白質(zhì)15%～20%，脂類50%～60%，碳水化合物15%左右，并含有人體必需的鈣、磷、鐵、鋅、錳、鉻等多種微量元素和礦物質(zhì)，以及胡蘿卜素、核黃素等多種維生素。醫(yī)學認為核桃性溫、味甘、無毒，有健胃、補血、潤肺、養(yǎng)神等功效[1]，還廣泛用于治療神經(jīng)衰弱、高血壓、糖尿病、冠心病、肺氣腫、胃痛、癌癥等癥，有較高的醫(yī)學藥用價值。
（a）青皮核桃 （b）核桃果實（堅果）
圖1-1青皮核桃及核桃果實
所以核桃越來越受到我國大眾百姓愛戴的干果，核桃的市場需求量明顯大于同等干果的市場需求，因此核桃的加工產(chǎn)業(yè)要大力的發(fā)展起來。
1.1.2核桃機械化脫青皮的必要性
是我國核桃堅果的重要產(chǎn)地之一，其栽培面積較大、產(chǎn)量較多，全疆核桃的種植面積大約420萬畝。核桃成熟后因其特性不宜在田間放置過久，要及時脫青皮，否則會導致果仁霉爛變色，嚴重影響核桃的品質(zhì)。特別是南疆地區(qū)核桃園內(nèi)炎熱潮濕，經(jīng)常因核桃脫青皮不及時而造成核桃青皮腐爛而侵染核桃堅果，影響了核桃堅果外觀和內(nèi)在品質(zhì)，同時也降低了后期銷售核桃的價格。所以核桃脫青皮是核桃加工產(chǎn)業(yè)重要的第一環(huán)節(jié)，是解決困擾核桃產(chǎn)業(yè)的瓶頸。
核桃成熟的時期剛好是玉米、大棗、巴旦木等農(nóng)作物管理需要大量人力的時候，所以對核桃的收獲造成了很大困難。目前大部分果農(nóng)還是采用堆漚脫皮的方式，果農(nóng)們將采摘的核桃堆積起來，用濕秸稈覆蓋或者直接噴灑化學藥物如乙烯利，3-4天之后核桃青皮有裂痕時組織農(nóng)民手工剝青皮，需要大量的人力且勞動強度也較大，效率較低，耗時較長。因此核桃種植地區(qū)非常需要一種既省時、省力又能降低成本的機械化脫青皮機。
圖1-2核桃脫青皮、去雜手工作業(yè)現(xiàn)場
中國核桃的產(chǎn)量大約占世界總產(chǎn)量的三成，其中作為我國主要的生產(chǎn)區(qū)域維吾爾自治區(qū)，在2011年的核桃產(chǎn)量大約是12萬噸，種植面積大約是300萬畝。在核桃采收方面，由于傳統(tǒng)的種植模式和觀念等方面的原因，我國果農(nóng)一般在核桃快要成熟時采摘青核桃（即帶有青皮的核桃），接著再去去除青皮，在堆放過程中往往使得核桃青皮來不及脫皮，在高溫高濕的條件下部分核桃青皮會腐爛，核桃仁極易因青皮的腐爛而發(fā)生霉變。會影響經(jīng)濟價值和營養(yǎng)成分。核桃脫青皮作業(yè)一直困擾著核桃作物的發(fā)展，因此在核桃脫皮作業(yè)上特別需要機械化設(shè)備。這樣就會及時脫掉核桃的青皮，對核桃作物的儲藏及深加工等核桃的產(chǎn)品提供了有力的保障。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1國外機具狀況
核桃脫青皮是一個非常復雜的環(huán)節(jié)，也是核桃加工的第一步，這與核桃采收的成熟時間有著非常大的關(guān)系。目前澳大利亞、加拿大、美國等都是核桃種植的大國，在核桃生產(chǎn)加工已達到世界一流水平[2-4]。在這些國家中涉及到核桃的加工工藝，包括采摘、剝離青皮、清理機干燥以及破殼、殼仁分離，已經(jīng)達到了非常高的機械化水平。這些國家是采用振動原理使樹上成熟的核桃落到地面上，接著再利用清掃集條機將地面上分散的核桃搜集到一起，接著再由撿拾清理機撿起去除葉子等雜物并搜集起來裝到箱子里，最后就等待著青皮剝離。在青皮剝離和烘干工藝加工上在生產(chǎn)線里一般是一起完成，并依據(jù)需要是否進行破殼取仁等下一步對核桃的工藝加工，機械化程度非常之高，這樣省時省力、效率高、品質(zhì)好。
國外有一些關(guān)于核桃脫青皮的論文、專利等，他們的脫皮原理大概分為四種擠壓、揉搓、刷洗、切割，在美國的脫核桃青皮機使用揉搓、擠壓的原理專利有如專利號為： 2，147，002[5]、6,422,137[6]、5,404,809[7]等；使用鋼絲刷刷核桃青皮的原理，或刷去青皮用一定壓力的水清洗的去核桃青皮原理專利有如專利號2，208，239[8]、4，034，665[9]等。國外的去核桃青皮的機械設(shè)備是不適合我國的青皮核桃剝青皮，且查閱資料發(fā)現(xiàn)國外的取核桃青皮的機器不經(jīng)濟，價格比較高，不宜加工制作，不合適我們?nèi)ツ７?。再者說國外和國內(nèi)的核桃種植培育、收獲加工所采用的方式方法也是不一樣，國外在核桃去青皮的研究上已經(jīng)飽滿啦，所以去核桃青皮的機械設(shè)備不會再去研制開發(fā)了。例如美國，從1904年到現(xiàn)在這77年都沒有去普通核桃青皮的一些相關(guān)方面的專利了，也就有四個去山核桃青皮機械的專利[20]。
1.2.2國內(nèi)機具機及發(fā)展狀況
在我國，近年來許多農(nóng)戶在核桃采收方面都采用提前收獲的方法，以此同時核桃的產(chǎn)量也在快速的增加，這樣就導致了去核桃青皮的領(lǐng)域飛快的發(fā)展。我國的去核桃青皮機械總的來說結(jié)構(gòu)簡單，通用性不好，在對一些個別的核桃品種脫青皮才有一定的作用[10-12]。以下原因可以證明：第一，在我國種植的核桃品種非常繁多，品種不一樣的青核桃其三維尺寸有著較大的差異，這就給去核桃青皮的機械研究帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。第二，雖然我國在核桃的產(chǎn)量方面是非常龐大的，但是每個農(nóng)戶的產(chǎn)量低且不集中分布，這對大型的脫核桃青皮的機械規(guī)?；募庸な遣辉试S的，因此對去核桃青皮機械的研制也無形中提出了要求，體積上必須要小，價格上必須要實惠、便宜，這也給研究具有良好性能的去核桃青皮機構(gòu)帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。
我國種植核桃雖然比較早，但是核桃品種不單一，因此核桃青皮的薄厚程度也是不同,在核桃的加工方面也是比較落后的，在加工水平上遠遠不如那些發(fā)達國家。目前國內(nèi)的去核桃青皮機械都存在一些問題，比如研究花費高、青皮脫不干凈、加工工藝復雜等問題。國內(nèi)已有去核桃青皮的加工方法和機械成品如下：
（1）堆漚脫青皮法[13]
核桃成熟采摘之后以500mm左右的厚度堆在一起晾曬在室內(nèi)或室外陰涼處，再往上面放上一層秸稈提高保溫的效果，有利于促進青皮脫離的速度。在正常的情況下，堆漚五天左右核桃青皮就會裂開，在用人工進行脫皮。人工剝青皮的效率非常低，一個人一小時的作業(yè)量大約是100斤，在核桃成熟旺盛的時期，人工的勞動強度將特別大，由于人工的效率低將會使青皮核桃在堆漚過程中發(fā)生霉變，嚴重影響外觀和實用價值，這也對核桃的銷售產(chǎn)生很大的影響。
（2）化學藥品處理法[27]
采摘后的青皮核桃在表面上噴灑濃度為35000~45000mg/kg的乙烯利，利用化學方法催熟后在堆漚起來。催熟的效果即所用時間的長短與乙烯利的濃度和青皮核桃的成熟程度都有關(guān)系，核桃的成熟程度越高或化學藥品的濃度越高催熟的時間就越短。這種去核桃青皮的方法與堆漚法去核桃青皮的原理佷像似，也是存在著耗人力大，另外用化學藥品對環(huán)境、水污染、人體皮膚都有一定的影響。
（3）冷凍轉(zhuǎn)熱熔化處理法[27]
成熟的核桃進行分類、挑選，在用速凍機或單體凍結(jié)機或冷庫等一些制冷設(shè)備冷凍，通常把溫度設(shè)置在零下5℃～25℃，凍透的標準是核桃青皮全部結(jié)冰，在薄皮的時候青皮內(nèi)嵌有明顯的冰屑，凍透的時間通常是一天到兩天之間。當核桃青皮凍透后，在進行升溫0℃以上融化。融化可以采用自然堆放12h或用溫開開水、熱風等快速的融化。這種技術(shù)效率高、無污染，但采用熱水熱風消耗大、不經(jīng)濟、工藝復雜等。
（4）機械脫青皮法
經(jīng)檢索文獻，介紹幾種國內(nèi)機械脫核桃青皮的原理：
① 刮削原理，這種原理是通過刮削部件與青核桃之間做相對運動來完成脫皮（如圖1-3bc所示），常用的刮削部件是金屬片或鋼刷。優(yōu)點是通用性強，缺點是脫皮效率低。梁勤安等人在2004年研制了6BXH-800型核桃青皮剝離機，用鋼絲刷脫青皮、毛刷清洗機相結(jié)合的方法實現(xiàn)核桃的青皮剝離。在自治區(qū)內(nèi)多為薄皮核桃，去核桃青皮的加工中硬殼易破損，核桃仁外露，所以沒有大量的投入使用。[14]
② 擠壓原理，這種原理是通過擠壓力來完成脫皮（如圖1-3d所示），局限性大、適用性低，還容易把核桃硬殼擠壞，這種缺點太多。如專利CN200920140238.9，帕合爾鼎等人利用擠壓、摩擦的作用原理實現(xiàn)核桃的青皮剝離研制了6TXH-600型剝離、清洗一體機，采用物料在向出料口運動的過程中，核桃在滾刀和柵條之間的擠壓、摩擦作用、水流的清洗下，實現(xiàn)核桃的青皮剝離，但是由于核桃本身的物料學特點，核桃青皮仍然不能有效地去除。[21]
② 切割原理[15-16]，這種原理是通過刀片與青核桃之間的相對運動來完成脫皮（如圖1-3a所示），優(yōu)點是通用性強，缺點是容易把核桃殼割壞。王合等人利用脫皮刀鋼刷的共同反復刮摩的原理設(shè)計一種去核桃青皮機構(gòu)，核桃的青皮被脫下后在離心力的作用下從出料斗出去，核桃堅果在滾筒呈螺旋葉片的推動下，向滾筒后部運動。此方法必須要先將核桃青皮腐爛到一定的程度，因此也沒有解決核桃去青皮的問題。
（a） （b） （c） （d）
圖1-3青核桃脫皮原理示意圖
1.2.3課題的提出
針對 “十三五”期間特色林果業(yè)納入國家重點扶持產(chǎn)業(yè)，我們要大力發(fā)展林果業(yè)機械化設(shè)備，提高林果基地綜合收益和生產(chǎn)效率，增加農(nóng)民收入。本研究針對我區(qū)青皮核桃去青皮機械化程度低，不能滿足生產(chǎn)實際的現(xiàn)狀。把研究的切入點放在核桃青皮以及核桃硬殼的物理特性上，進而開展核桃脫青皮的機理與核桃去青皮機構(gòu)的設(shè)計研究，研制出核桃機械化脫青皮機構(gòu)，擴大機械化程度，也大大減少化學藥品對青核桃的處理，提高了核桃的食用安全性。
本研究借鑒帕合爾鼎等人研制脫皮刀輥去核桃青皮的脫青皮方式[21]。通過刀片去切削核桃青皮，再利用鋼絲刷的摩擦、揉搓來去掉部分未由刀片切削掉的青皮，同時噴灑水管不斷滴水由毛刷清洗硬殼核桃表面的粉末。
該項技術(shù)的研究能夠有效的去除核桃的青皮解決核桃初加工的問題，這為我區(qū)實現(xiàn)特色林果業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)性支持，所以核桃去青皮分離技術(shù)及機械設(shè)備的研制與開發(fā)更新?lián)Q代勢在必行，這不但降低了核桃的發(fā)霉率、節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率，為我區(qū)果農(nóng)帶來了巨大的經(jīng)濟效益，而且也為我區(qū)的社會穩(wěn)定做出了一定的貢獻。
1.3設(shè)計方案
1.3.1設(shè)計目標
以青皮核桃與硬殼核桃的三維尺寸為切入點，研究設(shè)計去核桃青皮機器，解決我區(qū)去青皮機械化低的問題。該方案設(shè)計的機器目標為：生產(chǎn)率600kg/h，去青皮效率。
1.3.2研究方法
（1）青皮核桃物理特性研究
的核桃品種有六種：扎343、新豐、溫179、溫185、新早豐、新新2號，以扎343、新新2號、溫185三個品種為研究對象，采用試驗或查閱文獻分析已有數(shù)據(jù)的方式研究青皮核桃和硬殼核桃的三維尺寸及含水量，同時分析核桃的三維尺寸、成熟度對去青皮的影響。
（2）脫青皮方法的研究
通過借鑒國內(nèi)外核桃去青皮的理論和機型的去青皮方式，研究青核桃去青皮機理：第一分析青皮核桃的物理性能特點，設(shè)計核桃的青皮分離篩網(wǎng)的一些重要參數(shù)和結(jié)構(gòu)，使去掉的核桃青皮更有效地與硬殼核桃分離，提高純凈度；第二青皮核桃在撥料板的輸送刀片的切削鋼絲刷的摩擦、揉搓作用以及毛刷的清洗作用，設(shè)計出刀片、鋼絲刷、毛刷的一些重要參數(shù)和具體結(jié)構(gòu)，有效實現(xiàn)核桃的去青皮。
（3）脫青皮機具的研究
通過青皮核桃的物理性能特點、脫青皮機理與方法研究有效的結(jié)合，設(shè)計出去核桃青皮的理論結(jié)構(gòu)，用UG建模裝配，設(shè)計出去核桃青皮的整機結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件、傳動機構(gòu)，用計算機的數(shù)字化模型對青核桃去皮機運動仿真，并不斷對青核桃去皮機進行整機優(yōu)化。
1.3.3技術(shù)路線
通過青核桃去皮機的研究內(nèi)容，確定的技術(shù)路線如圖1-4。確定去核桃青皮方案
核桃脫青皮國內(nèi)技術(shù)
青皮核桃物理性能特點
核桃脫青皮國外技術(shù)
機構(gòu)的設(shè)計計算
UG-NX裝配建模
否
運動仿真是否按預期運動
是
對去青皮核桃機不斷優(yōu)化
圖1-4技術(shù)路線
1.4 應用前景及意義
本文針對核桃去青皮機具的工作原理，把重心放在其關(guān)鍵的去青皮機構(gòu)的研究上，進行脫青皮的機構(gòu)設(shè)計與仿真，形成一套核桃脫青皮的有效設(shè)計，為去核桃青皮機具的推廣打下深厚的基礎(chǔ)。
由于我區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的調(diào)整，核桃已經(jīng)成為我區(qū)特色經(jīng)濟作物之一，大力推動我區(qū)的經(jīng)濟作物發(fā)展，栽培總面積420萬畝之多，到了盛果期后，年產(chǎn)量可達23.42萬噸，可加工成高級食品原料，成為我區(qū)的經(jīng)濟效益來源之一。核桃的收入已占到果農(nóng)年收入的50%左右，核桃種植業(yè)已開始成為核桃主產(chǎn)縣市促進農(nóng)村農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、可持續(xù)增收的優(yōu)勢主導產(chǎn)業(yè)。
去核桃青皮機的研發(fā)推廣，解決了青核桃初加工過程中的技術(shù)難題，為核桃產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。核桃種植效益的提升會帶動核桃的種植面積會逐年擴大，進而會形成以核桃為核心的產(chǎn)業(yè)鏈，帶動相關(guān)行業(yè)的大力發(fā)展，為提高我區(qū)的經(jīng)濟水平做出了有力的貢獻。
2 青皮核桃物理性能特點
核桃的品種不單一，每個核桃品種的青皮厚度、果實硬殼硬度是不一樣的，為了成功設(shè)計青皮核桃去皮機的去皮機構(gòu)，需要對不同的品種進行參數(shù)實驗研究，從核桃的青皮、硬殼作為出發(fā)點，一步步去解決所有核桃品種的去青皮問題。
由于實際客觀原因，無法對青皮核桃做實驗性能分析，只能查閱文獻獲得數(shù)據(jù)，青皮核桃、青皮、果實的三維尺寸及青皮含水率對去核桃青皮機的設(shè)計有著舉足輕重的作用。通過青皮核桃的三維尺寸，可以確定去皮部件與青皮分離網(wǎng)格柵板之間的間距，從而有效的保證核桃青皮能被完全去除；通過果實的三維尺寸和青核桃的青皮厚度，可以確定青皮分離網(wǎng)格柵板空隙的大小，從而有效的保證核桃去除的青皮與硬殼核桃完全分離；通過青皮含水率，可以確定核桃青皮與硬殼核桃分離的最佳時間，從而有效的保證去核桃青皮效果。
2.1 青皮核桃及果實的三維尺寸
青核桃是由核桃青皮及硬殼核桃（俗稱果實）組成，當核桃成熟時，核桃外層的青皮與硬殼核桃會分離，核桃的青皮就會很容易去掉，青皮核桃的外形特征如下圖2-1所示：
2-1-a 扎343青皮核桃 2-1-b新新2青皮核桃
2-1-c溫185青皮核桃
圖2-1三種青皮核桃的外觀圖
通過查閱前人的實驗數(shù)據(jù)來獲取核桃青皮與硬皮核桃的三圍尺寸。經(jīng)查閱文獻[17]，青皮核桃和硬殼核桃的直徑如下表2-1所示：
表2-1三種核桃中尺寸
樣品號
溫185
新新2
扎343
青皮核桃
硬皮核桃
青皮核桃
硬皮核桃
青皮核桃
硬皮核桃
1
55.1
39.8
49.1
36
57.1
38.8
2
51.7
38.3
48.7
35.5
56.8
38.3
3
54.6
39.2
49.7
36.6
57.6
39.2
從以上圖表可以看出，青皮核桃與硬殼核桃直徑相差13-17mm，核桃青皮的平均直徑取為7.7mm。硬皮核桃的平均直徑取為40mm。
2.2 青皮核桃的青皮含水率
由于客觀原因無法對核桃青皮含水率進行試驗測定，只有通過查閱文獻數(shù)據(jù)對核桃青皮含水率分析。經(jīng)查閱文獻[18-19]，核桃青皮中的水分達到90%，核桃青皮的厚度會隨核桃的成熟度越來越癟，核桃青皮水分損失越高，核桃青皮就越粘附在硬殼核桃上，越難去除核桃的青皮。每當核桃成熟的時候，核桃青皮的顏色會從綠色變成黃綠色，這時的水分為55%-65%，青核桃中青皮與硬殼特別易分開。
2.3小結(jié)
本章根據(jù)核桃的物理性能特點，分析三種品種的三維尺寸、質(zhì)量、含水率。
（1）青皮及硬殼核桃的三維尺寸可以確定分析篩筒柵條間隙的大小，實現(xiàn)核桃的青皮與堅果完全分離。間隙過小，則核桃青皮不能通過間隙下落從出料口排出，從而達不到青皮與硬殼核桃的分離；間隙過大，則會造成尺寸較小的硬殼核桃從柵條間隙中擠出。
（2）青皮水分的含水率直接影響青皮在硬殼核桃上的附著力，進而影響去青皮效果，查閱文獻青皮含水率在55%-65%之間，青皮與硬殼最易分開。
因此，對核桃的果實、青皮尺寸、含水率的研究是解決核桃去青皮機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
3 青核桃去皮機的總體設(shè)計
3.1核桃去青皮的典型方法
目前市場上去核桃青皮常用的方法：
（1）切削式脫青皮機：由刀刃擠壓核桃，用刀刃對核桃進行切削去皮，再用鋼刷進一步把未去掉的皮刷凈，從而達到去核桃青皮的效果。同時可以調(diào)節(jié)外筒的位置來改變刀具的位置，對核桃的大小沒有太大的局限性，滾筒上有孔槽為了使去除的核桃青皮與核桃硬殼分離[22]。
（2）滾筒式脫青皮機：通常采用鼠籠滾筒的結(jié)構(gòu)，青皮核桃在滾筒旋轉(zhuǎn)的擠壓力作用下達到去皮的效果，為了脫凈效率的提高，在該機械中添加了鋼刷結(jié)構(gòu)。滾筒上的孔槽是為了使去除的核桃青皮與硬殼核桃的分離。該脫青皮機器能夠很好的去除核桃青皮，但是不能夠持續(xù)的加料，脫去的青皮容易被滾筒滾壓成黑色粘稠狀，嚴重污染環(huán)境，且需要對此加工的核桃再進行二次加工，實用經(jīng)濟性較差，去皮的效率較低[23]。
（3）擠壓揉搓剝離式去青皮：通過對核桃的擠壓、揉搓而達到青皮與硬殼核桃的分離，該方法去皮的效率較低，還容易破壞核桃的硬殼[24]。
3.2核桃去青皮方案的選擇
通過對已有去核桃青皮的原理整合對比及對青皮核桃、青皮、果實的三維尺寸和核桃青皮含水率的分析我提出以下兩種解決核桃去青皮的方案：
（1）用鋼釘和剛刷作為去核桃青皮核心部件，鋼釘與鋼刷共同分布在主軸上，首先利用鋼釘滾筒去破壞核桃的青皮，再利用鋼刷把破壞掉的青皮完全去除。這種方案優(yōu)點能很好地去掉核桃的青皮，缺點是青皮核桃容易被扎在鋼釘上而影響其余核桃去青皮的效率。示意圖如下圖3-1所示
圖3-1鋼釘、鋼刷去皮示意圖
（2）用兩對四片刀片對柵筒上的青核桃進行切削、刮蹭去青皮，接著用鋼絲刷先進行簡單的清洗（粗清洗），去掉未去除的部分核桃青皮，再由毛刷進一步的清洗（精洗）。其原理簡單、結(jié)構(gòu)易設(shè)計和制造，實用性較高，對機器的轉(zhuǎn)速要求不高。示意圖如下圖3-2所示
圖3-2 刀片、鋼刷去皮示意圖
通過兩種方案的對比，方案二具有較好的實用性，能夠很好的去除核桃青皮并能清洗核桃，因此選擇方案二。
3.3核桃去青皮機的結(jié)構(gòu)
去核桃青皮機主要由去青皮、粗洗、精洗等三大功能，同時具有進料口、出料口、出青皮口、清洗淋水管等輔助機構(gòu)，再由動力和傳動機構(gòu)共同組成。人工把青核桃倒入進料口，在旋轉(zhuǎn)軸的帶動下沿滾筒做圓周運動，通過刀片的刀刃切削作用去除青核桃的大塊青皮，被去除的核桃青皮通過滾筒上面的縫隙滑落從排污口排出。如果滾筒內(nèi)部出現(xiàn)堵塞，可以卸去滾筒上面的螺釘對滾筒內(nèi)部進行清理。刀片兩兩之間之都有一定的空隙，當青皮核桃放入過多時，部分青皮核桃會從刀片間隙向下滑落，減小刀片及連接桿所受阻力，非常有效的防止了電動機過載現(xiàn)象。
在刀片去除青皮之后，通過具有具有一定角度的撥料板及具有一定線性的滾筒同時作用下，青皮核桃繞主軸旋轉(zhuǎn)的同時向前進給，進入粗洗滾筒。粗洗滾筒設(shè)計了一定大小的圓洞，保證硬殼核桃不下落的同時，使硬殼核桃未去凈的青皮在剛刷的摩擦下刷去青皮并從洞口滑落。粗洗滾筒的頂部具有噴灑水管，由水管噴灑的水與四把鋼絲刷對核桃進行清洗，鋼絲刷的摩擦與揉搓來去除核桃表面未完全去除得青皮，經(jīng)過多次的刷洗、摩擦、揉搓使核桃各個表面青皮有效地去除。被去掉的核桃青皮從圓洞中排入排出口，由噴灑水管水的下流沖出。由于四把鋼絲刷的排列不是垂直于軸而是與軸具有一定的角度，核桃經(jīng)過粗洗后向前進給，進入精洗滾筒。在精洗滾筒中，由于鋼絲刷的摩擦、揉搓、擊打的作用，核桃表面會附有一定的粉末物。
精洗滾筒內(nèi)有毛刷，去除青皮后的核桃在滾筒里由軸帶動毛刷旋轉(zhuǎn)與毛刷摩擦，同時也在噴灑水管的沖洗作用下，使核桃表面的粉末物被洗刷干凈并排出。核桃在旋轉(zhuǎn)的過程中具有很大的離心力，會一直貼在滾筒內(nèi)壁清洗。毛刷的安裝也不是垂直于軸而是具有一定的角度，會把核桃繼續(xù)往前進給，從出料口排出，從而完成核桃去青皮、清洗的工作，獲得潔凈的硬殼核桃。不斷地從進料口倒入青皮核桃，核桃去青皮、清洗完成后從出料口排出，青皮從排料口排出，這樣就完成了核桃去青皮及清洗的工作，代替人工作業(yè)，大大提高了生產(chǎn)效率。本機器適用于家庭及小型農(nóng)作坊，操作簡單，維修方便，成本較低，省時省力，實用性較強。
1. 電機 2.張緊輪 3.主軸 4.軸承5.進料口6.去皮滾筒上蓋 7.粗洗滾筒 8.噴淋水管 9.精洗滾筒 10.出料口 11.機架 12.排污口13.去皮滾筒下蓋
圖3-3 外部結(jié)構(gòu)圖
14.去皮撥料組 15.鋼絲刷組件 16.精洗板組件
圖3-4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
3.4核桃去青皮的原理
青皮核桃從進料斗倒入，落到去皮滾筒中，旋轉(zhuǎn)運動的刀片碰到青皮核桃時會切削核桃，核桃在刀片的切削力和柵條的擠壓力共同作用下使青皮被大塊的切削掉，同時在受撥料板的撥動下旋轉(zhuǎn)并向前運動，在運動過程中核桃之間的擠壓滾動使核桃向刀片上方移動，最后會脫離此刀片落到柵條滾筒中，被下一刀片繼續(xù)切削。如下3-3所示：
圖3-5切削示意圖
3.5核桃去皮機清洗原理
清洗過程如下流程圖所示：
由刀片去完青皮，核桃表面未除凈得部分青皮
在粗洗滾筒內(nèi)被鋼刷揉搓、摩擦去除部分青皮
在精洗滾筒內(nèi)由毛刷去除核桃表面附著物
清洗完成后由排料口排出
圖3-6流程圖
青皮核桃在去皮滾筒內(nèi)去掉大塊的青皮后被推進粗洗滾筒，此時核桃表面可能會附有部分青皮，在粗洗滾筒內(nèi)會被鋼刷揉搓、摩擦、擊打使青皮完全被去除。粗洗滾筒的內(nèi)壁上有一定大小的空洞，保證核桃不落下的同時，排出去除的雜物。鋼絲刷斜置安裝不僅刷洗核桃的部分青皮，且給于核桃軸向進給力的作用，核桃不斷被刷洗，達到一定高度滾下，繼續(xù)換面，是各個面都被刷洗干凈。如圖3-4所示，完成粗細后，核桃會被推入精洗滾筒，水管不斷滴入水流，在斜置的精洗板撥動下在滾筒內(nèi)壁滾動，由毛刷刷洗掉顆粒狀附著物，最后在撥料板的撥動下從出料口排出。
(a) (b)
(c) （d）
圖3-7清洗工作原理圖
3.6核桃去青皮機構(gòu)的傳動原理
傳動結(jié)構(gòu)由電機、張緊輪、帶輪構(gòu)成，在符合工作要求的情況下優(yōu)先選用經(jīng)濟實惠的電動機。帶傳動在傳動、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟等多方面具有很大的優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)機械上使用非常合適，因此傳動結(jié)構(gòu)上優(yōu)先選擇帶傳動。青皮核桃去皮機的傳動原理是由電動機帶動皮帶輪進行一定的減速，將合適的轉(zhuǎn)速傳遞到主軸上，由主軸帶動軸上的去皮部件、清洗部件來進完成去青皮、清洗一系列的工作。
1.軸上皮帶輪 2.張緊輪裝置 3.電機上皮帶輪
圖3-8核桃去青皮機構(gòu)傳動機構(gòu)
4 傳動裝置的設(shè)計與選用
4.1電機的選擇
依據(jù)機器在作業(yè)中所需要的功率和動力來選擇合適的電動機。 由查閱已有的研究數(shù)據(jù)及和相關(guān)的資料得，青皮核桃的平均質(zhì)量大約為m=0.06kg，去核桃青皮的撥桿組件中每兩個撥料板的有效距離大約為0.4m。每個核桃去青皮所需要的力大約為30N。對研究取理想情況，近似計算，由動能定理得：
（4-1） （4-2）
其中上式中：
m—每個青皮核桃的質(zhì)量（kg）；
v—撥料板線的速度（m/s）；
n—撥料板的轉(zhuǎn)速（m/s）；
D—撥料組件的直徑（m）；
F—刀片對青皮的切割力（N）；
△S一青皮核桃受到切割的相對位移（m）；
依據(jù)去皮條件可得：去皮力＜F＜破殼力
查閱文獻[24]可得去青皮所需要轉(zhuǎn)速為160r/min～230r/min，取主軸的轉(zhuǎn)速為180r/min
因此單個青核桃去皮所需要功率為：
（4-3）
由公式4-2計算得撥料板的線速度為：
（4-4）
所以由公式4-3得單個青核桃去皮所需要功率為：
由核桃去青皮機參考數(shù)據(jù)得：生產(chǎn)效率為：600kg/h,得出該去青皮機每秒可以脫凈0.17kg青皮核桃，因此需要去青皮總功率為：
（4-5）
該機器是由去青皮、粗洗、精洗三部分組成，并且清洗所需要的功率會小于去青皮所需要的功率，為保障機器正常地運行，總功率取去青皮功率的三倍：
（4-6）
查閱相關(guān)機械資料可知帶傳動的傳動比大，則小帶輪的包角將減小，帶傳動的承載能力降低。因此，帶傳動的傳動比不宜過大，一般為，推薦值為：
（4-7）
查《機械設(shè)計手冊》第4版得型號為Y100L-6的電動機符合該機器作業(yè)條件，其主要性能如下表4-1所示：
表4-1 電機參數(shù)
電機型號
額定功率（kw）
滿載轉(zhuǎn)速（r/min）
同步轉(zhuǎn)速（r/min）
質(zhì)量（kg）
Y100L-6
1.5
940
1000
33
4.2傳動比的確定
總傳動比為：
（4-8）
由此可以取出V帶的傳動比，初步取i=5.2。
4.3 帶輪的確定
為保障該去青皮機器動力傳遞的穩(wěn)定性，皮帶要選取承受能力較強的。
第一級皮帶與電動機軸相連，因此功率損耗可忽略不計，=1.5kw
傳遞到第二級皮帶上的功率為：
（4-9）
P—傳遞到皮帶上的功率（kw）；
—電機功率（kw）；
—帶的傳遞效率 ；
經(jīng)查閱相關(guān)文獻可獲得數(shù)據(jù)：
將數(shù)據(jù)代入公式（4-9）得：
（4-10）
經(jīng)計算主軸上的輸入功率為1.38kw，所以選擇合適的皮帶參數(shù)來傳遞動力。
假設(shè)以每天工作時間8h來進行設(shè)計：
（1）確定計算功率P：
通過查找《機械設(shè)計基礎(chǔ)》第五版表13-8可得:
（4-11）
式中：
p—輸出功率（kw）；
KA—工況系數(shù)1.1；
P—電機傳遞功率（kw）；
求得：
（4-12）
（2）選擇V帶型號：
依據(jù)p、n、電動機屬性 ，從《機械設(shè)計基礎(chǔ)》第五版里圖13-3中可以查出最適合的帶型為A型。
（3）確定大帶輪d2，小帶輪d1的基準直徑：
查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》第五版中表13-9可知，d1應不小于75mm，故選取主動輪直徑d1=75mm，從動輪基準直徑d2為:
（4-13）
（4）驗算帶的速度 :
（4-14）
（4-15）
因此所選帶的速度合適
（5）中心距a與v帶的基準長度Ld的確定：
初步選取中心距為：
（4-16）
符合：
（4-17）
根據(jù)公式 :
(4-18)
式中：—帶的基準長度（m）；
—帶輪中心距（m）；
—小輪直徑（m）；
—大輪直徑（m）；
求得：
（4-19）
通過《機械設(shè)計基礎(chǔ)》第五版里的表13-2，可以選用Ld =2240mm
因此可以計算出實際中心距a：
（4-20）
（6） 驗算主動輪上的包角α；
包角公式為:
(4-21)
則，主動輪包角：
因此主動輪包角合適。
（7）計算V帶的數(shù)量z：
（4-22）
已知數(shù)據(jù),,,通過《機械設(shè)計手冊》第五版查表可得：
，
將數(shù)值代入上式中，經(jīng)計算可得：
因此取z=2
4.4. 軸的校核
在機器作業(yè)過程中，主軸要承受軸上所有零件的壓力，以及軸上所有零件作用于青皮核桃時的轉(zhuǎn)矩。因此先計算出軸的最小直徑，經(jīng)《機械設(shè)計基礎(chǔ)》第五版查得軸的最小直徑公式。
軸的最小直徑為：
（4-23）
式中：
d—主軸最小直徑（mm）；
τ—軸的許應扭切應力（MPa）；
p—軸上所得功率（kw）；
n—軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；
C—軸用材料和承載情況確定的常數(shù)；
由上述計算已知以下數(shù)據(jù)：
軸的轉(zhuǎn)速:n=180r/min
軸的輸入功率:p=1.38kw
求軸的轉(zhuǎn)矩：
（4-24）
求得：
該軸為主要工作部件動力源，設(shè)計要求強度高，故選用45鋼，調(diào)制處理，抗拉強度>600MPa，屈服強度355MPa。
根據(jù)以上已知條件帶入公式4-23求得軸的最小直徑為：
設(shè)計主軸最小直徑
該軸上分布的主要零件分別為刀片、鋼刷、毛刷，把它們近視看作長方體進行計算質(zhì)量。
求出軸的彎矩和扭矩后，針對危險界面（刀片1面）做彎矩合成強度校核計算。按第三強度理論計算應力：
（4-25）
對于直徑為d的軸，彎曲應力為,扭矩切應力其中抗拒截面系數(shù)，取。則軸的彎矩合成強度條件為：
因此該軸可以滿足強度要求保障正常工作。
5 青皮核桃去皮機結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1撥料板斜置角度的計算
由本文第二章青皮核桃的物理性能特點可知道去核桃青皮的效率受很多因素的影響，首先是青皮核桃、青皮、果實的三維尺寸及青皮含水率等因素。青皮核桃形狀較圓且青皮比較薄時，青皮含水量就較少成熟度就較高，此時青皮核桃去皮較容易。而青皮核桃的青皮比較厚，青皮含水量就較多，此時的青皮核桃是尚未成熟，青皮與核桃硬殼的附著作用較強，就不易去掉核桃的青皮。加大粗洗的工作量?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明[25]，不同采收期對核桃去青皮效果的影響較為顯著。每當核桃成熟的時候，核桃青皮的顏色會從綠色變成黃綠色，這時的水分為55%-65%，青核桃中青皮與硬殼特別易分開。影響核桃去皮率的因素還有核桃在去皮滾筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，既撥料板的斜置角度。
圖5-1 不同采收期對核桃去青皮效果的影響[25]
我區(qū)核桃品種眾多，通過實驗的方法去獲取核桃青皮及硬殼核桃的三維尺寸。但是由于實際客觀原因，無法對青皮核桃做實驗，只有通過查閱前人的實驗數(shù)據(jù)來獲取核桃青皮與硬皮核桃的三圍尺寸。經(jīng)查閱文獻[17]，青皮核桃和硬殼核桃的直徑如下表5-1所示：
表5-1三種核桃中尺寸
樣品號
溫185
新新2
扎343
青皮核桃
硬皮核桃
青皮核桃
硬皮核桃
青皮核桃
硬皮核桃
1
55.1
39.8
49.1
36
57.1
38.8
2
51.7
38.3
48.7
35.5
56.8
38.3
3
54.6
39.2
49.7
36.6
57.6
39.2
由表5-1得青皮的平均尺寸如下：
青皮核桃的平均直徑d1為：
硬殼核桃的平均直徑d2為：
青皮平均厚度b1=7.7mm：
則：青皮核桃平均體積V1為：
（5-1）
式中：
—青皮核桃平均體積（mm）；
r—青皮核桃平均半徑（mm）；
硬殼核桃平均體積V2為：
青皮平均體積V3為：
（5-2）
青皮在每把滾刀上去除體積為：
將被切下青皮每個面都近似看為平面，則切下青皮可近似看成長方體。則所切青皮塊體積為此長方體的體積，切刀為斜置15°，青皮厚度=7.7mm，則每刀去皮量為，每圈去皮刀數(shù)為
每圈去除青皮量V4為：每刀去皮量刀數(shù)
（5-3)
式中：
—核桃在滾筒內(nèi)最小切割圈數(shù)；
—青皮平均體積；
—每圈去除青皮量；
去皮滾筒對核桃的有效去皮長度為=1000mm，則每圈需軸向進給距離為167mm。
主軸所需工作轉(zhuǎn)速為N=180r/min，軸向進給速度=N×l2=501mm/s。
對置撥料板及連桿有效直徑已知為mm；有效周長為：
（5-4)
式中：
—滾筒有效周長（mm）；
π—圓周率（取3.14）；
—撥料桿有效直徑（mm）；
（5-5)
式中：
—核桃在滾筒內(nèi)線速度（mm/s）；
—滾筒有效周長（mm）；
N—主軸所需工作轉(zhuǎn)速（r/min）
核桃在滾筒內(nèi)的運動如圖 5