机械破壳机结构、工作原理及应用.pdf

基金项目:河南省重大科技专项(编号:)作者简介:何婷,女,河南科技大学在读硕士研究生.通信作者:任广跃(),男,河南科技大学教授,博士.E m a i l:g u a n g y u e y a o c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()机械破壳机结构、工作原理及应用S t r u c t u r e,w o r k i n gp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a l s h e l l b r e a k e r何婷HET i n g张睿ZHANGR u i任广跃R ENG u a n g y u e段续DU AN X u李才云L IC a i y u n李亚春L IY a c h u n(河南科技大学食品与生物工程学院,河南 洛阳 )(C o l l e g eo fF o o da n dB i o l o g i c a lE n g i n e e r i n g,H e n a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,L u o y a n g,H e n a n ,C h i n a)摘要:脱壳率和碎仁率是带壳物料破壳的个关键指标,机械破壳则是提高上述关键指标的重要途径之一.文章分析了常见的带壳物料机械破壳方式、机械破壳类型、机械破壳原理及发展现状,总结了机械破壳设备的优缺点,并对目 前 机 械 破 壳 应 用 过 程 中 所 存 在 的 问 题 提 出 了建议.关键词:带壳物料;坚果;脱壳机械;脱壳率A b s t r a c t:S h e l l i n gr a t ea n dk e r n e lb r e a k i n gr a t ea r et h et w ok e yi n d i c a t o r so f s h e l l e dm a t e r i a l s,a n dm e c h a n i c a l s h e l l i n gi so n eo ft h e i m p o r t a n tm e t h o d st oi m p r o v et h e s ek e yi n d i c a t o r s I nt h i sp a p e r,t h ec o mm o n m e c h a n i c a ls h e l l i n g m e t h o d s,m e c h a n i c a ls h e l l i n gt y p e s,m e c h a n i c a ls h e l l i n gp r i n c i p l e sa n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fs h e l l i n g m a t e r i a l sw e r ea n a l y z e d T h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fm e c h a n i c a l h u l l i n ge q u i p m e n tw e r e s u mm a r i z e d,a n ds u g g e s t i o n s w e r e m a d ef o rt h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ec u r r e n t a p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a lh u l l i n g K e y w o r d s:s h e l lm a t e r i a l;n u t;s h e l l i n gm a c h i n e r y;s h e l l i n gr a t e脱壳是带壳物料加工过程中的一道关键工序,影响其后续的加工环节,其中坚果脱壳尤为突出.坚果是闭果的一个分类,壳较坚硬,如花生、葵花子、核桃、榛子、杏仁等.P r u s s i a等针对间隙较大的坚果运用高速撞击原理,研 究 了 坚 果 高 速 运 动 撞 击 破 壳 的 方 法;O l u w o l e等采用撞击法研制出了离心力剥壳机.文章拟对破壳机的结构、工作原理及其研究进展进行分析,以期为机械破壳在带壳类物料中的应用提供依据.机械破壳机的基本结构机械破壳是带壳物料破壳的主要方式,而破壳机的关键结构是决定破壳效率和破碎率的关键因素之一.目前,机械破壳机的核心结构主要有立锥式、对辊式、多辊式、离心撞击式、柔性带挤压式和挤压式种(见图):立锥式破壳机主要是通过内外辊筒间隙相对运动对物料进行脱壳,并能适应不同物料特性和尺寸特征;对辊式破壳机的主动辊和从动辊相对运动,辊表面有若干弧形凸起,增加了对物料的抓取能力;多辊式破壳机由破壳辊与多根辅助破壳辊构成间断性挤压;离心撞击式破壳机主要由进料口、破壳装置、出料口、转动装置组成,由破壳装置旋转脱壳盘高速旋转产生足够大的离心力;柔性带挤压式破壳机的传送带将物料传输到上挤压托与托板间隙破壳,需要调节脱壳间隙和楔形角度以适应不同物料;挤压式破壳机由碾压辊、传送装置、V形槽组成,物料进入两辊间挤压实现壳仁分离.机械破壳机的工作原理大部分带壳物料其壳质量占总质量比重较大,加工过程中影响完整果仁的提取.因此,壳、仁分离技术是进行精加工之前的一个重要环节,分离技术的优劣直接影响后序加工产品的质量.目前壳仁分离一般通过机械外力作用使坚果破裂,如表所示,目前主要利用离心力、挤压力、摩檫力、剪切力种作用力,采用撞击、挤压、碾搓、撕搓、切割、剪切、揉搓、摩擦种机械方式,进而实现撞击、滚、搓、揉、挤、切割等操作.其中,撞击法、挤压法、切割法适用于壳仁间隙较大的坚果,摩擦法适用于千粒重较小的物料.机械破壳在带壳物料中的应用在稻谷、荞麦及亚麻籽等物料脱壳中的应用如表所示,机械破壳机对带壳物料去壳的效果随喂料角度、脱壳间隙、转速的变化而变化,随着参数的增大,稻谷等物料的脱壳效果呈下降趋势.与手工、化学、激光等破壳方式相比,机械破壳的效率较高、成本较低.F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|图机械破壳机核心结构F i g u r eK e yb a s i cs t r u c t u r eo fm e c h a n i c a l s h e l l b r e a k e r表机械破壳类型及原理T a b l eT y p e sa n dp r i n c i p l e so fm e c h a n i c a l s h e l lb r e a k e r s类型原理适用物料文献切割法利用刀划痕来切割待破壳的籽粒外壳,同时运用揉、搓等作用来完成剥壳;直接利用刀片切割开果壳,实现外壳与籽仁的分离壳仁间隙大的物料撞击法在离心力作用下物料高速运动撞击到挡板上,脱离挡板后,壳、仁具有不同弹性形变而破裂,达到脱壳目的壳、仁间隙较大,结合力小,外壳较脆的物料挤压法通过挤压力作用使物料破壳外壳脆、壳仁间隙大的物料,碾搓法一般通过碾压和搓擦的方法,典型应用是物料在固定磨片和运动磨片间受到强烈的碾搓作用,外壳撕裂而脱壳外壳 硬 度 低,果 仁 不 易 碎 的物料,剪切法在刀架和转鼓间受到相对运动的刀板的剪切力作用,外壳被切裂主要适用带绒棉籽摩擦法籽粒与籽粒间,籽粒与机构间的擦离作用千粒重较小的物料撕搓法利用相对转动的橡胶辊筒对籽粒进行撕搓外壳柔韧性较高的物料,揉搓法基于揉搓机理,主要由两块带齿的揉搓部件和定位挡板组成外壳较脆的物料 通过建立机械模型对破壳机关键结构或参数进行优化研究,建立适当的三维数字模型和运用相关软件,成为研究的有效辅助工具.由于带壳物料种类复杂,不同物料及实际破壳机脱壳的预测结果需进一步研究,建立精确的三 维 数 字 模 型 更 有 助 于 提 高 物 料 的 脱 壳 率 和 碎仁率.机械破壳在坚果中的应用撞击法机械破壳利用仿真软件对破壳机的工作性能进行优化获得最优结构参数,其中转速、物料投喂量、冲击力及含水率等也是影响物料破壳的重要因素.由表可知,核桃、榛子通过撞击法进行破壳,对破壳机关键结构进行设计优化可达到脱壳目的.杏仁由于韧性较大,需足够的冲击力才能使核壳与仁分离,而采用撞击法的原理不易控制破壳参数,杏仁的壳仁不能有效分离.撞击方式通常不会使籽粒出现渗油或者仁和壳黏附的现象,但撞击力过大,壳仁破碎与壳粘连在一起,撞击力过小则达不到破碎的目的.挤压法机械破壳该方法原理为坚果受到破壳机施加的挤压力使果壳周围产生局部压力而破裂.对辊式挤压辊不仅可以调节间距还能一次性投入较多的坚果,可提高脱壳效率;将传统挤压辊进行优化,在辊表面设置浅窝坑、小角度螺旋卡槽,可减少滑幅,增加挤压稳定性.坚果脱壳会出现脱壳不完全或者漏剥,而二次剥壳结合力变小,不能施加过大的力,因此使用P V C工作带相向运动且在最优间距和上下速度差下,产生上下剪切力和挤压力而达到破壳目的;可调节式脱壳机,通过调节式的研究进展A DVAN C E S总第 期|年月|表机械破壳在稻谷、荞麦及亚麻籽等物料中的应用T a b l eA p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a l c r u s h e r i nc r u s h i n gr i c e,b u c k w h e a t a n df l a x s e e d物料方法研究内容结论文献稻谷挤压法、摩擦法胶辊 砻谷机工作参数辊间压力与线速差是影响稻谷脱壳率的两个重要因素,进机流量是影响脱壳率的主要因素,而快辊线速对脱壳率的影响相对较小 稻谷挤压法、摩擦法动力学仿真运用E D EM仿真模拟大米输送过程获得速度、运动轨迹数据,得到米粒绕碾辊螺旋前进的规律 稻谷剪切法谷粒 脱壳的影响因素谷粒在砻谷区域的运动方式随喂料角度的变化而变化;有效的脱壳方式为通过胶辊对稻壳的剪切作用解除小穗轴的连接和内外稃互锁;谷粒脱壳率随喂料角度的增加线性下降 稻谷摩擦法、挤压法对胶 辊砻谷机的主要 工作参数进行优化提出了砻谷工艺效果评价系数计算公式,通过仿真验证了评价及仿真方法的有效性;参数虚拟正交优化试验获得最优工作参数为轧距mm、线速差m/s、快辊转速 r/m i n 苦荞麦挤压法、揉搓法脱壳试验机确定最优间隙、压强、转速工作组合参数,但整仁率为,脱壳率为,主要是因为脱壳室压力动态调整机构不灵活 荞麦撞击法、摩擦法脱壳机性能参数当剥壳间隙接近mm时,出米率较高,相对碎米率较低,但随着速度的增加,碎米率呈二次函数递升,且剥壳间隙周向误差对碎米率的影响显著 亚麻籽摩擦法、碾搓法设计 脱壳机及壳仁分离设备仿真根据亚麻籽特征设计脱壳设备;通过对分离风道仿真选取 mm气道宽度;先进行风选再进行高压静电风选的效果较好 亚麻籽碾搓法影响 脱壳率和损失率的相关参数亚麻籽含水率、沙盘转速、沙盘间隙对脱壳率和损失率有显著影响 小麦揉搓法、摩擦法脱 皮 转 子 优 化设计有限元分析转子模型最大变形量,通过施加变形补偿验证离心载荷下的变形得到抑制,稳定性提高 薏仁撕搓法、挤压法设计 脱壳关键部件及仿真分析对脱壳核心机构进行设计、建模,验证可装配性,及薏仁在脱壳机中受力和运动仿真分析,提高脱壳率,减少破碎率 表撞击法机械破壳在坚果中的应用T a b l eA p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a l s h e l l e r i m p a c tm e t h o d i nn u t s物料研究内容结论文献核桃新型核桃二次破壳机撞击速度是影响破壳率和损失率最重要的因素,同时是否再次与撞击桶、离心板或其他核桃发生碰撞也会影响其损失率 核桃仿生敲击破壳方式当含水率为 ,直径为 mm(沿缝合线方向)时,破壳率为 ,果仁损伤率为,生产率为 k g/h,且破壳机参数的准确性与稳定性较好 核桃含水率、冲击力对核桃开裂的影响当含水率为,设计的离心式冲击破碎机产生冲击力为 J,速度 m/s时,破壳效果最佳 核桃基 于F EM的 工 程 模 拟撞击获得壳体、填料和内核的最大等效应力值分别为,MP a,碰撞时的最大反作用力为 k N 榛子二次碰撞破碎榛壳、壳仁分选吸式层选机使榛子果仁更好地脱离壳体,有利于壳仁分离 油茶果四通道全自动脱壳机设计该脱壳机的脱净率为 、茶籽破损率为,达到预期设计目标 葵花籽V形槽、离心橡胶棒设计仿真V形槽的角度为 ,大、小V形槽高度分别为,mm,橡胶棒分布下的脱壳效果较好 花生不同转速下撞击破壳破碎率与转速回归方程,最小破碎临界转速与时间变换回归函数|V o l ,N o 何婷等:机械破壳机结构、工作原理及应用双层多滚轮,可提高效率和解决脱壳不完全问题.其具体应用见表.刀片切割法机械破壳腰果壳含有黏性的壳液,果壳液中含有 左右的腰果酸且易脱酸为腰果酚,其反应得到的衍生物性能优越具有良好的加工性,可用于耐化学药品的工业涂料、合成橡胶、绝缘材料等,对于这一类坚果物料,因其化学特性和形态导致脱壳困难,使用切割法脱壳时影响切割脱壳的因素有:推果速度和切割弹簧装置推进距离以及推进时坚果的状态.其具体应用见表.剪切法机械破壳破壳前对核桃进行力学特性分析(刚度、内力、形变),是提高破壳率和破壳机设计的有效途径,其具体应用详见表.揉搓法机械破壳张禹鑫 利用差速对搓式破表挤压法机械破壳在坚果中的应用T a b l eA p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a l s h e l l e re x t r u s i o nm e t h o d i nn u t s物料研究内容结论文献核桃核桃破壳试验及影响核 桃破壳的主要因素挤压力的大小取决于破壳板间隙、硬度和摩擦系数,破壳效果与破壳机结构和物料有关,此外,还与喂料速度有关 核桃设计上料机构、破壳机构、传动机构核桃破壳率可达 ,整仁率为 核桃设计对辊挤压式核桃破壳装置当挤压辊I转速为 r/m i n,挤压辊转速为 r/m i n,挤压间隙为 mm时,破壳效果较好 核桃破壳及脱壳系统理论分析与试验研究得到理想脱壳率和整仁率的最优参数 核桃柔性带差速挤压脱壳系统分析上下带间距和速度差分别为 mm、m/s,张紧力为 N时,脱壳率为,整仁率为 榛子设计一种双层多滚轮可调式榛子脱壳机能对不同大小的榛子进行脱壳 榛子沙辊上设置均料件以及榛壳筛分件脱壳均匀干净,榛仁收集便捷,脱壳装置便于清理和维护,能耗少 榛子设计一对呈一定角度的圆柱滚筒和振动分筛机械能适应不同尺寸的榛子,使榛子脱壳向自动化、机械化发展 杏核关键部件结构优化设计研制出有浅窝坑定位、螺旋卡槽双点挤压和搓揉功能的新机型,且壳仁分离快,粉尘污染减缓 杏核机具关键部位设计与仿真当破壳间隙为mm、喂料速度为 k g/h,差速比为 时,杏核破壳试验样机的破壳效果达到最佳 杏核主动辊设置若干个弧形凸起弧形凸起的齿顶高度为大小杏核之间的厚度差,可适应不同大小杏核,使杏核受到挤压破壳 表刀片切割法机械破壳在坚果中的应用T a b l eA p p l i c a t i o no fb l a d ec u t t i n gm e t h o do fm e c h a n i c a l s h e l l e r i nn u t s物料研究内容结论文献腰果影响腰果切果状态的因素腰果尺寸与性质、投料方式、导轨材质、推果速度等,对腰果脱壳整仁率有较大影响 腰果推果速度、切刀装置中弹簧压缩距离及进果时腰果的状态当刀口距 离 为 mm,推 果 速 度 为 r/m i n,弹 簧 压 缩 距 离 为 mm,采用趴着头部方式进果时,整仁率为 腰果灰色神经网络对不同刀具参数下腰果整仁率的预测灰色神经网络的收敛速度较快,预测值与真实值吻合较好,平均误差为 腰果对梳平组件、分离组件、筛选装置、开壳装置进行研究自动对腰果进行破壳与果、壳分离,实现梳平推挤腰果,单个腰果分离朝向开壳,筛分果与壳,效率提高 腰果设计可调节破壳刀具及筛分操作简单,能耗少,稳定性好,破壳率高,但需要分级 榛子设计连续剥壳装置切割刀装置切割后再经压盘挤压,达到连续将榛子和榛仁分离的目的 板栗对板栗物理机械特性、剥壳力学进行设计分析及剥壳机结构设计可满足于不同成熟度和不同尺寸的板栗剥壳,在节省加工成本的同时降低了能耗、提高了效率 板栗脱壳关键零部件优化和仿真优化后转盘、刀具工作时的最大应力分别降低了 和 研究进展A DVAN C E S总第 期|年月|表剪切法机械破壳在坚果中的应用T a b l eA p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a l s h e l l e rs h e a r i n gm e t h o d i nn u t s物料研究内容结论文献扁桃脱壳过程中加载损伤分析确定脱壳机最优组合参数,其脱壳率为 ,破损率为 花生滚筒凹板筛式脱壳机破碎仿真分析一定条件下,滚筒速度增加,破碎率增大;间隙增大,破碎率减少;随着喂入量的增大,破碎率呈先增后减趋势 橡胶籽运用E D EM对 组 合 式 脱壳机构进行模拟脱壳率与整仁率实测值与仿真值相差分别为,核桃物料力学特性分析、脱壳机设计当挤压角度 为 时,核 桃 可 进 入 挤 压 空 间;挤 压 辊 间 距 为 mm,当为 时核桃开裂,当为 时核桃断裂 核桃设计机械破壳装置核桃壳破裂率为,核桃仁破碎率为,核仁外露率为,提高了核桃壳的破裂率,降低了核桃仁的破碎率 壳机得到了高脱壳率和低破碎率,并分析了物料的物理特性(胸径、端径、含水率、摩擦因数)和力学特性(弹性模量、临界破壳力、破壳变形率、撕裂临界力).汤晶宇等 分析了锥结构式对油茶果的主要影响因素,包括滚筒转速、脱壳区间形式与材料、滚筒锥角与脱壳筒间隙等,提出了锥结构式设备除了通过受力分析来计算影响破壳因素的合理取值范围外,还需确认其他因素对破壳装备设计参数的影响.结论机械脱壳是大多带壳物料破壳的有效方法之一,操作简单、物料处理量大,能够按照设想到达破壳关键部位.但现有机械脱壳法脱壳率低,果仁损失率高、籽仁的破碎率高、通用性差且成本偏高、脱壳机稳定性差、适应性不强,破壳方式单一,工艺水平较低且耗能高.为提高脱壳效率,降低破损率,建议:研制机械破壳的辅助技术,如激光法、化学法、微波法、真空法等原理,以提高脱壳率和破碎率;优化机械破壳结构设计,进一步完善和提高机械脱壳机理;研发新型联合机械破壳机构,充分利用离心力、挤压力、摩檫力、剪切力等作用力,将撞击、挤压、剪切、揉搓、摩擦等两种以上机械方式融为一体,以适应多种带壳物料;精确、高效、低耗及自动化是机械破壳机未来的发展方向,且计算机人工智能自动化的开发有助于机械破壳机在带壳物料中的发展.随着机械破壳在带壳物料破壳方面研究的不断深入,机械联合破壳技术将更加成熟,破壳效果将更显著,应用范围也将更加广泛.参考文献1 刘亚娜,杨小红,耿阳阳,等.不同野生榛子果实特性及营养成分分析J.中国粮油学报,2021,36(1):117122.LIU Y N,YANG X H,GENG Y Y,et al.Analysis of fruitcharacteristicsandnutritionalcompositionofdifferentwildhazelnutsJ.Journal of the Chinese Cereals and Oils Association,2021,36(1):117122.2 PRUSSIA S E,VERMA B P.Apparatus for cracking edible nuts:US4467710AP.19840801.3 OLUWOLE F A,ABDULRAHIMA T.Evaluationofsomecentrifugal impaction devices for shelling bambara groundnutJ.International Commission of Agricultural 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