低損花生脫殼裝置設計

陸 榮

（遼寧生態工程職業學院，沈陽 110000）

花生含油量豐富，在農業生產中占有極其重要的經濟地位。相關研究顯示，花生機械脫殼的工作效率是人工作業的40 倍以上，但是果仁在機械脫殼過程中難免受損傷，容易失油、污染、霉變和遭到黃曲霉毒素侵染，嚴重影響質量，因此研制低損高效的花生脫殼裝置對于實現花生脫殼的機械化具有重要意義[1]。

1 花生脫殼原理分析與方案比較

1.1 花生脫殼原理分析

目前，機械式脫殼原理主要有打擊式、碾搓式和擠搓式，多采用滾筒和凹板篩作為脫殼部件。打擊式脫殼部件采用打板或打桿配合柵條式凹板篩或網式凹板篩?；ㄉv果受到快速旋轉的打板或打桿的打擊撞在機殼內壁上，隨內壁角度被彈回，再次進入打擊區域。果殼在反復打擊、碰撞下開裂實現脫殼。打擊式脫殼生產率高，但是果仁破損率為10%～20%，因此主要用于榨油或深加工用花生的脫殼，不適用于育種[2]。碾搓式脫殼對果殼的作用力既有碾壓又有剪切。脫殼部件為滾齒和凹板篩。滾齒轉動，凹板篩固定，落入的花生莢果被帶入滾齒與凹板篩的間隙，受到碾壓后開裂。擠搓式脫殼使花生莢果同時受到擠壓力和剪切力。為達到良好的擠壓效果而不增大破碎率，脫殼部件多采用橡膠材質。

3 種機械脫殼原理中，打擊式脫殼效率最高，多應用于大中型脫殼機，但是果仁破損率高，比較適合榨油用花生脫殼。碾搓式脫殼效率次之，果仁破損率較低，多用于小型花生脫殼機，供農戶在田間使用或育種脫殼。擠搓式脫殼由于采用柔性脫殼部件導致脫殼效率最低，體積較大，雖然果仁質量較好，但是市場應用并不多。

1.2 脫殼布置方案比較

現行花生脫殼機包括臥式和立式兩種。臥式脫殼機構雖然具有結構簡單、調整和操作要求不高、可靠性好等優點，但是有效脫殼面積不到脫殼部件的1/2，導致整體脫殼效率較低。脫殼后的花生果仁易隨滾筒繼續旋轉，不能及時從凹板篩縫隙脫出，增加損傷概率，導致脫殼破損率較高。立式脫殼部件軸線垂直，凹板篩（或碎殼壁）與滾筒均為圓錐形，同心套在滾筒外側，有效工作區為360°，脫殼面積大。脫殼后可利用自身重力離開脫殼區，減少果仁損傷，降低花生的破損率，可應用于對果仁質量要求較高的出口和育種花生的脫殼。文章針對立式倒置錐體滾筒花生脫殼裝置展開研究。

2 倒置錐體花生脫殼裝置設計

倒置錐體花生脫殼裝置由均布喂料裝置、錐形脫殼滾筒和錐形凹板篩組成。倒錐式脫殼筒為上大下小的中空圓臺，外側安裝螺旋橡膠筋條。脫殼過程中，筋條與花生莢果產生相對運動，增加對莢果的擠壓和碾搓，與篩條共同作用實現脫殼。使用橡膠材質可以避免剛性沖擊，而且采用螺旋設計能夠對莢果群產生向下的導向作用，使已經脫殼的莢果在脫殼后盡快離開脫殼區間，減小損傷，并驅動未脫殼的莢果向下流動。直立錐滾筒式花生脫殼裝置模型，如圖1 所示。為設計合理的筒與篩的結構尺寸及參數，有必要分析花生莢果脫殼時的受力情況。

圖1 脫殼裝置模型

2.1 脫殼受力分析

倒錐式脫殼筒、脫殼篩具有一定的錐角。為方便花生莢果流入脫殼筒、脫殼篩縫隙，篩子錐角應略大于脫殼筒的錐角，且兩錐角的角度不能相差太大?；ㄉv果在脫殼區間內受到筒壁、筋條、篩條及其他花生莢果的作用力，既有脫殼部件的擠壓、剪切和摩擦作用，又有莢果與莢果之間的擠壓、摩擦作用，受力較為復雜。為深入分析，進行如下簡化：將花生莢果視為軸徑為零的質點，所受各力均過質心；將篩條視為全部沿著母線方向的絕對圓錐形；將兩個角度近似視為相同角度，以簡化分析過程；將篩條與內層莢果、筒壁的作用力簡化為沿筒壁的切向力Nsz和法向力Nsx?；ㄉv果隨脫殼滾筒以轉速n順時針旋轉，與滾筒筋條在P點接觸，如圖2 所示。

圖2 花生莢果受力分析

建立空間力系平衡方程為

式中：α為脫殼篩、脫殼筒的傾角，半錐角，°；β為橡膠筋條與水平軸的夾角，°；Fa為花生莢果所受離心力，N；G為花生莢果的重力，N；Nj為筋條壓力，N；Ffs為篩條摩擦力，N；Ffj為筋條摩擦力，N。

花生莢果所受離心力公式為

式中：m為花生莢果質量，kg；ω為花生莢果角速度，rad；R為花生莢果所處位置的脫殼篩半徑，m。

篩條與筋條的摩擦力公式分別為

式中：μs為花生莢果與篩子間的摩擦系數。

式中：μj為花生莢果與脫殼筒筋條間的摩擦系數。

令式（1）中各項為0，經過推導可得出篩條與內層莢果、筒壁作用力的法向力、切向力和筋條壓力公式，即

為保證脫殼篩的剛度，脫殼筋條采用45#鋼，其與花生莢果的摩擦系數為0.437[3-4]。由受力分析可知，莢果受力與轉速n、篩筒傾角α、筋條傾角β有關。轉速越大，莢果所受剪切力和擠壓力就越大，更易造成果仁損傷?？紤]旋轉穩定性，n取300～400 r·min-1。篩筒傾角α越小，莢果所受擠壓力越大，剪切力也越大。為使莢果能夠在重力下自由下落，應使篩筒傾角α＜66°。綜合考慮力學性能和結構限制，選取半錐角α為30°～50°。筋條傾角β控制脫殼間隙中物料的下落速度，β越大，莢果所受剪切力越大，對莢果的螺旋推動作用就越小，可減輕脫殼損傷，取30°～60°為宜。

2.2 脫殼裝置設計

脫殼裝置由倒錐式脫殼筒和倒錐式篩組成，為適應不同品種花生脫殼，脫殼筒上方設置脫殼間隙調整連接盤。選用圓柱狀的柵條篩，篩頂平面高于筒頂平面，上部篩筒間隙大于底部篩筒間隙，篩條間的底部縫隙小于頂部縫隙，便于未能在上方脫殼的尺寸較小的花生莢果能在靠近底部處脫殼，提高脫凈率[5]。為防止莢果未經脫殼便從篩縫中流出，設計篩子頂部間隙小于93%的莢果直徑，大于99%的花生仁直徑，最終取頂端間隙為11 mm。直徑大于11 mm 的莢果在脫殼過程中果殼破裂，果仁從縫隙下落。底部篩條間隙應略小于頂部篩條間隙，以適應較小尺寸的莢果，改善擠壓和剪切效果，可取為9 mm。令脫殼篩與筒之間頂部圓周間隙為t1，底部圓周間隙為t2，底部垂直距離為t3，脫殼筒、脫殼篩間隙設計如圖3 所示。

圖3 脫殼筒、脫殼篩間隙設計

為使花生順利流入，頂部間隙應大于花生寬或厚的最大值，且不大于3 倍莢果寬度或厚度的最大值，同時不大于莢果長度的最大值[6]，綜合分析后取t1=30 mm。能夠落到脫殼區間底部的莢果一般尺寸較小，底部間隙應小于最小莢果寬或厚的尺寸，大于最小果仁的尺寸，取t2=6～10 mm。t3的大小變化直接影響t1和t2值。間隙調整通過在固定脫殼筒、脫殼篩處增加墊片來實現，脫殼筒、脫殼篩的設計參數如表1 所示。

表1 脫殼篩、筒設計參數

3 結語

文章分析了花生脫殼原理，研究了花生脫殼布置方案的特點并進行比較，根據低損花生脫殼機的基本要求，確定了立式倒置錐體滾筒式花生脫殼方案。對花生在脫殼區間進行受力分析可知，莢果受力與篩筒傾角α、筋條傾角β和轉速n有關。根據錐形脫殼滾筒和脫殼凹板篩的幾何設計參數，確定了環形脫殼間隙等關鍵部件的參數范圍，可為參數優選提供理論基礎。