开题报告

   鉴于现在社会生产力的发展,全球正处于高速全面发展阶段,各种自动化、半自动化的批量生产代替了手工劳动,以及核桃作为一种营养品也好,一种休闲食品也好,都要求其越来越大的量,越来越快的生产速度与生产效率,因此核桃破壳机的生产与发展刻不容缓,尤其是要求它的高效率性的必要。我国的核桃栽培面积约130万hm以上,主要种植区域在西南和西北。

   在国际市场上,核桃与杏仁、腰果、榛子一起并列为世界4大干果,核桃作为保健食品早已被国内外所认识。我国核桃总产量约3l万t,全国人均占有0.24kg。这与国际上一些国家相比相差甚远,如美国人均占有核桃1.5kg,是我国的6倍。所以迫切要求我国核桃破壳机的发展,完善的核桃破壳机可以提高生产效率,增加人均占有量。

二、相关研究的最新成果及动态

1、较前的发展状态  2001年时,国内外核桃破壳取仁有以下几种方法:①离心碰撞式破壳法。②化学腐蚀法。③真空破壳取仁法。④超声波破壳法。⑤定间隙挤压玻壳法。第一种方法,碎仁太多,所以应用很少;第二种方法,由于在实际操作中不好控制.仁易受到腐蚀,处理不好还会造成对环境的污染,因此人们不愿接受;第三、四种方法,设备昂贵,破壳成本高,且破壳效果不够理想;只有第五种方法值得探索。  但由于核桃品种繁杂,尺寸差异较大、形状不规则、壳仁间隙小,所以核桃的破壳取仁难度较大。破壳后还需进行壳仁分离。鉴于壳仁密度相差不大约为0.04g/cm,加之碎壳、碎仁上有许多毛刺,所以壳仁分离也有相当难度。

   当时解决以上难题的方法就需要将破壳取仁分解为分级、导向、挤压破壳多点、壳仁分离成四部分,逐一加以解决。[1]

1.2、近期的发展状态  2007年时,核桃破壳机的种类较少,大多采用定间隙多点挤压破壳。这种破壳方式存在一些不足。高路仁比率与破壳率不能兼顾,所以综合破壳效果不理想。

   可以考虑打击方式破壳,预期同时得到较高的破壳率和高路仁率。通过实验比较挤压和打击两种核桃破壳方式,并对核桃仁的破碎度和核桃壳的破碎度,以及整机破壳率进行综合比较,以确定一种较好的破壳方式。  以下就是实验内容[5]

   1)材料与方法

   A.试验材料与装置

   a.材料:温18560枚和扎34360枚核桃,新疆产量较大的核桃品种。

   b.装置:6HP-150型核桃破壳机进行挤压试验田;打击破壳的试验采用自制的打击装置,主要由打击块、电器控制部分所组成。

   B.试验方法

   将挤压破壳试验分成了2组,一组是平行喂人,即保证核桃从其长轴与挤压辊轴线平行的方向喂人挤压破壳机;另一组是垂直喂人,保证核桃从其长轴与挤压辊轴线垂直的方向喂入挤压破壳机。

   破壳后,按照核桃仁的大小分成3类,第1类:核桃仁等于整核桃仁的1/2,为一路仁;第2类:核桃刨、于整核桃仁的1/2,大于整核桃仁的1/4,为二路仁;第3类:核桃仁小于整核桃仁的1/4,为碎仁。

   按照核桃壳的大小分成2类:第l类:核桃壳小于1/4的较碎核桃壳,为小于1/4壳;第2类:核桃壳大于1/4,且小于1/2的较大核桃壳。为1/4,1/2壳。还有一些核桃被破开。但是核桃仁在壳中被卡住,不能自行从壳中脱落,为破开不完全核桃仁;最后是核桃几乎未被破开,为未破开核桃仁。2)试验结果与分析A.试验结果:扎343核桃破壳效果见表1。温185核桃破壳效果见表2。

表1:扎343核桃破壳效果

表2:温185核桃破壳效果  将未破开和破开不完全的核桃都进行手工破壳。然后用天平称出表1和表2中7类物质的质量,算出总的核桃仁和核桃壳的质量,并且求出各自所占比例。

B.结果与分析:扎343核桃的破壳试验结果见图1,温185核桃的破壳试验结果见图2。

图1:扎343核桃的破壳试验结果

图2:温185核桃的破壳试验结果

从图1和图2得出以下分析: (1)在温185和扎343两个核桃品种的破壳试验中,打击方式破壳所得到的一路仁和二路仁的比例均高于其他两种方式,其中以温185较为明显。说明打击方式有利于得到高路仁,见图11和图21。 (2)打击破壳方式所产生的核桃壳破裂不完全的比例较小,且打击方式核桃仁不易被卡在壳中。 (3)打击方式破壳所得到的碎壳小于1,4壳的比例较大,其中以扎343较明显。说明打击方式破壳有利于破壳后的分选,见图12和图22。 (4)扎343核桃的破壳试验中,打击方式破壳所得到的碎仁比例高于平行喂人挤压试验,但是平行挤压试验得到的未破开和破开不完全的核桃仁所占比例较大,故降低了一路仁和二路仁的比例。 (5)扎343核桃以打击方式破壳得到的破壳率较高,达到80%;温185以垂直喂人挤压破壳得到的破壳率高。

   3)结论

   A.打击方式破壳能得到较多的高路仁.破壳后的核桃壳较碎,有利于实现核桃的机械破壳。破壳的综合效果优与挤压破壳。

   B.核桃的品种与其破壳取仁效果密切相关。本试验中,温185核桃的破壳效果优于扎343核桃。

2、发展方向  在20世纪80年代中,吴子岳先生就通过对绵核桃的破裂方式的研究,提出了双齿盘?齿板式剥壳原理。齿盘和弧齿板的斜面角度为45°,长度为8mm。在倒角面上分布着一定尺寸的小齿。当绵核桃喂入到嗑剥装置时,齿盘的旋转带动绵核桃边旋转边向里挤入,一定间距的齿尖不断地沿着壳表面嗑压,使得裂纹不断扩展,部分壳与仁掉离出来,最后壳基本上完全破裂,碎壳和仁通过最小间隙向下掉下来。据测试,该机剥壳率在90%以上,高露仁率为70%~90%,其中低露仁率为30%~40%。但该机缺乏仁壳分离装置。

   近年来新疆农业大学等单位合作研究出6HP-150型核桃破壳机。该机由料斗、锥形分级滚筒,导向机构、破壳机构、传动机构以及动力装置所组成,依靠物料自身的重力自上而下形成一个系统作业流水线。其中所采用的分级机构为锥形滚筒栅式分级机构,它功率低。振动小,可实现无级分级,对工位数的适应性强。破壳是利用滚筒与弧板之间的挤压作用来实现的。分级、导向、破壳的各机构驱动轴线相互平行,大大简化了结构,降低了制造成本,并一次可实现5组不同尺寸的核桃破壳(即5个破壳工位),而且可根据需要增加工位数。该机露仁率在65%以上。

   可向自动化控制方向发展。因为目前,大多数机具仍依赖人工喂料或定位,影响了作业速度和作业质量。因此应通过机电一体化的手段,开发设计自动喂料、自动定位脱壳装置,保证均匀喂料与有效定位,实现机组自动化操作,进一步提高作业精确性和作业速度,提高产品质量与生产率,满足部分大、中型加工企业的需要,以开拓坚果加工品的国内和国际市场。

   还可提高机具的通用性。研制通过变换主要工作部件即能满足不同坚果脱壳作业需要的脱壳机具,并注意制造工艺水平与自动化、机械化和电气化水平,降低制造成本,以适应不同加工企业的需要。

   对坚果类农业物料加工工艺方法的研究,科技人员除了在原理上寻找新的突破外,应尝试用多种脱壳工艺方法联合使用,找出最佳组合,同时结合新的工艺方法,以提高需脱壳坚果的剥壳率和整仁率,满足农产品深加工的需求。

3、问题探讨

3.1 核桃的品种要适合于机械破壳

   ①为了获得更多的高路仁,培育出来的核桃要尽量向壳薄、横隔膜夹层退化的方向发晨,这样易于破出更多的整仁或半仁。⑦培育棱挑时还要考虑新培育出来的同一品系的核桃尺寸大小要相差不多在同一压缩变形量范围内都能很好地破壳,且尽量呈球形;不同品系的核桃尺寸大小也应尽量一致。这样就可免去破壳前的分级和导向,降低机械的复杂程度,从而降低机械的成本,提高破壳的可靠性。③因核桃壳和仁的密度相差很小,这给壳和仁的分冉带来了一定困难,能否通过农艺的手段增大壳和仁的密度差,从而降低壳和仁分离的难度。

3.2 破壳机械要向生产规模化方向发晨

   一方面破壳机械的生产要向批量化生产的方向发展,这样可以降低破壳机械的生产成本;另一方面核桃破壳要向上规模、上效益的方向发展。由于目前有相当一部分生产厂家是家庭作坊式的。没有形成规模,所以利润低。

3.3 提高破壳精度是提高路仁仁率的关键

   由于目前核桃新品种的产量比例根小,只占总产量的1/9左右,大部分还是中壳核桃,核桃径的尺寸大小不一。因此设计或改进破壳装置时应对以下几个方面加以考虑:

   ①果径不同的核桃,破壳时所需要的压缩变形量也不相同,因此破壳前需要对核桃进行分级;②破壳装置中除了齿板一偏心圆弧板破壳装置外,在破壳过程中都基本上没有实现核桃的滚动挤压。吴斌方等人的试验研究表明,如果核桃在挤压时能够实现滚动,就更有利于壳上裂纹的扩展和壳的破裂,更易于破出半仁或整仁,因此在破壳时应尽量实现核桃的滚动。要想实现核桃破裂时的滚动,就必须在破壳前对核桃进行导向。核桃分级和导向的累积误差,会在很大程度上降低高路仁率。由此可见耍想提高破壳效果,就需要提高核桃分级后的均匀度和导向率,即总体上提高核桃破壳机的破壳精度。

4、结论

   目前, 我国在传统脱壳设备的基础上, 尽管正在积极研制和开发各种类型脱壳机械, 但其发展相当缓慢, 同时成熟的机型及进行批量生产的不多, 远远落后于农产品深加工的需求。在技术上还存在如下问题:

   a 脱壳率低, 脱壳后的籽仁破碎率高, 损失大。

   b 作业成本偏高: 我国脱壳机械尚未形成规模和系列, 多数是单机制造, 制造的工艺水平较低, 故制造成本偏高。

   c 通用性差: 多数脱壳机只适应某一种颗粒的脱壳作业, 而不能够通过更换主要工作部件来适应其他颗粒的脱壳, 利用率低。

   d 机具性能不稳定, 适应性差。

三、课题的研究内容及拟采取的研究方法(技术路线)、研究难点及预期达到的目标

(一)研究内容:

   根据国内外核桃破壳机的研究结合所学的知识开发研究一种新型的核桃破壳机械,来提高核桃破壳的效率。

(二)研究方法(技术路线):

   (1)掌握机械CAD/CAM基本知识,完成山核桃破壳机的设计的三维造型设计及其工程图;

   (2)了解核桃的加工工艺,熟悉机械设计制造理论,为山核桃破壳的设计的设计奠定基础;

   (3)研究国内外核桃的加工工艺,深入了解山核桃破壳的过程,改进破壳机的设计方案;

   (4)分析核桃破壳工艺特点,确定山核桃破壳机的设计的设计的总体设计方案及总体结构;

   (5)山核桃破壳设计的主要零部件设计及必要的工艺计算;

   (6)绘制设计总图;

   (7)绘制设计各非标准零件图;

   (8)编写设计计算说明书。

(三)研究难点:

   本次课题研究的难点是如何提高山核桃的破壳效率。由于山核桃的品种不一,大小形状也不一,而且外壳坚硬对核桃整仁的破取有这一定难度。从国内现有的破壳机和国外的破壳机从中分析一定的利弊有些困难。

   还有对核桃整仁率的获取有一定的难度,要想去解决生产效率的问题必须解决核桃碎仁低的问题,这样才能提高产量和效益。

   破壳机中受力分析必须要进行试验才能达到预期的效果和效率。

(四)预期达到的目标:

   本课题旨在设计一台山核桃破壳机,以实山核桃破壳效率提高,能成批机械破壳。通过本课题的研究设计,巩固所学的知识,能熟练的从事机械的设计开发及熟练使用机械制图软件,为将来的生活工作学习打下坚实的基础。

2010.11.20~2010.12.20:接受任务,搜资调研,撰写文献综述、开题及外文翻译稿;

2010.12.20~2011.01.05:完成文献综述、外文翻译稿;

2011.01.05~2011.01.20:完成开题报告;

2011.02.20~2011.03.30:工艺分析,设计方案分析论证,确定总体设计方案;2011.04.01~2011.04.20:毕业实习;

2011.04.20~2011.05.10:总体结构设计,零部件结构设计;

2011.05.10~2011.05.20:撰写设计说明书;

2011.05.20~ :整理完善各种设计材料,答辩准备。

[1] 史建新,辛动军. 国内外核桃破壳取仁机械的现状及问题探讨[J]. 新疆农机化. 2001 6 : 29

[2] 袁巧霞. 我国坚果脱壳机现状及亟待解决的技术问题[J].农机化研究 .2001,03

[3] 史建新,赵海军,辛动军. 基于有限元分析的核桃脱壳技术研究[J]. 农业工程学报. 2005 3 : 185

[4] 赵小广,宗力. 坚果类物料脱壳技术应用与发展现状[J].新疆农机化. 2005,06

[5] 董远德,史建新,乔园园.核桃不同破壳方式的破壳取仁效果[J].新疆农机化.2007,(04)

[6] 李忠新,杨军,杨莉玲,韩小军,李新明.核桃破壳取仁工艺及关键设备[J].农机化研究.2008,(27)