核桃仁脱皮机设计

摘要：核桃仁脱皮机主要将核桃仁在进行食品和饮料生产前进行脱皮处理。脱皮机的整个工作过程是先将核桃仁进行烘烤，然后人工将经过烘烤的核桃仁放入脱皮机料斗中，核桃仁通过滚子传送装置自左向右进行传送，石英颗粒经过高压气带动自上而下对平铺在传送装置上的核桃仁冲刷脱皮，去皮后经过分离装置将种皮和核桃仁进行收集。本研究设计的脱皮机利用颗粒冲刷脱皮法，对核桃果仁进行脱皮。通过对脱皮部分与电机的选型配套，滑动轴承的选择，滚子轴的传动设计计算，传动装置的运动参数及动力参数计算，结构设计与布置，设计出一种核桃仁脱皮机。

关键词：机械设计;脱皮机;核桃仁;喷砂;颗粒冲刷脱皮法

中图分类号：S226.4文献标志码： A文章编号：1002-1302（2020）13-0271-05

收稿日期：2019-03-16

基金项目：陕南秦巴山区生物资源综合开发协同创新中心资助项目[编号：QBXT-Z（P）-15-12];陕西理工大学科研资助项目（编号：SLGQD16-01）。

作者简介：彭峰生 （1972—），男，陕西汉中人，博士，副教授，主要从事机械设计及理论和农业机械化装备方面科研与教学工作。E-mail：pfengsheng@126.com。核桃仁种皮的主要成分是碳水化物、钙、磷、铁、硫胺素、核黄素、尼克酸等。若直接食用有一種苦涩的味道，会影响食用的口感及深层次的加工[1-3]。目前，核桃仁去皮方法主要有人工方法、机械方法（湿法、粉碎方法）等2大类[4-6]。手工核桃仁去皮方法人工费用高、劳动强度大、效果差、生产效率远远不能满足市场需求。人工方法效率低，不适应工业化食品加工需求。机械湿法去皮工艺复杂，设备成本高，该方法需要用强碱或高温水蒸气处理，一定程度上会造成核桃仁营养损失、核桃仁变软及碱性化学残留，直接影响核桃产品的营养价值与口感风味，同时碱液排放还会造成环境污染。机械粉碎法加工虽然克服了湿法加工的一些缺点，但会对核桃仁产生一定的破碎作用，影响核桃仁的完整度，使核桃仁的利用受到限制，并且破坏了核桃仁本身的结构，后续只能用于加工核桃粉或饮料产品，加工食品种类受到很大限制[7-10]。

在食品机械中的许多部位可用不锈钢替代使用[11]。此外，在与食品接触的部位还可考虑使用陶瓷等材料。因此，本试验设计中与核桃仁接触的部分选用奥氏体型不锈钢。

1 核桃仁脱皮机的工作原理

本试验的设计提供一种核桃仁干法去皮机。其基本工作原理：经烘烤后的核桃仁进入储料箱内，由下料挡板控制核桃仁均匀地在导板上流过，转动调节手柄即可调节核桃仁的流量。经过导板的核桃仁进入脱皮装置内，在辊轴的带动下，核桃仁呈由左向右水平运动，并实现核桃仁的自转。利用高压空气控制喷砂斗中的石英颗粒充分地对核桃仁表面的种皮进行冲刷，利用石英颗粒的冲击和摩擦作用，使核桃果仁和种皮分离，其原理与金属喷砂除锈相同[12-14]。冲刷后的核桃仁被传送到出料口。石英颗粒由于滚子轴之间的间隙掉落下去，通过收集斗进行回收，通过高压风力形成的负压对石英颗粒进行循环再利用。种皮与核桃仁的分离效果，可通过改变石英颗粒的流量进行调整。

2 核桃仁脱皮机部件的结构设计

2.1核桃仁脱皮机的整体结构

核桃仁脱皮机是一种组合式设备。它由核桃仁传送装置、核桃仁去皮装置和核桃仁与种皮分离装置等3大部分组成，主要包括进料装置、核桃仁去皮装置、石英颗粒回收装置、机械传动系统及机架等组成（图1）。

由图1可知，整机支架部件是核桃仁去皮机的主要支撑部件，它承担所有来自轴及电动机的冲击和载荷。它的坚固性是核桃仁去皮机工作稳定、运转平稳的基础，因此机架无论是从结构上还是从材料上，都应该采用坚固的稳定的材料和样式制成。整机支架部件可以采用角钢焊接而成，起到对其他几个部件的支撑、定位、连接的作用，整个部件的高度、宽度是由其他零件的安装尺寸决定的。电机安装在整机支架部件里的支撑板上面。下箱体安装在整机支架部件上面，联接处采用普通螺栓连接。

由图1可知，上箱体和下箱体共同构成喷砂脱皮的工作空间，提供一个半封闭的去皮环境，它们与支架本体通过普通螺栓连接在一起。下箱体与整机支架部件通过普通螺栓连接在一起。为便于轴系部件的安装和拆卸，取辊轴的中心线所在平面为剖分面。上箱体和下箱体的材料选用奥氏体不锈钢。经过反复考虑、研究和讨论，确定核桃仁脱皮机的总体结构，包括动力机构、动力传送系统、滚子结构传送机构、石英颗粒回收机构等。

2.2上料的结构设计

由图2可知，储料箱部件主要由导板和调节板组成。导板通过铆钉与上箱体的前侧面固定，导板具有向下的倾角，起到控制核桃仁向辊轴运动的作用。调节板、调节手柄与调节盘焊接在一起。调节盘可以绕固定在上箱体后侧面的轴转动。调节盘上开有圆周布置的若干个调节孔，上箱体的后侧面也加工有一个轴线与调节盘最上方位置孔同轴的孔，在该孔内插入圆柱销，就可以固定调节盘的位置，从而固定调节板的位置。拔掉圆柱销，通过调节手柄的转动，就可以控制调节板的位置。

设计要求上料时，最好只是平铺1层，且核桃仁平放在传送机构滚子上，以免在脱皮过程中由于核桃仁的堆积导致下方核桃仁未经过石英颗粒冲刷直接从出料口端运出。从结构简图（图2）可以看出，料斗下部的核桃仁滑出料斗由于滚子的带动向右运动;料斗上方的核桃仁靠重力下滑，当运动到调整板左下端时，只允许一层核桃仁平躺通过。这种设计合理，且满足要求。它巧妙地利用了滚子轴本身为核桃仁提供了一个动力。

2.3传送装置的结构设计

由于该脱皮机采用石英颗粒冲刷的方法去除核桃仁种皮，因此在核桃仁传送过程中，不仅要求核桃仁的自转以保证石英颗粒对核桃仁的各个部分冲刷均匀，而且石英颗粒要和核桃仁分离。结合以上的要求，采用滚子结构的传送带，滚子传送装置如图3所示。

滚子轴的直径为10 mm，核桃仁的最小宽度即1/4核桃仁的宽度为10 mm，滚子轴之间的中心距应小于核桃仁的最小宽度加上滚子轴的直径，因此确定2个滚子轴之间的中心距为17 mm，即滚子轴外侧之间的距离为7 mm，核桃仁的最小宽度大于滚

子轴外侧之间的距离，保证核桃仁在滚子传送装置传输的时候不会从2个滚子轴之间掉落。滚子轴上焊接1 mm宽度的不锈钢条，实现核桃仁传输途中的自转，使石英颗粒可以对核桃仁的各个部位进行冲刷，以保证核桃仁的去皮效果更好。

核桃仁传送装置由滚子轴、滑动轴承、橡胶圈等组成。核桃仁去皮装置由喷口、颗粒物输送通道、漏斗状回收装置等组成，石英颗粒通过风力的带动对核桃仁表面进行冲刷实现去皮。核桃仁与种皮分离装置，经过石英颗粒冲刷过后，去掉的核桃仁种皮会覆盖在核桃仁表面，通过风机把种皮去除掉。

由于滚子轴只承受了径向力，并且两轴之间中心距较小，因此选用滑动轴承。

2.4冲刷及颗粒回收部件的结构设计

冲刷与回收部件如图4所示，上箱体（图1）的上表面留开口，开口大小与喷砂斗匹配，并由上箱体支撑喷砂斗。下箱体下表面也留有开口，开口大小与石英砂收集斗匹配，石英砂收集斗与下箱体固定在一起。喷砂斗和石英砂收集斗共同支撑石英砂通道。

冲刷部分由喷砂斗、输送管道、石英砂收集斗、喷砂调节开关等部分组成。石英颗粒在砂箱中由风力带动经过输送管道到达喷射口处，喷砂斗口处设置有高压气源，石英颗粒在此处通过高压气源的作用产生一定的速度对传送装置上的核桃仁进行冲刷，传送装置中由于2个滚子轴之间留有足够的间隙，石英颗粒在完成对核桃仁的冲刷后将会下落到收集斗中。收集后的石英颗粒通过回收管道到达底部，通过高压空气的带动再次对核桃仁进行冲刷。

2.5机架

机架是核桃仁脱皮机的主要支撑部件，它承担

所有来自轴及电动机的冲击和应力，机架的坚固是核桃仁脱皮机工作稳定、运转平稳的基础，因此机架无论是从结构上还是从材料上，均应该采用坚固稳定的材料和样式制成，就此核桃仁脱皮机来说，它的冲击载荷和内部的应力偏低。整个机架采用角钢焊接而成，起到其他几个部分的支撑、定位、连接作用，整个机架的高度、宽度由零件安装的尺寸来决定，并且合理地安排零件的安装位置。电机安装在机架里面及机架的支撑板上面。脱皮装置部分安装在机架上面，联接处采用普通螺栓连接。

3脱皮机工作过程

由图1可知，箱体的作用是提供一个封闭的脱皮环境，并对相关结构起到支撑和定位作用。为便于轴系部件的安装和拆卸，取轴的中心线所在平面为剖分面。箱座和箱盖采用普通螺栓连接。箱体的材料选用奥氏体不锈钢。

由图2可知，经烘烤后稍微放凉的核桃仁倒入料箱内，通过调节手柄可调节核桃仁的流量、控制调节板，实现核桃仁均匀地在导板末端流过，同时控制核桃仁向下流动量的大小，尽量保证核桃仁呈现单层的状态进入辊轴传送装置内，实现最佳的脱皮效果。

由图3可知，辊轴式传送装置部件主要由辊轴支架和多根辊轴组成。辊轴支架是安装辊轴和橡胶轮轴的载体。辊轴支架上间隔均匀地开有橡胶轮轴的安装孔和滚动轴承的安装孔，用于安装橡胶轮轴和滚动轴承。辊轴为阶梯轴，轴端较粗位置安装在滚动轴承的内孔里，较细的轴段安装有橡胶轮。橡胶轮轴的轴端也安装有相同的橡胶轮。橡胶轮轴的轴线与滚动轴承安装孔的轴线间距刚好保证所有橡胶轮正确接触传递运动。各橡胶轮形成外啮合的摩擦传动关系，最前面第1根辊轴的另一端装有皮带轮（图1中的13），在电机轴端带轮和V带的带动下，刚好保证所有辊轴同向转动，从而保证核桃仁在辊轴上的单向运动，并且能够翻滚。

由图4可知，石英喷砂装置部件主要由喷砂斗、石英砂通道、石英砂收集斗等构成。喷砂斗主要作用是控制高压风携带的石英砂颗粒均匀地喷向平铺在辊轴上的核桃仁，随着辊轴的转动，核桃仁不断地翻滚，从而保证脱皮的效果。石英砂通道上部呈半圆形，圆弧顶端接高压风管，高压风由高压气源提供。石英砂收集斗的主要功能是收集噴砂斗喷出的石英砂，并将其汇集到石英砂通道下部呈半圆形管道内。高压风管中的高压风从喷砂斗喷出时，在石英砂通道的下部形成负压，该负压将堆积于石英砂通道下部呈半圆形管道内的石英砂沿通道吸入喷砂斗中，从而实现石英砂的循环工作。石英砂通道的直管部位设置有喷砂调节开关，用于实现喷砂量大小的调节。

石英颗粒物冲刷去皮采用压缩空气为动力，在喷砂斗内形成高速喷射流，将石英颗粒高速喷射到核桃仁的表面，利用石英颗粒的冲击和摩擦作用，使核桃果仁和种皮分离，经过翻滚冲刷后的核桃仁由辊轴传送到出料口。冲刷后的石英颗粒由于辊轴之间的空隙掉落下去，通过石英砂收集斗进行回收，通过风力对石英颗粒进行循环再利用。夹杂在核桃仁中的种皮被喷出的风吹送，从出料板的接口空隙飞出，实现种皮与脱皮核桃仁的分离，脱皮后干净的核桃仁沿出料板落入收集箱中，实现核桃仁机械化去皮的功能。

4主要结构与技术参数计算

4.1主要技术参数

根据设计要求和设计思路，主要技术参数如表1所示。

4.2电动机的选取

电机的选择包括选择类型、结构形式、容量（功率）和转速，并确定型号。

核桃仁脱皮机在工作的过程中消耗动力的部件为滚子传送机构。

首先确定滚子传送机构在工作过程中所受的力和损耗的功率。该部分在工作过程中主要是克服核桃仁和滚子之间的摩擦力。滚子传送机构的长度为374 mm，宽度为298 mm，核桃仁（完整核桃仁去掉中间分心木）即一半核桃仁的尺寸为30 mm×20 mm（下文中所提到的一个核桃仁即为此处的一半核桃仁）。按照一次通过脱皮装置最多核桃仁计算，即按照核桃仁的长度方向与脱皮装置的长度方向一致计算，一次最多通过185个核桃仁。即

374/30× 298/20=185。（1）

一半核桃仁的质量估计为5 g，即铺满脱皮装置时核桃的质量G为185×5=925。核桃仁脱皮机的生产效率为100 kg/h，即1.7 kg/min。则滚子轴的线速度Vg（m/s）为

Vg=374×1 700/925=1.15×10-2。（2）

滚子轴的转速ng（r/s）为：

ng=Vg/πD=11.5/10×π≈0.4，即24 r/min。（3）

一次性铺满脱皮装置的核桃仁的质量为 9.25 N，核桃仁在输送过程中，同时与23个滚子接触，因此每个滚子所受的载荷很小，可以忽略不计。

按工作要求和工况条件，选用YL系列单相双值电容异步电动机，封闭式结构，电压为220 V，YL型。此系列的电动机具有高效节能、启动转矩大、过载能力强、运行性能好、噪音低等特点。防护等级为IP44，采用B级绝缘，频率为50 Hz。选用的电动机型号为YL90S4，该电动机各项参数如表2所示。

4.3减速器的选取

本试验的设计采用减速箱和皮带输出等2级减速。根据要求所选取的电动机的额定转速为 1 400 r/min，而经过计算得知滚子轴的转速为 24 r/min。系统总的传动比i为

i=i1·i2=1 400/24≈58.3。

式中：i1为齿轮箱减速器的传动比;i2为带传动的传动比。若取带传动的传动比i2为3，则齿轮箱的传动比i1约为19.4。因此，减速器可采用二级齿轮减速器。由于齿轮传动和带传动设计计算都属于简单常规设计计算，一般教科书都有详细介绍，因此此处不作具体计算。

5设计总结

本试验脱皮机是利用颗粒物冲刷的基本方法和原理而设计的。而现在市面上主要是人工脱皮，人工脱皮是手工将经过混合碱液浸泡的核桃仁剥皮，其方法簡单，但生产效率低，熟练的操作人员平均每人每天只能产出3～5 kg去皮核桃仁，且果仁在脱皮前都要经过浸泡，长期做该项工作对手有伤害，用该机器则可克服这些缺点。

本试验设计的机器的基本参数和特点如下：

（1）小型机械、结构简单、易制造、易操作、成本低、对生产条件的要求不高。

（2）核桃仁进入脱皮机后，平铺在滚子上，核桃仁通过滚子型传送机构实现自转并从左向右传送，去皮效果好。

（3）净率可以靠调整颗粒物的冲刷速度来提高;生产率可以用调整滚子轴的转动速度来控制，且这样调整不会增加机器的结构复杂程度。

（4）该机可以广泛用于核桃仁制作食品和榨制浓香型核桃油原料的初加工，是适应当代市场的有效机型。

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