核桃剪切挤压柔性破壳取仁的机理分析与实验研究

摘要

为提升农民收入水平，加快农村经济发展，建设社会主义新农村，近年来我国把核桃产业列为重点项目。目前，核桃种植规模、产量及其产值已经在全国特色农林经济产业中处于先进水平，在世界上也达到领先地位。随着核桃产量和市场需求不断地增加，核桃深加工也成为科研和生产中日益凸显的问题。传统手工加工的破壳取仁方式已经严重影响了生产效率和产品质量，因此创新设计一种自动机械化的核桃破壳取仁设备在全国推广使用，以解决核桃加工落后的现状显得意义重大。目前所存在的核桃破壳取仁设备主要采用刚性元件，存在破壳率和露仁率低的问题，多数剥壳机一味追求剥壳率的提高，导致高的核桃仁破碎率，损失率较高，并且对不同品种的核桃适应性差。采用柔性元件并设计合理的机构能有效提高破壳率和露仁率，减少对核桃仁损害，提高了整仁率。
　　本研究课题利用自行研制的核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离设备，重点对柔性带剪切挤压破壳及脱壳取仁系统进行结构设计与破壳取仁机理分析，并对柔性带剪切挤压破壳及脱壳取仁效果进行实验验证，具体研究内容如下:
　　1、针对目前核桃生产加工中破壳取仁工序存在的问题，分析了目前核桃破壳取仁方法的优劣，得出机械装置的方法较为理想;针对不同的机械破壳方法，综述了国内外核桃破壳以及脱壳取仁机械设备研究现状，并对坚果破壳过程中的力学特性的国内外研究现状进行了分析。在上述分析的基础上，提出了基于剪切挤压机理柔性带核桃破壳取仁的研究课题。
　　2、进行了核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离装置的结构设计，设计了柔性带剪切挤压破壳及脱壳系统(Ⅰ)，柔性叶片锤击取仁系统(Ⅱ)，气力与柔性螺旋叶片耦合作用下核桃壳仁滚筒双向分离系统(Ⅲ)系统，并分析了每个系统中的关键技术和工作原理;对核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离装置的有益效果进行了分析;设计了新型核桃分级设备，并对核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离装置三个系统中各自相应的部件进行改进设计。
　　3、分析了核桃的几何特征和物理参数，测量了核桃的三维尺寸和核桃壳的厚度，得出了核桃球度和核桃四个不同位置的壳厚;研究了核桃破壳及脱壳的机理，分析了核桃壳体的力学性能，利用弹性力学理论得出核桃壳体不同位置失稳的临界力值;利用薄壳理论探究了核桃外壳的破裂源，并计算出核桃壳不同位置裂纹产生和破碎时的临界力;利用断裂力学理论分析了裂纹扩展的条件并求得裂纹扩展的临界力值;分析了核桃进入工作区的条件、挤压角、旋转角以及对核桃在破壳区和脱壳区的受力情况。
　　4、基于核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离装置对核桃破壳力学特性及破壳效果进行了实验研究。在四种不同因素下，对核桃的破壳力进行了测量。分别用单因素实验法分析了不同因素对破壳力和破壳效果的影响，再对多因素进行正交实验，得出各因素对破壳力的影响主次顺序，并确定一组得到理想破壳率和整仁率的最优参数。
　　5、基于核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离装置对核桃脱壳效果进行了研究。对上工作带在不同情况下的张紧力进行测量。分别用单因素实验法分析了不同因素对脱壳效果的影响，再对多因素进行正交实验，确定一组得到理想脱壳率和整仁率的最优参数。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 核桃破壳取仁机械设备研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 坚果力学特性的国内外研究现状

1．3．1 加载方式对坚果破壳力学特性的影响

1．3．2 破壳间距对坚果破壳力学性能的影响

1．3．3 加载速度和坚果大小对力学特性的影响

1．4 核桃脱壳取仁机械设备研究现状

1．5 课题来源

1．6 课题研究的主要内容

1．7 课题研究的意义

1．8 本章小结

第2章 核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离装置结构设计

2．1 核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离装置总体结构

2．2 柔性带剪切挤压破壳及脱壳系统设计

2．2．1 系统组成部件的设计

2．2．2 系统工作机理

2．3 柔性叶片锤击取仁系统设计

2．4 气力与柔性螺旋叶片耦合作用下滚筒双向分离系统设计

2．4．1 系统组成部件的设计

2．4．2 系统工作机理

2．5 传动机构设计

2．6 核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离装置的工作过程

2．7 核桃剪切挤压柔性破壳取仁分离装置结构改进设计

2．8 本章小结

第3章 核桃破壳机理及力学分析

3．1 核桃的几何特征和物理参数

3．1．1 外形尺寸的测量

3．1．2 核桃壳厚度测量

3．2 核桃破壳机理分析

3．2．1 核桃壳体力学性能

3．2．2 核桃破裂源机理分析

3．2．3 核桃在一对法向集中力作用下的内力分析

3．2．4 核桃在一对法向集中力作用下的位移分析

3．2．5 集中力作用点附近区域的位移

3．2．6 多对集中力的叠加

3．2．7 裂纹扩展条件

3．2．8 核桃进入破壳间隙的条件

3．2．9 核桃的挤压角

3．2．10 核桃的旋转角

3．3 核桃受力分析

3．3．1 破壳区核桃受力分析

3．3．2 脱壳区核桃受力分析

3．4 本章小结

第4章 核桃破壳力学特性及破壳效果的实验研究

4．1 实验设备与材料

4．1．1 实验设备

4．1．2 实验材料

4．2 核桃破壳力测量实验方案

4．2．1 不同挤压方向下破壳力测量实验方案

4．2．2 不同影响因素下破壳力测量实验方案

4．3 核桃破壳效果实验方案

4．4 不同挤压方向下破壳力实验结果分析

4．5 不同影响因素下破壳力实验结果分析

4．5．1 核桃侧径尺寸对破壳力影响

4．5．2 上挤压托辊处工作带与下工作带间距对破壳力的影响

4．5．3 上下带速度差对破壳力的影响

4．5．4 挤入夹角对破壳力的影响

4．5．5 四因素三水平正交实验结果分析

4．6 不同影响因素下破壳效果实验结果分析

4．6．1 上挤压托辊处工作带与下工作带间距对破壳效果的影响

4．6．2 上下带速度差对破壳效果的影响

4．6．3 挤入夹角对破壳效果的影响

4．6．4 三因素三水平共同对破壳效果的影响

4．7 本章小结

第5章 柔性带剪切挤压核桃脱壳效果的实验研究

5．1 实验设备与材料

5．1．1 实验设备

5．1．2 实验材料

5．2 上工作带张紧力测量及结果分析

5．3 核桃脱壳效果实验方案

5．4 不同影响因素下脱壳效果实验结果分析

5．4．1 上下工作带间距对脱壳效果的影响

5．4．2 上下带速度差对脱壳效果的影响

5．4．3 上工作带张紧力对脱对破壳效果的影响

5．4．4 三因素三水平共同对脱壳效果的影响

5．5 本章小结

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

攻读硕士期间取得的科研成果

致谢