全自动核桃划口机的设计研究

张恩铭 ，郑 霞 ※，丑维新 ，王久金 ，陈华军 ，陈佳敏

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2农业部西北农业装备重点实验室）

0 引言

中国核桃种植面积广，产量高，发展速度快[1]。目前我国核桃主要以整果销售为主，随着核桃种植面积和产量的增加，整果销售利润低。为了开发多样化的休闲食品核桃，我们需要研制能够工业化生产的核桃加工机械。

近年来出现了一些对坚果划口加工机械，划口后的坚果一方面有利于坚果破壳，另一方面也有利于核桃休闲食品的入味。如针对板栗的划口机，福建农林大学的张素梅[2]设计的改良后的机械板栗划口机，中国农业大学的肖宏伟[3]等研究人员研制激光板栗划口机。郑甲红[4]等人设计了一种锯口挤压式核桃破壳机，先对核桃划口再破壳，研究证明划口预处理更有利于核桃破壳。

本文设计了一种由PLC控制的全自动核桃划口机，以实现核桃批量划口加工，提高核桃破壳取仁加工过程时的破壳率和高露仁率，还便于带壳核桃食品加工时入味。

1 全自动核桃划口机的设计

1.1 整机结构

全自动式核桃划口机的总体结构如图1所示，包括喂料斗、导位辊、硬毛刷辊、排序滑道、机架、机械自动划口装置和储料箱等。其中机械自动划口装置包括：切割锯片、电缸、核桃夹具和气缸等。利用PLC控制系统使全自动式核桃划口机实现自动化加工生产，大大减少了人力成本。PLC控制技术有较为突出的优良特性，如：适用范围广泛、具有很高的可靠性、通信功能良好等特征[5]。

图1 全自动式核桃划口机

1.2 工作原理

喂料斗的底部是倾斜的平面，喂料斗出口通向硬毛刷辊和导位辊之间。核桃在重力作用下，从喂料斗滑落到硬毛刷辊和导位辊之间。为了防止核桃拥堵，硬毛刷辊不停旋转，利用毛刷将核桃扫进导位辊的导位孔中。上述硬毛刷辊和导位辊均由PLC控制电机转动提供动力。导位辊与硬毛刷辊紧贴，防止核桃从两辊之间的缝隙滑漏出去。导位辊转动将核桃转到排序滑道上方，核桃在重力作用下从导位孔进入排序滑道，顺利完成排序，为核桃划口加工做准备。排序滑道底部挡板是收紧的，使核桃能够沿着收紧的轨道出口精准的滑落到核桃可移动的夹具当中。一半核桃夹具固定在机架上，另一半可移动核桃夹具与气缸相连接。传感器监测到核桃夹具中有核桃从滑道落入，然后通过处理电路来转为电平信号，PLC接收到转化的电平信号后，控制气缸来推动核桃夹具，将夹住核桃。核桃被固定好后，传感器将信号传送给PLC，PLC再控制电缸上的切割锯片移动，利用锯片将核桃依次划口。机架上的调节条孔通过调节螺母，将电缸的位置上下移动调节，来适应不同大小尺寸核桃的划口加工以及控制锯片对核桃的划口深度。核桃划口完成后，传感器通过监测切割锯片的位置，将信号通过处理电路转化为电平信号，PLC接收到电平信号后，控制气缸将另一半核桃夹具撤回，完成划口加工后的核桃落入储料箱内。传感器监测到核桃落下后，PLC接收到传感器的信号后控制气缸把撤回的另一半核桃夹具推回到原位置。

1.3 主要的技术参数

1.4 关键部件设计

图2 机械划口装置

如图2所示，机械自动划口装置包括电缸、气缸、核桃夹具、切割锯片等。核桃的一半夹具安装在机架上，另一半可移动的核桃夹具与气缸相连。传感器监测到有核桃从滑道落入时，将信号通过处理电路转化成电平信号，电平信号传送给PLC后，PLC控制气缸推动可移动的核桃夹具部分，将核桃夹住。核桃被夹住后，传感器将信号传给PLC系统。PLC接收到电平信号后，控制电缸上的切割锯片移动，切割锯片将核桃依次划口。电缸的位置可通过调节螺母在机架上的调节条孔上的位置进行上下移动，来适应不同尺寸大小的核桃和调节核桃划口的深度。核桃完成划口处理后，传感器将感应到切割锯片的位置的信号传送给PLC系统，PLC控制气缸将可移动的核桃夹具部分撤回，使核桃能够顺利的落入到核桃储料箱中。传感器感应到核桃已从核桃夹具中落下后，再将信号传给PLC系统，PLC控制气缸再将可移动的核桃夹具部分推出，准备进行下一批核桃的划口加工。

如图3所示是排序装置，其中包括硬毛刷辊、导位辊、排序轨道和减速电机等。PLC控制减速电机运转，减速电机通过链带动导位辊和硬毛刷辊转动。由于硬毛刷辊的硬毛刷与导位辊的间隙较小，既能将核桃刷进导位辊的导位孔中，又能防止核桃从两辊之间漏出。排序轨道与导位辊相接，核桃能平稳的落入到轨道中，当导位孔转到排序轨道上方时，核桃从导位孔落入排序轨道，排序轨道利用核桃的重力使其沿排序轨道滑落。轨道之间由挡板隔开，防止核桃在滑落过程中错道，挡板之间的距离可通过移动螺母的位置进行调节，以适应不同尺寸大小的核桃。轨道在出口滑落处收紧，以确保核桃准确落入到夹具中。出口处挡板可通过移动螺母位置进行调节。

图3 排序装置

2 试验与参数优化

破壳率和高露仁率是衡量破壳取仁质量的重要指标[6]。由于核桃壳的木质纤维素含量较高，物料的进给速度对其切割质量的影响较显著[7-9]。在石河子大学农业部西北农业装备重点试验室通过搭建关键部件的试验台，得出核桃划口机的相关试验数据。划口机上切割锯片相对于核桃物料的加工速度就相当于物料的进给速度，将切割锯片在电缸上的移动速度设为0.10 m/s、0.12 m/s和0.14 m/s做单因素试验，试验结果表明切割锯片在电缸上的移动速度越慢，核桃划口率越高，当切割锯片在电缸上的移动速度设为0.10 m/s时，核桃的划口率在96%以上，划口位置在核桃肚部附近达83%以上，划口宽度在2.85～3.72 mm，划口长度为 1.77～1.91 cm。

利用对辊挤压核桃破壳取仁设备验证划口后的核桃可以提升一次性破壳率和高露仁率。未划口预处理的核桃放入对辊挤压核桃破壳取仁设备加工，9组试验平均一次性破壳率在86%以上，平均高露仁率72%以上[10]。经过全自动式核桃划口机划口预处理的核桃放入对辊挤压核桃破壳取仁设备加工，平均一次性破壳率95%以上，平均高露仁率在84%以上，一次性破壳率提高了9%，高露仁率提高了12%。

3 结论

设计了一种全自动核桃划口机，其主要包括喂料斗、导位辊、硬毛刷辊、排序滑道、机架、机械自动划口装置和储料箱等。其中机械自动划口装置包括：切割锯片、电缸、核桃夹具和气缸等。由PLC系统控制实现全自动生产加工。

核桃的划口和破壳试验表明，核桃的划口率随着切割锯片在电缸上的移动速度的减小而增加，划口后的核桃一次性破壳率和高露仁率明显增加，平均一次性破壳率95%以上，平均高露仁率在84%以上，一次性破壳率提高了9%，高露仁率提高了12%。

本文的预期成果可为核桃划口加工后实施休闲核桃食品的入味生产和提高工业化大规模破壳取仁的效益提供技术基础。