一种巴旦木壳仁分选除杂机的设计

叶尔杰甫·吐苏拜克，亚森江·白克力，阿卜杜艾尼·阿布里米提，阿娜尔·哈布德力，努尔比耶·阿布力孜，买买提·阿不列力木

（新疆农业大学机电工程学院，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830052）

巴旦木是一种落叶小乔木，为蔷薇科和李亚科植物，不仅营养价值高，含有多种微量元素，被誉为“干果之王”，而且还有一定的医疗作用，既可以预防肺癌、支气管炎和肺部病变等疾病，抑制癌细胞生长[1]，又可以健脑、助消化、亮眼、健胃，防治心血管疾病、糖尿病和胃炎等疾病的效果良好。在我国，巴旦木也称为扁桃或中国大扁桃[2]，在新疆干果产业中占据重要地位[3]。

巴旦木壳仁分选除杂是一项重要的工作，采用性能优良的壳仁分选设备，可以减轻农民的劳动强度，提高生产效率，降低破损率，保证产品质量。但现有的巴旦木壳仁分选除杂机械都存在破壳不完全、碎仁率高、壳仁分选率低等问题，虽然2021年张佳等人[4]发明的巴旦木破壳及果仁大小分离装置效果较好，但在壳仁分选方面也不能完全满足新疆莎车巴旦木的农艺要求，达不到预想的作业目的。为改进现有巴旦木壳仁分选除杂装置存在的不足，促进巴旦木销售产业的健康发展，本文设计了一种适合新疆莎车种植的巴旦木壳仁分选除杂机，使用后效果较好，值得推广应用。

1 巴旦木壳仁分选除杂机结构参数的确定

为设计出性能优良的巴旦木壳仁分选除杂机，先对影响巴旦木破壳效果的相关物理特性进行分析。巴旦木的外形几何尺寸是研究设计巴旦木壳仁分选除杂机必不可少的基本数据，了解巴旦木物理特性的目的就是为了确定巴旦木破壳方式、破壳机的运动结构参数，为巴旦木破壳机设计提供合理的理论数据。本设计选用莎车的米桑、双果和晚丰3个品种巴旦木为原材料样本，每种样本各随机挑出完整的巴旦木5 kg。设计前，先从15 kg 样本中随机选取未经任何处理、同等环境条件下的3 个品种各100 粒巴旦木，用游标卡尺分别测量巴旦木的长（L）、宽（T）、厚（W），获得巴旦木的物理特性数据。从所获得的数据可知，巴旦木同一品种外形尺寸存在差异，不同品种差异更大；3 个品种的巴旦木都离球形形状很远。由此，确定分选除杂机采用楔形滚筒筛进行巴旦木分段分级。巴旦木的核外尺寸如图1所示，物理特性参数如图2所示。

图1 巴旦木核外尺寸图Fig.1 External dimensions of Prunus dulcis

图2 巴旦木的物理特性数据图Fig.2 Data diagram of physical properties of Prunus dulcis

2 新型巴旦木壳仁分选除杂机的整体结构

本文设计的新型巴旦木壳仁分选除杂机主要包括机架、筛分部分、破壳部分、输送部分、风选部分和筛选部分等。具体的设计参数如表1 所示，整机结构如图3所示。

表1 新型巴旦木壳仁分选除杂机设计参数Tab.1 Design parameters of wood shell and kernel sorting machine of the new Prunus dulcis

图3 新型巴旦木壳仁分选除杂机整机结构图Fig.3 Structure diagram of shell and kernel sorting machine of the new Prunus dulcis

3 新型巴旦木壳仁分选除杂机工作原理

巴旦木从入料口进入楔形筛滚筒中，楔形筛滚筒轴带动导轨叶片和楔形筛旋转，在栅格间隔不同的楔形筛的作用下将巴旦木分为4个不同级别；分级完成的巴旦木落至破壳对辊，4对相向旋转的破壳辊对巴旦木进行破壳；破壳完成的巴旦木落至输送机，在输送皮带的带动下进入风机罩；进入风机罩的巴旦木，在负压风机的作用下进行壳仁分离；分离后的巴旦木仁落入振动筛中，在筛子的振动下对完整的巴旦木仁和破碎的巴旦木仁进行筛选；最终得到完整的、按大小分离的巴旦木果仁。新型巴旦木壳仁分选除杂机工作原理如图4所示。

图4 工作原理示意图Fig.4 Schematic diagram of working principle

4 新型巴旦木壳仁分选除杂机关键零部件的设计

4.1 楔形滚筒筛的设计

楔形滚筒筛是重要的分选装置，可将不同大小的巴旦木分级筛选。该装置包括一个做回转运动的滚筒体和一组由小到大间隔的栅格。巴旦木在导轨叶片的作用下径向移动，落入栅格中，实现对不同尺寸巴旦木的有效筛分，栅格间隔分别为10 mm、14 mm、18 mm 和22 mm。楔形滚筒筛结构如图5所示。

图5 楔形滚筒筛结构示意图Fig.5 Wedge drum screen structure diagram

4.2 破壳辊的设计与受力分析

4.2.1 破壳辊的设计

破壳辊是一种专门用于巴旦木破壳的装置，是破壳装置的主要结构，其作用是将巴旦木的壳和仁进行分离。破壳辊的关键因素包括破壳速度、破壳间隙、破壳体的选择[5]。破壳辊通常为一对，具有多个凹槽，并采用偏心轮结构。破壳辊总体参数：长度520 mm，偏心轮近毂半径30 mm，远毂半径35 mm。破壳辊动力由电机提供，即电机输出轴通过皮带传动导入破壳辊驱动轴，再从破壳辊驱动轴由皮带轮传导分配至破壳辊从动轴，最后由其两端的正齿轮驱动破壳辊工作。新疆农业科学院农业机械化研究院的阿依木妮莎•拜克热等也进行了试验，在不同的裂壳辊速度下，各取100 粒巴旦木进行破壳[6]。结合实验数据和本机器的情况，本设计设定的破壳辊的转速为400 r/min。破壳辊的结构如图6所示。

图6 破壳辊结构示意图Fig.6 Structure diagram of shell breaking roller

4.2.2 破壳受力分析

破壳装置在工作区域内，巴旦木受到自身重力F和破壳辊给予的正压力N1、N2及摩擦力F1、F2的作用，其中破壳辊产生的正压力和摩擦力是实现巴旦木破壳的主要力。A1、A2、a1、a2是巴旦木挤压破壳的起始点与破壳辊中心的连线所构成的角度，破壳角度越大，巴旦木所受的破壳力就越大，越容易产生破裂。此时：

式中：μ为巴旦木与破壳辊间的摩擦系数；φ为巴旦木与破壳辊间的夹角。

要使巴旦木能顺利进入破壳间隙，竖直方向必须满足如下条件：

由于巴旦木的质量远小于自身受到的力，即：

将式（1）、式（2）代入式（4）中，得到：α<φ，即要实现巴旦木破壳必须满足破壳角小于摩擦角。

对巴旦木进行破壳时，N1、N2、F1、F2水平方向分力对巴旦木进行挤压，N1、N2、F1、F2竖直方向分力对巴旦木进行剪切。这种力会使裂纹进一步扩大，碎壳间发生相对错动和滑移，从而实现巴旦木的碾搓挤压破壳。巴旦木受力分析如图7所示。

图7 巴旦木受力分析示意图Fig.7 Force analysis diagram of Prunus dulcis

4.3 带式输送机的设计

4.3.1 带式输送机的主要结构和工作原理

带式输送机是运输物料的工具，已在矿山生产中广泛应用[7]，主要由输送带、机架、传动机构、滚筒等部分构成，其中输送皮带主要包括传动机构、中间框架和空转齿轮等。在传动机构工作时，通过转动轴线运转带动空转齿轮运转，空转齿轮利用摩擦带动输送机环形转动，实现输送。带式输送机结构如图8所示。

图8 带式输送机结构示意图Fig.8 Belt conveyor structure diagram

4.3.2 带式输送机的主要参数设计

带式输送机的输送速率与输送带的宽度B和输送带的线速度V有关，但考虑到在输送带末端能够将巴旦木壳仁物料抛入振动筛上方的进料斗中，且传送带速度V与其传动轴转速n关系密切，故将V作为重要设计参数。巴旦木壳仁物料脱离输送带时的平抛运动如图9所示。

图9 巴旦木壳仁物料平抛运动示意图Fig.9 Horizontal throwing motion diagram of shelland kernel material of Prunus dulcis

本研究设计的巴旦木壳仁物料抛出点与进料斗的水平距离为25 mm，进料斗口宽200 mm，竖直方向上输送带顶面和进料斗顶部相距140 mm，设巴旦木壳仁物料下落的时间为t1，则计算公式为：

由式（5）可得，巴旦木平抛运动时下落所用的最大时间t1为0.12 s。

设巴旦木平抛运动时下落水平速度为Vx1，则计算公式为：

由式（6）可计算出巴旦木平抛运动时下落水平速度须在0.2～1.87 m/s，带式输送机带速宜选用0.80、1.00、1.25、1.60、2.00、2.50、3.15、4.00、5.00、6.30、7.10 m/s的速度系列[8]，取系列数1.6 m/s，取带式输送机转速为570 r/min。为保证巴旦木壳仁物料落到输送带能够及时输送至进料斗中，将输送带宽度设计为1 065 mm。

4.4 振动筛的设计

振动筛是一种常见的工业、矿山等行业中用于物料筛分、洗涤、分级、脱水和脱媒的设备，其筛分技术的等级与质量对生产效率、效果和成本有着重要影响。振动筛主要由筛箱、曲柄连杆、驱动等机构组成，具体结构如图10 所示。工作原理为：由马达通过皮带轮带动筛带轮旋转，再由筛带轮带动曲柄连杆机构移动，从而使筛子产生震动。物料在筛面前后摆动，通过调整振动筛的倾斜角度实现粒度分离。分离出来的物料落入下方的卸料盘，完成整个筛分过程。

振动机械的工作在平面上，一般可通过以下几种振动方式来实现：圆形振动、椭圆形振动、简谐线性振动和非简谐线性振动。借助以上的振动，当振动机采用不同的运动参数时，物料可以沿着工作面移动。物料在同一工作面上可以有不同形式的运动：向前滑动、相对运动、抛掷运动和反向滑动。

抛掷指数KV，一般情况下，振动筛抛掷指数一般为KV=3～5，本文抛掷指数取KV=4。

振动强度K，振动强度K的选取主要受硬度和强度的影响，目前机械强度K取值通常在3～8，而振动筛取值一般为3～6。本设计原则为K=4。

筛面倾角α，对于振动筛一般取15°～20°。本文振动筛取20°。

筛箱的振幅A，是筛子选型时的一项关键参数，其值应该合理，以保证物料完全分层，有利于筛选，防止堵塞。通常为3～6 mm，本设计选择5 mm。

振动筛转速n，按照和所确定的A值可以求解出转速值。计算公式如下：

振动强度的计算公式为：

筛子的实际强度：KS=3.77 ≤K；即振动筛转速和振幅分别为：A＝5 mm，n＝712 r/min。

物料的运动速度、振动筛的物料运动速度计算公式如下：

式中：取修正系数K0≈0.1，得出：

振动筛主要性能参数如表2所示。

表2 振动筛主要性能参数Tab.2 Main performance parameters of vibrating screen

4.5 风机的选择

根据巴旦木去壳机的工作性能和使用要求，综合设计分析，考虑风机的安装位置、使用性能、外形尺寸、设备质量和销售价格等因素，本次设计选用CX-75S 和CX-75 型号风机，功率分别为0.4 kW 和0.75 kW，电压为380 V，额定压力分别为1.3 kPa和1.9 kPa。风机的重要参数如表3所示。

表3 风机的重要参数Tab.3 Important parameters of the fan

5 新型巴旦木壳仁分选除杂机轴的设计

5.1 破壳辊驱动轴的材料及选择

轴心材料包括合金钢、球状石墨铸铁和碳钢。合金钢具有更好的特点，但有一些缺点，价格也较高，且在设计合金钢轴时，需要留意减少结构中的应力集中和表面粗糙度，确保轴的稳定性和安全性[9]；而碳钢则对应力集中的敏感度较低，与合金钢的弹性系数也相同，价格相对低廉，适用于高温、低温、小质量、小尺寸或腐蚀性介质的轴[10]。碳钢型号各种各样，其中45#钢质量较好。因此，本设计的破壳辊传动轴采用45#钢，毛坯直径≤200 mm，硬度217～255 HB。

5.2 轴径的确定

根据《机械设计（第十版）》表15-3，取A0=103，得出dmin=17.51 mm，选取d1=18 mm。

根据轴承的尺寸和破壳辊以及齿轮的尺寸，选取d2=20 mm，d3=25 mm，d4=20mm，d5=18mm，l1=35 mm，l2=60 mm，l3=554 mm，l4=35 mm，l5=20 mm。

5.3 破壳辊驱动轴的受力分析与校核

主动轴传递的扭矩为：

式中：P为传递功率，2.2 kW；n为破壳辊转速，400 r/min。

带入公式可得：

轴的受力分析：水平面的受力分析得F1=436 N，垂直面的受力分析得F2=1 013 N。

轴的水平弯矩：

垂直弯矩：

合成弯矩：

根据弯曲和扭转组合强度条件，对轴的强度进行校核。

根据下列公式，取α=0.6，则有：

式中：σca为轴的计算应力，MPa；Mca为轴所受的弯矩，N·m；T为轴所受的扭矩，N·m；W为轴的抗弯截面系数，mm3。

由此可见σca<[σ-1]=60 MPa，所以主动轴安全，符合要求。轴的受力分析与校核参数如表4所示。

表4 轴的受力分析与校核参数Tab.4 Force analysis and checking parameters of shaft

6 基于Simulation 对破壳辊静力学性能进行分析

根据本文设计分析关键部件，在SolidWorks软件中对该巴旦木壳仁分选除杂机的重要机构进行三维建模，并经过校核检验，证明各项结构参数符合设计要求。为了进一步分析该装置的静力学性能，本文在SolidWorks-Simulation 中搭建了仿真分析平台，并选择适当的材料。对破壳辊进行网格化处理，即将其模型分解为有限个单元，通过计算这些单元之间的受力形变情况，得到破壳辊受到外载荷后的应变情况。运行仿真算例后，可以显示出破壳辊在该载荷下的应变情况和应力分布情况。结果表明，破壳辊在受到该载荷后最大的应力出现在破壳辊离轴心最远段处，但没有超过材料的屈服力。此外，Simulation 还计算安全系数分析。根据计算结果得出网格化处理，相应应力及位移如图11所示。

图11 破壳辊的应力分布情况和位移分析图Fig.11 Stress distribution and displacement analysis diagram of shell breaking roller

结果表明，破壳辊在受到该载荷后最大的应力出现在破壳辊离轴心最远端处。破壳辊的最大应力为5.06 MPa，最大位移量为1.5 mm，满足了材料强度的要求。经校核零部件无干涉影响，验证了设计、选材的合理性。

7 结语

传统的分选除杂装置存在着技术问题，影响了设备使用的效率和质量。本文设计了一种新型的巴旦木壳仁分选除杂机，使用后不仅破壳率达到了89%，果仁损失率下降，分选率提高，还减轻了人工操作的难度和劳动强度。本文完成了样机的三维建模和主体结构原理分析，并对关键零部件进行了仿真分析。结果表明，选用的材料符合工作强度要求，为巴旦木产业提供了有力支持，能够提高分选效率和质量，降低生产成本和人力投入，具有广阔的应用前景和市场空间。