一 本题来源及研究的目的和意义 1.1 课题的来源：自选题 1.2 研究的目的 核桃在新疆地区有很大的产量，如果只是单一的卖核桃，价格很低，利润也不高，所以需要进行核桃的深加工，提高利润率。进行核桃的深加工就需要对核桃进行破壳，而在新疆地区，很大一部分是用人工破壳，破壳效果差，工作效率很低，大约只有每小时15公斤，所以在此基础上核桃破壳机应用而生。 1.3 研究的意义 本课题设计先用筛子对大小不同的核桃进行分级，凹型对辊的对转对核桃进行挤压式的破壳，因为设计方面的原因，所以能够大大提高破壳的效率，使核桃破壳从人工破壳方面解放出来，大大提高了劳动生产率，因为破壳后的果仁用于深加工，所以也能够提高利润率，增加农民收入。因此此项研究很有意义。 二 课题所涉及的问题在国内外现状及分析 2.1 国外现状 国外核桃破壳机发展现状，核桃年产量在20万t以上的国家仅有中国和美国。中美两国的核桃产量占世界核桃总产量的50%左右，而最有代表性、生产水平最高和市场占有份额最大的当数美国。在美国、澳大利亚以及欧洲等发达国家，核桃绝大部分都经过机械化生产线进行商品化处理。采收通过机械振荡器将核桃果实振落到地面上，再由机械将果实收集起来，运到加工厂进行脱青皮、漂洗、烘干和带壳包装等处理。核桃仁加工也全部机械化，通过破壳机破壳，机械、气流分选机进行壳仁分离，然后用分机将果仁分为深和浅，最后在根据核仁大小分级，包装即可销售。 在国外，核桃生产技术水平、生产率最高的国家，最具代表性的要数美国。在技术方面，不管是采收阶段还是后续的破壳工艺机械化程度很高。他们在采摘前，先喷洒果实催熟药剂乙烯利，然后再用震落机采收，再用脱青皮机脱皮，用清洗机清洗，用烘干机烘干、利用冷库进行干燥处理和贮藏。待核桃水分脱到一定程度后，再用破壳机破壳，最后壳仁分离是用气流分选机分离。 主要核桃破壳机类型有：①Larry H.Hemry研制的专利号为6098530机械式核桃破壳机。该机的主要结构由机架、料斗、可调节定位板、破碎装置、传动机构以及动力所组成。机械式核桃破壳机通过调节可调节定位板和破碎装置间的间隙能够适应各类坚果的破壳。②Kenneth R.Evans研制的专利号4201126核桃破壳机。该机主要由喂料斗、输送装置、破壳装置和出料口等组成。工作时由输送装置把待破壳的核桃从料箱运送到破壳装置，然后对其进行破壳。③Clarence Lloyd Warmack和 Barry Shawn Warmack等研制的专利为6516714核桃破壳机。该机主要由机架、箱体、滚筒、旋转破壳装置和出料口等组成。该机可以成功有效地击打核桃将其壳仁分离。④John W. Brazil发明的专利号为 4255855核桃钳。该钳由把手、可调柱塞、夹头、底座和固定套等组成。使用时将核桃放置在底座上，然后通过操纵把手推动可调柱塞在固定套内滑动，可调柱塞伸出从而使夹头将核桃推到刚性砧底座上把核桃夹紧并破壳。⑤Michael P.Filice，Robert Lemos 和Robert P.Baker等研制的专利号为5325769核桃破壳机。该机主要由机架、喂料斗、输送装置、击打装置和传动装置等组成。工作时，料箱中的核桃由输送装置逐一运送到击打装置，然后由凸轮控制击打打头将核桃壳打破使其壳仁分离。 国内现状 核桃要完成破壳的工序是要等青皮脱落后，一定时间内核桃本身脱去水分后才进行。在过去，我国核桃破壳主要是靠人工来完成，在一些农家地方用专用的小孔模具来撞击完成破壳工序。随着核桃业的不断发展，手工破壳已经不能完全满足社会的需要。因此，采用机械式的破壳方式是满足社会和生产率唯一选择。 当前核桃破壳取仁的方法主要有：①离心式碰撞破壳。②化学腐蚀。③真空破壳取仁。④超声波破壳。⑤定间隙挤压破壳。其中采用第一种方法破壳时会产生大量的碎仁，所以此方法很少被应用；第二种方法，由于在实际操作中仁易受到腐蚀不好控制，产生的废水废液还有可能污染环境，所以应用的也很少；第三、四种破壳方法，需要的破壳设备昂贵，这无疑增加了破壳成本，并且破壳效果也不能达到人们的要求；只有第五种方法值得探索。 我国坚果剥壳机具发展缓慢，远远落后于种植业的发展，在一些生产应用的机具中，存在如下几个突出的问题，因而，难以推广应用。 (1)剥壳率低。不少剥壳机漏剥或剥壳不完全，果仁去净率不高，有些剥壳机剥壳率只有50%。这是坚果剥壳机推广使用的最大障碍。 (2)损失率高。由于参数选择不合理，造成剥壳不完全现象严重，碎仁夹带在碎壳中难以回收而被弃除。有些机具果仁损失率高达20%。 (3)果仁完整性差。有些机具的设计，为了减少漏剥或剥壳不完全现象，一味追求剥壳率的提高，导致高的破碎率，从而降低了产品的商品价值。 (4)通用性差。一般剥壳机仅能用于某一品种坚果的剥壳作业，对于不同品种的坚果，不能通过更换主要零部件来实现一机多用。 (5)机具性能不稳定，适应性差。为某类坚果专门开发的专用机型，在该坚果品种、大小规格、外壳形状和含水量等因素出现变化时，剥壳机具剥壳性能就变差。 (6)作业成本偏高。我国坚果剥壳机具尚未形成规模和系列，多数是单机制造，制造的工艺水平低、成本高、也因为通用性差，不能一机多用，使得生产企业设备配置的成本高，致使加工坚果的作业成本增加。 2.2 技术现状 1、 现有的核桃分级装置主要有：锥辊式分级装置、圆孔筛分级装置和栅式滚筒分级装置三种。 （1）锥辊式分级装置 锥辊式分级装置，采用一对相对转动的锥形辊，如图3-19，核桃在两锥形辊的带动下不停地上升和下落，同时，核桃在重力和上端核桃对其侧向挤压力的共同作用下沿锥形辊向下移动，直至两锥形辊的间隙大于核桃的直径时，核桃通过间隙落下。 该装置分级效果不好，原因①核挑大最喂入时，上层的核挑无法及时地与下层的核桃进行交换，造成前一级的核挑在后一级甚至后儿级才被分离出去，出现分级混杂现象。②由于有相当一部分伎桃是椭球形的，这些核桃在下滑时，会因下滚姿态的不同，而在不同的位置下落，从而造成分级误差。 （2）圆孔筛分级装置 图3-20是圆孔筛分级原理图，该圆孔筛与水平线的夹角为a 。筛孔由右往左逐渐变大，核桃在重力和离心力的共同作下沿筛壁下滑并通过合适的孔口落下。 nand闪存 该装置的一个缺点是，在分级的过程中，有时会出现孩桃堵塞筛孔的现象, 尤其是在核桃大量喂人时。 （3）栅式滚筒分级装置 图3-21是栅式分级装置简图。该装置是由具有一定锥度的栅条组成的，滚简的转动带动核桃不停地上升、下落，并在重力和离心力的驱动下向前移动，直至从滚简中脱出。该装置结构简单, 能耗低、分级均匀度高。 2、 新型核桃分级装置设计 现有的核桃分级装置都需要动力源，而且在整体组装上都很复杂。为避免这些不必要的能源浪费和繁琐的组装，现设计出一种靠核桃自身重力分级的装置。原理是将核桃分为两个级别，大于近似球体直径平均值为31.5838mm的，直接在50mm的上管道内通过，小于这个平均值的，核桃在上管道滚落过程中，靠自身的重力掉入下管道，这样就可以完成分级。 2.3 核桃破壳机械的研究重点 现阶段，随着工农业的发展，核桃产业逐年递增，相应的破壳机械种类也有很多，特别是国外的技术已经很先进，在破壳流程中几乎不用人工的参与，但国内的破壳机械还存在一系列的问题，为了使破壳机械在生产中发挥高效率作用，需要对各个破壳机械装置进行比较，进行完善其功能。现阶段我国核桃破壳机械的研究重点是： cf清钢 (1)提高机械的兼容性和适应性。当前，相当多的核桃破壳机械设计有局限 性，它们只能应用在具有特定的地区生长环境的某类核桃中，其兼容性和适应性较差。提高机械的通用性和适应性，通过变换核桃破壳机械的主要部件达到同时具备对其他带壳坚果进行脱壳加工的功能已成为核桃破壳机械发展的一个趋势和新的挑战，如何研制出满足兼容性和适应性的要求的工作部件，改进技术工艺，提高生产效率，给核桃破壳机械作业的发展提出了新的难题。 (2)提高机械脱壳率，降低破损率。核桃机械破壳存在的破碎率高、整仁率 低的问题是一直制约核桃实现机械化生产加工的重要问题，对我国核桃产业的发展造成了一定影响。处理好这一关键技术将关系到核桃破壳机械在未来的发展和应用。一方面，提高核桃破壳机械的核心技术，改进工作部件，改革传统结构，研发新的脱壳机理，优化结构设计；另一方面，进一步改进和完善整体配置，提高脱壳率，降低核桃仁破损率。 (3)提高机械自动化，加强自动控制。目前，多数机械仍脱离不了人工喂料 和人工定位，一定程度上降低了生产作业速度和质量，增加了生产成本。为此， 需要研发以一种新的人工智能系统，通过机电一体化的手段使脱皮壳机械设备自动喂料、自动定位。并且保证喂料的均匀和定位的有效性，实现自动化操作，进一步提高作业的速度和质量，提高科学性和精确度，满足脱壳机械的发展要求，不断拓宽国内外市场，改变现有的生产结构。 (4)提高技术、改进工艺、增加新材料。在这个科技飞速发展的时代，伴随 着电子技术、数控技术的发展，核桃剥壳机机械结构复杂、材料笨重、工艺落后等问题将被淘汰，随之而来的是简单的操作流程、较小的阻力、较长的使用寿命、较少的劳动力、轻便的材料等等，类似的高新技术将会被应用到实际的生产中，这也是核桃脱壳机械在未来发展中应重点研发的主要课题。 2.3.1 设计要求 目前核桃破壳机械装置存在较大的地域差异性，在不同的地方产不同种类的核桃，即大小不一，这样就造成了核桃破壳机械的局限性。现设计的新型核桃破壳机械要能改善地域的差异性，能破多种品种的核桃；分级装置的改进，能使生产效率提高和降低碎仁率；调节装置的改进，可以针对不同品种的核桃。 2.4 核桃的有关信息 核桃是世界著名四大干果之一(还有扁桃、腰果、榛子)，它是胡桃属落叶乔木，在中国栽培有2000年以上的历史。据市场预测，核桃富含脂肪(70%以上) 及蛋白质(20%)，是高热能营养食物，又是无胆固醇的绿保健食品，有着广阔的国内外市场，历来被称为“木本油料”、“铁杆庄稼”，是中国开发山区林业生产的重要经济树种。目前，全国25个省、市自治区都有核桃分布，面积有1000多万亩，2亿多株，以云南、山西、陕西、河北、甘肃、河南、四川、北京、山东、新疆产量最多，约占全国总产量的85%以上，并且是我国传统出口物资之一。 我国的核桃栽培面积约130万hm2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31万吨，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。针对核桃加工存在的问题和市场的需求，确定核桃加工工艺，除脱青皮、分级、清洗、脱水、烘干、去壳、仁壳分离与包装外，还可进一步深加工。在加工中，存在的问题是核桃脱壳比较困难，主要由人工完成。人工剥壳难以满足生产发展的要求，故研制高效剥壳机已成当务之急。 核桃也是我国干果类商品出口之一，加工和出口的季节性比较强。核桃取仁在我国历来靠手工，一人一天平均仅能砸30斤核桃，取仁约12斤，以天津口岸年出口核桃仁5000吨计，仅取仁一项需占用劳力80多万个劳动日，而且，加工和出口的时间正值三秋和农田基本建设大忙季节，任务重，时间紧，形成与农业争劳力的局面， 所以，实现核桃取仁机械化，对解放劳动力，支援农业生产有重要意义。核桃出口国家较多，进口国家比较集中，国际市场斗争十分激烈，实现核桃加工机械化，有利于我们抢时间，争速度 支援外贸。从经济上说，国际市场核桃仁各质量等级的差价甚大。机械取仁有希望提高取仁质量，增加外汇，同时大规模集中加工，便于综合利用。核桃仁中约占5%的碎末可以集中榨油，大量的核桃壳是做活性炭的好原料。手工分散加工，这些碎末都浪费了。研制核桃取仁机的具体任务是寻适当的、特别是保证取仁质量的破壳工艺方法，研究实现这一工艺方法所要求的机器。 三、对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析 3.1 课题任务要求 本装置主要是为了将核桃破壳这道工序从手工破壳解放出来，其中最突出的特点就是效率要高，单位时间内的破壳量要大，而且还要适当的照顾整仁率，不能够有太多的碎仁。 3.2 课题设计预期目标的可行性分析 本装置主要是通过机械加工的手段对核桃进行破壳，通过对国内国外的一些破壳机械的研究，在与本装置进行对比，在机械的原理上是行的通的。再根据一些力学性能指标，本装置是完全符合的。综上所述，该设计是可行的。 四 本课题需要重点研究的关键的问题及解决的思路 4.1 本课题需要研究的重点问题 需要对核桃进行分级，分类，然后分别进行破壳，提高整仁率。破壳的效率要高，单位时间内的破壳数量要明显高于人工。 4.2 本课题需要研究的难点问题解决的思路 通过对核桃大小的研究，设计合理大小筛孔的筛子，通过振动作用，将核桃分级。分级后不同大小的核桃先后通过挤压辊进行挤压，挤压的缝隙通过调整动挤压辊来调整，以便不同的核桃通过，提高整仁率。 五 完成本课题需要的工作条件及解决的办法 完成本课题所必须做的工作有利用学校图书馆及互联网查阅大量资料，了解核桃的基本性质，破壳机的结构、原理等，了解各种类型的破壳机的特点。关键问题可请求老师指导或通过同学讨论，选择适合的破壳机类型，对拟定的破壳机进行设计，计算，利用Auto CAD等绘图软件绘制出破壳机的零件图，装配图，反复对设计内容进行检验、校核。 六 工作方案及进度计划 工作方案：设计总体含括→分级装置设计→破壳部分装置设计→动力装置设计→机箱及外围设备设计→机体有机组合。 进度计划： 第1周—第2周 通过查文献资料，了解核桃破壳机的国内外现状。 第2周—第5周 设计核桃破壳机的总体方案。 第6周—第9周 对核桃破壳机的结构进行具体设计。 第10周—第12周 撰写设计说明书，对部分问题修改、调整。 第13周—第14周 整理资料准备答辩。 七 参考文献 [1] 曹成茂,朱德泉,江家伍,李兵,江庆.手剥山核桃破壳机的设计与研究[J].安徽农业大学,2011,1003-188X( 2011) 11-0114-04. 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