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塔里木大學 畢業(yè)論文（設計）開題報告 課題名稱 雙齒盤——齒板式 核桃破殼機的設計 學生姓名 學 號 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 農業(yè)機械化及其自動化 班 級 12-2 指導教師 起止時間 2011年12月-2012年6月 機械電氣化工程學院教務辦制 1、課題來源及研究的目的和意義 核桃是我國重要的的經(jīng)濟作物，不僅對于農村山區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義，而且可以美化環(huán)境，保護生態(tài)。核桃仁含有豐富的營養(yǎng)素，每百克含蛋白質15～20克，脂肪60～70克，碳水化合物10克；并含有人體必需的鈣、磷、鐵等多種微量元素和礦物質，以及胡蘿卜素、核黃素等多種維生素。核桃中所含脂肪的主要成分是亞油酸甘油脂，食后不但不會使膽固醇升高，還能減少腸道對膽固醇的吸收，因此，可作為高血壓、動脈硬化患者的滋補品。然而這么好的東西卻有一層堅硬的外殼包裹著，給人們的食用帶來很大的不便，尤其給機械化加工帶來很大困擾。這樣人們就想怎樣用機械快速，方便的使核桃破殼，并且分離出果仁。為了適應核桃的機械化加工。人們就想到了研究核桃破殼機。核桃破殼取仁是核桃深加工的第一道工序， 而目前市售的核桃仁幾乎全部是手工砸取，勞動生產(chǎn)率極其低下，這就迫切需要設計生產(chǎn)出能進行機械或半機械化加工的核桃破殼機， 以提高核桃剝殼取仁的生產(chǎn)效率。 要研究核桃破殼機，首先我得查找有關核桃破殼機的文獻，找到國內外核桃破殼機的研究現(xiàn)狀，分析核桃破殼機的優(yōu)劣，以及存在的問題，然后結合核桃破殼機存在的問題找到最佳的解決方法。其次得分析核桃的力學特性，找到最佳施力的方位。對核桃的力學特性進行物理建模，確定采用什么樣的力學方式使核桃破殼。到底是碰撞式，還是擠壓式。還有就是，知道核桃應幾點受力，哪幾點受力比較好。最后確定核桃破殼的物理方式，明確研究方案，定下研究院方向。 核桃破殼取仁工藝嚴重制約著核桃繼續(xù)深加工以及核桃在種植產(chǎn)區(qū)的加工轉化。這是一項必須要解決的技術瓶頸，目前核桃破殼取仁主要由人工完成 ，生產(chǎn)率低、勞動強度大、成本高、衛(wèi)生條件差 ，由于敲擊的力度不易控制，破殼時核桃仁破碎率高 。人工破殼取仁難于滿足生產(chǎn)發(fā)展的要求 ，故研制高效破殼機已成當務之急。由于雙齒盤齒板相互擠壓的方式集合了四點擠壓與滾動擠壓的優(yōu)點，破殼后能得到較多的高路仁， 并且核桃殼較碎， 有利于實現(xiàn)核桃的機械破殼， 破殼的綜合效果較好。所以有很高的研究價值，對核桃的機械化破殼，以及機械化加工具有重大意義。 2、本課題所涉及的問題在國內（外）研究現(xiàn)狀及分析 目前核桃核桃生產(chǎn)國中最有代表性、生產(chǎn)水平最高、市場占有份額最大的當數(shù)美國。美國可謂核桃生產(chǎn)上年輕而又強大的王國。美國核桃采收的機械化程度很高，先是噴灑乙烯利(一種果實催熟藥劑)，然后用振落機采收，再用脫青皮機脫皮，用清洗機清洗，用烘干機烘干、利用冷庫進行干燥處理和貯藏。如加工果仁，采用破殼機破殼，通過氣流分選機進行殼仁分離，然后用分色機將果仁分為深色和淺色，再分出全仁和碎仁，最后分別稱重包裝銷售。 由于美國的主栽品種只有強特勒、哈特利、希爾、維納、土萊爾、豪沃迪這 6 個，其品質優(yōu)良，規(guī)格劃一，有利于機械化破殼，因此核桃破殼機在美國發(fā)展較早。主要的核桃破殼機類型有：①Larry H. Hemry 研制的專利號為 6098530 機械式核桃破殼機。該機的主要結構由機架、料斗、可調節(jié)定位板、破碎裝置、傳動機構以及動力所組成。機械式核桃破殼機通過調節(jié)可調節(jié)定位板和破碎裝置間的間隙能夠適應各類堅果的破殼。②Kenneth R. Evans 研制的專利號為 4201126 核桃破殼機。該機主要由喂料斗、輸送裝置、破殼裝置和出料口等組成。工作時，由輸送裝置把待破殼的核桃從料箱運送到破殼裝置，然后對其進行破殼。③Clarence Lloyd Warmack 和 Barry Shawn Warmack等研制的專利號為 6516714 核桃破殼機。該機主要由機架、箱體、滾筒、旋轉破殼裝置和出料口等組成。該機可以成功有效地擊打核桃將其殼仁分離。④John W. Brazil 發(fā)明的專利號為 4255855 核桃鉗。該鉗由把手、可調柱塞、夾頭、底座和固定套等組成。使用時，將核桃放置在底座上，然后通過操縱把手推動可調柱塞在固定套內滑動，可調柱塞伸出從而使夾頭將核桃推到剛性砧底座上把核桃夾緊并破殼。⑤Michael P. Filice，Robert Lemos 和 Robert P.Baker 等研制的專利號為 5325769 核桃破殼機。該機主要由機架、喂料斗、輸送裝置、擊打裝置和傳動裝置等組成。工作時，料箱中的核桃由輸送裝置逐一運送到擊打裝置，然后由凸輪控制擊打打頭將核桃殼打破使其殼仁分離。 由于核桃品種繁雜，尺寸差異較大、形狀不規(guī)則、殼仁間隙小，所以校桃的破殼取仁難度較大。破殼后還需進行殼仁分離。鑒于殼仁密度相差不大(約為o．049／em’)，加之碎殼、碎仁上有許多毛刺，所以殼仁分離也有相當難度。解決以上難題的方法就是將破殼取仁分解為分緩、導向、擠壓破殼(多點)、殼仁分離四部分，逐一加以解決。 目前國內核桃破殼取仁有以下幾種方法：①離心碰撞式破殼法②化學腐蝕法③真空破殼取仁法④超聲波破殼法⑤定間隙擠壓破殼法。第一種方法，碎仁太多，所以應用很少；第二種方法，由于在實際操作中不好控制，仁易受到腐蝕，處理不好還會造成環(huán)境的污染，因此人們不愿接受；第三、四種方法，設備昂貴，破殼成本高，且破殼效果不夠理想；只有第五種方法值得探索。國內外研制的機械擠壓式核桃破殼機有多種，實現(xiàn)核桃破殼的結構主要有：雙齒盤齒板式、對輥窩眼式、內磨與外磨式、圓盤與圓盤式、圓盤與偏心弧板式、圓盤與直板式。 對輥窩眼式能對大小不同的核桃進行定距離擠壓。因此，根好地滿足了擠壓要求。同時擠壓時用窩眼抓取核桃，抓取可靠．核桃擠壓時不易竄動。能進行可靠的擠壓。為了便于核桃食品加工時的入味或使核桃易于剝食，該裝置能在核桃外殼上擠壓出多條裂紋。雖然這種破殼裝置在一定程度上減輕了手工剝殼的勞動強度，但還需進行手工剝殼，因此不利于機械化規(guī)模生產(chǎn)。雙齒盤齒板式很好地滿足了“四點加壓”原理，而且實現(xiàn)了核桃的滾動擠壓，因此破裂效果好、碎仁率低。該裝置破殼取仁的性能指標如下：最大生產(chǎn)辜為180kg/th，破殼率在90％以上。高路仁率為70％～90％，其中一路仁率為30％一40％。有利于實現(xiàn)核桃破殼的規(guī)?；a(chǎn)，可以有效提高核桃破殼的生產(chǎn)率。其原理都是利用擠壓破殼間距與核桃外形尺寸形成間距差，通過間距差使核桃殼破裂。通過分析得知目前研究的核桃破殼機結構在控制間距差方面均不理想，因而破殼取仁效果較差。其中只有雙齒盤齒板式集合了四點擠壓與滾動擠壓的優(yōu)點，間距差的控制也比較方便。 3、對課題所涉及的任務要求及實現(xiàn)預期目標的可行性分析 本課題所涉及的任務比較繁重，但是我們處在一個資源豐富的環(huán)境中，而且有老師和同學的幫助。由于核桃破殼機械，在國內外的研究起步較晚，因此技術還不是很成熟，同時相關的學術報告也不是很豐富，因此我們應該通過多種途徑試探性的研究設計，從不同的方向去設計構思核桃破殼機械。查找相關文獻，進行力學分析，數(shù)學建模。畫出結構草圖，熟悉計算機制圖，畫出裝配圖。 由于本課題采用的力學原理是利用擠壓方式使核桃破裂，所以對擠壓力要控制到恰到好處。其次，它的機械原理是利用擠壓破殼間距與核桃外形尺寸形成間距差，并且通過間距差使核桃殼破裂。所以對于間距差的控制也要反復實驗以達到最優(yōu)效果。由于該課題可以滿足核桃的四點擠壓，以及滾動擠壓，因此破裂效果好、碎仁率低,破殼率在90﹪以上。只要將間距差控制到合理的范圍，那么此課題就可以滿足預期的目標。實現(xiàn)其破殼率高，碎仁率低的優(yōu)點。所以本課題的任務是可以實現(xiàn)的，具有很好的可行性，而且所很有研究價值，有利于提高核桃機械破殼的生產(chǎn)率。 4、本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路； （1）核桃破殼機的力學原理莫過于擠壓、打砸了。但要做到使核桃殼破碎，脫落，而且不傷果仁，不使果仁粉碎，就需要將外力控制到恰倒好處，因此本課題的關鍵是怎樣將擠壓力控制好。并且使核桃實現(xiàn)完美的四點擠壓。概括總結出該機器的工作原理，根據(jù)工作原理，看需要什么機構，幾個機構；什么裝置，幾個裝置，不能重復，也不能缺少。且要實驗出合理的間距差。從而達到破殼率高，不傷果仁的效果。 （2）傳動方案的設計 本課題關鍵是怎樣使擠壓力控制的恰到好處，并且使核桃實現(xiàn)完美的四點擠壓，而且要實驗出合理的間距差。從而達到破殼率高，不傷果仁的效果。而且使核桃殼較碎，利于實現(xiàn)殼仁分離。解決這些問題，首先我們要利用身邊的資源，廣泛的查找文獻，閱讀參考資料。進行數(shù)學建模，力學分析，并且反復試驗。以達到最佳的所設計的方案。所設計的方案必須要滿足核桃破殼機的各項工作性能要求。 （3）關鍵零部件的設計 關鍵零部件直接影響著機器的性能，在設計的時候必須要結構合理。所選的零件必須要經(jīng)過充分的試驗研究，每個零件結構參數(shù)必須準確 5、完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法 完成本課題需要相關的二維和三維制圖軟件，學校實驗室的電腦里面裝有這些軟件，可通過老師向學校借用。由于核桃品種繁雜 ，形狀不規(guī)則、 尺寸差異較大、殼仁間隙小、 殼完全破裂所要求的變形量大于殼仁間隙， 所以破殼取仁難度較大。 核桃仁與殼之間的空隙大 ，仁殼結合松懈 ，易剝殼分離 ，所以盡量選擇殼薄的核桃，這樣易于破出更多的整仁或半仁。核桃飽滿程度和均勻度對剝殼效果也會產(chǎn)生影響， 核桃粒度不均勻 ，剝殼設備最佳操作條件的確定困難， 使剝殼效率和粉末度無法達到最佳的平衡， 剝殼效果下降 。為提高剝殼效果， 可采取循環(huán)剝殼和二次剝殼的工藝 ，當粒度相差大時 ，最好采取分級剝殼， 才能達到好的工藝效果。核桃水分含量對外殼的強度 、彈性和塑性以及仁的粉碎度都有直接影響。 核桃的濕度要適中，一般情況下 ，核桃含水量越低 ，其外殼越脆， 剝殼時易破殼，但剝殼后混合物的粉末度增加。反之， 外殼的韌性好， 剝殼時的破殼率低 ，但剝殼后的整仁率提高。 在核桃剝殼時應保持最適當?shù)乃趾浚雇鈿ず腿示哂凶畲髲椥宰冃魏退苄宰冃蔚牟町?，這樣一方面使外殼含水量低到使其具有最大的脆性更易破碎剝殼，另一方面又不致于使仁在機械外力作用下粉末度太大。因此，控制核桃剝殼時的最佳水分含量，對提高剝殼效率和減少粉末度都十分重要。試驗結果證明，核桃濕度 15%左右破殼較為合適。 為了提高核桃的生產(chǎn)效率，應該選擇合適的擠壓間隙，擠壓間隙過小，會造成過高的碎仁率，反之則會漏破或破殼不充分，要選擇合適的破殼姿態(tài)。要對核桃的大小進行適當?shù)姆旨?，核桃直徑應服從正態(tài)分布 。再次，要使核桃順利的進入擠壓間隙，這取決于破殼間隙大小以及與核桃接觸的情況，要使核桃擠壓破殼，核桃首先必須被夾住，然后卷入齒盤與齒板間的間隙，被擠壓破殼。 6.完成本課題的工作方案及進度計劃 第一周——第三周 明確任務，對資料收集整理和研究，要充分的利用身邊的各種資源，如：網(wǎng)絡文獻、我校的圖書館中的于此設計相關的藏書、我校的數(shù)字圖書庫等。在這里面收集大量的相關文獻。仔細閱讀，尋找相關的知識，希望能從尋找和學習的過程中有所啟發(fā)。了解核桃破殼機的國內外現(xiàn)狀，撰寫開題報告。 第四周——第五周 對所做課題進行力學分析研究，進行必要的數(shù)學建模。在遇到不懂得問題時，要積極聯(lián)系指導老師，虛心向指導老師求教，設計核桃破殼機的總體方案。 第六周——第九周 重新熟悉已經(jīng)學習過的相關作圖軟件，并且繪制草圖。做些主要部件的校核計算，爭取盡早的完成設計。對核桃破殼機的結構進行具體的設計 第十周——第十二周 撰寫設計說明，對部分問題進行修改，交指導老師并聽取修改意見，進一步完善。 第十三周——第十四周 整理資料，撰寫畢業(yè)論文，準備答辯。 7.參考文獻 [1]吳子岳.核桃剝殼的力學分析.南京農業(yè)大學學報，1995，18(3):116-12 [２] 多輥擠壓式核桃破殼機的設計及試驗研究.董詩韓、史建新.農業(yè)大學學報，2011,34（1）：62～６５ [３] 核桃生產(chǎn)加工利用研究的現(xiàn)狀與前景-□鐘海雁、李忠海、袁列江　　　張余。 [4]山核桃破殼機的設計．陳娟、王衛(wèi)清，安徽農業(yè)科學 [5]國內外核桃破殼取仁機械的現(xiàn)狀及問題。史建新，幸動軍2001,06-0029-04。 [6]核桃破殼取仁工藝及關鍵設備，李忠新，楊軍，2008,12-0027-03，農機化研究。 [7]核桃加工技術探討，錢向明，西部糧油科技，2002年第三期。 學生簽名 年 月 日 指導教師審閱意見 指導教師簽名 年 月 日