2012学年机电产品规划与创意课程设计题目: 核桃脱壳机说明书
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学院: 机电工程学院
专业: 机械设计制造及其自动化
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摘要
本产品说明书主要通过项目研究概述、核桃的类别及力学性能的分析、产品与技术、产品的分析验证、项目研究设计总结这五大版块对我们设计研究的核桃脱壳机进行了详细的论述。此核桃脱壳机采用了定间隙挤压玻壳法，主要由三大装置组成：导向装置、脱壳装置、传动装置，并配以箱体装置。通过导向装置将核桃以合适的方位送入脱壳装置，并实现往复运动，使得核桃自动化出入；脱壳装置使用简单的II级杆组，通过偏心凸轮的旋转运动转化为滑块（重锤）的上下往复滑动，提供使核仁分离的压力；传动装置用于提供动力，并借助传动装置实现定速定比传动，便于控制。实验结果表明，该设备工作稳定，性能可靠，功能实现效果良好。
关键词：导向核仁分离定间隙挤压往复运动机构简单
目录
第一章项目研究概述
1.1 项目研究背景
1.2 项目研究需求分析
1.3 产品技术研究国内外现状分析
1.3.1 国外研究现状分析
1.3.2 国内研究现状分析
第二章核桃的类别及力学性能的分析
2.1 核桃的分类
2.1.1 类群
2.1.1.1 核桃类群
2.1.1.2 铁核桃类群
2.1.2 品种群
2.1.2.1 品种
2.2 核桃的力学分析
第三章产品与技术
3.1 产品概述
3.2 产品设计构想
3.2.1 总体设计构想
3.2.1.1 方案对比分析及最终方案的确定 3.2.2 导向装置的设计
3.2.2.1 导向装置设计的必要性
3.2.2.2 导向装置的原理及结构
3.2.3 脱壳装置的设计
3.2.3.1 脱壳装置的原理
3.2.3.2 脱壳装置的结构
3.2.4 传动装置的设计
3.2.
4.1 传动方案的拟定
3.2.
4.2 传动装置的原理及结构
3.2.5 总体尺寸设计与三维图
3.3 产品优势分析
3.4 产品生产的工艺
第四章产品的分析验证
4.1 运动模型图
4.2 运动分析图
4.3 结论
第五章项目研究设计总结
5.1 本文完成的主要工作
5.2 存在的问题及今后努力的方向
参考文献
致谢
第一章项目研究概述
1.1项目研究背景
近年来，随着我国对外开放政策的不断深化，工、农、商三大行业也正稳步的迈向全球化的行列。抛开工、商两大行业，就单从农业这一行业进行分析，我们会发现一个规律，所有被世界接受认可的食品都会有一套完整的采摘、处理、制作、销售、售后等一系列的推广措施。
核桃作为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。目前，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。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。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
胆固醇的绿色保健食品，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，也是我国传统出口物资之一，具有很强的加工和出口的季节性。因此，解决核桃取仁的问题就显得尤其的重要与关键。
而在我国传统的核桃取仁历来都是靠纯手工完成。在这里做一个简单的计算：如果一人一天平均能砸30斤核桃，取仁约12斤，那么以天津口岸年出口核桃仁5000吨计，仅取仁一项需占用人体劳力的80多万个劳动日。况且，核桃加工和出口的时间正值三秋和农田基本建设大忙季节，如此手工取仁之方法必然使得任务繁重,耗费时间周期长，必然会形成与农业争劳力的局面。所以，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，实现核桃取仁机械化，研制高效脱壳机，对解放劳动力, 提高效率，获得高效益，支援农业生产有着无可替代的需求价值。
1.2项目研究需求分析
目前，在全国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。与此同时，在国际市场上，整体核桃仁的价格是带壳核桃的几十倍，且核桃带壳保存容易霉烂、变质。因此，寻求效率高，质量好的脱壳方法与脱壳设备对任何一个地区、一家企业而言，都是其发展产业、壮大产业、立足于全球化的必然。在此，我们对市场上的消费群体作出以下三种分类，并针对每一种消费群体，我们对其需求产品功能的侧重点也会
有相应的改变，并一同列举如下：
第一类消费群体所需设备：普通小作坊专用型核桃脱壳机
第二类消费群体所需设备：大型企业工业化专用型核桃脱壳机
第三类消费群体所需设备：地区核桃出口专用型核桃脱壳机以上三种核桃脱壳机的具体结构、原理、性能分析等，我们会在后面章节的方案设计中进行细致叙述。
1.3产品技术研究国内外现状分析
1.3.1 国外研究现状分析
在全球范围内，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，然后用分色机将果仁分为深色和浅色，再分为全仁和碎仁不同大小等级，最后分别包装销售。
国外早在20世纪60年代初，就着手研制坚果剥壳机具，至80年代初，美国、意大利、法国等已相继推出了各种坚果剥壳机，如夏威夷果剥壳机、杏仁剥壳机等。经过数十年的发展，坚果剥壳机具已日趋成熟，目前，正朝着机电一体化方向发展。由于美国的主栽品种只有强特勒、哈特利、希尔、维纳、土莱尔、豪沃迪这6个，其品质优良，
规格划一，有利于机械化破壳，因此核桃破壳机在美国发展较早。主要的核桃破壳机类型有：
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。
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。
（3）Clarence Lloyd Warmack 和 Barry Shawn Warmack 等研制的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。
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。
（5）Michael P.Filice，R obert Lemos 和 Robert P.Baker 等研装置、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。
1.3.2 国内研究现状分析
我国坚果脱壳机具发展缓慢，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，致使加工的作业成本增加。
第二章核桃的类别及力学性能的分析
2.1 核桃的分类
2.1.1 类群
形态特征和生态类型具有统一性的品种群称为类群。我国核桃品种分为核桃类群和铁核桃累群。通常称前者为北方核桃，后者为南方核桃。
2.1.1.1 核桃类群
各品种群的核桃外表近似球形。壳表面沿纵径方向分布着长条沟
纹，结合线下半部较平整，上半部微隆起，约1-2mm。见下图。
2.1.1.2 铁核桃类群
各个种群的核桃外表近似球形，壳表面分布较深的坑点，结合线宽而隆起约2-3mm。
2.1.2 品种群
核桃壳厚薄，含仁率高低相近似的一些品种称为品种群。我国核桃品种基本上可划为四个种群，划分标准见表1。
2.1.2.1 品种
品种的命名主要是依据坚果大小形状、核桃壳表面特性、产品地等。
表1 核桃品种群的划分标准
含仁率横隔壁内褶壁取出仁品种群核桃壳厚
度
纸皮核桃<0.9 >65 退化退化全仁
薄壳核桃1-1.5 50-60 呈膜质退化半仁
中壳核桃 1.6-2.0 41-49 呈膜质不发达14仁
厚壳核桃>2.1 <41 呈膜质发达碎仁注：1、横隔膜是指分隔开两半仁的十字架式的薄膜。
2、内褶壁式指凹凸不平的内壁。
从表中可见，纸皮核桃、薄壳核桃和中壳核桃品种群易于用机械剥壳取仁,而且剥壳比较完整。而厚壳核桃品种群难以剥壳取仁，其原因是横膈膜厚，内褶壁发达，把仁夹嵌在壳里。2.2 核桃的力学分析
核桃可简化为各向同性的均匀薄球壳，为了找到核桃剥壳取仁最合理的挤压方式、集中力的对数、挤压速度及挤压块结构参数等，需分析使核桃实现核仁分离的最大、最小压力。图2-1表示一对法向集中力P作用在均匀薄球壳上，球壳的每一个微小截面上都存在着两类内力，即薄膜力，，弯曲力矩，及横向剪力。它们的正方向示于图2-2中。
图2-1 一对法向力集中作用在球壳上
图2-2 两类内力示意图
当均匀薄球壳受到一对法向集中力作用时，在远离集中力作
用点的区域中主要存在的是薄膜力，弯曲力矩很小，可不加考虑。
但在集中力作用点附近区域弯曲力矩很大，不能忽略。因此，整
个球壳分两个区域计算内力，对于远离集中力作用点的区域采用
无矩理论计算薄膜力，。在集中力作用点附近区域采用弯矩理论
计算内力，，，，。
基于计算任务过于繁复，可采用实验的方法进行分析，并最
终确定使得核桃实现核仁分离的：，。
第三章产品与技术
3.1 产品概述
本产品属于核桃工业化生产必备的脱壳设备，是实现核仁分离的高效脱壳装置。产品主体采用硬质合金钢空心圆管，外形尺寸约为1000×1000×1000mm的立方块，内部结构均以合理的装配关系安装在这个立方块中。主要由三大装置组成，即：导向装置、脱壳装置、传动装置。导向装置确保核桃以合理的方位进入脱壳装置，并提供往复运动，实现核桃脱壳后自动离开脱壳装置；脱壳装置主体全部采用
II级杆组，通过偏心凸轮的旋转运动转化为滑块（重锤）的上下往复滑动，提供使核仁分离的压力；传动装置用于提供动力，并借助传动装置实现定速定比传动，便于控制。
3.2 产品设计构想
3.2.1 总体设计构想
为了实现高脱壳率、低损失率、果仁完整性好这三个基本要求，并结合市场需求。我们分别设计了如下三种核桃脱壳设备，其机构运动简图如下：
方案一：
1 电动机
2 联轴器
3 减速器
4 偏心轮
5 滑块
方案二：
1 电动机
2 联轴器
3 减速器
4 偏心轮
5 滑块
方案三：（改进版）
1 调节机构
2 凸版
3 石磙
4 喂入斗
5 核桃
3.2.1.1 方案对比分析及最终方案的确定
方案一主体采用了II级杆组组装而成，脱壳装置中活动构件n=5，低副，高副。则机构自由度F=3×5-2×7=1，所以，机构有确定的运
动。即：通过偏心凸轮的旋转运动转化为滑块（重锤）的上下往复滑动，提供使核仁分离的压力。
方案二在方案一的基础上，增加了拉杆6、压杆7。此时，脱壳装置中的活动构件n=7，低副，高副。则机构自由度F=3×7-2×10=1，则该机构亦有确定的运动。且运动形式与方案一相同。此种方案相对于方案一而言，可很好的保证运动的平稳性，同时增大滑块的行程。
方案三利用了凸版和石磙之间的固定间隙，借以摩擦压力使得核桃实现核仁分析。由于其充分借助了核桃的重力作用，故可简化导向装置。与此同时，石磙边缘的突齿可很好的减小受力面积，增大压强，提高脱壳效率。再配合上调节机构，可以针对品种不一、形状各异的核桃进行有效的脱壳。
3.2.2 导向装置的设计
3.2.2.1 导向装置设计的必要性
对于固定间隙的核桃破壳机来说，核桃进入破壳机构的姿态对破壳率和高露仁率有很大影响。因此，设计核桃破壳机首先要解决核桃的破壳导向问题。核桃随着破壳设备的转动是破壳机取得较完整仁的必要条件,因此必须在破壳前对球度小的核桃进行导向,把核桃定向喂入破壳装置。而设计了核桃导向定位装置的核桃脱壳机，无论是从脱壳性能抑或是实用性能等方面都有了很大的提高。
3.2.2.2 导向装置的原理及结构
导向装置原理图
3.2.3 脱壳装置的设计
3.2.3.1 脱壳装置的原理
脱壳装置主体全部采用II级杆组，通过偏心凸轮的旋转运动转化为滑块（重锤）的上下往复滑动，提供使核仁分离的压力；传动装置用于提供动力，并借助传动装置实现定速定比传动，便于控制。
3.2.3.2 脱壳装置结构图
脱壳装置
压头
3.2.4 传动装置的设计
3.2.
4.1 传动方案的拟定
传动装置用于提供动力，并借助减速器与齿轮的配合实现定速定比传动，便于控制。
减速器
3.2.
4.2 传动装置的原理及结构
传动装置
3.2.5 总体尺寸设计与三维图
对杆件进行受力分析得：四根杆件都是受压杆。已知杆件的材料为硬质合金钢空心圆管，其弹性模量，杆件的外径和内径分别为和。根据大量实验分析可得压碎核桃外壳的力N N F MAX 4418.945=?=，N N F MIN 3438.935=?=。简单计算如下：
压杆横截面的惯性矩是
4
10444441099.5)014.0015.0(64)
d (64m m D I -?=-=-=π
π
要满足稳定条件，则必有压杆的临界压力
N
F l m pa l EI
F MAX cr 4411099.51021024109222=≥????==-ππ
解得： 即可满足压杆稳定要求。
方案一：
方案二：
3.3 产品优势分析
. .装置结构简单、能耗低、振动小、易于控制、便于加工生产。. .压头做成弧形轮廓，以尽可能多的接触核桃外壳，使得碎壳瓣小而数多，有利于壳的完全破裂，提高剥壳质量。
. .该脱壳机能依次自动完成导向、破壳，无需人工参与。提高了劳动生产率和降低了生产成本。
3.4 产品生产的工艺
名称钻孔焊接车铣钳工外购
杆件√锯、磨管材、铰链
弹簧、扁钢
导向装置√√√磨、折
弯
脱壳装置√√磨、折弹簧
弯
传动装置√√√√磨、锯圆钢、销钉箱体装置√磨扁钢
其他标准件外购
第四章产品的分析验证
4.1 运动模型图