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塔里木大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告 課題名稱 雙齒盤——齒板式 核桃破殼機(jī)的設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué) 號 所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院 專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化 班 級 12-2 指導(dǎo)教師 起止時間 2011年12月-2012年6月 機(jī)械電氣化工程學(xué)院教務(wù)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(jì)作物，不僅對于農(nóng)村山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，而且可以美化環(huán)境，保護(hù)生態(tài)。核桃仁含有豐富的營養(yǎng)素，每百克含蛋白質(zhì)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(zhì)，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(bǔ)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(jī)械化加工帶來很大困擾。這樣人們就想怎樣用機(jī)械快速，方便的使核桃破殼，并且分離出果仁。為了適應(yīng)核桃的機(jī)械化加工。人們就想到了研究核桃破殼機(jī)。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(shè)計生產(chǎn)出能進(jìn)行機(jī)械或半機(jī)械化加工的核桃破殼機(jī)， 以提高核桃剝殼取仁的生產(chǎn)效率。 要研究核桃破殼機(jī)，首先我得查找有關(guān)核桃破殼機(jī)的文獻(xiàn)，找到國內(nèi)外核桃破殼機(jī)的研究現(xiàn)狀，分析核桃破殼機(jī)的優(yōu)劣，以及存在的問題，然后結(jié)合核桃破殼機(jī)存在的問題找到最佳的解決方法。其次得分析核桃的力學(xué)特性，找到最佳施力的方位。對核桃的力學(xué)特性進(jìn)行物理建模，確定采用什么樣的力學(xué)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(yīng)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(yán)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(zhuǎn)化。這是一項必須要解決的技術(shù)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(qiáng)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(jī)已成當(dāng)務(wù)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(jī)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(jī)械化破殼，以及機(jī)械化加工具有重大意義。 2、本課題所涉及的問題在國內(nèi)（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(dāng)數(shù)美國。美國可謂核桃生產(chǎn)上年輕而又強(qiáng)大的王國。美國核桃采收的機(jī)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(jī)采收，再用脫青皮機(jī)脫皮，用清洗機(jī)清洗，用烘干機(jī)烘干、利用冷庫進(jìn)行干燥處理和貯藏。如加工果仁，采用破殼機(jī)破殼，通過氣流分選機(jī)進(jìn)行殼仁分離，然后用分色機(jī)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(qiáng)特勒、哈特利、希爾、維納、土萊爾、豪沃迪這 6 個，其品質(zhì)優(yōu)良，規(guī)格劃一，有利于機(jī)械化破殼，因此核桃破殼機(jī)在美國發(fā)展較早。主要的核桃破殼機(jī)類型有：①Larry H. Hemry 研制的專利號為 6098530 機(jī)械式核桃破殼機(jī)。該機(jī)的主要結(jié)構(gòu)由機(jī)架、料斗、可調(diào)節(jié)定位板、破碎裝置、傳動機(jī)構(gòu)以及動力所組成。機(jī)械式核桃破殼機(jī)通過調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)定位板和破碎裝置間的間隙能夠適應(yīng)各類堅果的破殼。②Kenneth R. Evans 研制的專利號為 4201126 核桃破殼機(jī)。該機(jī)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(yùn)送到破殼裝置，然后對其進(jìn)行破殼。③Clarence Lloyd Warmack 和 Barry Shawn Warmack等研制的專利號為 6516714 核桃破殼機(jī)。該機(jī)主要由機(jī)架、箱體、滾筒、旋轉(zhuǎn)破殼裝置和出料口等組成。該機(jī)可以成功有效地?fù)舸蚝颂覍⑵錃と史蛛x。④John W. Brazil 發(fā)明的專利號為 4255855 核桃鉗。該鉗由把手、可調(diào)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(diào)柱塞在固定套內(nèi)滑動，可調(diào)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(jī)。該機(jī)主要由機(jī)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(yùn)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(jìn)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(dāng)難度。解決以上難題的方法就是將破殼取仁分解為分緩、導(dǎo)向、擠壓破殼(多點)、殼仁分離四部分，逐一加以解決。 目前國內(nèi)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(xué)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(yīng)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(shè)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(nèi)外研制的機(jī)械擠壓式核桃破殼機(jī)有多種，實現(xiàn)核桃破殼的結(jié)構(gòu)主要有：雙齒盤齒板式、對輥窩眼式、內(nèi)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度，但還需進(jìn)行手工剝殼，因此不利于機(jī)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(biāo)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)模化生產(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(jī)結(jié)構(gòu)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(wù)要求及實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析 本課題所涉及的任務(wù)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(xué)的幫助。由于核桃破殼機(jī)械，在國內(nèi)外的研究起步較晚，因此技術(shù)還不是很成熟，同時相關(guān)的學(xué)術(shù)報告也不是很豐富，因此我們應(yīng)該通過多種途徑試探性的研究設(shè)計，從不同的方向去設(shè)計構(gòu)思核桃破殼機(jī)械。查找相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行力學(xué)分析，數(shù)學(xué)建模。畫出結(jié)構(gòu)草圖，熟悉計算機(jī)制圖，畫出裝配圖。 由于本課題采用的力學(xué)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(jī)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(fù)實驗以達(dá)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(yù)期的目標(biāo)。實現(xiàn)其破殼率高，碎仁率低的優(yōu)點。所以本課題的任務(wù)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(jī)械破殼的生產(chǎn)率。 4、本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路； （1）核桃破殼機(jī)的力學(xué)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(guān)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(jié)出該機(jī)器的工作原理，根據(jù)工作原理，看需要什么機(jī)構(gòu)，幾個機(jī)構(gòu)；什么裝置，幾個裝置，不能重復(fù)，也不能缺少。且要實驗出合理的間距差。從而達(dá)到破殼率高，不傷果仁的效果。 （2）傳動方案的設(shè)計 本課題關(guān)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(dá)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(xiàn)，閱讀參考資料。進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，力學(xué)分析，并且反復(fù)試驗。以達(dá)到最佳的所設(shè)計的方案。所設(shè)計的方案必須要滿足核桃破殼機(jī)的各項工作性能要求。 （3）關(guān)鍵零部件的設(shè)計 關(guān)鍵零部件直接影響著機(jī)器的性能，在設(shè)計的時候必須要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)必須準(zhǔn)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(guān)的二維和三維制圖軟件，學(xué)校實驗室的電腦里面裝有這些軟件，可通過老師向?qū)W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(jié)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(shè)備最佳操作條件的確定困難， 使剝殼效率和粉末度無法達(dá)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(dāng)粒度相差大時 ，最好采取分級剝殼， 才能達(dá)到好的工藝效果。核桃水分含量對外殼的強(qiáng)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(yīng)保持最適當(dāng)?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(jī)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(jié)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(yīng)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(jìn)行適當(dāng)?shù)姆旨?，核桃直徑?yīng)服從正態(tài)分布 。再次，要使核桃順利的進(jìn)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(jìn)度計劃 第一周——第三周 明確任務(wù)，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(luò)文獻(xiàn)、我校的圖書館中的于此設(shè)計相關(guān)的藏書、我校的數(shù)字圖書庫等。在這里面收集大量的相關(guān)文獻(xiàn)。仔細(xì)閱讀，尋找相關(guān)的知識，希望能從尋找和學(xué)習(xí)的過程中有所啟發(fā)。了解核桃破殼機(jī)的國內(nèi)外現(xiàn)狀，撰寫開題報告。 第四周——第五周 對所做課題進(jìn)行力學(xué)分析研究，進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)建模。在遇到不懂得問題時，要積極聯(lián)系指導(dǎo)老師，虛心向指導(dǎo)老師求教，設(shè)計核桃破殼機(jī)的總體方案。 第六周——第九周 重新熟悉已經(jīng)學(xué)習(xí)過的相關(guān)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(shè)計。對核桃破殼機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計 第十周——第十二周 撰寫設(shè)計說明，對部分問題進(jìn)行修改，交指導(dǎo)老師并聽取修改意見，進(jìn)一步完善。 第十三周——第十四周 整理資料，撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯。 7.參考文獻(xiàn) [1]吳子岳.核桃剝殼的力學(xué)分析.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1995，18(3):116-12 [２] 多輥擠壓式核桃破殼機(jī)的設(shè)計及試驗研究.董詩韓、史建新.農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)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(jī)的設(shè)計．陳娟、王衛(wèi)清，安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) [5]國內(nèi)外核桃破殼取仁機(jī)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(guān)鍵設(shè)備，李忠新，楊軍，2008,12-0027-03，農(nóng)機(jī)化研究。 [7]核桃加工技術(shù)探討，錢向明，西部糧油科技，2002年第三期。 學(xué)生簽名 年 月 日 指導(dǎo)教師審閱意見 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日