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JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目 油茶果剝殼機設(shè)計 學(xué) 院： 工學(xué)院 姓 名： 金 鑫 學(xué) 號： 20101159 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 年 級： 2010級 指導(dǎo)教師： 饒洪輝 職 稱：副教授 二0一四 年 五 月 摘 要 摘要：通過對油茶果的特點進行分析，并根據(jù)其果殼為木質(zhì)化的特點。油茶果脫殼機為柔性擠壓，從而達到脫殼的目的，種子剝殼能力和技術(shù)要求符合本文提出的參數(shù)，通過驗證試驗樣機能夠滿足實際生產(chǎn)的工藝及要求。 Keywords:Camellia oleifera fruit;hulling machine;pro/e 關(guān)鍵詞：油茶果；脫殼機；Pro/E； Abstract Abstract: Based on the analysis of characteristics of Camellia oleiferafruit,and according to its nutlet lignification.when the fruit into hulling machine of the flexible extrusion,so as to achieve the purpose of shell,seed separation.production capacity and technical parameters of Camelliaoleiferahulling machine proposed in this paper,through the verification test prototype can satisfy the actual production process and requirements. Keywords:Camellia oleifera fruit;hulling machine;pro/e 目 錄 摘 要 1 Abstract 2 1 引言 4 2 油茶果的特性及剝殼試驗 4 2.1 油茶果的特性 4 2.2 油茶果的剝殼試驗 6 3 剝殼機的主要結(jié)構(gòu)和工作原理 6 3.1 剝殼機的主要結(jié)構(gòu) 6 3.2 剝殼機的工作原理 7 4 剝殼機的主要參數(shù)確定及主要結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 4.1 動力機的選擇 7 4.2 剝殼桿的設(shè)計 8 4.3 傳動帶的設(shè)計計算 8 5 軸 10 5.1 選擇軸的材料 10 5.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 5.3 軸承選用 11 5.4 軸上零件定位…………………………………………………………… 11 參考文獻 13 致謝 14 3 1 引言 油茶是一類只有在中國才能生長的木本油料植物，具有兩千多年悠久的培育歷史以及豐富的利用經(jīng)驗，并且其擁有較高的營養(yǎng)價值，因此油茶又被冠上了“東方橄欖油”的美好贊譽。根據(jù)相關(guān)資料的顯示，目前，在中國大地上的油茶已經(jīng)種植的面積大約有300萬平方米，每年收獲的油茶籽產(chǎn)量大約有100多萬噸左右，每年生產(chǎn)的茶油總量能達到26萬噸，產(chǎn)值約110億元。油茶種植的主要分布區(qū)域是在我國長江流域及其以南的14個省、市、區(qū)，當中以江西、廣西、湖南這三個省為主要的種植區(qū)域，三省總種植面積大約占到了全國總種植面積的76.2%。其中又以江西省為主，該省現(xiàn)在有油茶林種植面積約為76萬平方米，面積和產(chǎn)量均已位列至全國第二。油茶果是由果殼和茶籽組成的，茶籽是由茶籽殼和茶仁組成的，果殼中不含有油脂，富含有木質(zhì)素、多縮戊糖、鞣質(zhì)和皂素等等，果殼對加工油脂會不利，所以必須要進行脫殼處理。目前油茶鮮果脫殼大多數(shù)是純手工方式的，首先將鮮果采摘后一般先堆3～5天，完成茶果的后熟過程，并且有利于油茶蒲的開裂，然后再攤曬脫籽。這對大規(guī)模的油茶種植并不適用，而近年大量豐產(chǎn)油茶基地的建設(shè)，油茶產(chǎn)量在逐年大幅增加，油茶鮮果大量集中采摘上市，純手工的方式完全不能應(yīng)付呈幾何增長的油茶產(chǎn)量，但是由于缺乏脫殼清選機械，脫殼環(huán)節(jié)將成為眾多油脂加工企業(yè)、油茶種植大戶原料處理的首大難題。 近些年來，國家政府表現(xiàn)出了對油茶產(chǎn)業(yè)的高度重視，出臺了一系列相關(guān)的扶持油茶生產(chǎn)的優(yōu)惠補貼政策，這給油茶產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的發(fā)展商機。但是油茶果脫殼的技術(shù)和機器的研究在國內(nèi)卻都是最近兩年才剛剛起步，并且清選技術(shù)因為研究難度大更是處于一片空白當中，查閱相關(guān)資料了解到國內(nèi)目前只有專利201020194564報道了一種油茶果剝殼機。該機器主要的剝殼結(jié)構(gòu)是采用由一圈螺紋鋼條焊接而成的內(nèi)外籠式的機構(gòu)，并且在該內(nèi)外籠之間形成一個進料端大、出料端小的類似錐形的剝殼腔，油茶果在該內(nèi)外籠之間將受到搓擠而致使果皮破碎，內(nèi)籠的內(nèi)外壁設(shè)有導(dǎo)料輸送螺旋葉片機構(gòu)，該葉片是用來輸送擠入的茶籽。錐形剝殼室的間隙則需要根據(jù)要進行處理的油茶果大小來進行相關(guān)調(diào)整的，因此使用起來并不是非常方便。此外，由于該設(shè)計的相鄰螺紋鋼條之間間隙大于油茶果果皮剝殼分離之后碎果的外徑，而油茶果有大徑也有小徑，碎果外徑和茶籽外徑也都是大小不一，碎果和茶籽都有一定的可能會被擠入內(nèi)籠，同樣碎果和茶籽也有一定的可能會被擠入外籠，所以該原理及其結(jié)構(gòu)并不是能夠很好的來進行清選果殼和茶籽。此外一些諸如福建的錐栗、浙江的板栗、兩廣的龍眼等一些堅果脫殼的技術(shù)的研究就有比較多的相關(guān)報道，例如廣西亞熱帶作物研究所在2008年所成功研制的DGT-A/B型多功能干果脫殼機，就能很好的適用于諸如板栗、油茶、核桃、澳洲堅果等類型干果的脫殼，但是主要用于澳洲堅果的脫殼，并且也沒有果殼與籽粒的清選設(shè)備，而是采用人工來進行清選。所以不能夠大規(guī)模的推廣開來使用。而另外一款由樊濤等研制的油茶果脫殼機，雖然脫殼率比較高，但是果仁卻很容易被擠碎，并且同樣的沒有清選的功能，該機采用2個擠壓輥進行擠壓的原理將果殼進行擠裂。所以也不能很好的進行推廣給廣大的茶農(nóng)所使用。綜上，目前油茶果脫殼、果殼和茶籽清選組合的技術(shù)及其機械尚處于一片空白，市場迫切希望能有一種既能有效的對油茶果進行脫殼，并且又能將果殼和茶籽進行清選的組合機械出現(xiàn)。 2 油茶果的特性及剝殼試驗 2.1 油茶果的特性 2.1.1 形狀 一般來說，成熟的油茶果都是不規(guī)則圓形或者橢圓形，大小不一，小的直徑為20～23mm，大的能達到45～50mm，質(zhì)量為15.43～17.95g，除去外形之外，其它性狀都存在著非常明顯的差異。茶籽外形呈現(xiàn)出多邊圓形或著棱形，果實豐滿并且厚實；裂開的果殼形似小樹葉狀，兩頭有類似的尖角，但是厚薄并不均勻，油茶果靠近樹枝的根部比較薄，只有2～3mm，而頂部則比較厚，有4～5mm。油茶果最顯著的生物特性是：新鮮果較硬，富含較高的水分，殼與茶籽間距為0～0.2mm，果殼包裹著籽比較緊密，而中間有一層薄薄的隔膜，茶果在攤曬后3～5天會從頂部自動裂開，但是根部還是連在一起，形如花瓣狀，用純手工就很容易剝開，茶果的該特性適于采用擠壓、揉搓法來脫殼，并且這些數(shù)據(jù)也為脫殼和清選的設(shè)計提供了很好的依據(jù)。 圖１　鮮茶果仁尺寸圖 2.1.2 水分 茶果的收獲時間可以按品種分為在每年的10月中旬至11月初，剛剛采摘下來的茶果富含較高的水分：果殼的平均含水率能達到72.23%，茶籽為43.6%，果仁為55.59%。茶果攤曬后3～5天會自動開裂，這時水分會開始慢慢的揮發(fā)。 茶果含水率對處理量影響較大，剛剛采摘下來的未開裂的茶果會比較緊密，在脫殼室內(nèi)受到脫殼桿更強烈的撞擊和擠壓、揉搓，需要消耗更長的時間，所以處理量會受到很大影響，而隨著茶果開裂，含水率也會下降，此時，茶果在脫殼室內(nèi)只要受到脫殼桿輕微的撞擊和相互揉搓，籽粒便會迅速與果殼分離開來，快速穿過篩孔，從而提高了效率。但是含水率進一步降低對處理量影響不大。 2.1.3 密度 為了找尋最佳的果殼與籽清選方法，用“針壓法”和“排水法”測定了鮮果、殼與籽粒的密度，數(shù)據(jù)見表1。從表1中可知，剛剛采摘下來的油茶果的殼與籽粒的密度相差并不是很大，而且都不相同，這和參考文獻里報道的油茶籽的生物學(xué)特性是相同的。 表1 果、殼、籽的密度 Table 1 Density of camellia oleifera fruit, shell and seed g·cm-3 序號果殼籽粒 1 0.952 0.891 0.997 2 0.941 0.843 0.979 3 0.946 0.812 1.017 4 0.975 0.821 1.071 平均值0.954 0.842 1.016 2.1.4 壓力試驗 該試驗采用了WEW-600微機液壓萬能試驗機來測定剛剛采摘下來的油茶果受到壓力開裂所需要的壓力值，加載速度5mm/s，挑選直徑小、中、大的茶果各4個，另外隨機抽選2個大的茶果來進行測定，所測得的數(shù)據(jù)如下表2。 表2 茶果受壓開裂壓力值 Table 2 Stress rupture force of camellia oleifera fruit 序號果殼厚度/mm 施壓方向平均含水率/% 茶果外徑/mm 壓力值/N 1 3～3.5 縱壓55.59 23～30 276 2 3～5 縱壓55.59 23～30 295 3 2～3 橫壓55.59 23～30 320 4 3～5 橫壓55.59 23～30 453 5 2～3 縱壓55.59 30～40 440 6 3～3.5 縱壓55.59 30～40 392 7 2～3 橫壓55.59 30～40 404 8 3～5 橫壓55.59 30～40 423 9 3～5 縱壓55.59 40～50 267 10 3～5 縱壓55.59 40～50 413 11 3～3.5 橫壓55.59 40～50 442 12 3～5 橫壓55.59 40～50 800 13 3～5 橫壓55.59 40～50 520 14 3～5 橫壓55.59 40～50 541 注：橫壓是指平行于茶果根頂連線方向進行施壓，縱壓是指垂直于茶果根頂連線方向進行施壓，橫、縱壓果殼開裂都是指沿著縱向方向。 從上表2可以看出，橫壓受到的力比縱壓受到的力要大許多，最大值可以達到800N，這可以作為脫殼桿設(shè)計依據(jù)，因此表格中大的茶果所受到的橫壓比縱壓多列了2組數(shù)據(jù)。 2.2 油茶果的剝殼試驗 根據(jù)茶果種子與果皮的物理特性區(qū)別，常用的脫殼機的結(jié)構(gòu)大致可以分為以下幾種類型： （1）間隙擠壓式：這種類型的設(shè)備適用于果皮與果仁之間有一定的間隙并且種子大小比較均勻的種子來進行脫皮； （2）滾刀旋切式：這種類型的設(shè)備適用于果實體積較大的、內(nèi)部只包含一粒呈圓形種籽并且種籽堅硬而不易破裂的種子來進行脫皮； （3）離心拋摔式：這種類型的設(shè)備適用于果皮堅硬、果仁堅韌性比較好的并且種子大小并不均勻的種子來進行脫皮； （4）自碾搓式：這種類型的設(shè)備是在壓力的作用下使種子之間相互擠搓從而達到果皮脫離的目的。其適用于果皮比較脆而且果仁具有韌性的種子來進行脫皮； （5）抽打攪拌式：這種類型的設(shè)備適合果皮很容易開裂或著已經(jīng)開裂的，并且只需稍微施加外力輔助作用就可以對果實進行脫皮的種子。 通過一些試驗，可以得出方法二、三、四、五是產(chǎn)生機械鋼性的沖擊從而致使種皮產(chǎn)生破損的，而方法一是機械的柔性沖擊，該沖擊對種皮無破損。因此在此次機械設(shè)計中，決定采用機械柔性擠壓的方法來進行油茶鮮果剝殼。 3 剝殼機的主要結(jié)構(gòu)和工作原理 3.1 剝殼機的主要結(jié)構(gòu) 油茶果剝殼機采用了立式的設(shè)計，該機主要是由進料斗、擠壓軸、擠壓滾筒、橡膠層、機座、電機、皮帶輪組、三角帶組成的。 為了保證剝殼率能達到99%以上，因此大果球需要擠壓至少3次以上，小的果球則要擠壓2次以上。并且為了保證籽皮不會破損，設(shè)計時是采用柔性擠壓。果球在機器內(nèi)是采用自由落體下落的，擠壓軸采用的是三棱式錐體設(shè)計。 圖1 總體結(jié)構(gòu)三維圖 3.2 剝殼機的工作原理 油茶果球是通過進料斗進入到擠壓筒中和擠壓軸的間隙之中，然后再由電機通過皮帶輪帶動擠壓軸進行旋轉(zhuǎn)，擠壓軸上的三棱角通過旋轉(zhuǎn)撞擊油茶果在擠壓筒的壓力下，油茶果球受到了反作用力而破裂，然后在兩到三次反復(fù)作用下達到果殼與茶籽分離落下的目的。 4 剝殼機的主要參數(shù)確定及主要機構(gòu)設(shè)計 4.1 動力機的選擇 電機的參數(shù)如下:750W/220V電流24A、轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/min（選配給500W/380V電機或著是兩沖程汽油機LY52;2.4馬力）。 4.2 剝殼機構(gòu)的設(shè)計 4.2.1 剝殼桿總成 剝殼桿是剝殼機的主要工作部件，它主要是一根三棱式椎體擠壓軸。 圖2 剝殼桿三維圖 4.2.2 滾筒的設(shè)計 根據(jù)之前對油茶果性狀進行的各種分析，了解到油茶果仁不能受到太大的擠壓力，因此對滾筒的材料進行要求，為了滿足柔性擠壓而又降低成本降低重量的要求，所以擠壓筒選用2mm的鋼板，并且在表面附著上一層10mm橡膠層來避免被擠壓致使果仁破碎。為了保證果仁能在滾筒內(nèi)受到充分的擠壓而是果仁與果殼分離，滾筒長度采用900mm。 4.2.3 篩孔的直徑 最后是果皮和果仁的篩選裝置，首先在滾筒下半邊圓孔篩的篩孔直徑的選定依據(jù)：該尺寸應(yīng)該比茶籽的最大幾何尺寸大1～2mm，在大量測量了野生和園藝種植油茶的品種之后，測得最大籽粒的幾何尺寸一般都在18～26mm左右，因此取篩孔的直徑為φ25。篩孔的直徑必須要選得適合，如果過大的話，必然會使脫凈率降低，如果過小的話，那么會使已經(jīng)脫殼了的籽粒不能夠及時的通過篩孔而繼續(xù)停留在滾筒內(nèi)受到撞擊、擠壓和揉搓而破碎，從而造成了不必要的浪費。接下來在機座上設(shè)有一層帶有篩孔的板子進行二次分離，從而達到較高的清選機率。 4.3 傳動帶的設(shè)計計算 4.3.1 已知條件及設(shè)計內(nèi)容 已知：電動機的額定功率P 小帶輪的轉(zhuǎn)速n1=1440r/min 傳動比取i=2(推薦值i-2~5,傳動比小時帶輪包角大傳動不易打滑） 皮帶日工作10小時，載荷變動較大。 4.3.2 設(shè)計步驟和方法 計算功率Pca是根據(jù)傳遞的功率P和傳動帶的工作條件而設(shè)定的 Pca=KAP 式中：Pca—計算功率 KA—工況系數(shù)，取KA=1.5.見文獻【2】表8-7 P—傳遞額定功率 將已知的數(shù)據(jù)帶入公式得到：Pca=1.5X7.5=11.25KW （2） 選擇V帶的帶型 根據(jù)計算功率Pca和小帶輪的轉(zhuǎn)速，從文獻【2】表8-11選取B型號普通V帶的帶型。（d1=125~140mm) （3）確定帶輪的基準直徑dd并驗算帶式v 1 )參考文獻【2】表8-6和表8-8初選小帶輪直徑dd1=125mm. 2)驗算帶速：根據(jù)公式v=πnd/60X1000≈9.42m/s 故符合條件，因此取之 3）就算大帶輪的基準直徑dd2 dd2=idd1=2X125=250mm 從文獻【2】表8-8中可知：250mm屬于B型V帶輪基準直徑系列中的標準值，故取之 (4）確定中心距a及V帶的基準長度Ld 1)根據(jù)帶傳動總體尺寸的限制條件和要求，結(jié)合公式初定中心距a0 （dd2-dd1）<=a0<=（dd1+dd2） 講數(shù)據(jù)帶入得：265.2mm<=a0<=750mm，為減小安裝尺寸，初選中心距a0=400mm 2)計算相應(yīng)的帶長Ld0≈2a0+π/2（dd1+dd2）+（dd2-dd1）^2/4a0,將數(shù)據(jù)代入得： Ld0≈1398.77mm 所以取帶的基準長度Ld=1400mm 3）計算中心距a及其變動范 傳動的實際中心距近似為a≈a0+（Ld-Ld0）/2=400mm (5) 驗算小帶輪上的包角 由公式a1≈180°-（dd2-dd1）57.3°a/a≈162.1° >=90° 故符合條件。 （6）確定帶的根數(shù) Z=Pca/Pt=KaP/(P+P0)KaKL 依次查表可得各數(shù)據(jù)，P0為單根皮帶的基本額定功率，由B型帶i=2,n1=1440r/min,查表8-4b并計算得出P0=0.4568KW 最后得出Z=4.967 圓整后取Z=5 (7)確定帶的初拉力F0 單根V帶所需的最小初拉力根據(jù)公式（F0）min=500(2.5-Ka)Pca/Kazv+qv^2 q為傳動帶單位長度質(zhì)量，B型取0.18Kg/m,代入數(shù)據(jù)得（F0）min=210N. 對于新安裝的V帶，初拉力為1.5（F0）min，對于運轉(zhuǎn)后的V帶。初拉力為1.3（F0）min 取F0=1.5（F0）min=315N （8）計算帶傳動的壓力軸Fp 計算壓力軸公式Fp=2zF0sinα1/2=2X5X315Xsin162.1°/2=3111.6N 4.3.3 傳動帶輪的設(shè)計 （1）帶輪的材料： 帶輪常用的材料為灰鑄鐵。當帶速v≤25m/s,采用HT150;帶速v=25~30m/s時采用HT200;當轉(zhuǎn)速較高時可以采用鑄鐵或用鋼板沖壓后焊接而成。此外，傳遞功率小的可以采用鑄鋁或塑料。 本次設(shè)計v=9.42m/s,所以帶輪材料采用HT150。 （2）帶輪的結(jié)構(gòu)形式 本次設(shè)計中，小帶輪采用孔板式，大帶輪采用孔板式。 圖4 帶輪三維圖 5.1軸 5.1.1 選擇軸的材料 選擇軸的材料為45號鋼，經(jīng)過調(diào)制處理之后，其機械性能由《機械設(shè)計》表6-1查得： ，，，；查表《機械設(shè)計》6-4，。 5.4.3.2 初步計算軸徑 按機械設(shè)計P370式15-2其中：p為輸入功率、n為軸的轉(zhuǎn)速。 考慮到軸端裝軸端擋圈需開鍵槽，將其軸徑增4%～5%，故取軸的直徑為100mm。 5.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 按工作要求，軸Ⅰ上所支承的零件主要有軸套、鍵、軸端擋圈以及滾動軸承。根據(jù)軸上零件的定位、加工要求以及不同的零件裝配方案，參考軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求，可確定軸的各段尺寸，可以得出軸的結(jié)構(gòu)。 5.1.3 軸承選用 1） 軸承選型 考慮驅(qū)動軸在的較大彎矩作用下會產(chǎn)生彎曲變形，深溝球軸承裝在軸上后，在軸承的軸向游隙范圍內(nèi)，可限制軸兩個方向的軸向位移，承受徑向載荷，也可同時承受徑向載荷和軸向載荷?；緟?shù)如表5-1。 表5-1 軸承6216基本參數(shù) 基本尺寸 /mm 額定載荷 /kN d D B 80 140 26 71.5 54.2 考慮整機是立式擺放的，所以需要一個圓錐滾子軸承承受以徑向載荷為主的徑向與軸向聯(lián)合載荷?；緟?shù)如表5-2。 表5-2 軸承32220基本參數(shù) 基本尺寸 /mm 額定載荷 /kN d D B 100 180 46 340 520 2) 軸的強度校核 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度，進行校核時，已知T=713.8N·m，取。 軸的計算應(yīng)力為： 抗彎截面系數(shù) 。 前方已選定材料為40Cr鋼，調(diào)質(zhì)處理，，因，故安全。 3）軸承的壽命計算 軸承主要承受徑向載荷，軸向載荷很小并可以忽略中等沖擊。其當量動載荷為： 式中：——載荷系數(shù)，中等沖擊取1.2~1.8。 其壽命為： 式中：——軸承的壽命指數(shù)，滾子軸承=10/3。 故驅(qū)動軸軸承的工作壽命為24362小時。 5.1.4 軸上零件的定位 實心軸與大帶輪的連接采用平鍵連接，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》表5-2-1普通平鍵的型式和尺寸見以下, 鍵槽用鍵槽銑刀加工。 鍵選平鍵 鍵：8×7×32 （GB/T 1096-2003） 平鍵的校核 根據(jù) T ─ 轉(zhuǎn)矩，； d ─ 軸的直徑，； h ─ 鍵的高度，； ─ 鍵的工作長度，； 由《機械設(shè)計手冊》表3.1查得。 鍵：8×7×32 符合要求。 為了固定實心軸與大帶輪和電機與小帶輪，應(yīng)該在軸端都給加上軸端擋圈。（GB/T 891-86） 參考文獻 ［1］毛謙德，李振清.袖珍機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007. 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