一种同向双螺旋辊自分级核桃柔性破壳装置及方法与流程

本发明涉及核桃破壳取仁装置，具体涉及自定位预破壳同向双螺旋自分级柔性挤压核桃破壳取仁装置及方法。

背景技术：

核桃，原产于中亚，又有胡桃、羌桃等别名，是胡桃科核桃属多年生落叶乔木。我国栽培的核桃品种约有40余种，分布广泛，全国24个省(区)都有栽培和分布，其面积和产量均居世界首位。我国核桃栽培面积大，产量高，栽培面积约130万千米以上，主要种植区域在西南和西北，年均总产量约97.94万吨。核桃营养丰富，口味独特，并具有一定的药用价值，正日益受到人们的欢迎和喜爱。核桃是食用植物油工业的重要原料，利用核桃油可制造人造奶油、起酥油、色拉油、调和油等，也可用作工业原料。核桃除了经过简单加工就可以食用外，经过加工还可以制成各种食品和保健品。核桃加工副产品核桃壳和核桃饼粕等可以综合利用，加工增值，提高经济效益。

由于核桃壳主要由木素、纤维素和半纤维素组成，核桃果壳硬而厚，形状不规则，内有多个分隔，壳仁间隙小。在对核桃进行深加工的过程中，原料的剥壳取仁处理是一道重要而又困难的工序，但是加工技术落后，没有成熟的核桃破壳机械，为保证取仁率及核桃仁的完整率，许多核桃加工厂家依然采取手工破壳取仁的方式，如“手剥山核桃”法，即把山核桃放在特制的模子里，使用特制的锤子人工敲击。手工破壳的方式不仅加工效率低、成本高，而且不能保证食品的卫生，存在危害食用者健康的潜在威胁。

目前，除了手工取仁的方法之外，核桃破壳取仁有以下几种方法：离心碰撞式破壳法、化学腐蚀法、真空破壳取仁法、超声波破壳法、机械破壳法。第一种方法，离心后的核桃高速撞击壁面使壳变形直至破裂，但是破壳后产生的碎仁较多，所以方法不理想；第二种方法，在实际操作中药剂用量不易控制，核桃仁易受到腐蚀，处理不好还会造成对环境的污染，因此方法极少应用；第三、四种方法，设备昂贵，破壳成本太高，且破壳效果不够理想。第五种方法，设备简单，成本低，破壳效果可通过改进部件结构提升，因此该方法得到较多的探索研究和应用。

国内外对杏核、松子等坚果进行了大量的实验，探究了坚果的力学性能以及影响破壳效果的因素，指出了含水率、加载方向等因素对坚果破壳力、变形量、破壳趋势以及整仁率等有一定的影响。史建新、吴子岳等人结合有限元分析法通过大量试验对核桃的破壳原理以及力学性能进行了研究，找出了破壳时的最佳施力位置和方式。袁巧霞等人通过对辊板式银杏脱壳装置的试验研究得出间距过大或者过小都不利于脱壳。间距过大挤压量达不到破壳所需的临界压缩量，脱壳率下降；间距过小，挤压量过大，破仁率增加。李忠新等人受定间隙挤压(横向挤压和纵向挤压)试验的启发，建立了“锥篮式破壳模型”，研究了对核桃破壳最有效的施力方向和位置，并且提出了破壳机的结构因素，如破壳间隙、破壳板的硬度、喂料速度对破壳效果的影响。合肥工业大学的宋率展运用薄壳理论和断裂理论对内力和位移进行分析指出两对法向力更利于破壳，同时指出通过揉搓的方式对芡实进行破壳要将搓板设计成变形后与坚果相一致的形状，即搓板要具有一定的柔性及硬度，并且搓板与芡实之间的摩擦系数应该选取的适当大一些以满足脱壳的要求。

目前，国内常见的机械剥壳加工设备按剥壳方法分类主要分为四类：挤压法、撞击法、剪切法和碾搓法。吴子岳研究的绵核桃剥壳机所采用的是双齿盘—齿板式剥壳原理。绵核桃被喂入到剥壳装置中后，圆形齿盘带动绵核桃边旋转边向间隙里挤入，一定间距的齿尖不断地挤压核桃壳表面，使得裂纹不断扩展，最后核桃壳基本上完全破裂，碎壳和核桃仁通过最小间隙向下掉出来。张仲欣^[20]研究开发的对辊窝眼式核桃开口机主要由锥辊式分级装置和对辊窝眼式开口装置两部分组成，分级装置由一对大端对大端、小端对小端的锥形辊组成，两辊间隙从大端到小端逐渐变大。对辊窝眼式开口装置为一对直径相同的圆柱形挤压辊，其上带窝眼，窝眼尺寸从大端到小端逐渐变大。两对托辊分别相对滚动，经分级后的核桃落入相应的窝眼中后在两辊的挤压作用下破碎，然后通过出料滑板收集。王晓暄等人研制开发的离心式核桃二次破壳机利用撞击法将核桃进行破碎。在托板的摩擦力和拨板的推动作用下，落在离心板上的核桃随离心板一起旋转，当离心板达到一定的转速后，核桃会以一定的速度脱离飞出，与撞击桶发生碰撞完成破壳。通过调节离心板的转速可以调整核桃撞击力的大小，进而可以获得较理想的破壳效果。张勇研发的核桃脱壳取整仁器由基座和顶盖组成。基座的上半部是个圆台，圆台顶面有个下凹的剥壳腔，其内侧边缘带有一圈锯齿。工作时，将核桃放在剥壳腔的锯齿上，用带有橡胶垫的顶盖将核桃压住，启动电机就可以将核桃壳锯出一个缺口，锯出4到6个缺口后即可将核桃壳剥开。柴金旺利用摩擦碾搓的原理研发的核桃脱壳机采用带有齿槽的内外磨对核桃进行破壳。外磨固定在机架上，内磨在电机的带动下转动。核桃在内外磨之问的间隙内破裂脱壳。当破碎到合适的粒度后，由挡板与内磨下底之同的缝隙落到落料板上。该机不能自动适应核桃的大小，又由于目前核桃品种多样、大小不一，因此在实际应用中存在一定的缺陷，破裂不同尺寸的核桃，需要更换尺寸不同的内外径。

青岛理工大学的李长河、李晶尧、王胜、张强发明了核桃剥壳取仁装置，专利号：CN201210277037.X。发明公开了一种核桃剥壳取仁装置，它包括机架，机架上设有机箱，机箱内设有压紧粉碎装置，在压紧粉碎装置的出料口设有搅拌装置，搅拌装置的出料口设有分选装置，机箱下壁固定有动力装置，动力装置通过V带分别与分选装置和压紧粉碎装置连接，首先通过压紧粉碎装置使核桃破裂，在通过搅拌装置的锤击，和分离装置的风力分离、绒带粘附等作用，使核桃破壳并实现壳仁分离的自动化，采用高度调节装置，使装置可以适应处理不同品种的核桃，因而可以用于大批量的生产作业中，缩短劳动时间及节约劳动力，降低加工成本，较好的解决了核桃剥壳取仁难，依赖手工的问题，并使剥壳率和高路仁率有所提高，实现高效、低耗、低成本绿色清洁生产。

青岛理工大学的刘明政、李长河、张彦彬发明了核桃剪切挤压破壳柔性捶击取仁装备，专利号：CN201310634619.3。发明涉及一种自动化程度高，实现核桃破壳、保证核桃仁完整性及其壳仁分离的功能，使性能指标大幅提高，对处理不同尺寸的核桃实应性能强的核桃剪切挤压破壳柔性捶击取仁装备。它包括：喂料斗；接收喂料斗送来物料的平带剪切挤压破壳装置；柔性螺旋叶片锤击系统，它接收平带剪切挤压破壳装置送来的初步破壳的物料，并进行二次锤击破壳；在柔性螺旋叶片锤击系统下部设有核桃壳与核桃仁分离装置；平带剪切挤压破壳装置、核桃仁分离装置与传动系统连接，传动系统与动力源一连接；柔性螺旋叶片锤击系统与动力源二连接；上述各设备均安装在机架上。

青岛理工大学的李长河、邢旭东、马正诚、张晓阳、杨帆、许好男、周亚博、韩一鸣发明了自动输送定位的核桃破壳装置及其使用方法，专利号：CN201610225509.5；发明公开了自动输送定位的核桃破壳装置及其使用方法，包括设于机架的至少一个核桃固定机构和至少两根撞击杆，核桃固定机构的上方设有核桃喂料斗，核桃破壳模具开有核桃定位孔，在核桃定位孔的两侧各设有用于覆盖核桃定位孔的定位定量送料滑块，核桃破壳模具的侧壁开有至少两个与核桃定位孔相通的开孔，多根撞击杆在移动机构的带动下穿过与每根撞击杆对应的开孔撞击设置于核桃定位孔内的核桃；本发明采用了搅拌装置进行送料，结构精巧，效率高且故障率极低。本发明的喂料斗出料孔形状、定位输送机构内的通孔采用核桃定位截面形状，使核桃在一系列的下落过程中均可保证定位的结果稳定不变，核桃姿态精确可控，实现了核桃喂料的自动化、可控化。

但多数剥壳机存在的主要问题是：剥壳率低，许多剥壳机漏剥或破壳不完全，剥壳率80％，甚至更低；损失率高，高露仁率低。由于破壳不完全，部分碎核桃仁夹带在碎壳中难以取出，有些剥壳机的果仁损失率高达20％，而高露仁率约60％；果仁完整性差，许多剥壳机一味追求剥壳率的提高，导致高的核桃仁破碎率；适应性差，在核桃品种、大小规格、外壳形状等因素出现变化时，剥壳机具剥壳性能就变差。绝大多数机械破壳设备的破壳间隙都是固定的，又由于核桃形状尺寸不规则，将核桃批量放入，不符合间隙尺寸的核桃往往就得不到有效的破壳，核桃尺寸过大会造成核桃壳过度破碎，核桃仁受到损害，核桃尺寸过小导致得不到破壳，为此需要在破壳之前对核桃进行尺寸分级。目前以机械方式对核桃大小分级的设备主要有3种。1)滚杠式分级机，所有滚杠相对水平面平行，滚杠之间的间距由小变大。核桃在滚杠上滚动时，当滚杠间距超过核桃直径时，核桃便掉进下方相应的分果槽中。2)双辊式分级机，双辊与水平面成一定倾斜角度，并且双辊之间成一定角度，相对旋转。由于双辊间有夹角，双辊之间的分级间距逐渐增加，在重力作用下核桃沿缝滚下，当滚至双辊间间距大于果径之处时，核桃便从两辊间落入分果槽中。3)滚筒式分级机，滚筒中具有若干层滚筒单元，每层滚筒单元上均匀布满小孔，同一层滚筒内的小孔孔径相同，不同层滚筒的小孔孔径不同，并且每层内的孔径由内向外依次增大。滚筒匀速滚动，核桃从滚筒上部送入，沿滚筒外表输送，核桃依次经过不同层孔径的滚筒，从小到大依次分级。

综上所述，现有的核桃剥壳取仁设备大都为“一次加工”的方式，即将完整核桃直接进行破壳取仁，而且采用“刚性”破壳的方式，破壳及取仁时对核仁缺乏有效的保护措施。同时，由于核桃种类繁多，各种核桃大小不同，破壳所需应力不同，现有设备难以实现全部适应。在加工原理方面，传统的破壳取仁设备大都为单方面施力，各个作用力之间缺乏配合，这就使得破壳效果难以达到理想。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种同向双螺旋辊自分级核桃柔性破壳装置及方法，本发明通过双螺旋辊进行多方位施力，破壳效率高，整仁率高，核仁损伤小。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种同向双螺旋辊自分级核桃柔性破壳装置，包括两个并排设置且轴线不平行的螺旋辊，两个螺旋辊直径不同，且两个螺旋辊的表面均设置有沿螺旋辊轴向延伸的凹槽,两个螺旋辊同向转动破壳，使得核桃在破壳过程中各个点受力均匀。

所述两个螺旋辊的母线处凹槽保持对齐。

所述两个螺旋辊之间具有间距，且该间距沿螺旋辊轴线方向逐渐增大。

所述螺旋辊的材料为硬质橡胶。

所述两个螺旋辊的导程一致。

所述两个螺旋辊的凹槽的头数之比为比为转速之比的反比。

所述两个螺旋辊的转速相同、凹槽的螺距相同、头数相同。

所述凹槽为弧形凹槽。

所述凹槽轴向长度大于核桃长径，凹槽径向长度与螺旋辊安装间距相适配。

所述凹槽包括但不限于V型、抛物线形、高次方程曲线形或梯形凹槽。

所述两个螺旋辊设置于固定支架上，通过带轮带动其旋转。

基于上述装置的使用方法，核桃落到两螺旋辊之上，由于螺旋的轴向输送作用，核桃沿螺旋辊母线向前滚动，核桃在直径大的螺旋辊一侧受到向下的压力作用，当核桃所处空间与核桃本身大小合适时，核桃在直径大的螺旋辊一侧所受的压力将核桃压入螺旋凹槽，在核桃周围剪切力的破壳及剥落作用下，核桃壳从核仁表面脱落，核仁在重力作用下通过两螺旋辊对口的凹槽落下，实现剥壳取仁。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用螺旋辊同向转动破壳，使得核桃在破壳过程中各个点受力均匀，破壳时各个力之间相互配合，在保证破壳效率，破壳彻底的同时，很好的保护了核仁不受破壳能量的伤害，能够得到较高的整仁率；

(2)本发明安装时两螺旋辊轴线之间呈一定夹角，两螺旋辊辊母线处间距渐开，同时巧妙利用轴向力的输送作用，使得核桃在向前运动过程中实现自分级破壳，减少分级流程；

(3)本发明不仅可用于小规模生产，也可通过线性组合实现多组连接配合工作，能够适应各种生产规模，提高加工效率。

附图说明

图1为本发明的破壳装置轴测图；

图2为本发明的破壳装置俯视图；

图3为本发明的第一种方案的两螺旋辊的结构图；

图4为本发明的第二种方案的两螺旋辊的结构图；

图5为本发明的第三种方案的两螺旋辊的结构图；

图6为本发明的第四种方案的两螺旋辊的结构图；

图7为本发明的核桃在两螺旋辊之间的受力分析图；

图8为本发明的核桃在两螺旋辊第一种槽型之间的受力分析图；

图9为本发明的核桃在两螺旋辊第二种槽型之间的受力分析图；

图10为本发明的核桃在两螺旋辊第三种槽型之间的受力分析图；

其中1-辊子Ⅰ,2-辊子Ⅱ,3-带轮Ⅶ,4-带轮Ⅷ,5-带轮Ⅸ,6-带轮Ⅹ,7-带轮ⅩⅠ,8-轴Ⅵ,9-轴Ⅶ,10-固定支架Ⅲ,11-固定支架Ⅳ；

F_a为轴向力，F_d为径向力，F_s为剪切力。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的轴测图，本发明由机架，螺旋辊1，螺旋辊2组成，其中，两螺旋辊直径大小不同，转向相同，并且轴线安装有一定角度，两螺旋辊并排放置于支架上，且两螺旋辊表面均开有一定形状的破壳凹槽；为保证最佳破壳效果，两个辊在破壳时，两螺旋辊母线处凹槽保持时刻对齐。动力系统提供动力使皮带B-5转动，通过带轮1B-3和带轮2B-3带动小螺旋辊B-1和大螺旋辊B-2同向转动。核桃自螺旋破壳装置的进料口进入，由于螺旋辊凹槽的作用，落进的核桃受到三个力的作用：轴向力、剪切力、摩擦力。轴向力起自分级作用，剪切力和摩擦力起主要破壳作用，刚开始偏大的核桃会在两棍之间不断滚动并且在轴向力的驱使下沿着轴向向前运动，直到两棍间隙够大，核桃落进螺旋槽，受到剪切力和面摩擦力的作用，将核桃壳彻底地破碎，而保证了核桃仁的完整。

下面从数学理论计算上分析螺旋破壳原理：

首先从制造成本和整体装置体积大小考虑，确定两个螺旋辊的尺寸，由于两螺旋辊转向相同，则对核桃的作用力一个向上一个向下，根据实践证明，只有向下的作用力偏大才能使核桃更容易进入破壳，所以螺旋辊必须一大一小有线速度差且大螺旋辊对核桃的作用力向下。为了装配方便，大螺旋辊与小螺旋辊的长度一样都为大螺旋辊的半径为转速为n₁，小螺旋辊的半径为转速为n₂，两个螺旋辊的材料都是硬质橡胶，实现柔性破壳的同时保证使用年限。

根据螺旋破壳的原理可知，核桃只有完全落入螺旋凹槽才能实现将核桃壳挤碎而不影响到核桃仁，所以设计螺旋凹槽时必须保证螺旋辊旋转时两者的凹槽时刻啮合。为了提高核桃破壳效率，只有增加啮合凹槽的数量，因此需增加螺旋凹槽的头数N，如果头数过多，螺旋凹槽壁厚会过小，导致强度不够，所以需要找到头数N的最优值，既保证了破壳效率又满足了壁厚强度。对单个螺旋辊分析如下：

螺旋凹槽的螺旋角为α，螺距为ρ，导程为K，半径为R其中：

tanα＝NK/2πr 式(1)

NK＝ρ 式(2)

两螺旋槽时刻啮合的条件：

由式(1)和式(2)知，如果螺旋辊半径确定，螺旋角只与螺距有关；由式(3)和式(4)可知，两个螺旋辊导程必须一样，同时保证头数比为转速的反比。

如图3所示，第一种实施方案

ρ₁≠ρ₂

N₁＝N₂

n₁＝n₂

此方案中螺旋辊直径相同，转速相同，螺距不同但是头数相同，由式(2)可知导程不同，不符合啮合条件，由电脑模拟的简图也能看出螺旋槽没有完全啮合，并且线速度也相同没有线速度差，破壳效果最不理想。

如图4所示，第二种实施方案

ρ₁＝ρ₂

N₁＝N₂

n₁＝n₂

此方案中两螺旋辊直径相同，转速相同，螺距相同，头数也相同，由式(2)可知，导程一样，也满足啮合条件，但是螺旋辊的线速度相同，没有线速度差，根据实验效果也得出破壳效果不理想。

如图5所示，第三种实施方案

ρ₁≠ρ₂

N₁＝N₂

n₁≠n₂

此方案中两螺旋辊直径不同，转速不同，螺距不同但是头数相同，由式(2)可知，导程不同，不符合啮合条件，这种方案很明显不能满足螺旋凹槽时刻啮合条件，破壳效率低。

如图6所示，第四种实施方案

ρ₁＝ρ₂

N₁＝N₂

n₁＝n₂

此方案螺旋辊直径不同，转速相同，有线速度差；螺距相同并且头数一样，根据式(2)可知满足螺旋凹槽啮合条件，根据实践结果也证明此方案效果最理想。

还有一种比较特殊的方案：

ρ₁≠ρ₂

N₁≠N₂

n₁≠n₂

此方案是根据理论计算公式得出的方案，可以根据设计需求，改变螺旋辊的直径、螺距、头数、或者转速，从而保证在其他情况下也能实现螺旋辊的功能。

核桃外壳大小主要分为三个径长：长径d_长、中径d_中、短径d_短，其余部分近似球形，理想认为核桃壳与仁之间的间隙等距为λ。根据大量实验验证大部分核桃在落入螺旋辊凹槽时，长径与螺旋轴轴向平行，短径两端与两螺旋辊凹槽接触。为了能达到较好的破壳效果，凹槽轴向长度ψ需稍大于核桃长径d_长，径向长度φ可以根据螺旋辊安装间隙τ改变，为了保证破壳力度，需满足：

d_短-2λ≤2×φ+τ≤d_短 (式5)

这就保证破壳的同时不伤到核桃仁。

如图7所示，当核桃落在两个螺旋辊中间时，核桃会在槽型的作用下受到三个力作用，分别是轴向力，剪切力，径向力。其中轴向力起自分级作用：偏大的核桃由于轴向力作用，核桃会一直延轴向前进，两轴间隙越来越大，直到槽型的大小与核桃相近，核桃进入螺旋槽；剪切力与径向力起破壳作用：核桃进入螺旋槽后，受到大小辊上下相反方向的剪切力和径向挤压力作用，外壳破碎。

接下来分析螺旋凹槽的槽型，不同的槽型在破壳时会对核桃外壳产生不同的作用力，合适的槽型会产生更好的破壳效果。

如图8所示，第一种槽型：V型凹槽，由于V型槽的自定位特点，核桃与V型凹槽之间的接触是点接触。因此，V型凹槽对核桃的力集中在四个点上。核桃受力处单位面积所受的力非常大，能量集中在整个核桃的四个点上。因而容易导致只有核桃壳破裂不完整并且损伤到核桃仁，而且V型槽易将刚被挤碎的核桃壳卡在槽内，影响其他核桃的破壳过程。因此这种V型凹槽设计不合理。

核桃受两个图示辊子接触点的反力F₃、F₄，还有图中未标识的辊子的反力F₁、F₂，受到辊子所给的垂直向上的切向力F₇、F₈，受到另一辊子所给的向下的切向力F₅、F₆。

第二种槽型：梯形凹槽，梯形槽保留了V型槽的自定位特点，核桃与梯形凹槽之间的接触仍然是点接触。因此梯形凹槽对核桃的力集中在四个点上，核桃受力处单位面积所受的力非常大，能量集中在四个点上。核桃壳破碎不完整的问题没有得到解决。由于梯形凹槽没有了V型凹槽的窄小部分，避免了核桃壳卡在凹槽内的问题。但是受力仍为点接触，受力集中、能量集中的问题还未解决，存在一定的缺陷。因此梯形凹槽仍然不合理。

受力分析图如图9所示：

核桃受两个图示辊子接触点的反力F₃、F₄，还有图中未标识的辊子的反力F₁、F₂，受到辊子所给的垂直向上的切向力F₇、F₈，受到另一辊子所给的向下的切向力F₅、F₆。

第三种槽型：弧形凹槽，由于核桃本身是一个类椭圆体，所以核桃与弧形凹槽之间会呈线接触，受力相比点接触更加均匀。避免了能量集中的问题，使核桃壳破碎的更加完全，而且核桃壳不易卡在凹槽内。因此这种弧形凹槽是一种比较理想的核桃破壳挤压的凹槽类型。

受力分析图如图10所示：

核桃与弧形凹槽呈线接触，所以其受力并不是单独的集中力，而是分布力。

核桃在弧形凹槽内，受到四种分布力，一种是图示螺旋辊所产生的向上的剪切力q₇、q₈，一种是另一螺旋辊所产生的向下的剪切力q₅、q₆。还有两个螺旋辊分别给核桃的分布挤压力q₁、q₂、q₃、q₄。

螺旋辊凹槽槽型实际上并不是只有这三种，例如还有抛物线形，或者高次方程曲线形，但是根据我们的大量实验证明，只有槽型接近核桃外壳形状才能提高破壳整仁率和效率，但是核桃外壳的形状不是固定不变的，所以我们只能选择与大部分核桃外壳相近的圆弧形作为最优方案。

综上所述，第四种方案加上第三种槽型是效果最优的破壳螺旋辊。

具体工作过程如下：

预破壳的核桃自上一步工序落到螺旋辊一侧，在螺纹的轴向输送作用下核桃向前移动，同时由于两螺旋辊安装轴线存在一定夹角，故核桃所处螺旋辊之间的空间逐渐变大，由于螺旋辊转向相同，故在母线处存在两个大小相同，方向相反，互为作用的剪切力，又由于两个螺旋辊直径有所差异，核桃所处母线处两侧线速度大小不同，核桃一侧为大螺旋辊，直径较大，线速度大，另一侧为小螺旋辊，直径小，线速度小，故核桃在大螺旋辊一侧还受到向下的压力作用。因此，在核桃向前运动过程中，当核桃所处空间与核桃本身大小合适时，核桃在大螺旋辊一侧所受的压力将核桃压入螺旋凹槽，在核桃周围剪切力的破壳及剥落作用下，核桃壳从核仁表面脱落，核仁在重力作用下通过两螺旋辊对口的凹槽落下，至此，达到剥壳取仁的目的。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。