CN103624005B - 气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化程度高、符合食品安全规定、实现核桃壳仁分选功能的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备。它包括安装在支撑结构上的螺旋叶片滚筒，螺旋叶片滚筒内部有同心的主轴，主轴两端通过各自的轴承安装在支撑结构上；主轴与动力源连接，主轴上还设有彼此耦合的螺旋叶片Ⅰ、螺旋叶片Ⅱ、螺旋叶片Ⅲ，构成连续的变螺距螺旋输送叶片机构，从而将所述螺旋叶片滚筒分为三个工作区域，对应螺旋叶片Ⅰ、螺旋叶片Ⅱ、螺旋叶片Ⅲ，分别为核桃壳输送区域、核桃壳仁分离区域、核桃仁输送区域；所述螺旋叶片滚筒进口处与进料斗连接，同时在进口处还设有吹风机以及核桃仁收集器；所述螺旋叶片滚筒出口处设有核桃壳收集器。

Description

气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备

技术领域

本发明涉及一种核桃壳仁自动分离工艺与装备，具体涉及一种气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备。

背景技术

为实现核桃剥壳取仁的机械自动化，国内外都曾研制过核桃壳仁分离机，现有的核桃壳仁分离机普遍采用风选原理、磁选原理、湿法刮板原理等。

风选式和湿法刮板式利用核桃壳仁比重的差异实现壳仁分离。核桃壳的比重为1.2-1.4，核桃仁的比重为1.02左右。比重差异很小的情况下，虽然风选式分离机对薄皮核桃的分离率比较高，但是对山核桃等大量厚皮品种的核桃分离效果并不理想。湿法刮板式分离机利用比重为1.16的泥浆水或盐水对核桃壳仁进行分层然后分离。主要不足在于：核桃内壳漂浮在液面上和核桃仁混在一起难以分离；需要冲洗、烘干等分离后处理，增加了加工成本而且延长了加工周期，效率不高。

美国科技人员曾研究过使用铁粉或磁流分离核桃壳仁，这种方法需要将无毒的明胶与铁粉相混合和涂包在核桃上，分离比较彻底，减少了核桃仁存在核桃壳里的机会。但用铁粉和磁粉做加工核桃的添加剂主要缺点是：增加了加工成本，对核桃仁也造成了污染。

核桃壳仁分离机是一种由电机带动,壳和仁分离间隙可调的核桃壳仁分离机。通过调整间隙来实现破壳后的核桃壳仁混合体分离。动力由减速电机通过双排链轮分配到两处,一处用来驱动分离环转动；另一处用来驱动中心轴转动。经过破壳的核桃进入壳仁分离环体后,在环体的转动下,壳仁体不断被抛送到一定高度后自由下落,下落时被绕中心轴转动的螺旋钉齿不断敲击、碰撞,最终将结合的壳仁分离开来,并将大壳输送到大壳出料斗内。通过丝杠调距器可调节合适的分离环间隙,使核桃仁在该间隙下以最佳的效果全部漏下,后收集到集料斗内,完成壳仁分离的过程。该装置仅实现了核桃大壳与核桃仁的分离，并不能分离核桃内壳和碎壳，而且分离过程需要不断的敲击碰撞核桃壳仁，降低了核桃仁完整率、出仁率，因此分离取仁性能指标低，效果不理想。

分离手剥山核桃下脚料壳仁的方法是一种分离手剥山核桃下脚料壳、仁的方法,包括分离未经熟化处理的生山核桃下脚料中壳、仁的步骤和分离经过熟化处理的山核桃下脚料中壳、仁的步骤。利用食用碱等食品添加剂的相关特性和核桃壳、仁在溶液中密度、比重、浮力差异的原理,通过配制分离液A、B、C,调节出山核桃下脚料中壳、仁在分离液A、B、C中的密度浮力差,使未经熟化处理的生山核桃下脚料中的壳、仁分离及使经过熟化处理的山核桃下脚料中的壳、仁分离,需要配合筛分机或筛网等的使用,同时分离液A、B、C能够多次使用。此方法是典型的湿法分离，工作周期长，需要静置一段时间才可分离；自动化程度低，需要配合筛分机或筛网等的使用；需要进行后处理(洗净、烘干等)，增加了加工成本。

虽然人们研制出了多种核桃壳仁自动分离装置可以对核桃壳仁进行分离，但每一种装置都各有利弊，不能对核桃核仁进行彻底的无污染、自动化分离。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种自动化程度高、符合食品安全规定、实现核桃壳仁分选功能的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，它包括一个螺旋叶片滚筒，所述螺旋叶片滚筒安装在一个支撑结构上，在螺旋叶片滚筒内部安装有同心的主轴，主轴两端通过各自的轴承安装在支撑结构上；

在所述主轴与动力源连接，在主轴上还设有彼此耦合的螺旋叶片Ⅰ、螺旋叶片Ⅱ、螺旋叶片Ⅲ，构成连续的变螺距螺旋输送叶片机构；变螺距螺旋输送叶片机构将所述螺旋叶片滚筒分为三个工作区域，对应螺旋叶片Ⅰ、螺旋叶片Ⅱ、螺旋叶片Ⅲ，分别为核桃壳输送区域、核桃壳仁分离区域、核桃仁输送区域；

所述螺旋叶片滚筒进口处与进料斗连接，同时在进口处还设有吹风机以及核桃仁收集器；

所述螺旋叶片滚筒出口处设有核桃壳收集器。

所述的螺旋叶片Ⅰ材料为柔性非金属材料，如电木、橡胶、PVC等，表面具有十字突起形状的织构，螺旋叶片Ⅰ与螺旋叶片滚筒外壳直径方向夹角为μ_y1＝10°～20°，轴向夹角为α_y1＝15°～25°，相对应的螺距为p₁＝1280～2240mm，轴向长度为L_y1＝150～220mm。

所述的螺旋叶片Ⅱ材料为柔性非金属材料，如电木、橡胶、PVC等，表面具有圆柱槽形状的织构；螺旋叶片Ⅱ与螺旋叶片滚筒外壳直径方向夹角为μ_y2＝0°～7°，与轴向夹角为α_y2＝33°～45°，相对应的螺距为p₂＝600～920mm，轴向长度为L_y2＝150～230mm。

所述的螺旋叶片Ⅲ材料为金属材料，如铁碳合金、铝合金等；螺旋叶片Ⅲ与螺旋叶片滚筒外壳直径方向夹角为μ_y3＝0°，与轴向夹角为α_y3＝70°～85°，相对应的螺距为p₃＝50～220mm，轴向长度为L_y3＝100～200mm。

所述螺旋叶片滚筒包括滚筒外壳，滚筒外壳内壁设有滚筒内垫，两者固连；螺旋叶片滚筒两端分别设有出料端滚筒挡环和进料端滚筒挡环。

所述各螺旋叶片通过多个连接筋片与主轴焊接，连接筋片互相成90°，一端焊接在主轴上，与主轴径向成角度α_i＝15°～30°，旋向为右旋，另一端焊接在螺旋叶片滚筒内壁上；连接筋片焊接水平位置距螺旋叶片滚筒物料进口端的距离为L₁＝200～220mm。

所述的进料斗固定在支撑结构上，水平方向上进料斗输出口与螺旋叶片滚筒的距离为L_j1＝0～30mm，竖直方向上进料斗输出口型心距主轴轴心距离为L_j2＝40～60mm，进料斗输出口输出物料方向与水平方向夹角为α_j＝15°～60°。

所述动力源采用减速电动机，它通过星型弹性联轴器与主轴连接；所述的减速电动机转速为w＝0.55～1.20r/s，通过螺栓固定在电动机底座上，电动机底座相对应的螺孔为长径通孔；与螺栓配合的螺母采用自锁螺母；所述的电动机底座左端通过螺栓固定在支撑机构上实现垂直方向定位和竖直方向定位，再通过电动机底座支架实现轴向定位；与螺栓配合的螺母采用自锁螺母。

所述吹风机的出风口在水平方向上与螺旋叶片滚筒的距离为L_c1＝0～50mm，在竖直方向上与主轴轴心的距离为L_c2＝0～30mm，吹风机出风口的输出风力方向与水平方向夹角为α_c＝5°～20°；吹风机通过螺栓固定在支撑机构上，与螺栓配合的螺母采用自锁螺母。

所述核桃壳收集器通过螺栓固定在支撑机构上，固定位置为螺旋叶片滚筒出口下方；核桃仁收集器通过螺栓固定在支撑机构上，固定位置为螺旋叶片滚筒进口下方；核桃壳收集器上方还有固定在支撑机构上的核桃壳收集罩；核桃壳收集罩上设有主轴穿过的通孔。

本发明利用螺旋叶片输送原理和气力输送原理对核桃壳仁物料进行分离，工作过程如下：

同时接通减速电动机和吹风机电源，在螺旋叶片滚筒出口端观察，减速电动机以w速度顺时针转动，通过星型弹性联轴器驱动主轴和螺旋叶片滚筒转动；吹风机以径向α_c角度由螺旋叶片滚筒进口输送风力。从进料斗输送核桃壳仁物料，输送速率为P kg/min，核桃壳仁物料在进料斗中加速后以沉降速度ν_t、一定的径向角度α_λ(α_λ＝α_j)被送入螺旋叶片滚筒，核桃仁物料在风力输送作用下进入核桃壳仁分离区域，核桃壳物料大部分进入核桃壳输送区域，少部分进入核桃壳仁分离区域，至此完成核桃壳仁物料初步分离。

螺旋叶片滚筒内壁上固定连接的变螺距螺旋输送叶片机构，螺旋方向为右旋，在螺旋叶片滚筒顺时针方向旋转时，螺旋叶片起到输送核桃壳仁物料的作用，物料输送方向是由出口方向输送至进口方向。在核桃壳仁分离区域，核桃壳仁物料被螺旋叶片Ⅱ沿圆周输送至高处，同时螺旋叶片Ⅱ对核桃壳仁物料有向进口方向运输的作用；达到一定高度后，核桃壳仁物料从空中抛下，具有向进口方向的初速度。在风力输送作用下，核桃仁受到较小的风力落在核桃仁输送区域；核桃壳受到较大的风力被送入核桃壳输送区域，至此完成第二步分离。

在核桃仁输送区域，核桃仁被小螺距的螺旋叶片Ⅲ输送至螺旋叶片滚筒出口方向输出，由于螺旋叶片Ⅲ的螺距小、摩擦系数小，在此区域形成了典型的螺旋输送作用，核桃仁不受风力影响，核桃仁被小螺距的螺旋叶片Ⅲ输送至螺旋叶片滚筒出口方向输出，落入核桃仁收集器。

在核桃壳输送区域，螺旋叶片Ⅰ表面具有十字突起形状的织构，核桃壳被带到高处抛下，抛下时不具有向进口方向的初速度，在风力作用下在螺旋叶片滚筒出口处输出，落入核桃壳收集器。至此核桃壳仁物料完全分离。

本发明的具体参数设计原理如下：

由于核桃物料的空气动力学特性不同，当气流作用于核桃物料的混合物料时，核桃物料会因所受合力的差异而产生不同的运动轨迹。考虑到核桃物料在螺旋叶片滚筒内的气流场中是以自由单个形式运动，且其形状尺寸和所受力不同，可用悬浮速度代替漂浮系数。所以，在对核桃物料进行动力学与运动学分析时，可以将单个核桃物料视为质点M。

根据核桃物料的特性将其划在牛顿区段来计算。当物料的形状相近，雷诺数处于牛顿区段时，球形系数为常数。根据《农业物料学》可知核桃仁的球形系数气k＝3.02，半截核桃的球形系数k＝1.78，破开不完全核桃的球形系数k＝1.21，核桃壳的球形系数k＝3.02。又因为核桃仁单粒质量m＝3.76～5.24g,ρ_s＝20.58～22.64kg/m³半截核桃单粒质量m_s＝6.41～8.13g，ρ_s＝17.63～19.57kg/m³，破开不完全核桃单粒质量m_s＝12.32～15.85g，ρ_s＝12.82～14.76kg/m³，核桃壳单粒质量m_s＝2.32～4.25g，ρ_s＝10.35～12.42kg/m³。在牛顿区段间，取阻力系数C＝0.44，空气密度ρ＝1.2kg/m³，所以根据悬浮速度计算公式：

$v_t=\sqrt{\frac{2\mathrm{mg}({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_f)}{\mathrm{AC}{\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\ρ}}_f}}$

式中：v_t——物料的沉降速度；

m——物料的质量；

ρ_s——物料的密度；

ρ_f——流体的密度；

A——物料的迎风面积；

C——阻力系数。

可以计算得出：核桃仁的悬浮速度变化范围为:3.34～3.65m/s，核桃壳的悬浮速度变化范围为:5.24～5.68m/s。

设计气力输送参数：

输送物料浓度：

μ_s＝G_物/G_气

式中：G_物——单位时间所输送的物料重量(kg/h)；

G_气——单位时间内通过输料管的空气重量(kg/h)。

所需风量：

Q＝G_物/μ_sγ

式中：G_物——输送量(kg/h)；

γ——空气的比重，取γ＝1.2kg/m³；

Q——风量(m³/h)。

所需风速：

v_c＝Q/60A₁

式中，A₁——出风口截面积(m²)；

Q——风量(m³/h)。

根据风速和出风口面积选择吹风机型号。

通过核桃壳仁物料的沉降速度和吹风机风力，对核桃壳仁物料进行受力分析，得出核桃壳仁运动路线和分布示意图，根据核桃壳、仁的分布示意图，确定核桃壳输送区域、核桃壳仁分离区域、核桃仁输送区域对应的长度，即螺旋叶片Ⅰ、螺旋叶片Ⅱ、螺旋叶片Ⅲ的轴向长度，分别为L_y1、L_y2、L_y3。根据螺旋叶片Ⅰ的工作原理，设计直径方向夹角为α_y1，轴向夹角为μ_y1，相对应的螺距p₁。

根据螺旋叶片Ⅱ的工作原理，当核桃壳仁物料旋转升角β一定角度后，核桃壳仁物料应该落下。若转速过大，核桃壳仁物料不会下落。因此必须确定螺旋叶片滚筒的转速最高极限值。在核桃壳仁物料旋转升角为β＝180°即最高点时，物料受到重力G和离心力Fc的作用，

$\mathrm{Fc}=\frac{{\mathrm{mv}}^2}{R}=\frac{{\mathrm{Gv}}^2}{\mathrm{gR}}<G$

即 $v<\sqrt{\mathrm{gR}}$

式中：m——核桃壳仁物料质量；

G——核桃壳仁物料所受重力；

R——螺旋叶片滚筒半径；

V——核桃壳仁物料运动的线速度。

而v＝2πRn/60即v＝πRn/30

式中n为滚筒转速，r/min

求得速度螺旋叶片滚筒转速

$n<\frac{30}{\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{g}{R}}$

当核桃壳仁物料上升角β≥90°时，要求在螺旋叶片的作用下，核桃壳仁物料轴向运动。核桃壳仁物料受到重力G、离心力Fc、螺旋叶片摩擦力f₁和螺旋叶片滚筒摩擦力f₂的作用，把G分解为G·sinα_y2和G·cosα_y2两个分力，前一分力要推动物料沿螺旋叶片轴向滑动，后者产生螺旋叶片摩擦力f₂。离心力Fc将核桃壳仁物料压在螺旋叶片滚筒上产生螺旋叶片滚筒摩擦力f₁。要求：

G·sinα_y2>f₁+f₂＝μG·cosα_y2+(μGv²)/(gR)

化简得:sinα_y2>μ·cosα_y2+(μv²)/(gR)

求得螺旋叶片Ⅱ的轴向夹角α_y2，根据公式：

tanα_y2＝2D/p₂

式中，D为螺旋叶片滚筒直径。

可以求出相对应的螺旋叶片Ⅱ的螺距为：

p₂＝2D/tanα_y2

根据螺旋叶片Ⅲ的工作原理，螺旋叶片Ⅲ起到典型的螺旋输送作用，因此要求核桃仁受到的摩擦力远小于重力下落分力：

G·sinα_y3>μG·cosα_y3

即α_y3>arctanμ

由于螺旋叶片Ⅲ采用金属材料制作，摩擦系数μ＝0.1～0.2，事实上极限轴向夹角很小。但是螺旋输送的效率随轴向夹角α_y3的增大而增大，因此取：

α_y3＝75°～85°

根据公式：

tanα_y3＝2D/p₃

可以求出相对应的螺旋叶片Ⅲ的螺距为：

p₃＝2D/tanα_y3

本发明的有益效果是：

通过螺旋叶片滚筒螺旋输送和气力输送的叠加作用实现了破碎的核桃壳仁物料分离功能，解决了核桃壳仁分选成本高，效率低这一难题。本装置根据核桃壳与核桃仁的形状不同、比重相差较大，核桃壳受到的风力较大，采用螺旋输送和气力输送叠加的方法，螺旋输送将核桃仁输送到螺旋叶片滚筒入口下端输出，气力输送将核桃壳输送到螺旋叶片滚筒出口输出，实现高程度自动化壳仁分离。该装置使核桃壳仁分离彻底、效率高、加工成本低。

附图说明

图1为这种实施例的轴侧示意图；

图2为这种实施例的螺旋叶片滚筒的轴侧示意图；

图3为这种实施例的螺旋叶片滚筒的侧剖示意图；

图4为这种实施例的螺旋叶片滚筒的全剖示意图；

图4a为这种实施例的螺旋叶片Ⅰ表面形貌示意图；

图4b为这种实施例的螺旋叶片Ⅱ表面形貌示意图；

图4c为这种实施例的螺旋叶片Ⅰ表面形貌剖视图；

图4d为这种实施例的螺旋叶片Ⅱ表面形貌剖视图；

图5为这种实施例的初步分离阶段核桃壳仁物料运动分析图；

图6为这种实施例的初步分离核桃壳仁物料分布示意图；

图7为这种实施例的第二步分离阶段核桃壳仁物料运动分析图；

图8为这种实施例的部件组装数据示意图；

图中，1-核桃壳收集器、2-机架、3-调心球轴承I、4-核桃壳收集罩、5-螺旋叶片滚筒、6-进料斗、7-主轴、8-星型弹性联轴器、9-减速电动机、10-调心球轴承II、11-电动机底座、12-电动机底座支架、13-吹风机、14-核桃仁收集器、15-出料端滚筒挡环、16-连接筋片、17-滚筒内垫、18-滚筒外壳、19-内六角螺钉Ⅰ、20-螺旋叶片Ⅰ、21-螺旋叶片Ⅱ、22-螺旋叶片Ⅲ、23-进料端滚筒挡环、24-连接螺栓、25-内六角螺钉Ⅱ、26-分界线Ⅰ、27-分界线Ⅱ、28-分界线Ⅲ、29-分界线Ⅳ、30-分界线Ⅴ、31-分界线Ⅵ。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1和图8，这种实施例的轴侧示意图和部件组装数据示意图所示，显示了气力与柔性螺旋叶片耦合作用下核桃壳仁滚筒双向分离装置的各个组成部件。主轴7直径为d₁(d₁＝30～40mm)，两端分别通过调心球轴承I3和调心球轴承II 10定位在机架2上，主轴7通过星型弹性联轴器8与减速电动机9输出轴相连接；减速电动机9转速为w(w＝0.55～1.20r/s)，通过螺栓固定在电动机底座11上，电动机底座11相对应的螺孔为长径通孔，可以实现减速电动机9的位置微调节；与螺栓配合的螺母采用自锁螺母，防止长期工作条件下减速电动机9震动对机器稳定性和零件间配合精度的破坏。电动机底座11左端通过螺栓固定在机架2上实现垂直方向定位和竖直方向定位，再通过电动机底座支架12实现轴向定位，与螺栓配合的螺母采用自锁螺母。进料斗6通过螺栓固定在机架2上，水平方向上进料斗6输出口与螺旋叶片滚筒5的距离为L_j1(L_y1＝0～30mm)，竖直方向上进料斗6输出口型心距主轴7轴心距离为L_j2(L_y2＝40～60mm)，进料斗6输出口输出物料方向与水平方向夹角为α_j(α_j＝15°～60°)。吹风机13通过螺栓固定在机架2上，吹风机13出风口在水平方向上与螺旋叶片滚筒5的距离为L_c1(L_c1＝0～50mm)，吹风机13出风口型心在竖直方向上与主轴7轴心的距离为L_c2(L_c2＝0～30mm)，吹风机13出风口的输出风力方向与水平方向夹角为α_c(α_c＝5°～20°)；与螺栓配合的螺母采用自锁螺母，防止长期工作条件下吹风机13震动对机器稳定性和零件间配合精度的破坏。核桃壳收集器1通过螺栓固定在机架2上，固定位置为螺旋叶片滚筒5出口下方；核桃仁收集器14通过螺栓固定在机架2上，固定位置为螺旋叶片滚筒5进口下方；核桃壳收集罩4通过螺栓固定在机架2上，固定位置为核桃壳收集器1上方，核桃壳收集罩4侧面封闭板上具有直径为d₂的通孔，d₁<d₂≤1.1d₁，组装时主轴7穿过通孔，通孔和主轴7有一定的同轴度配合关系。

如图2和图3，螺旋叶片滚筒5通过连接筋片16与主轴7焊接连接，螺旋叶片滚筒5与主轴7具有严格的同轴度配合关系，同轴度数值为四片连接筋片16互相成90°，一端焊接在主轴7上，与主轴7径向成角度α_i(α_i＝15°～30°)，旋向为右旋，另一端焊接在滚筒外壳18内壁上；连接筋片16焊接水平位置距螺旋叶片滚筒5物料进口端的距离为L₁＝200～220mm。

如图4和图8，螺旋叶片滚筒5包括进料端滚筒挡环23、出料端滚筒挡环15、滚筒外壳18、滚筒内垫17、内六角螺钉Ⅰ19、内六角螺钉Ⅱ25、连接螺栓24、螺旋叶片Ⅰ20、螺旋叶片Ⅱ21、螺旋叶片Ⅲ22；螺旋叶片滚筒5以滚筒外壳18为基体，滚筒外壳18为金属材料；螺旋叶片Ⅰ20、螺旋叶片Ⅱ21、螺旋叶片Ⅲ22通过内六角螺钉Ⅱ25固定在滚筒外壳18上，螺旋叶片Ⅰ20、螺旋叶片Ⅱ21、螺旋叶片Ⅲ22之间无缝耦合连接，构成连续的变螺距螺旋输送叶片机构，变螺距螺旋输送叶片机构的旋向为右旋；变螺距螺旋输送叶片机构将螺旋叶片滚筒5分为三个工作区域，对应螺旋叶片Ⅰ20、螺旋叶片Ⅱ21、螺旋叶片Ⅲ22，分别为核桃壳输送区域、核桃壳仁分离区域、核桃仁输送区域；在螺旋叶片滚筒中的变螺距螺旋输送叶片机构的数目成为螺旋叶片的线数m，线数越大，螺旋叶片滚筒5的工作效率越高；但线数太大会造成螺旋叶片滚筒5内部物料堵塞，一般取m＝1-5。螺旋叶片Ⅰ20材料为柔性非金属材料，如电木、橡胶、PVC等，表面具有十字突起形状的织构，螺旋叶片Ⅰ20与滚筒外壳18直径方向夹角为μ_y1(μ_y1＝10°～20°)，轴向夹角为α_y1(α_y1＝15°～25°)，相对应的螺距为p₁＝1280～2240mm，轴向长度为L_y1(L_y1＝150～220mm)；螺旋叶片Ⅱ21材料为柔性非金属材料，如电木、橡胶、PVC等，表面具有圆柱槽形状的织构，螺旋叶片Ⅱ21与滚筒外壳18直径方向夹角为μ_y2(μ_y2＝0°～7°)，与轴向夹角为α_y2(α_y2＝33°～45°)，相对应的螺距为p₂＝600～920mm，轴向长度为L_y2(L_y2＝150～230mm)；螺旋叶片Ⅲ22材料为金属材料，如铁碳合金、铝合金等，螺旋叶片Ⅲ22与滚筒外壳18直径方向夹角为μ_y3(μ_y3＝0°)，与轴向夹角为α_y3(α_y3＝70°～85°)，相对应的螺距为p₃＝50～220mm，轴向长度为L_y3(L_y3＝100～200mm)；滚筒内垫17材料为橡胶，起到缓冲作用，滚筒内垫通过内六角螺钉Ⅰ19固定在滚筒外壳18上；进料端滚筒挡环23、出料端滚筒挡环15通过螺栓24分别固定在螺旋叶片滚筒5进料端与出料端，用于提高螺旋叶片滚筒5的刚度和稳定性。螺旋叶片滚筒直径D(D＝300～400mm)。

如图4a和图4c，这种实施例的螺旋叶片Ⅰ表面形貌示意图和螺旋叶片Ⅰ表面形貌剖视图所示，螺旋叶片Ⅰ20在工作过程需要很大的粗糙度R_a1＝0.5～0.8mm，表面设计为十字突起形状的织构，织构尺寸为高a＝0.5～0.8mm，底宽b＝0.7～0.9mm。

如图4b和图4d，这种实施例的螺旋叶片Ⅱ表面形貌示意图和螺旋叶片Ⅱ表面形貌剖视图所示，螺旋叶片Ⅱ21在工作过程需要适中的粗糙度R_a2＝0.1～0.3mm，表面设计为圆柱槽的织构，织构尺寸为深H_h＝0.1～0.3mm，直径

本发明工作过程如下：

如图6这种实施例的初步分离核桃壳仁物料分布示意图所示，螺旋叶片Ⅰ20、螺旋叶片Ⅱ21、螺旋叶片Ⅲ22，将工作区域分为核桃壳输送区域、核桃壳仁分离区域、核桃仁输送区域，分别对应图中的分界线Ⅴ30左边部分、分界线Ⅴ30和分界线Ⅵ31中间部分、分界线Ⅵ31右边部分。这种实施例的工作过程可分为初步分离过程和第二次分离过程，初步分离过程为核桃壳仁物料从进料斗6输出，在风力作用下进入螺旋叶片滚筒5；第二次分离过程发生在核桃壳仁分离区域，螺旋叶片滚筒中的螺旋叶片Ⅱ21将核桃壳仁物料运至空中抛下，在风力作用下分离。

同时接通电动机和吹风机电源，在螺旋叶片滚筒5出口端观察，减速电动机9以w(w＝0.55～1.20r/s)速度顺时针转动，通过星型弹性联轴器8驱动主轴7和螺旋叶片滚筒5转动；吹风机13以径向α_c角度由螺旋叶片滚筒5进口输送风力。从进料斗6输送核桃壳仁物料，输送速率为P＝0.4～0.6kg/min，核桃壳仁物料在进料斗6中加速后以沉降速度v_t、一定的径向角度α_λ(α_λ＝α_j)被送入螺旋叶片滚筒5。

如图5这种实施例的初步分离阶段核桃壳仁物料运动分析图所示，核桃壳仁物料在风力作用下是一定初速度、一定力作用下的质点抛物运动。经过计算，如图6这种实施例的初步分离核桃壳仁物料分布示意图所示，核桃仁物料在风力输送作用下的运动路径和分布区域为分界线Ⅱ27和分界线Ⅳ29的中间区域，核桃壳物料在风力输送作用下的运动路径和分布区域为分界线Ⅰ26和分界线Ⅲ28的中间区域。根据核桃壳、仁的分布示意图，确定核桃壳输送区域、核桃壳仁分离区域、核桃仁输送区域对应的长度，即螺旋叶片Ⅰ20、螺旋叶片Ⅱ21、螺旋叶片Ⅲ22的轴向长度，分别为L_y1、L_y2、L_y3。完成核桃壳仁物料初步分离后，落入核桃壳输送区域中的物料是核桃壳，落入核桃壳仁分离区域的是核桃壳仁混合物料、落在核桃仁输送区域。

第二步分离发生在桃壳输送区域、核桃壳仁分离区域、核桃仁输送区域中。桃壳输送区域完成已分离的核桃壳物料输送，输送至螺旋叶片滚筒5的出口处进入核桃壳收集器1；核桃仁输送区域形成螺旋输送机制，完成核桃仁物料的输送，输送至螺旋叶片滚筒5的入口处进入核桃仁收集器14；核桃壳仁分离区域利用螺旋输送和气力输送相耦合的作用对核桃壳仁混合物料进行多次分离，最终核桃仁进入核桃仁输送区域，核桃壳进入核桃壳输送区域。

为完成第二步分离功能，进行以下计算：

由于核桃物料的空气动力学特性不同，当气流作用于核桃物料的混合物料时，核桃物料会因所受合力的差异而产生不同的运动轨迹。考虑到核桃物料在螺旋叶片滚筒5内的气流场中是以自由单个的形式运动的，且其形状尺寸和所受力的不同，可用悬浮速度代替漂浮系数，即悬浮速度的确定己考虑核桃物料的外形尺寸。所以，在对核桃物料进行动力学与运动学分析时，可以将单个核桃物料视为质点M。根据核桃物料的特性将其划在牛顿区段来计算。当物料的形状相近，雷诺数处于牛顿区段时，球形系数为常数。根据《农业物料学》可知核桃仁的球形系数气k＝1.78，破开不完全核桃的球形系数k＝1.21，核桃壳的球形系数k＝3.02。又因为核桃仁单粒质量m＝3.76～5.24g,ρ_s＝20.58～22.64kg/m³半截核桃单粒质量m_s＝6.41～8.13g，ρ_s＝17.63～19.57kg/m³，破开不完全核桃单粒质量m_s＝12.32～15.85g，ρ_s＝12.82～14.76kg/m³，核桃壳单粒质量m_s＝2.32～4.25g，ρ_s＝10.35～12.42kg/m³。在牛顿区段间，取阻力系数C＝0.44，空气密度ρ＝1.2kg/m³，所以根据悬浮速度计算公式：

$v_t=\sqrt{\frac{2\mathrm{mg}({\mathrm{\&rho;}}_s-{\mathrm{\&rho;}}_f)}{\mathrm{AC}{\mathrm{\&rho;}}_s{\mathrm{\&rho;}}_f}}$

式中：v_t——物料的沉降速度；

m——物料的质量；

ρ_s——物料的密度；

ρ_f——流体的密度；

A——物料的迎风面积；

C——阻力系数。

可以计算得出：核桃仁的悬浮速度变化范围为:3.34～3.65m/s，核桃壳的悬浮速度变化范围为:5.24～5.68m/s。

设计气力输送参数：

输送物料浓度：

μ_s＝G_物/G_气

式中：G_物——单位时间所输送的物料重量(kg/h)；

G_气——单位时间内通过输料管的空气重量(kg/h)。

所需风量：

Q＝G_物/μ_sγ

式中：G_物——输送量(kg/h)；

γ——空气的比重，取γ＝1.2kg/m³；

Q——风量(m³/h)。

所需风速：

v_c＝Q/60A₁

式中，A₁——出风口截面积(m²)；

Q——风量(m³/h)。

根据风速和出风口面积选择吹风机6型号。

根据螺旋叶片Ⅰ20的工作原理，要求螺旋叶片Ⅰ20将核桃壳抛向空中而且不发生轴向运动，因此要求螺旋叶片Ⅰ20具有大摩擦系数，设计直径方向夹角为μ_y1(μ_y1＝10°～20°)，轴向夹角为α_y1(α_y1＝15°～25°)，相对应的螺p₁＝1280～2240mm。

如图7为这种实施例的第二步分离阶段核桃壳仁物料运动分析图所示，核桃壳仁物料运动是一定初速度、一定力作用下的抛物运动。根据螺旋叶片Ⅱ21的工作原理，当核桃壳仁物料旋转升角β一定角度后，核桃壳仁物料应该落下。若转速过大，核桃壳仁物料不会下落。因此必须确定螺旋叶片滚筒5的转速最高极限值。在核桃壳仁物料旋转升角为β＝180°即最高点时，物料受到重力G和离心力Fc的作用，

$\mathrm{Fc}=\frac{{\mathrm{mv}}^2}{R}=\frac{{\mathrm{Gv}}^2}{\mathrm{gR}}<G$

即 $v<\sqrt{\mathrm{gR}}$

式中：m——核桃壳仁物料质量；

G——核桃壳仁物料所受重力；

R——螺旋叶片滚筒半径；

V——核桃壳仁物料运动的线速度。

而v＝2πRn/60即v＝πRn/30

式中n为螺旋叶片滚筒5转速，r/min

求得速度螺旋叶片滚筒5转速：

当核桃壳仁物料上升角β≥90°时，要求在螺旋叶片的作用下，核桃壳仁物料轴向运动。核桃壳仁物料受到重力G、离心力Fc、螺旋叶片摩擦力f₁和螺旋叶片滚筒摩擦力f₂的作用，把G分解为G·sinα_y2和G·cosα_y2两个分力，前一分力要推动物料沿螺旋叶片Ⅱ21轴向滑动，后者产生螺旋叶片摩擦力f₂。离心力Fc将核桃壳仁物料压在螺旋叶片滚筒5上产生螺旋叶片滚筒摩擦力f₁。要求：

G·sinα_y2>f₁+f₂＝μG·cosα_y2+(μGv²)/(gR)

化简得:sinα_y2>μ·cosα_y2+(μv²)/(gR)

求得螺旋叶片Ⅱ21的轴向夹角α_y2(α_y2＝33°～45°)，根据公式：

tanα_y2＝2D/p₂

式中，D为螺旋叶片滚筒直径。

可以求出相对应的螺旋叶片Ⅱ21的螺距为：

p₂＝2D/tanα_y2,p₂＝600～920mm

根据螺旋叶片Ⅲ22的工作原理，螺旋叶片Ⅲ22起到典型的螺旋输送作用，因此要求核桃仁受到的摩擦力远小于重力下落分力：

G·sinα_y3>μG·cosα_y3即α_y3>arctanμ

由于螺旋叶片Ⅲ22采用金属材料制作，摩擦系数μ＝0.1～0.2，事实上极限轴向夹角很小。但是螺旋输送的效率随轴向夹角α_y3的增大而增大，因此取α_y3＝75°～85°。

根据公式：

tanα_y3＝2D/p₃

可以求出相对应的螺旋叶片Ⅲ22的螺距为：p₃＝2D/tanα_y3,p₃＝50～220mm。

Claims (10)

1.一种气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，它包括一个螺旋叶片滚筒，所述螺旋叶片滚筒安装在一个支撑结构上，在螺旋叶片滚筒内部安装有同心的主轴，主轴两端通过各自的轴承安装在支撑结构上；

在所述主轴与动力源连接，在主轴上还设有彼此耦合的螺旋叶片Ⅰ、螺旋叶片Ⅱ、螺旋叶片Ⅲ，构成连续的变螺距螺旋输送叶片机构；变螺距螺旋输送叶片机构将所述螺旋叶片滚筒分为三个工作区域，对应螺旋叶片Ⅰ、螺旋叶片Ⅱ、螺旋叶片Ⅲ，分别为核桃壳输送区域、核桃壳仁分离区域、核桃仁输送区域；

所述螺旋叶片滚筒进口处与进料斗连接，同时在进口处还设有吹风机以及核桃仁收集器；

所述螺旋叶片滚筒出口处设有核桃壳收集器。

2.如权利要求1所述的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，所述的螺旋叶片Ⅰ材料为柔性非金属材料，表面具有十字突起形状的织构，螺旋叶片Ⅰ与螺旋叶片滚筒外壳直径方向夹角为μ_y1＝10°～20°，轴向夹角为α_y1＝15°～25°，相对应的螺距为p1＝1280～2240mm，轴向长度为Ly1＝150～220mm。

3.如权利要求1所述的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，所述的螺旋叶片Ⅱ材料为柔性非金属材料，表面具有圆柱槽形状的织构；螺旋叶片Ⅱ与螺旋叶片滚筒外壳直径方向夹角为μ_y2＝0°～7°，与轴向夹角为α_y2＝33°～45°，相对应的螺距为p2＝600～920mm，轴向长度为L_y2＝150～230mm。

4.如权利要求1所述的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，所述的螺旋叶片Ⅲ材料为金属材料，螺旋叶片Ⅲ与螺旋叶片滚筒外壳直径方向夹角为μ_y3＝0°，与轴向夹角为α_y3＝70°～85°，相对应的螺距为p3＝50～220mm，轴向长度为L_y3＝100～200mm。

5.如权利要求1或2或3或4所述的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，所述螺旋叶片滚筒包括滚筒外壳，滚筒外壳内壁设有滚筒内垫，两者固连；螺旋叶片滚筒两端分别设有出料端滚筒挡环和进料端滚筒挡环。

6.如权利要求1或2或3或4所述的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，所述各螺旋叶片通过多个连接筋片与主轴焊接，连接筋片互相成90°，一端焊接在主轴上，与主轴径向成角度α_i＝15°～30°，旋向为右旋，另一端焊接在螺旋叶片滚筒内壁上；连接筋片焊接水平位置距螺旋叶片滚筒物料进口端的距离为L₁＝200～220mm。

7.如权利要求1所述的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，所述的进料斗固定在支撑结构上，水平方向上进料斗输出口与螺旋叶片滚筒的距离为L_j1＝0～30mm，竖直方向上进料斗输出口型心距主轴轴心距离为L_j1＝40～60mm，进料斗输出口输出物料方向与水平方向夹角为α_j＝15°～60°。

8.如权利要求1所述的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，所述动力源采用减速电动机，它通过星型弹性联轴器与主轴连接；所述的减速电动机转速为w＝0.55～1.20r/s，通过螺栓固定在电动机底座上，电动机底座相对应的螺孔为长径通孔；与螺栓配合的螺母采用自锁螺母；所述的电动机底座左端通过螺栓固定在支撑机构上实现垂直方向定位和竖直方向定位，再通过电动机底座支架实现轴向定位；与螺栓配合的螺母采用自锁螺母。

9.如权利要求1所述的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，所述的吹风机水平方向出风口与螺旋叶片滚筒的距离为L_c1＝0～50mm，竖直方向吹风机出风口与主轴轴心的距离为L_c2＝0～30mm，吹风机出风口的输出风力方向与水平方向夹角为α_c＝5°～20°；吹风机通过螺栓固定在支撑机构上，与螺栓配合的螺母采用自锁螺母。

10.如权利要求1所述的气力与柔性螺旋叶片耦合的核桃壳仁滚筒双向分离装备，其特征是，所述核桃壳收集器通过螺栓固定在支撑机构上，固定位置为螺旋叶片滚筒出口下方；核桃仁收集器通过螺栓固定在支撑机构上，固定位置为螺旋叶片滚筒进口下方；核桃壳收集器上方还有固定在支撑机构上的核桃壳收集罩；核桃壳收集罩上设有主轴穿过的通孔。