1、 设计方案的拟定杏核物理特性分析杏核外形为不规则的扁壳状球体，其形状如图 2-1 所示。由于杏核破壳加工时采取宽度方向上两侧面对挤的破壳方式，因此应该按照杏核的宽度进行分级。杏核的宽度随品种的不同有很大的差别，同一品种的宽度值基本上在一定的尺寸范围内，取三门峡地区所产的甜杏核 257 粒进行测量、统计和分析，杏核宽度尺寸分布表 2-1 所示。杏核所特有的物理特性主要有：杏核的外形为不规则的扁壳状球体，外壳坚硬，沿厚度方向为凸起的球面状，表面光滑；沿宽度方向逐渐收为棱状，表面比较粗糙；而长度方向则配合着宽度和厚度方向的收缩逐渐变尖；另外杏核的平均个体的质量比较小，比重也不大。个体与个体在比重上差
2、别甚微。由该表可以看出,甜杏核宽度分布范围为 1321mm，其中宽度在 1420mm 范围内的粒数占测定总粒数的 96%以上，因此可以设计一台分级装置，对该种杏核按宽度尺寸来进行分级。由以上统计结果可知杏核的长度尺寸为最大尺寸，厚度尺寸为最小尺寸，宽度尺寸为中间尺寸。2 杏核分级方案设计我国生产使用的筛分设备有 200 多个品种，在矿山工业和建材工业中，使用筛分机械对矿物原料和建筑材料进行分级，已经有几百年的历史。由于分选的对象和分选的要求的不同，分级机械和分离机械的种类很多，结构形式也各异，但是就其原理和方法来看，却有很多的相似之处，都是利用分选对象的各组成部分的物理机械特性的差异来加以区分
3、，如尺寸、重量、密度、形状等进行分级或除去杂质等异物。常规的圆孔筛面的平面往复筛、滚筒筛、风选设备等应用于杏核的筛分，均效果不够好。为了达到杏核按宽度分级这一特殊要求，该课题设计了一种新型的杏核分级设备。该分表 2-1. 杏核的宽度分布分布区间 个数 平均粒径 /mm 百分率%( 13.0,14.0) 8 13.42 3.1114.0,15.0） 28 14.42 10.8915.0,16.0） 52 15.48 20.2316.0,17.0） 80 16.48 31.1317.0,18.0） 50 17.50 19.4618.0,19.0） 27 18.45 10.519.0,21.0） 1
4、2 19.71 4.67长度范围：19.5028.00mm平均长度：23.2mm；宽度范围：13.0020.20mm平均宽度：16.50mm；厚度范围：8.0012.20mm平均厚度：9.52mm；个体质量范围： 0.62.2g平均质量：1.6g图 2-1 杏核的外轮廓形状级设备与以往的筛分机械在原理上有根本的区别。避免了传统筛分机械所存在的问题。要想把杏核仅以宽度尺寸分成若干等级，就必须让杏核在保持某种姿态通过不同尺寸的孔或槽以达到分级的目的。由于杏核的宽度尺寸介于长度和厚度尺寸之间，所以要想对达到理想的分级效果，保持杏核的姿态就极为重要。当杏核仅受重力时，处于相对稳定状态，其凸起的球面与支
5、撑面接触，杏核被置于倾斜平面上时，根据势能最低取向的原则杏核必然如图 2-2所示运动。而杏核质量小，仅靠重力来保持其姿态，很容易受到干扰，姿态不易控制。为使杏核的姿态保持稳定，考虑杏核在仅受重力时的自然状态以及科氏加速度的形成原因，设计如图 2-3 所示的结构。在一个转动的圆盘上沿径向方向且垂直于盘面固定一开槽长形薄板。当杏核由近轴处进入盘面后，相对速度的存在及势能低取向原则，杏核将贴于板上，这时由于离心力作用，杏核沿径向方向和薄板产生相对滑动。这样，由于在该相对运动中牵连运动为转动，杏核就会有一个科氏加速度。产生加速度的力为薄板对杏核的反作用力。随着杏核沿径向方向向外滑动，该作用力就会越来越
6、大。这样杏核的状态就类似于其仅受重力时的自然状态。于是其凸起的球面就会紧贴上向外滑动。薄板槽的宽度 h若与杏核的宽度尺寸适应，长度尺寸 l 适当，则当杏核运动经过槽形间隙时，杏核即由该槽中分出。径向薄板的径向槽宽度 h 按照表 1-1 所示尺寸区间设置，将可以达到杏核按宽度尺寸分级的目的。该方案原理简单，容易实现，每个杏核在分级的过程中都是相互独立的,不相互干涉。其分级过程是逐个进行的,所以说该分级方法的分级效果良好。由于转盘角度范围大，可安装多个分级板，实现多工位的同时工作，从而提高生产效率。该方案实现杏核分级是一种行之有效的方法。三、杏核分级设备的运动及动力学设计1 分级转盘转速 的确定杏
7、核分级设备的执行部分中，运动部件有转轴、转盘、分级板。在实际的工作过程中，三者是固接在一起的，具有相同的转速 。转速达到一定值时，杏核将紧贴于分级板上，如图 2-3 所示，为一绕轴匀速转动的转盘，当把杏核沿离转轴一定距离的位置静止投入，由于杏核和转盘之间存在着相对速度，杏核就会在转盘上滑动,直到与分级板接触.此时杏核受到离心力 F、重力 G 及分级板的反作用力 T，上支反力为 0，其中离心力促使杏核沿分级板所在的径向方向向外滑动，随着杏核沿分级板示意图径向方向的向外滑动，在圆周切线方向杏核和转盘的速度达到一致，在杏核向外滑动的过程中，杏核将受到科氏加速度。产生加速度的力是分级板对杏核的反作用力
8、 T。且该力随着杏核的向外滑动时相对分级板速度的变大而增大，由于 T 的存在 ,使得杏核的弧形球面紧贴着分级板。下面根据该分级方法的特征来确定 的值。杏核在分级槽中临界状态时位于半径 R处， ，槽的上边缘对杏核的作用力为零，受力分析如图 3-1 所示，由受力平衡条件可得：图 2-2 杏核自由状态图 2-3 杏核姿态保持结构hlTcos =G ， Tsin =F ， Fa=Gc其中： F=m 2R ,杏核外形尺寸 13a20，1c5,杏核重力G=1.610-39.8N， max=21.01，根据结构尺寸限制，可取 R 为100mm。 Fmax=G0.05/0.13=0.0603N， Tmax=
9、0.0168N 计算得 : min=6.22rad/s 或 nmin =59.4rpm由此可知，要使杏核在分级过程中能够保持正确的姿态，就必须满足该转速 或 n。2 杏核在分级板上滑动时间及对分级板的作用力分析假设杏核是由距圆心 O 点 a0 处垂直放入，取 a0=0.1r，根据整机结构取 r=400mm，忽略摩擦影响，以分级板及转盘建立动参考系 oxyz，加速过程中杏核受力如图 3-2 所示，建立相对运动动力方程： (1) d2122 gcgeFFNmgtx/m其中：m 为杏核质量，x 为杏核的绝对位移，r为转盘半径，t 为杏核由 a0 到 r 经过的时间，g 为重力加速度，N 为垂直支反力
10、。将(1)式投影到 x 轴上有： 2x令 ，则 vr分离变量并从 a0到 x=r 积分可得： 将上式分离变量并从 0 到 t 积分得：将(1)式投影到 y 轴得： xmFgc 22 xvr20avr可见 F2随 的增大而增大。F2 =F=6.0310-3N 分级板离开转盘及分级板边缘时： t=1s 时， =2.56rad/s ， vr=1.018 m/st=0.5s 时,=5.13rad/s ， vr=2.041 m/s根据 3.1 节要求 =6.22rad/s ，此时 vr=2.041 m/s ，t =0.48s四、机械结构设计1 分级板的设计按照后续加工要求，把杏核的基本尺寸按宽度分成五个
11、等级如下：表 4-1 宽度尺寸级别 /mm2axdtvrtvtrrd 02ln1rt图 3-1 杏核分级过程稳定姿态受力分析r图 3-2 杏核受力分析图13.014.50） 14.50-16.00） 16.00-17.50） 17.50-19.00） 19.00-25.50）由此可在分级板上开设四个尺寸的分级槽并顺次连接，如图4-1 所示，由于杏核在分级板的滑动过程中最高速度为 2.041m/s，杏核滑动时其长度方向应与分级板平行。今取每一个分级槽的长度为l = 2.5a,其中 a 为杏核的平均长度，则 l58mm。分级槽的总长度 L4l232mm。为了保证杏核前进到分级区之前姿态调整准确。
12、，设计杏核姿态辅助调整结构，如图4-2 所示在杏核进入到分级区前，在分级板上下两处各加一柱状小凸起，这样如果杏核长度方向与分级槽中心线有一定夹角时，由于杏核长度尺寸比较大，杏核的一端就会碰到柱状凸起，使得杏核偏转一定的角度以确保姿态正确。2 转盘及分级板的分布结构设计杏核由下料颈进入转盘近轴区，然后在转盘上滑动并迅速贴到分级板上，以实现分级。为保证多工位工作，圆周均布 8 块分级板，为防止两工位之间发生干涉，设置径向挡板及周向挡板，对应区域转盘开槽，并接接料斗。结构如图 4-3 所示，可参阅装配图。转盘与支架螺钉联接，通过支架及其间的键与减速装置的输出轴联接，实现动力的输入。如图 4-4 所示
13、。3 分料斗的设计分料斗用来接收由分级槽中分级成功而飞出的杏核。每一分级板上有四等分级槽，对应分料斗有四个，每一个分料斗在尺寸上应能保证杏核的顺利漏出，不能出现堵塞现象，由于分料斗与转盘之间为固定联接，随转盘旋转。不同宽度尺寸的杏核由分料斗经斜圆环状接收槽进入各自容器，实现分级。分级下料颈的设计由于分级检查对象是单个杏核，下料时应保证杏核有次序的进入到分级板而不互相干涉，下料颈的设计应能满足以上要求。转盘上同时工作的工位为八处，为保证每一时刻每一分图 4-1 杏核分级板结构图30126图 4-2 杏核姿态辅助调整结构图 4-5 下料颈的结构图 4-3 转盘及分级板分布结构图 4-4 转盘支架级
14、板都处于工作状态，下料孔设计八个，每一下料孔都设有一定的空间来保证单个杏核顺利下料。由于工作中分级板作匀角速转动，而下料颈静止不动，为防止杏核在下料颈和分级板之间卡死，造成设备的损坏和杏核的破碎，在杏核的下料口处设置搅动装置，即以转盘的传动轴为动力带动下料颈转动芯，起到送料作用。下料颈的结构图如图 4-5所示。5 下料斗的设计下料斗置于下料颈之上，为漏斗状容器，为了保证杏核快速、持续下料，漏斗的母线与水平线要有一定的夹角，同时为保证装料频次适当，应保证 h，如图 4-6 所示。设杏核的质量为 m，它和漏斗内面的摩擦系数取 =0.2。仅考虑重力影响，对杏核建立图 4-7 所示受力分析模型，由受力
15、平衡条件得：Gsin =f ， f=N ， Gcos =N要使杏核能够顺利的自然滑下，必有：f 11.31取 =15，以保证杏核的快速下滑。下料斗下料量的计算：由图可知 R=r+h/tg75料斗体积为：当 h=500mm 时，V=2.76810 7mm3，杏核通过料斗所需时间 t=5 分钟当 h=450mm 时:V=2.21710 7mm3 杏核通过料斗所需时间 t=4 分钟当 h=400mm 时:V=1.742 107mm3 杏核通过料斗所需时间 t=3.19 分钟选择 h = 400mm，假设单个杏核的体积为其三维尺寸所组成长方体的 90%，经计算分级生产率约为 140kg/h。6 接收槽
16、的结构设计杏核由分级斗漏出来后，接收槽将不同尺寸范围内的杏核各自收集起来。分料斗是随转盘一起转动的，其轨迹为圆。如图 4-8，为使每一分级成功的杏核都能被接收，那么每一级别的杏核都需一个环形的接收槽。杏核共有五个级别，则接收槽有五环，同时槽底面倾斜 =30。在每一环形槽的最低处开孔，使得各级别的杏核经各自的孔进入集料斗。五、结论本文通过大量的实际分析，掌握了杏核的基本物理特性。然后提出了几种对杏核进行分级的分级方案，在对这几种方案进行了讨论之后，设计了一种新型的杏核分级原理，依照该分级原理，进行了详细的运动学、动力学分析，通过计算确定了主要零部件的尺寸参数，对这种新型的按杏核宽度尺寸实现分级的
17、设备进行了详尽的整机结构设计。该图 4-7 下料斗计算模型h图 4-6 下料斗的设计h图 4-8 接收槽的结构简图hhRrhhV 1.305.02.3 232 设备主要由下料斗、转盘、分级板、分级斗、接收槽、转轴、支架、减速器、电机等组成。通过理论分析和模拟试验，该杏核分级设备的分级效率高，分级效果很好，分级工作效率为 140kg/h。参考文献：1 刘鸿义. 材料力学，第三版. 北京: 高等教育出版社，1992. 2 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学, 第三版.北京: 高等教育出版社,1997.3 成大先等. 机械设计手册，第三版 .北京: 化学工业出版社,1993 4 王峰,王皓. 筛
18、分机械. 北京: 机械工业出版社,19985 沈林生. 农产品加工机械. 北京: 机械工业出版社,19936 廖林清，王化培，石晓辉等. 机械设计方法学. 重庆:重庆大学出版社, 1996The design of a series of machines that crush the almond nut and take out almond-grading machineYang guanyin Liu zhuliAbstract: almond nut is edible and medicine. The traditional grading and crushing machin
19、e depend on the thickness of the almond nut, so the percentage of crushed almond is very high in later processing and the quality of almond product is debased. In this thesis, on a base of measuring and analyzing the physical characteristics of almond nut and simulative experimentation and particular calculating and analyzing, we finish the design of grading machine which is one of a series of machines that crush the almond nut and take out almond. The results show that this machine has great grading capability.Key words: almond nut; width, grading
