手剥山核桃破壳机械及烘制自动控制系统的设计研究

手剥山核桃破壳机械及烘制自动控制系统的设计研究 独创性声明 本人声明所呈的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另,，,,以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:,趁翌 签字日期:?，,年„月,日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文件，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽农业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，收录到《中国学位论文全文数据库》，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，向社会公众提供信息服务。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)。 ，学位论文作者签名:毖至二签字日期:,伽年多月, ,，学位论文作者毕业后去向:工作单位: 电话:通信地址: 邮编: 小,,, ，, ，, ，，，， ， ， ， ,,,,,, ， ， 要 山核桃是皖南山区的主要经济作物之一，具有极高的食,, ,,,,,, 摘 用价值与经济价值，我省现有山核桃生产加工企业数千家。近年来市场上十分火爆的手剥山核桃，因食用方便，深受消费者喜爱。然而手剥山核桃基本是由人工加工而成，效率低、劳动强度大且加工成本高。本文从山核桃的破壳和烘制两个方面着手研究，以提高手剥山核桃生产效率和产量，这对促进当地农村经济的发展和提高当地农民收入意义重大。 本课题的研究内容主要分为三个部分:一、研究山核桃破壳的力学特性与烘制的干燥特性;二、设计手剥山核桃破壳机与建立三维样机模型，对关键部件进行有限元分析;三、设计手剥山核桃烘制过程中的自动控制系统，提高烘制的自动化水平。 通过分析研究坚果的破壳机理与传统的山核桃加工工艺，手剥山核桃的破壳方式选择为:敲击方式破壳。在,,,,,,,，,,,,软件中建立山核桃的模型，利用,,,,,,, ,(,软件对该模型进行有限元分析，得出山核桃在与敲击臂线接触方式下，敲击破壳的力学特性，为破壳方法的选择提供理论依据。 研制了基于机械敲击方式的实用高效手剥山核桃破壳机样机。该机采用仿生机械敲击臂迅速敲击山核桃使其破壳，即用恰当的机械力把山核桃的外壳敲裂而不碎，同时不影响果仁的完整性，达到“手剥”的要求。通过实验，寻找出破壳前对山核桃进行蒸煮预处理的途径，来提高样机的破壳效果。 利用,,,,,,,，,,,,软件强大的建模功能，构建了手剥山核桃破壳机样机的零部件模型。利用软件提供的“组件(设计”功能，定义各个零部件之间的相对位置关系和运动关系，完成样机的装配模型。并对样机的关键部位进行有限元分析，找出应力集中部位，以便对其实行进一步的优化。 以宁国山核桃为研究对象，对烘制过程中影响山核桃含水率的主要因素:干燥时间和干燥温度进行了试验，分析实验数据，得出含水率与两者之间关系曲线，确定山核桃的安全烘制参数。在实验结果的基础上，设计出手剥山核桃烘制自动控制系统。关键词:手剥山核桃，机械击打方式，破壳机，三维模型，有限元分析，烘制，温度自动控制,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,(,,,,,,,,,, ,,;,,,,;,, ,,, ,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,,,,;,,,,,,,, ,,,,, ,,;,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,，,,,, ,, ,, ,,,，,,,,, ,,,,,,,,,,,,,;,,,,;,, ,,,;, ,, ; ,,;, ,,;,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,;,,，,,,;, ,,,,,,,, ;,,;,, ,, ,,,,,, ,,,, ,, ,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,？,,,,,,,,(,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,，,,, ,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,,,, ,,,,;, ,,, ,,,, ,,,,, ,,, ,,,, ,,,;,,,,,, ,,, ,,;,,,, ,,,,,( ,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,, ,, ,,,, ,,,,,,;,,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ;,,,,,, ,,, ,,,,，,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,;,,,,,,,, ,,;,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,(, ,,,,,,,,,,, ;,,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,, ;,,;,,,,,, , ,,,,,,,，,,,,，,,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,( , ,,,,,,,，;,,,,,,;, ,,, ,,,,, ,,, ，，，，， 目 录 摘要………“…………………???…………………………………“………“”?， ,,,,,,;,????????????????????????????…??????????(?????????????????????????????????????????????，， 目录…………………………………………………………………………………? 插图 附表清清单……………………………………………………………………………?单……………………………………………………………………………? ,( 绪论……………???……………”?…??……………???……???………………?, ,(,课题背景………………………………………………………………………, ,(,手剥山核桃简介………………………………………………………………, ,(,山核桃破壳机械现状………? ?,(,手剥山核桃加工工艺简介及烘制技术现状…………………………………, ,(,研究内容和意义………………………………………………………………,,( 山核桃破壳机理研究及力学特性分析…………………………………………, ,(,引言……………………………………………………………………………, ,(,破壳方法及机理的研究………………………………………………………, ,(,(,破壳的目的、要求和方法………………………………………………, ,(,(,常用坚果破壳方法及其机理……………………………………………, ,(,手剥山核桃破壳设计方案…………………………………………………, ,(,(,山核桃的果实特征………………………………………………………, ,(,(,破壳方法选择…………………………………………………………,, ,(,敲击方式下山核桃破壳力学特性的有限元分析…………………………,, ,(,(,有限元分析技术简介…………………………………………………,, ,(,(,山核桃力学分析模型…………………………………………………,, ,(,(,山核桃力学特性有限元分析…………………………………………,, ,(,小 结……???…………………………”?……………?…………?…??……??,,,( 手剥山核桃破壳机的基本原理及组成………………………………………,, ,(,引言…………………………………………………………………………,, ,(,手剥 山核桃破壳机与主要机构的设计……………………………………,, ,(,(,输送机构………………………………………………………………,, ,(,(,破壳机构………………………………………………………………,, ,(,(,传动机构………………………………………………………………,, ,(,山核桃破壳前的预处理……………………………………………………,, ,(,结果与分析…………………………………………………………………,, ，, ,(,(,实验材料………………………………………………………………,, ,(,(,实验方法………………………………………………………………,, ,(,(,试验结果与分析讨论…………………………………………………,, ,(,(,手剥山核桃破壳机设计创新点………………………………………,, ,(,结论…………………………………………………………………………,, ,( 手剥山核桃破壳机实体模型的建立…………………………………………,, ,(, 引言…………………………………………………………………………,, ,(,手剥 ,(,(, ,山核桃破壳机样机的设计……………………………………………,,,,,,,,，,,,,软件及其特点…………………………………………,, ,(,(,手剥山核桃破壳机样机三维实体模型的建立………………………,, ,(,敲击臂的有限元分析………………………………………………………,, ,(,小结…………………………………………………………………………,,,( 山核桃干燥特性的试验研究…………………………………………………,, ,(,引言…………………………………………………………………………,, ,(,干燥简介……………………………………………………………………,, ,(,(,干燥的目的及意义……………………………………………………,, ,(,(,干燥方法………………………………………………………………,, ,(,山核桃干燥的试验及分析…………………………………………………,, ,(,(,实验材料………………………………………………………………,, ,(,(,试验方法………………………………………………………………,, ,(,(,实验仪器………………………………………………………………,, ,(,(,试验结果与分析………………………………………………………,, ,(,，,、结”…………………………?………………………………………??…?,,,( 手剥山核桃烘制温度自动控制系统…………………………………………,, ,(,引言…………………………………………………………………………,, ,(,手剥山核桃烘制自动控制系统总体方案…………………………………,, ,(,(,烘干设备组成…………………………………………………………,, ,(,(,总体控制方案…………………………………………………………,, ,(,手剥山核桃烘制温度自动控制系统设计…………? 矗?,(,(,温度控制原理…………………………………………………………,, ,(,(,电器线路设计…………………………………………………………,, ,(,小结…………………………………………………………………………,,,( 结论与展望……………………………………………………………………,, ,(,论文主要结论………………………………………………………………,, , ,(,展望…………………………………………………………………………,,参 考文献……………………………………………………………………………,,致谢????…”???…?????……………………………………………………?………,,作者简介……………………………………………………………………………,,攻读硕士学位期间发表的学术论文目录………………………………………,, ,，图,,,普通山核桃图,,,美国山核桃图,,,撞击式剥壳图,,,碾搓法剥壳图,,,剪切法剥壳图,,,挤压法剥壳图,,,山核桃的外图,,,敲击法破壳图,,,山核桃一半与完整实体模型………………………………………………,,图,,, ,,,，,,,单元形…………………………………………………………,,图,,,山核桃网格划分……………………………………………………………,,图,,,,山核桃的受力图……………………,?, ,………………………………,,图,,,,,,, ,,,,,等效应变云 图…………………………………………………,,图,,,,,向变形云图…………………………………………, ,?………………?,, ,图,,，手剥 图,,,破壳山核桃破壳机样机外观图……………………………………………,,机结构示意图…………………………………………………………,,图,,,拨料轮……………………………,, ,?,????, ,………………………………,,图,,,带矩形型凹槽的喂料滚筒…………………………………………………,,图,,,带半球形凹槽的载料滚筒…………………………………………………,,图,,,输送机构示意图……………………………………………………………,,图,,,输送机构示意图……………………………………………………………,,图,,,压杆滚筒……………………………………………………………………,,图,,,敲击臂………………………………………………………………………,,图,,,,带传………………………………………………………………………,,图,,,,齿轮传动系统……………………………………………………………,,图,,,处理机样机零件构成图……………………………………………………,,图,,,处理机样机机架……………………………………………………………,,图,,,物理参数设置窗口…………………………………………………………,,图,,,电动机部件…………………………………………………………………,,图,,,带传动部件…………………………………………………………………,,图,,,链轮、齿轮部件……………………………………………………………,,图,,,山核桃输送部件……………………………………………………………,, ?， 一,破壳部件……………………………………………………………………,,图,,,手剥山核桃破壳机整机模型………………………………………………,,图,,,,敲击臂网络划分图………………………………………………………,,图,,,,敲击臂应变云图…………………………………………………………,,图,,,,敲击臂应变云图…………………………………………………………,,图,,,,敲击臂变形云图…………………………………………………………,,图,,,加工生产线示意图…………………………………………………………,,图,,,山核桃干燥曲线……………………………………………………………,,图,,,山核桃干燥速度曲线………………………………………………………,,图,,,温度与干燥需要的时间图…………………………………………………, ,图,,,干燥成套设备结构示意图…………………………………………………,,图,,,电热棒………………………………………………………………………,,图,,,干燥成套设备结构示意图…………………………………………………,,图,,,干燥成套设备结构示意图…………………………………………………,,图,,,干燥成套设备结构示意图…………………………………………………,, 附?砬宓ケ恚常 鄙胶颂彝芽切 Ч 玻?,?， , 绪论,(,课题背景 本课题为安徽农业大学工学院与宁国市长乐林产品开发公司协作项目。山核桃是皖南山区的重要经济作物之一，主要分布于宁国、歙县、绩溪、旌德等县。我省现有山核桃生产加工企业数千家，然而从材料净化、高温脱涩、破壳取仁、调液配味、烘烤包装到出厂检验，基本是由手工操作完成，生产加工效率低、劳动强度大且加工成本高。近年来市场十分火爆的手剥山核桃，因克服了山核桃外壳坚硬、食用不便的难题，深受消费者喜爱。在手剥山核桃加工过程中，原料的破壳处理是一道关键的工序。但由于山核桃外形不规则，壳的质量所占比重较大，壳体由纤维素和半纤维素组成，坚硬、难以剥离，所以破壳难度较大。手剥山核桃加工的机械化及自动化水平较低，破壳时需大量劳动力的现状，严重限制了手剥山核桃的产量。同时在手剥山核桃的加工过程中，另一重要工序一干燥，也多为家庭作坊式，通过灶台人工炒制。所以研制手剥山核桃破壳机械与烘制自动控制系统，提高手剥山核桃加工的机械化与自动化水平，对提高生产效率与增加产量，促进当地农村经济发展、农民收入提高有重要意义。,(,手剥山核桃简介 山核桃(,,,,, ;,,,,,,,,,, ,,,,)是古老的孑遗树种之一，被称为活化石，是重要的木本油料作物，其果实是世界性著名干果。山核桃属(,,,,, ,,,,)是胡桃科(,,,,,,,;,,,)中演化最高级的属，全属约有, ,种，,个变种，分布遍及亚欧美等洲,?。 我国山核桃主要分布于皖浙交界的西天目山脉，属于稀特产品，是安徽的主要经济作物之一。全省山核桃面积从,,世纪,,年代的,,,,,,,，经多年的发展，现面积达,万,,,，常年产量在,,,,,,一,,,,,，大体分布于皖南山区和皖西大别山区。其中皖南山区，宁国市约有,(,,万,,,，主要栽培在天目山系的南极、庄村和胡乐等,,个乡镇，歙县约有,,,, ,,,，主要栽培在三阳、竹铺、英坑、金川等,乡镇;绩溪县近,,,, ,,,，主要栽培在荆州、杨溪和校头等,个乡镇;黟县、黄山区、旌德等地也有少量栽培砼,。 山核桃生长于气候优越、土壤肥沃、植被茂盛的自然环境中，属纯野生果类，集山地之灵气哺育而成，是营养丰富、无公害污染的天然绿色食品。山核桃是植物性食物，具有丰富的不饱和脂肪酸，是动物性蛋白质食物的极佳代替品【,】。经测定，山核桃坚果千粒重, ,,,”,, ,,,,，出仁率,,(,,,,,(,,，干仁含油率,,(,,,,,(,,，蛋白质含量,(,,,,(,,，氨基酸含量高达,,,，其中人体必须的 氨基酸占,种。山核桃果肉中还含有,,种矿物质元素，特别是钙、钾、锌含量 大大高于一般干果仁。山核桃果仁含油率是木本油料中最高的一种，且油的碘价、 皂化值高，油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸含量占,,(,,,,,,(,,,，超过油茶, 倍，也比世界著名食用油——橄榄油的含量高，饱和脂肪酸及廿碳以上难消化脂 肪酸含量极微，是易消化和防治高血脂、冠心病的优良食用油，药用上有润肠、 滋补功效，长期食用还对癌症具有一定 的预防效果,,。 山核桃的产品主要有千果、山核桃仁、山核桃油，其它系列产品仍处于研究 开发阶段，尚未形成大规模产业。干果加工较其他深加工产品简单。其主要加工 工艺如下:采摘一去外果皮(脱蒲)一筛选一晾晒或烘干一蒸煮一配料—炒制一 形成系列产品。干果的主导产品有:椒盐山核桃、五香山核桃、奶油山核桃等。 它们保留了山核桃特有的香味和果型，但由于山核桃的果壳坚硬，核桃肉深嵌在 坚硬的壳罩，食用时很不方便，通常要需要用到一些专门的辅助工具如:专用的 山核桃钳，其消费对象主要限于年轻人。产品的包装多为大袋简易包装，开启后 易受潮变质。此外对上述产品加工的原料配方、工艺流程、制作方法、质量标准 等缺乏系统研究。山核桃仁系列小包装产品，在一定程度上克服了上述不足，但 加工过程中需进行壳仁分离，且味道仅限于椒盐、奶油，并且在加工过程中加入 过量的糖等调味品，失去了山核桃特有的清香峨”。 (，)普通山核桃干果产品 (,)手剥山核桃产品 图,,,普通山核桃干果产品与手剥山核桃产品外观 ,,,(,,, ,,,,,;,,,,毪,?,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,, 由于山核桃的外果壳坚硬，平均厚度在，,,以上，山核桃仁深嵌在坚硬的 壳里，食用时很不方便，通?, 枰 玫揭恍? 诺母ㄖ工具如:专用的山核桃 钳。近年开发的手剥山核桃解决了这个问题，深受市场的青睐 图,(,为普通山核桃干果产品与手剥山核桃产品的外观。手剥山核桃改变了 原有山核桃外壳坚硬难咬的特点，品尝时去除外壳如同花生剥壳一样，既方便又 卫生且不失雅观;同时采用传统加工技术精制而成，具有香、脆、酥、口味浓等 ,, ，特点;且颗颗饱满粒粒结实，是休闲、娱乐的健康食品。尽管其价格比普通山核桃高出,,,，仍获得消费者的喜爱，市场前景十分火爆。,(,山核桃破壳机械现状 大面积商业性栽培且在国际市场最畅销的品种为美国山核桃(,,;,,)阳,。美国山核桃(又名长山核桃)见图,(,，果实呈长圆形或卵形，长约,厘米，外果皮薄，裂成,瓣，破壳取仁容易，长山核桃在我国尚无加工商品生产，在美国经工厂进行分级，清洗，碎壳后，果仁多为制作糖果，面包，冰淇淋或小食品的原料„,,。 国外加工山核桃和食用山核桃食品的历史都比较久远，山核桃一般用于制作馅饼、沙拉、蛋糕和饮料等多种食品如胡桃派。此外还广泛用于药品和化妆品的生产。与我国山核桃品种相比，美国山核桃具有壳薄易取仁，适于机械加工的特点叫。 图,,,荚国山核桃 ,,,(,,, ,,,,,;,,,,,,,,,;, ,,,,;,, 从,,,,年起，美国山核桃,,,以上的山核桃都为去壳销售，一些大型山核桃去壳工厂全年加工，其他小型工厂或农场为季节性加工，最普遍的在秋季的几个月。大型的山核桃加工工厂有,,台以上的大型脱壳机械，每天可加工山核桃,,万磅，一季度可达,,,,万磅。这些工厂的储存室通常都带有冷藏设施。大型的工厂可有储存几百万磅加工和未加工的山核桃,,?,?。山核桃从进厂到出厂基本为自动化流水线或半自动化流水线生产。 ,、带有振动筛、吹风机的分级装置:对山核桃按果径进行分级。 ,、清洗设备:带有超大体积的容器，以便对山核桃进行清洗、杀菌，为山 核桃脱壳做准备。.